Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 1, стр. 88-96
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДЕШИФРИРОВАНИЯ ЭКЗОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ АЭРО- И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМОК НА ОСНОВЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МОНИТОРИНГУ ЛИНЕЙНЫХ СООРУЖЕНИЙ)
Т. В. Орлов 1, *, А. В. Зверев 1, В. В. Бондарь 1
1 Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН
101000 Москва, Уланский пер., д. 13, стр. 2, Россия
* E-mail: tim.orlov@gmail.com
Поступила в редакцию 06.11.2020
После доработки 18.11.2020
Принята к публикации 18.11.2020
Аннотация
Для эффективного мониторинга опасных геологических процессов на территориях линейных сооружений наиболее распространенным методом наблюдения и анализа является использование данных дистанционного зондирования Земли. Широко применяются космическая и аэрофотосъемки для контроля опасных процессов, развивающихся во всех природных условиях территорий. Сравнительная оценка возможностей выявления экзогенных геологических процессов с помощью аэро- и космической съемок разного разрешения – ключевой этап при анализе качества и полноты информации на снимках. Оценка информации, в первую очередь, включает в себя проведение прямого сравнения параметров, таких как количество очагов, длина и площадь выявленных экзогенных геологических процессов (ЭГП), затем проводится сравнение долей ЭГП по количеству проявлений и линейным размерам. Сравнительный анализ изображений на выбранных репрезентативных участках, на которых отмечено наибольшее количество и разнообразие процессов, таких как подтопление–обводнение, подтопление–подпор, термоэрозия, эрозия, термокарст, зоны развития бугристых торфяников, показал существенные различия в полноте интерпретации информации. Дешифрирование космических снимков позволяет выделить до 85% проявлений ЭГП и практически в полном объеме выделяются условия их развития. При дешифрировании аэрофотоснимков наиболее точно определяются параметры длины и площади, выявляется гораздо больше очагов проявления опасных процессов, чем при дешифрировании космических снимков. Наиболее целесообразный способ мониторинга линейных сооружений – использование сочетания космических снимков и аэрофотосъемки разного разрешения.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время линейные сооружения (железные и автомобильные дороги, нефте- и газопроводы) создаются и эксплуатируются во всех природных условиях территорий. Различные экзогенные геологические процессы (ЭГП) угрожают штатному функционированию линейных сооружений. Использование данных дистанционного зондирования Земли позволяет существенно снизить затраты при ведении мониторинга процессов из-за большой протяженности линейных сооружений.
Космическая и аэрофотосъемка активно используются при изучении и контроле экзогенных процессов: широко применяется при анализе карстовых процессов [1], где определяется плотность распространения суффозионно-карстовых воронок покрытого карста; для эрозионных процессов оценивается их рост [11] и вероятность развития [19]. В криолитозоне также есть примеры широкого использования: например, для полигонально-жильных льдов картируется их рисунок [18, 23] и оценивается влияние их деградации на гидрологию тундры [16], изучается береговая термоэрозия [20]. Для термокарстовых процессов определяется влияние сезонного протаивания на бассейны спущенных термокарстовых озер [22], динамика озер [17], ведется их мониторинг [10, 15], оценивается спуск озер [21]. Ведется выделение комплексных структур [14], дешифрирование процессов [13], оцениваются их сложные параметры [2].
Основным методом интерпретации информации дистанционного мониторинга для целей выявления ЭГП остается экспертное дешифрирование. Полуавтоматизированные методы пока не получили широкого применения.
Работы, связанные с применением дистанционных данных при проектировании и строительстве линейных сооружений, не так многочисленны, однако, эти данные используются для дешифрирования линейных зон тектонических нарушений [8], разрабатывается методический аппарат [5], ведется анализ природных условий [3, 9], проводится вероятностное моделирование [4, 24]. Иногда используются специфические дистанционные материалы, такие как результаты аэровизуальных обследований [12]. Однако, оптимальность использования тех или иных видов съемок применительно к линейным сооружениям и ЭГП еще не до конца исследована.
