Джим Бауманн, компания Esri
Mineral Exploration from Space
Достижения в области получения, обработки и анализа гиперспектральных изображений позволяют получить большой массив полезной информации, необходимой для разведки полезных ископаемых и разработки их запасов. А сочетание данных дистанционного зондирования и широких возможностей геоинформационных технологий (ГИС) дает огромные преимущества для развития бизнеса горнорудных и нефтегазовых компаний, деятельности других организаций, связанных с этими отраслями хозяйственной деятельности. В статье рассказано об успешном опыте одной из компаний, занятой предоставлением услуг и выполнением тематических исследовательских проектов на основе многозональных спутниковых снимков высокого разрешения и ГИС-платформы ArcGIS.
Хотя технологии дистанционного зондирования стремительно совершенствуются, не любой спутник может получить изображения такого качества, которое необходимо для точного определения мест, в которых следует вести поиск месторождения медной руды, цинка и других полезных ископаемых. Несмотря на постоянное развитие и распространение космических технологий, пока имеется всего несколько спутников, изображения с которых по своим качественным характеристикам, разрешению и спектральному диапазону могут быть полезны в геологоразведке.
«Очень немногие спутники, в настоящее время вращающиеся вокруг Земли, позволяют измерять характеристики горных пород, минералов, почв и растительности в масштабах, необходимых для горнодобывающей и нефтяной промышленности», – говорит Дэн Тараник, управляющий директор компании Exploration Mapping Group, Inc. Эта независимая компания, базирующаяся в Лас-Вегасе, штат Невада, специализируется на предоставлении связанных с дистанционным зондированием сервисов для организаций и компаний, занятых в сфере разведки и добычи природных ресурсов по всему миру. В числе прочего, она занимается поставкой, в том числе в формате пакета карт, готовых продуктов клиентам, которые работают с данными в ПО Esri.
А сам Тараник имеет хорошую подготовку и глубокие знания в данной области, у него за спиной более чем 30-летний опыт работы в горнодобывающей и нефтяной промышленности. Являясь опытным ученым-геологом с мировым именем, он знает толк в разработке систем, позволивших достичь бизнес- и финансовых целей многим международным компаниям, занимающимся разработкой природных ресурсов, включая такие известные бренды как Rio Tinto, Anglo American и BHP. В целом, под его руководством и с его участием уже выполнены важные проектные работы более чем в 40 странах. Долгое время он был председателей группы многочисленных пользователей программных продуктов Esri из горнодобывающей отрасли, является сотрудником геологического общества и геологической ассоциации США, членом ассоциации нефтяных геологов, общества экономических геологов.
«Подавляющее большинство запускаемых в настоящее время космических аппаратов – это малые спутники, которые представляют собой простые системы, осуществляющие съемку в красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном диапазонах. Они не позволяют выявлять конкретные глинистые и железистые породы, являющиеся ключом к обнаружению новых минеральных и углеводородных ресурсов, – говорит Тараник. – Малые спутники хороши для получения цветных изображений на определенной территории, но их оборудование не позволяет обнаруживать определенные минералы, связанные с отложениями меди, золота и алмазов, и находить признаки вегетационного воздействия на отдельных растениях и деревьях».
Поэтому для получения изображений компания Тараника в основном использует данные системы WorldView ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), Sentinel и другие приборы промышленного уровня с 15 и более спектральными каналами высокого разрешения.
Минеральные рубежи
Дистанционное зондирование применяется для изучения минералов в течение многих лет. Сначала стали выполнять аэрофотосъемку областей, в которых в значительных количествах был обнаружен какой-то минерал. Эти изображения сравнивались с изображениями других мест с похожими обнажениями. Аналитики изображений изучали два набора снимков и пытались определить вероятность того, что в этой новой области также будет содержаться тот же минерал, после чего для дальнейшего изучения и оценки района отправлялись полевые экспедиционные группы.
После Второй мировой войны начала активно развиваться технология спутниковых сенсоров, и появились радарные и инфракрасные камеры. Эти новые сенсоры имели огромное преимущество по сравнению с обычной аэрофотосъемкой – способность видеть сквозь облачный покров и другие преграды. Однако аналитики в области дистанционного зондирования, работающие с этими новыми спутниковыми изображениями, все еще полагались на прежние методы сравнения и контрастирования, которые применялись в ранних аэросъемках: в основном они искали участки с такими же характеристиками, что и у уже известных месторождений.
