Спутниковая радиолокация в экологическом мониторинге арктических территорий
Всепогодность съёмки, мониторинг месторождений углеводородов и промышленно-опасных объектов, профилактика чрезвычайных ситуаций
Спутниковый снимок дельты реки Лена. Источник: данные спутника Коперник Sentinel / Европейское космическое агентство / CC BY-SA 3.0 IGO
Большинство протекающих природных процессов и явлений остаются незаметными для человеческого восприятия, мы ориентируемся в происходящих событиях по результатам многочисленных мелких изменений, часто переходящих в крупные явления. Расширить понимание процессов, происходящих в природной среде и окружающем человека мире, позволяют чувствительные приборы и оборудование, регистрирующее даже слабое электромагнитное излучение различных диапазонов.
Многие приборы вынесены на спутники и осуществляют ежедневный мониторинг земной поверхности, поставляя непрерывный поток данных. Одними из таких данных, полезных в экологическом мониторинге, являются материалы спутниковых радиолокационных съемок.
Радиолокация поверхности Земли с летательных аппаратов за последние 30 лет прошла путь от единичных научных экспериментов до устойчиво развивающейся отрасли дистанционного зондирования Земли [1].
Преимущество радиолокации определяется, во-первых, всепогодностью съемки: возможность её использования не зависит от естественной освещенности и состояния атмосферы, что особенно важно для района Арктики.
К примеру, для территории Ненецкого автономного округа, большую часть дней в году составляют дни с полуясным и пасмурным состоянием неба (вероятность пасмурного состояния неба по данным метеостанции Пустозерск (Нарьян-Мар) в среднем варьирует от 62 в июле, до 78 % в сентябре [2].
Во-вторых, съемка дает возможность анализа как геометрических свойств подстилающей земной поверхности, так и ее диэлектрической проницаемости, которая во многом определяется механическим составом грунтов, их влажностью и толщиной мерзлого и сезонно-талого слоя [3]. Большая часть тундровой и лесотундровой зон европейской части России и относится к территориям с высокой степенью заболоченности, островного и массивно-островного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) с присутствием сезонно-талого слоя.
В-третьих, разрешающая способность наиболее широко используемых радиолокационных снимков высокого разрешения превышает большинство оптических сенсоров. Наиболее важным параметром радиолокационной съемки является отражательная способность объектов и фона, создающая все прямые и косвенные дешифровочные признаки. В качестве единицы измерения общепринято используется безразмерная величина удельной эффективной площади рассеяния (σо, УЭПР), выражающая среднее количество мощности, отраженной от единицы площади поверхности (рис.1) [4].
Рис. 1. Схема съемки аппаратурой ERS-SAR (по: [5])
Полученные изображения можно объединять с данными цифровых моделей рельефа для анализа особенностей ландшафтной приуроченности выделяемых контуров (рис.2).
Рис. 2. Пример полученного радиолокационного изображения ERS-2 на территорию Средне-Харьягинского месторождения (Ненецкий АО) при облачности 80% (А). Совмещение изображения с цифровой моделью рельефа для 3D визуализации (Б). Видны основные геоморфологические элементы района – заболоченная озерно-ледниковая равнина, моренные холмы и гряды отложений среднечетвертичного оледенения
Полученные серии изображения использовались для картографирования доминирующих классов почвенно-растительных контуров, что важно для картографирования растительности оленьих пастбищ, инженерно-экологических изысканий. Оценка снимков, полученных на весь вегетационный период, показывает сезонные изменения показатели величины УЭПР (рис.3).
Рис. 3. Динамика величины УЭПР для групп сообществ: ивняков-травяных (А) и островных ельников (Б). Представлены средние значения и размах средней ошибки
Важным направлением использования данных радиолокации является метод спутниковой радиолокационной дифференциальной интерферометрии (РДИ). Метод основан на анализе смещения фаз эхо-сигналов разновременных изображений, что позволяет оценить смещения поверхности почвы и грунта арктического региона с сантиметровым уровнем точности на больших площадях, не уступая геодезическим методам [6].
Современные технологии РДИ, дают возможность проводить мониторинг промышленных объектов и оценивают возможность развития рисков, связанных с влиянием как природных, так и техногенно обусловленных факторов: подземных выработок, нефтедобычи, развитием урбанизированных территорий.
Одной из основных причин изменения высоты поверхности почв арктического региона являются сезонные циклы промерзания-оттаивания грунтов и почв с различным содержанием подземного льда. Изменения высоты поверхности почвы, вызванные различиями содержания грунтового льда в периоды смен сезонных циклов замерзания-оттаивания, издавна привлекают внимание исследователей-мерзлотоведов [7, 8].
Возможность охвата спутниковой съемкой больших площадей (сцена ALOS PALSAR покрывает территорию 70x90 км) позволяет выявлять разнонаправленные изменения высоты поверхности почвы обширных участков мерзлых ландшафтов на региональном уровне. Максимальные показатели подъема и опускания поверхности почвы в рассмотренном регионе приурочены к участкам свежих отсыпок и изъятия грунта на промышленных площадках. Значительные по амплитуде (более 16 см), но незначительные по площади (0.7 – 1.0 км) летние осадки в ненарушенных экосистемах проявляются локально на сценах разных лет (рис. 4).