В настоящее время наблюдается значительное разнообразие средств получения дистанционной информации для ее последующей обработки и анализа (табл. 1).
Таблица 1.
Тип | Название | Разрешение | Возможная периодичность для линейных сооружений* | Оценочная стоимость однократной новой съемки, для линейного сооружения протяженностью 100 км |
---|---|---|---|---|
Космическая съемка | Продукты компании Digital Globe (QuickBird, Ge Eye, WorldView 2), Airbus (Pleidas) | 0.5–0.6 м/пикс панхроматический канал, 2 м/пикс мультиспектральный | 2–4 раза в год |
400 000 |
Продукты компании Digital Globe (WorldView 3,4) | 0.3 м/пикс панхроматический канал, 2 м/пикс мультиспектральный | 480 000 | ||
Аэрофото- съемка | Аэрофотосъемка в комбинации с лазерным сканированием | до 0.05 м/пикс высокодетальная ЦМР | 1 раз в 2 месяца |
1 000 000** |
Аэрофотосъемка с БПЛА |
В современных условиях для объектов, расположенных в криолитозоне, при малом периоде активизации экзогенных процессов периодичность космической и аэрофотосъемок оказывается сравнимой. Однако время получения данных аэрофотосъемки значительно больше из-за сложностей в организации съемочного процесса, а также из-за требований по прохождению дополнительных проверок и более сложного процесса обработки информации [7].
Цель работы – сравнительная оценка возможностей выявления ЭГП при мониторинге линейных сооружений в зоне многолетней мерзлоты с помощью космической съемки с разрешением 0.5 м/пикс и аэрофотосъемки с разрешением 0.2 м/пикс.
Исследование проведено для магистрального трубопровода в Восточной Сибири, в зоне горной тайги и тундры на южной границе распространения многолетней мерзлоты. Космо- и аэрофотосъемка были выполнены примерно в одно время, через год, после окончания строительства трубопровода. Криогенные процессы имели достаточно слабое развитие до начала строительства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для сравнительного анализа использовались космические снимки высокого разрешения (0.5 м/пикс), а также сканерные аэрофотоснимки с разрешением 0.2 м/пикс. В качестве вспомогательной информации применялись следующие базовые картографические продукты:
− цифровые модели рельефа масштабов 1:25 000, 1:5000, на основе которых был получен ряд производных показателей: кривизна, крутизна склонов, классификация элементарных поверхностей, классификация морфоструктур, эрозионный индекс, индекс плоскостного смыва и др.;
− геологические карты;
− ландшафтные карты и карты растительности;
− результаты аэровизуального и полевого обследования.
Были выделены репрезентативные участки с проявлением широкого набора опасных экзогенных процессов. Всего выделено 9 участков протяженностью от 2.5 до 19.5 км. Общая протяженность полосы сравнительного анализа составила 45 км при ширине полосы обследования – 100 м.
Для каждого участка была разработана картографическая геоинформационная модель, позволяющая одновременно анализировать как материалы космосъемки и аэрофотосъемки, так и базовые картографические продукты.
В основу интерпретации положено сочетание прямых дешифровочных признаков и индикационного дешифрирования [6]. В качестве прямых дешифровочных признаков при экспертном дешифрировании использовались: цвет, форма контуров, ориентировка контуров, взаимное расположение, соседство контуров, микроструктура изображения и др. При индикационном дешифрировании применялись признаки отдельных компонентов среды (растительный покров, формы рельефа, особенности открытой поверхности почв и др.).
Особое внимание при дешифрировании было уделено текстурным дешифровочным признакам, как наиболее информативным.
Для установления дешифровочных признаков, прежде всего, характеризующих текстуру изображения, проведен выборочный анализ материалов аэро- и космосъемки.