Затем по инициативе специалистов Геологической службы США (USGS) Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) были запущены спутники Landsat, которые непрерывно собирали данные в течение почти 50 лет. Кроме того, есть еще около 15 стран и организаций, которые впоследствии запустили свои собственные научно-исследовательские космические миссии. Всего в настоящее время на орбите находится около 5 тысяч спутников. И сейчас обычной практикой для горнодобывающих компаний стали альянсы со специализированными организациями, которые выполняют анализ спектральных данных по конкретным областям, полученных кружащими вокруг Земли группировками спутников, с целью определения мест, подходящих для дальнейшей разведки и добычи полезных ископаемых.
Искусство и наука спектрального анализа
На земле можно найти более 4 000 природных минералов, каждый из которых имеет свой уникальный химический состав. Количество солнечного света, отражаемого, передаваемого и испускаемого минералом благодаря его уникальному химическому составу, называется его спектральной характеристикой, она чем-то напоминает отпечаток пальца. Измерив посредством дистанционного зондирования небольшие различия в длинах волн, мы зачастую прямо из космоса можем получить спектральную характеристику минеральных залежей.
Компания Exploration Mapping Group специализируется на предоставлении услуг и выполнении проектов на основе детальных данных съемки Земли из космоса для организаций и компаний, занятых в сфере разведки и добычи природных ресурсов.
«Наша компания анализирует спектральные изображения, полученные со спутников, чтобы идентифицировать и нанести на карту сигнатуры минералов, а также определить, где могут быть найдены связанные с нефтью и природным газом минералы, – продолжает Тараник. – Например, снимки со спутника WorldView-3 обладают настолько высоким спектральным и радиометрическим разрешением, что после выполнения определенной атмосферной коррекции по ним мы сможем измерить утечку этана и метана в атмосферу».
Система WorldView-3, запущенная в 2014 году, представляет собой группировку спутников, разработанную компанией DigitalGlobe (в настоящее время Maxar Technologies) и созданную Ball Aerospace & Technologies. Эта платформа дистанционного зондирования была разработана, в том числе, и для выполнения геологоразведочных работ. Ее единственный панхроматический (pan) спектральный канал используется для быстрого получения изображений высокого разрешения, что является критически важным для изучения мелких объектов на изображении (пространственное разрешение – 30 см на пиксель). Система видимого и ближнего инфракрасного диапазонов (VNIR) ‑ это восемь каналов высокого разрешения (1,2 м (4 фута на дюйм) в пикселе), используемых в основном для выявления железистых минералов, редкоземельных металлов, изучения здоровья растительности, а также для прибрежного картографирования и составления карт землепользования. Помимо панхроматического и VNIR каналов еще есть восемь коротковолновых инфракрасных (SWIR) каналов (разрешение – 3,7 м (12 футов 2 дюйма), предназначенных для изучения и картографирования глинистых минералов, и атмосферный сенсор, который называется CAVIS (Cloud, Aerosol, Vapor) , Ice и Snow) с дополнительными 12 спектральными каналами. Каналы CAVIS позволяют выполнять высокоточную атмосферную коррекцию изображений для исключения влияния облачности, содержащихся в атмосфере аэрозолей и водяного пара, льда и снега.
Месторождения металлосодержащих руд и составляющих их минералов характеризуются рядом свойств, которые видны в определенных длинах волн (за пределами видимого диапазона). Оценив эти уникальные свойства, можно получить информацию о распределении конкретных минералов.
Для этого компания Тараника с целью определения минералогического состава пород использует следующие подходы к обработке изображений: подгонку спектральной кривой; многовариантные методы; деревья решений; логарифмические остатки (log residuals); спектральные библиотеки; смешивание / разделение минералов; субпиксельный анализ смеси; а, с недавних пор, еще и технологии искусственного интеллекта и распознавания образов.
Не все подходы применяются одинаково для разных районов мира. То, какие инструменты будет использовать Exploration Mapping Group, Inc., зависит от интересующего вас продукта, геологической модели, растительного покрова, характеристик местности других факторов.