Такие участки отмечены в различные периоды наблюдений, фиксируются в пределах горных отводов шахтного поля филиала ОАО «Воркутауголь» (Воркутинский район Республики Коми) и, вероятно, связаны с влиянием шахтной угледобычи. Чувствительность метода такова, что даже проведенные полевые исследования этих участков не установили видимых изменений поверхности, структуры и состава растительных сообществ.
Рис. 4. Шахтные просадки в окрестностях г. Воркута 2007 г. (А). Изолинии просадок (в сантиметрах) для 2007 г. и 2010 гг.: 1 – более 16 см; 2 – более 12 см; 3 – более 8 см; 4 – более 4 см (Б). Фоновое изображение Sentinel 2 от 25.07.2019. Источник: glovis.usgs.gov, 2019 [6]
Использование РДИ позволяет проследить наличие вертикальных смещений земной поверхности между различными датами съемок и часто используется в мониторинговых наблюдениях месторождений углеводородов [9, 10]. В ряде случаев выявленные смещения отмечают участки с начальными этапами изменений рельефа, водного режима, характеристик растительного покрова, естественных сукцессионных смен фитоценозов и должны учитываться при проектировании инженерных сооружений.
Для отвода Ярегского месторождения (Республика Коми) привлечение материалов РДИ позволило установить отдельные участки, на которых вертикальные межгодовые и межсезонные смещения поверхности имеют существенные величины, а их появления можно связать с производственной деятельностью (рис. 5).
Инженерные сооружения и строения, расположенные на границе участков, испытывающих различную направленность и интенсивность смещений, демонстрируют максимальную деформацию конструкций и жилых зданий. Некоторые здания были признаны аварийными [11, 12] и позже снесены.
Рис. 5. Схема участков, испытывающих существенные вертикальные смещения поверхности по результатам РДИ. Материалы съемки ALOS/Palsar (09.08.2007 и 29.06.2009). Цифрами обозначены жилые постройки пос. Ярега, признанные аварийными и нарушенными [13]
Возникает вопрос: почему геокриологические обследования с использованием спутниковой интерферометрии не утверждены в России как обязательные элементы мониторинга промышленно-опасных объектов (особенно в местах залегания ММП), трубопроводов, транспортной инфраструктуры?
Отсутствие научного потенциала? Но большинство крупных государственных корпораций содержит ведомственные институты, в том числе обрабатывают спутниковые данные.
Во многих учебных и научных учреждениях России специалисты способны обрабатывать данные интерферометрических наблюдений, съемки спутников Sentinell-1 пока предоставляются свободно.
Экономия средств? Но добывающие компании неплохо зарабатывают.
Среди возможных причин не хотелось бы ориентироваться на то, что зачастую простую, а иногда и преступную халатность, отсутствие реальной подготовки к ЧС легче маскировать влиянием непредвиденных природных катаклизмов, в том числе климатических изменений…
Список литературы:
1. Горячкин О.В., Дусаев Ш.З., Железнов Ю.Е. Филимонов А.Р. Современное состояние и перспективы развития космических радиолокационных комплексов дистанционного развития Земли // ЦСКБ, Самара, 1999. С.49-56.
2. Климатологический справочник по СССР. Вып. I. Европейская часть СССР. Л.: Главная геофизическая обсерватория, 1932. 118 с.
3. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. М.: Аспект Пресс, 2004. 182.с.
4. Аковецкий В.И. Дешифрирование снимков. М.: Недра, 1983. С.205-237.
5. Растоскуев В.В., Шалина Е.В. Обработка данных дистанционного зондирования с помощью ГИС IDRISI // http://www.geo.pu.ru/ecobez/edu/books/rsgis.
6. Елсаков В. В. Сезонные изменения высоты поверхности почв предгорных ландшафтов Полярного Урала по данным инструментальных измерений и радиолокационной интерферометрии / В. В. Елсаков, Д. А. Каверин, В. М. Щанов // Криосфера Земли. – 2021. – Т. XXV. – № 5. – С. 42-54. – DOI: 10.15372/KZ20210505.
7. Качурин С.П. Термокарст на территории СССР. М., Изд. АН СССР, 1961, 291 с.
8. Bockheim J. Cryopedology. Springer: Springer, Cham, 2015, 177 p.
9. Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Оценка деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи Западной Сибири методом РСА интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Выпуск 6. Том II. – М.: «Азбука-2000», 2009. С. 46-53
10. Филатов А.В. Обнаружение подвижек земной поверхности в зоне интенсивной нефтедобычи методами радарной интерферометрии // Вестник Югорского государственного университета. 2006. №4. С.103-109.
11. Бобракова Г. Трещины в Яреге и бассейн в Водном проинспектировала в рабочей поездке Марина Истиховская // Республика. 2011. 22 февр. № 36 (4433).
12. Сажина О. Подальше от нефтешахт. / Республика. 2011. 9 февр. 2011. № 24 (4421)
13. Елсаков В.В. Спутниковая съемка в экологическом мониторинге регионов добычи углеводородов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. №5. С. 133-139
***
Владимир Елсаков, к.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник. Института биологии Коми НЦ УрОРАН, специально для GoArctic