На рис. 1 приведены эталонные изображения аэрофотосъемки (с разрешением 0.2 м/пикс) и космической съемки (0.5 м/пикс) для основных экзогенных геологических процессов и явлений. Наиболее часто встречающимися процессами и явлениями в пределах исследуемой трассы магистрального трубопровода являются подтопление–обводнение, подтопление–подпор, термоэрозия, эрозия, термокарст, зоны развития бугристых торфяников:
− под процессами подтопления–обводнения понималось появление водного зеркала в пределах трассы трубопровода достаточно значительной площади;
− под процессами подтопления–подпора понималось появление водного зеркала, сформированного потоком воды по градиенту рельефа, подпертого структурами трубопровода;
− под эрозионными процессами понималась, в первую очередь, линейная эрозия без признаков термоэрозионных процессов, в пределах расчистки трубопровода; эрозия могла быть направлена вдоль или поперек оси трубы;
− под термоэрозионными процессами понимались линейные проявления эрозии, сопровождающиеся вытаиванием мерзлого грунта;
− под просадочно-термокарстовыми процессами понимались процессы вытаивания мерзлого грунта, с формированием просадок в пределах полосы трубопровода, часто заполненных водой;
− в качестве зон развития бугристых мерзлых торфяников выделялись участки развития торфяных высокольдистых отложений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Основным элементом сравнительного анализа было численное сравнение количества и размеров выявленных ЭГП обоими методами. На первом этапе было проведено прямое сравнение параметров: количество очагов, длина (для линейных проявлений) и площадь (для площадных проявлений) выявленных ЭГП по каждому из участков. На втором этапе проведено сравнение долей выявленных процессов по количеству проявлений и линейным размерам. Результаты сравнений по каждому из этапов приведены в табл. 2, 3 соответственно.
Таблица 2.
№ | Протяжен-ность, км | Проявления ЭГП | Выделенные по космоснимкам 0.5 м/пикс | Выделенные по аэрофотоснимкам 0.2 м/пикс | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Кол-во очагов | Длина, м | Площадь, м2 | Кол-во очагов | Длина, м | Площадь, м2 | |||
1 | 3.5 | Подтопление–обводнение | 6 | 300 | 9 | 640 | ||
Эрозия | 0 | 3 | 347 | 50 | ||||
2 | 2.5 | Подтопление–обводнение | 5 | 1130 | 6 | 1090 | ||
Просадочно-термокарстовые | 0 | 1 | 50 | |||||
Эрозия | 1 | 40 | 2 | 60 | ||||
3 | 2.5 | Просадочно-термокарстовые | 0 | 1 | 50 | |||
Эрозия | 2 | 446 | 14 | 852 | ||||
4 | 2.5 | Подтопление–обводнение | 0 | 1 | 50 | |||
Эрозия | 6 | 154 | 13 | 831 | ||||
5 | 4.5 | Эрозия | 0 | 4 | 538 | |||
6 | 2.5 | Подтопление–обводнение | 2 | 100 | 7 | 350 | ||
7 | 2.5 | Подтопление–обводнение | 0 | 3 | 150 | |||
Подтопление–подпор | 1 | 5080 | 2 | 238 | 7000 | |||
Термоэрозия | 0 | 4 | 624 | |||||
8 | 3.5 | Подтопление–обводнение | 7 | 4770 | 13 | 5070 | ||
Подтопление–подпор | 2 | 190 | 3 | 810 | ||||
Просадочно-термокарстовые | 0 | 5 | 250 | |||||
Термоэрозия | 0 | 3 | 311 | |||||
Эрозия | 6 | 513 | 6 | 533 | ||||
9 | 19.5 | Подтопление–обводнение | 25 | 49 190 | 100 | 58 190 | ||
Подтопление–подпор | 5 | 250 | 4 | 970 | ||||
Просадочно-термокарстовые | 0 | 8 | 380 | |||||
Термоэрозия | 0 | 5 | 1266 | |||||
Эрозия | 16 | 2423 | 66 | 8351 | ||||
Σ | 43.5 | 84 | 3766 | 70 100 | 283 | 13 951 | 75 100 |
Таблица 3.
