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

Полный текст (PDF)

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.

Ключевые слова: космическая съемка, аэрофотосъемка, дешифрирование, мониторинг

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.

Краткий обзор современных продуктов, пригодных для выявления развития ЭГП в полосе отвода трассы трубопровода

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

* Периодичность оценена на основе реального опыта работ.

** Указана оценочная стоимость, реальную стоимость оценить невозможно, так как она напрямую зависит от протяженности всей трассы трубопровода, расстояния от аэропортов вылета, наличия инфраструктуры и др.

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:

Рис. 1.

Дешифровочные эталоны ЭГП. Подтопление–обводнение: а – аэрофотосъемка, б – космосъемка; подтопление–подпор: в – аэрофотосъемка, г – космосъемка; термоэрозия: д – аэрофотосъемка, е – космосъемка; эрозия: ж – аэрофотосъемка, з – космосъемка; бугристые мерзлые торфяники: и – аэрофотосъемка, к – космосъемка.

− 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.

Результат сравнения параметров выявленных процессов по каждому из участков

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.

Доля выделенных ЭГП

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

* Бугристые торфяники анализировались отдельно из-за значительно больших площадей проявления по сравнению с другими ЭГП.

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.

Рис. 2.

Фрагмент результатов дешифрирования с использованием космической съемки (а) и аэрофотосъемки (б) и условные обозначения (в).

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

  1. 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.

  2. Викторов А.С. Оценка динамических параметров экзогенных геологических процессов по материалам однократных аэрокосмических съемок // Геоэкология. 2014. № 2. С.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. Методическое руководство по инженерно-геологической съемке масштаба 1:200000. М.: Недра, 1978. 393 с.

  7. Методы дистанционного зондирования Земли при решении природоресурсных задач / Под ред. А.Ф. Морозова, А.В. Перцова. СПб: ВСЕГЕИ, 2004.

  8. 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.

  9. Пупырев М.А. Дешифрирование и индикация современных экзогенных процессов в геокриологическом мониторинге криолитозоны // Вестник Тюменского государственного университета. 2013. № 4. С. 67–75.

  10. 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.

  11. 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.

  12. 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.

  13. 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.

  14. Холодилов И.В. Комплексное картографирование эталонных зональных структур на основе анализа данных дистанционного зондирования // Вестник Тюменского государственного университета. 2009. № 3. С. 29–35.

  15. 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.

  16. Anna K. Liljedahl et al. Pan-Arcticice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology // Nature geoscience. 2016. P. 1–8.

  17. Boike Julia, Yoshikawa Kenji. Mapping of Periglacial Geomorphology using Kite/ Balloon Aerial Photography // Permafrost and periglacial processes. 2003. V. 14. P. 81–85.

  18. 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.

  19. 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.

  20. 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.

  21. 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.

  22. Liu L., Schaefer K., et al. Seasonal thaw settlement at drained thermokarst lake basins, Arctic Alaska // Cryosphere. 2014. 8. P. 815–826.

  23. 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.

  24. 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