Для некоторых особенно сложных для получения оптических изображений территорий, например, в районах Бразилии, Папуа-Новой Гвинеи, а также в некоторых частях Африки и Южной Америки с постоянно высоким уровнем облачности, мы используем радиолокационные спутниковые изображения, позволяющие «пробить» облачный покров, – говорит Тараник. – По запросу наших клиентов мы также используем анализ растительного покрова для измерения нагрузки на растительность для отдельных растений и деревьев».
Особые Большие данные
«Большинство клиентов нашей компании являются пользователями ArcGIS. Мы предоставляем им свои данные в том формате, с которым они сразу смогут работать, – рассказывает Тараник. – Мы также давние пользователи ArcGIS и обычно поставляем свои готовые продукты в нескольких форматах Esri – как правило, это пакет карт, содержащий растры в нескольких форматах, базу геоданных и/или шейп-файлы, – и поэтому картографические слои могут быть легко совмещены с другими наборами данных».
По словам Тараника, спутниковые изображения являются особым типом больших данных, а объем предоставляемой клиентам его компании продукции обычно превышает несколько сотен гигабайт. «Мы обнаружили, что предлагаемый Esri метод сжатия растров без потерь в пирамидах является особенно полезным для нас, так как он обеспечивает быстрое отображение больших наборов данных на стандартном оборудовании, и для их просмотра не требуется другого специализированного программного обеспечения».
Тип спутниковых снимков, которые Exploration Mapping Group, Inc. рекомендует использовать и обрабатывать, зависит от того, как заказчик планирует эти изображения использовать.
Рудник Горный перевал расположен в калифорнийской пустыне Мохаве. Здесь находится одно из крупнейших и лучших в мире месторождений редкоземельных металлов. Эти композитные снимки получены по данным со спутника WorldView-3: 1) изображение в натуральных цветах; 2) изображение содержания железа; 3) изображение содержания глинистых минералов; 4) литологическое изображение, иллюстрирующее геологические различия. Данные предоставлены компанией Maxar и обработаны компанией Exploration Mapping Group, Inc.
Если клиент хочет изучить большие регионы, вполне подойдут снимки Landsat. «Если вы, например, хотите нанести на карту весь южный Перу, вам понадобится около 30 снимков Landsat, – говорит Тараник. – Это позволит получить общее представление о районе разведки полезных ископаемых, вы сможете изучить маршруты, распределение геологических структур, обнажений горных пород и почв, а также все видимые геологические особенности, которые укажут вам подходящие места для более подробного исследования, для выполнения крупномасштабного картографирования с геохимических отбором проб или даже бурения».
Картографическая группа компании, занимающаяся геологоразведкой, недавно провела большое исследование 6000 квадратных километров области, которая, по словам Тараника, «переживает современную золотую лихорадку». «Клиент хотел увидеть каждый валун, геологический контакт и изменение концентрации определенных минералов в пределах обширного, но отдаленного региона», – отмечает Тараник.
Он добавил, что также планируется получение спутниковых данных на территорию площадью в несколько сотен квадратных километров, находящуюся в другом районе. Здесь требуется найти уникальные круговые объекты, содержащие кимберлитовый глинистый минерал. Магматическая порода кимберлит иногда может содержать алмазы.
Спутниковые снимки могут быть использованы и для обнаружения руд в залесенных районах Юго-Восточной Азии. «Мы можем обнаружить и нанести на карту дислокации пород и признаки рудных минералов между деревьями, на грунтовых дорогах и тропах, проложенных животными и людьми, а также на перекопанных почвах сельскохозяйственных полей, – продолжает Тараник. – По космическим данным мы можем идентифицировать большое количество разных минералов и то, в каком объеме они представлены. Космические снимки открывают широкие возможности спектрального картографирования и создания гео-научных приложений для тех регионов, которые были недоступны ресурсным спутникам предыдущего поколения».
Небо – «помеха» для спутниковых сервисов
По словам Тараника, ряд государственных органов и крупных компаний используют снимки, полученные такими спутниковыми группировками, как WorldView-3. Они имеют очень высокое качество – очень хорошую геометрическую точность и битовую глубину и обеспечивают высокую радиометрическую точность измерений. «А в ближайшие годы предполагается запуск гиперспектральных спутников, что обеспечит еще больший набор каналов и возможностей», – говорит он.
Тараник также указывает на растущее число сравнительно недорогих нано- и микроспутников. «Качество получаемых ими данных не так высоко, как у топовых систем, – отмечает он. – Но если вам требуется узнать отражательную способность поверхности в красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном диапазоне для картографирования и обнаружения изменений или получения повторного покрытия области снимками в течение одного дня, вы сможете получить эту информацию с таких спутников».
По словам Тараника, сенсоры, используемые на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), как правило, характеризуются невысокими спектральными возможностями и качеством камеры, и их применение в значительной степени ограничено пределами прямой видимости вокруг конкретных шахт, что позволяет лишь подсчитать объемы складированных запасов. Он считает, что аэрофотосъемка с обычных самолетов не столь удобна в связи с затрудненным доступом к удаленным объектам, значительными расходами на оплату труда пилотов и технических специалистов, трудностями логистики и получения разрешений. Их применение также осложняется возможными механическими и метеорологическими проблемами, которые могут сильно осложнить и повысить стоимость проведения работ.
Компания Exploration Mapping Group использовала спутниковые данные WorldView-3 для измерения воздействия окружающей среды на здоровье отдельных растений – на примере этого расположенного около рудника поселения. Изображение предоставлено Exploration Mapping Group, Inc. и DigitalGlobe.
«Мы можем «перепрыгнуть» через эти ограничения с помощью спутниковой технологии «открытого неба», которая позволяет получать и обрабатывать комплексные изображения любой точки планеты в течение нескольких дней или недель после получения заказа», – отмечает Тараник.
Например, период обращения спутника WorldView-3 вокруг Земли – 97 минут, и при этом над одной и той же точкой в средних широтах он проходит каждые три-пять дней. В команде Maxar по планированию получения снимков есть специалисты-метеорологи для каждого региона, изучающие исторический облачный покров, периоды муссонов, снежный покров и другие погодные явления, чтобы можно было точно определить время, необходимое для получения новых изображений.
Тараник утверждает, что изображения без облаков часто удается получить на следующий после подтверждения клиентом заказа день.
Облачные бизнес-возможности
Exploration Mapping Group использует набор настольных продуктов Esri ArcGIS Desktop, в том числе приложение ArcGIS Pro, для обработки и улучшения изображений, создания мозаик изображений и управления ими, выполнения векторного и растрового анализа и решения других задач. «Мы также используем инструменты Esri для создания финальных изображений, пригодных для расширенного анализа, проводим их пространственную верификацию с помощью инструмента «Проверить геометрию» (Check Geometry), чтобы отследить любые ошибки, и передаем их в виде пакета карт ArcGIS и базы геоданных, – рассказывает Тараник. – Векторный анализ особенно полезен при проверке наложения и пересечения полигональных объектов для создания комплексных карт интересующих нас областей на основе нескольких входных слоев».
Программное обеспечение ArcGIS, применяющееся на всех этапах процесса недропользования – от разведки до добычи и сбыта полезных ископаемых, помогает принимать правильные решения на протяжении всего производственного цикла. Используя возможности ГИС, каждый сотрудник вашей организации сможет получить удобный доступ к данным и умным картам для планирования выполнения горных работ, управления транспортировкой и анализа рисков.
По словам Тараника, ГИС-платформа Esri предоставляет массу возможностей в части интеграции гибких моделей ИТ-инфраструктуры, развертывания центров обработки данных, интерфейсов портала, аутентификации и распределения данных для конечных пользователей. «В настоящее время Esri является лидером в вопросах перехода на облачное хранилище и управление гео-данными. Вместе с прогрессом в области обработки данных такой переход позволяет значительно увеличить потенциал для дальнейшего расширения деятельности компаний, занимающихся разведкой полезных ископаемых, в том числе и нефти, с использованием данных дистанционного зондирования», – говорит он.
Тараник видит, как облачные технологии меняют правила игры в его сфере деятельности, открывая новые возможности для бизнеса. «Для обработки и доставки больших наборов данных необходимы огромные вычислительные мощности, а безопасность передачи данных является важнейшей проблемой, поскольку всегда существует риск взлома, – говорит он. – Поэтому поддержка эффективной среды кибербезопасности крайне важна, а Esri лидирует и в этом отношении в ГИС-индустрии».