Проявления ЭГП | Выделенные по космоснимкам 0.5 м/пикс | Выделенные по аэрофотоснимкам 0.2 м/пикс | Доля параметров выявленных процессов, % | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
кол-во очагов | длина, м | пло-щадь, м2 | кол-во очагов | длина, м | пло-щадь, м2 | кол-во очагов | протяжен-ность | пло-щадь | |
Подтопление–обводнение | 45 | 0 | 55 490 | 139 | 0 | 65 540 | 32 | 85 | |
Подтопление–подпор | 8 | 0 | 5520 | 9 | 238 | 8780 | 89 | 63 | |
Просадочно-термокарстовые | 0 | 0 | 0 | 15 | 0 | 730 | 0 | 0 | |
Термоэрозия | 0 | 0 | 0 | 12 | 2201 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Эрозия | 31 | 3576 | 0 | 108 | 11 512 | 50 | 29 | 31 | 0 |
Итого для ЭГП | 84 | 3576 | 61 010 | 283 | 13 951 | 75 100 | 30 | 15.5 | 29.6 |
Бугристые торфяники* | 6 | 4 277 430 | 6 | 4 277 430 | 100 | 100 |
В табл. 2 приведен результат сравнения параметров выявленных процессов по каждому из участков. Из анализа результатов видно, что полнота интерпретации ЭГП по космическим снимкам с разрешением 0.5 м/пикс и по аэрофотоснимкам с разрешением 0.2 м/пикс существенно различается. В первую очередь, можно выделить разницу количества выделенных очагов ЭГП – оно значительно больше по аэрофотоснимкам, чем по космическим снимкам. Разница в протяженности и площади ЭГП проявляется менее четко, однако, при дешифрировании космических снимков на многих участках параметры длины и площади процессов либо определены не точно, либо не определены вовсе. Наиболее существенные различия в качестве интерпретации ЭГП наблюдаются для процессов эрозии и подтопления–обводнения, которые распространены на всех участках и встречаются наиболее часто. Для них на аэрофотоснимках было выделено гораздо больше очагов проявления, а также более точно определены параметры длины и площади.
На рис. 2 приведен фрагмент результатов дешифрирования с использованием аэрофотосъемки и космической съемки, который иллюстрирует разницу в качестве интерпретации снимков.
Участки проявления бугристых торфяников как зоны, в которой возможна активизация ЭГП, анализировались отдельно. Бугристые торфяники были выделены на участках 7, 8 и 9.
Результаты дешифрирования природно-территориальных комплексов этого типа при интерпретации как космических снимков, так и аэрофотоснимков оказались одинаковыми, так как комплексы больших площадей определяются легче и точней.
В табл. 3 приведена доля выделенных ЭГП. За 100% принималось максимальное количество очагов или максимальное проявление процессов, установленное с помощью дешифрирования аэрофотосъемки и космосъемки.
Как видно из анализа результатов, представленных в табл. 3, по аэрофотосъемке удается выделить очаги ЭГП и определить их протяженность практически во всех случаях более точно, чем по космосъемке. Процент выделенных очагов по космическим снимкам составляет в среднем 30%, но для отдельных процессов, таких как, например, подтопление-подпор, он составляет 89%. Как уже отмечалось ранее, бугристые торфяники выделяются одинаково хорошо, как по аэрофотосъемке, так и космосъемке. При этом общая протяженность выделенных ЭГП составляет для линейных проявлений 15.5%, для площадных проявлений 29.6%.
Низкий процент выявления линейных проявлений связан с начальными стадиями развития процессов, в первую очередь, термоэрозии и, соответственно, недостаточной шириной проявления процесса для уверенного дешифрирования. Процент выявления площадных проявлений является также низким, это связано в первую очередь с тем, что на начальных стадиях развития процесса, например, термокарстового, просадочные формы имеют малые размеры и не выделяются при дешифрировании материалов космосъемки. Однако, для процессов обводнения, имеющих зачастую значительные размеры и являющихся катализатором дальнейшего развития термокарстового процесса, процент выделения проявлений достигает 85%.
