Всепогодность съёмки, мониторинг месторождений углеводородов и промышленно-опасных объектов, профилактика чрезвычайных ситуаций
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.
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.
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. 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).
Полученные изображения можно объединять с данными цифровых моделей рельефа для анализа особенностей ландшафтной приуроченности выделяемых контуров (рис.2).
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).
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.
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.
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.
Использование РДИ позволяет проследить наличие вертикальных смещений земной поверхности между различными датами съемок и часто используется в мониторинговых наблюдениях месторождений углеводородов. 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 и позже снесены.
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…
***
Автор: Владимир Елсаков, к.б.н., доцент, ведущий научный сотрудник. Института биологии Коми НЦ УрОРАН, специально для GoArctic