Спутниковые данные WorldView-3 с разрешением 30 см обеспечивают наиболее высокий уровень детализации изображений, доступных для коммерческого использования. Созданные на их основе красочные виды складированных запасов руды, площадок кучного выщелачивания и хвостохранилищ позволяют вести постоянный мониторинг и контроль с целью раннего обнаружения любых утечек, просачиваний или разливов. По видимым на снимке самосвалам можно составить представление о масштабе изображения. Изображение предоставлено Exploration Mapping Group, Inc. и Maxar Technologies.
В применении постоянно совершенствующихся спутниковых технологий многие видят одно из важнейших и наиболее перспективных направлений разведки полезных ископаемых. «Новейшая технология дистанционного спутникового зондирования предоставляет геологоразведке возможности быстрого обследования для выявления и изучения минерального и нефтяного потенциала обширных площадей, в том числе находящихся в труднодоступных местах, – рассказывает Тараник. – Это помогает уменьшить затраты на разведку за счет сокращения связанных с арендой финансовых обязательств, избежать ненужного прямого воздействия на окружающую среду, обеспечив проведение трудоемких полевых работ только на предварительно выявленных участках. Функциональность доступных сегодня инструментов дистанционного зондирования на порядок превосходит имевшиеся всего лишь пять лет назад».
Исследователь недр Дэн Тараник
Несмотря на искреннюю увлеченность Дэна Тараника своей работой, можно сказать, что его карьера в области геологии, геологоразведки и дистанционного зондирования была заранее предрешена.
Это семейная традиция. Его отец Джеймс Тараник работал в НАСА научным сотрудником еще во времена первых космических запусков, а затем занимал пост директора компании EarthSat, обрабатывавшей изображения с первых спутников Земли НАСА. Он является одним из старейших членов правления горнодобывающей компании Newmont Mining Corporation – одного из крупнейших в мире производителей золота.
На этом цветном композитном литологическом изображении можно четко различить общую геологию и типы подстилающей поверхности и увидеть обогащенный мусковитовой глиной гидротермально-измененный гранит оранжево-красного цвета, желтый гранито-гнейс и синие щелочные гранитоиды. Данные WorldView-3 предоставлены компанией Maxar и обработаны компанией Exploration Mapping Group.
Тараник также является прапраправнуком Патрика Гасса, сержанта и рекордсмена экспедиции Льюиса и Кларка, которая в 1804–1806 гг. занималась изучением и картографированием малоизвестной в те времена западной части Соединенных Штатов. Гасс в 1807 году опубликовал первый обзор работы экспедиции под названием «Журнал путешествий Корпуса Открытий» (A Journal of the Voyages and Travels of a Corps of Discovery).
Так что Дэн продолжает семейную традицию целенаправленных исследований, но уже на новом уровне технологического развития.
Дополнительные информационные ресурсы
На YouTube вы можете посмотреть дополнительные материалы по применению и обработке изображений с использованием ГИС, в том числе запись вебинара по Оптимизации управления изображениями (Streamlining Image Management and Processing Workflows) для пользователей из горнодобывающей промышленности (продолжительность 1 час, есть субтитры). На этом вебинаре Питер Беккер, специалист Esri по продуктам для работы с растровыми изображениями, показывает, как платформа ArcGIS поможет вам решать задачи управления изображениями, характерные для горнодобывающей отрасли, будь то спутниковые, аэрофотоснимки или снимки, полученные БПЛА. Это один из серии вебинаров, предназначенных для активно действующей уже более 10 лет группы пользователей Esri из данной отрасли, их записи доступны на странице http://go.esri.com/miningwebinar.
Чтобы больше узнать о широких возможностях ArcGIS Pro по работе с изображениями, вы можете ознакомиться с материалами, включенными в систему Справки ArcGIS (см. общедоступную русифицированную онлайн-справку, раздел «Управление изображениями»).
Разнообразная информация об опыте использования возможностей ГИС на платформе ArcGIS в разных сферах, в том числе в горнодобывающей и нефтегазовой, в мире и в России представлена на сайте Esri CIS (см. www.esri-cis.ru, раздел Отрасли в основном меню).