Можно сделать вывод, что использование снимков более мелкого масштаба значительно снижает точность выделения отдельных очагов, но при этом из-за генерализации точность выделения зон, подверженных ЭГП, падает не так значительно.
Наиболее точно по космическим снимкам выделяются участки с развитием бугристых торфяников и в некоторых случаях процессы обводнения. Линейные проявления процессов по космосъемке выделяются недостаточно хорошо, в первую очередь потому, что ширина их проявлений часто оказывается недостаточна для уверенного выделения на снимках с разрешением 0.5 м/пикс.
Из анализа результатов дешифрирования видно, что на данном участке трассы за счет использования аэрофотоснимков сверхвысокого разрешения удалось выявить значительное количество дополнительных очагов ЭГП.
В настоящее время широкое развитие начинает получать мониторинг с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). К сожалению, в настоящее время у авторов отсутствует соответствующий материал по той же территории, поэтому сравнительный анализ провести сложно. Однако, надо отметить, что использование БПЛА существенно повышает наглядность снимков процессов, позволяет засекать их в самых ранних стадиях. С другой стороны, трудоемкость организации мониторинга с помощью БПЛА значительно выше, чем с помощью космической съемки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты проведенного исследования показывают возможности дешифрирования различных экзогенных геологических процессов с помощью космической и аэрокосмической съемок, и выявляют основные различия между качеством интерпретации снимков. Полученные данные в дальнейшем могут применятся при изучении, контроле и мониторинге экзогенных процессов в зоне строительства линейный сооружений.
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1. Использование космических снимков с разрешением 0.5 м/пикс позволяет выделить до 85% проявлений ЭГП и до 100% проявлений условий развития ЭГП.
2. При дешифрировании аэрофотоснимков с разрешением 0.2 м/пикс выявляется гораздо больше очагов проявления ЭГП, а также наиболее точно определяются параметры длины и площади процессов на исследуемых участках. При этом, в среднем с помощью космической съемки выделяется в 3–6 раз меньше проявлений ЭГП, что существенно снижает качество интерпретации снимков.
3. Целесообразно использовать сочетание космических снимков с разрешением 0.5 м/пикс и аэрофотосъемки 0.2 м/пикс для выделения как локальных очагов ЭГП, так и тенденций развития ЭГП на большей площади.
4. Недостатками использования только аэрофотосъемки высокого разрешения являются ограниченная обзорность аэрофотоснимков и существенные потери времени на обработку и подготовку снимков.
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания и плана НИР по теме № г.р. АААА–А19–119021190077–6.
Список литературы
Антипов В.С. Волин К.А, Журавлев Е.А. Выявление карстовых и суффозионно-карстовых объектов по материалам космических съемок в центральной части Восточно-Европейской платформы // Вестник СПбГУ. Сер. 7. Геология. География. 2016. № 4. С. 4–16.
Викторов А.С. Оценка динамических параметров экзогенных геологических процессов по материалам однократных аэрокосмических съемок // Геоэкология. 2014. № 2. С.
Викторов А.С., Георгиевский Б.В., Капралова В.Н., Орлов Т.В., Трапезникова О.Н., Зверев А.В. Опыт дистанционного мониторинга опасных геологических процессов по трассе трубопроводных систем (Восточная Сибирь) // Геоэкология. 2018. № 6. С. 50–58.
Викторов А.С., Капралова В.Н., Архипова М.В. Моделирование развития морфологической структуры эрозионно-термокарстовых равнин с использованием материалов дистанционных съемок // Исследование Земли из космоса. 2019. № 2. С. 55–64.
Лихвидов А.А., Черномуров М.В., Гришин В.В. Методический аппарат тематического дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли в коридоре магистральных газопроводов // Наука. Инновации. Технологии. 2013. № 1. С. 124–129.
Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1:200000. М.: Недра, 1978. 393 с.
Методы дистанционного зондирования Земли при решении природоресурсных задач / Под ред. А.Ф. Морозова, А.В. Перцова. СПб: ВСЕГЕИ, 2004.
Николаев Г.Б., Илларионов В.А., Вайс К.Е. Применение дистанционных съемок при проектировании и строительстве линейных сооружений в условиях Европейского Севера // Вестник института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2011. № 11. С. 20–23.
Пупырев М.А. Дешифрирование и индикация современных экзогенных процессов в геокриологическом мониторинге криолитозоны // Вестник Тюменского государственного университета. 2013. № 4. С. 67–75.
Пупырев М.А., Иванов О.Е. ГИС-анализ инженерно-геокриологических условий освоения западного Ямала на основе приемов ландшафтной индикации // Вестник Тюменского государственного университета. 2008. Т. 3. № 2. С. 215–222.
Сатдаров А.З. Методы исследования регрессивного роста оврагов: достоинства и недостатки // Ученые записки Казанского университета. Сер. Естественные науки. 2016. Т. 158. № 2. С. 277–292.
Сергеев Д.О., Перльштейн Г.З., Хименков А.Н., Халилова Ю.В., Угаров А.Н. Аэровизуальные обследования для оценки опасности экзогенных геологических процессов на трассе магистрального нефтепровода (глава 13) // Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Безопасность средств хранения и транспорта энергоресурсов. Науч. рук. Махутов Н.А. М.: МГОФ “Знание”, 2019. С. 295–309.
Слагода Е.А., Ермак А.А. Дешифрирование экзогенных процессов типичных тундр полуострова Ямал на примере территории района среднего течения реки Юрибей // Вестник Тюменского государственного университета. Сер. Науки о Земле. 2014. № 4. С. 28–38.
Холодилов И.В. Комплексное картографирование эталонных зональных структур на основе анализа данных дистанционного зондирования // Вестник Тюменского государственного университета. 2009. № 3. С. 29–35.
Якутин М.В., Пучнин А.Н. Мониторинг термокарстовых образований в центральной Якутии с использованием методов дистанционного зондирования // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014. Т. 4. № 2. С. 120–124.
Anna K. Liljedahl et al. Pan-Arcticice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology // Nature geoscience. 2016. P. 1–8.
Boike Julia, Yoshikawa Kenji. Mapping of Periglacial Geomorphology using Kite/ Balloon Aerial Photography // Permafrost and periglacial processes. 2003. V. 14. P. 81–85.
Sannel, A.B.K., Brown, I.A. High-resolution remote sensing identification of thermokarst lake dynamics in a subarctic peat plateau complex // Canadian Journal of Remote Sensing. 2010. V. 36. № 1. P. S26–S40.
Eroglu H. et al. Using high resolution images and elevation data in classifying erosion risks of bare soil areas in the Hatila Valley Natural Protected Area, Turkey // Stoch Environ Risk Assesse. 2010. 24. P. 699–704.
Günther F. et al. Observing Muostakh disappear: permafrost thaw subsidence and erosion of a ground-ice-rich island in response to arctic summer warming and sea ice reduction // Cryosphere. 2015. № 9. P. 151–178.
Kenneth M. Hinke et al. Methods to assess natural and anthropogenic thaw lake drainage on the western Arctic coastal plain of northern Alaska // Journal of Geophysical research. 2007. V. 11. F02S16.
Liu L., Schaefer K., et al. Seasonal thaw settlement at drained thermokarst lake basins, Arctic Alaska // Cryosphere. 2014. 8. P. 815–826.
Ulrich M., Grosse G., Jens Strauss J., Schirmeister L. Quantifying wedge-ice volumes in Yedoma and thermokarst basin deposits // Permafrost and periglacial processes. 2014. V. 25. № 3. P. 151–161.
Victorov A.S., Orlov T.V., Kapralova V.N., Trapeznikova O.N., Sadkov S.A., Zverev A.V. Stochastic Modeling of Human-Induced Thermokarst and Natural Risk Assessment for Existing and Planned Engineering Structures // Natural Hazards and Risk Research in Russia. Svalova V. (eds). 2019. Springer, Cham. P. 219–239.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология