Экологический мониторинг воздействия на окружающую среду при проведении горных работ на территории респ. Марий Эл

Заказчик

Министерство природных ресурсов, экологии и охраны окружающей среды Республики Марий Эл

Цель проекта

Мониторинг воздействия на окружающую среду при проведении горных работ и выработке общераспространённых полезных ископаемых на территории республики Марий Эл. Выявление незаконного недропользования, сопровождающегося загрязнением окружающей среды, а именно – обнаружение и актуализация информации о незаконных карьерах (вне границ лицензионных участков) и сопутствующих им свалках твёрдых бытовых отходов (ТБО).

Описание работ

В рамках выполнения технического задания Заказчика были осуществлены каталогизация и предварительная фотограмметрическая обработка архивных снимков, работы по автоматическому и ручному дешифрированию, анализ данных и обновление ГИС, созданной в 2013-2016 гг., полевые работы.

Подготовительные работы.

Был осуществлен заказ архивной съёмки на районы работ – космических снимков со спутников «Канопус-В» и «Ресурс-П» за 2017–2018 гг. Затем на основе метаданных специалисты ООО «Иннотер» произвели каталогизацию имеющихся данных ДЗЗ, что позволило эффективно отобрать пригодные для дешифрирования снимки и отсеять данные с высоким процентом облачности, наличием снежного покрова и другими дефектами.

Следующим этапом работ стало ортотрансформирование (по RPC-полигонам и SRTM-1) выбранных снимков, их геометрическая и радиометрическая коррекция, в том числе и для для точной привязки к изображениям, использованным ранее в проекте 2013-2016 гг.

После этого необходимо было провести оценку спектральной разделимости классов с целью возможности выявления объектов недропользования. Основное назначение оценки спектральной разделимости – визуальное или автоматическое сравнение кривых спектральной яркости определяющих отражательную способность различных объектов наземного покрова. Были выбраны тестовые участки в наиболее характерных территориях для данного ландшафта, а также объекты недропользования (карьеры, древостои, антропогенные объекты, не покрытые растительностью земли, водные объекты).

Тестовые участки для оценки спектральных характеристик объектов ландшафта. (а – песок, б – древесно-кустарниковая растительность, в – асфальтированная

Исходя из этой оценки, специалисты ООО «Иннотер» смогли определить какие объекты будут хорошо классифицироваться на снимках, имея разные спектральные характеристики (как то, «песок» и «лес»), а какие объекты схожи по параметрам и могут ввести в заблуждение, как («песок» и «грунт») и, следовательно, необходимо будет более тщательно подбирать эталонные участки и проводить экспертный контроль автоматического дешифрирования. Но даже и объекты, имеющие хорошие эталоны, зачастую могут классифицироваться ложно в автоматическом режиме, поэтому необходимо визуальное дешифрирование специалистов.

Обновление и дополнение данных ранее созданной ГИС

В программном продукте NextGIS QGIS была произведена актуализация данных с использованием новой информации, полученной со снимков 2017-2018 гг., а также из реестра карьеров по Республике Марий Эл, (это было предоставлено Министерством природных ресурсов, экологии и охраны окружающей среды Республики Марий Эл).

Полученная карта-схема в формате ГИС содержала геоинформационные слои, которые отражали предварительную информацию обо всех объектах класса «объекты недропользования», площади карьеров, информация о полезных ископаемых, наличии свалок и т.п.

Пример одного из слоёв карты-схемы

Дешифрирование снимков и классификация данных

Как уже было сказано выше, сначала был осуществлён отбор данных ДЗЗ. Из 65 архивных снимков, входящих в первую поставку, только 40 удовлетворяли временному диапазону. Дальнейший отбор произошёл по критериям надёжности в качестве источника информации, касающейся дешифрировочных признаков. Были исключены снимки со снежным и сплошным облачным покровом. Снег значительно затрудняет обнаружение карьеров, например. Облака – тем более. Таким образом, приоритет был отдан снимкам, которые были сделаны в летне-осенний период.

Обнаруженный карьер (полигон красного цвета) надёжно дешифрируется по летнему (слева) снимку, но не читается на зимнем (справа) снимке

В качестве подготовки к основному этапу работ был осуществлен запуск кластера баз данных – программно-аппаратного комплекса, позволяющего сотрудникам ООО «Иннотер» работать одновременно над одним проектом посредством языка запросов SQL. Преимущество использования такого кластера перед работой в обычной настольной ГИС заключается в том, что множество специалистов-дешифровщиков работают одновременно с одними и теми же данными: не нужно дублировать данные, заниматься сводкой результатов дешифрирования от нескольких исполнителей и т.п.

На первом этапе дешифрирование производилось визуально – специалистами. Использовались следующие дешифровочные признаки:

• спектральная яркость (фототон);
• размер;
• форма;
• структура;
• тень;
• контекст (близость дорог, населённых пунктов);

В итоге были получены предварительные данные.

Потенциальные объекты добычи полезных ископаемых, выявленные по результатам дешифрирования космосъемки 2017-2018 гг.

Далее была произведена оцифровка объектов интереса, а затем было решено выполнить автоматическую неуправляемую классификацию снимков (кластеризацию) в пределах выделенных карьеров. Например, таким образом стало возможным выделить выработанную часть карьеров. Для этого было создано несколько моделей, обработавших данных специальным образом (в основу положили метод ISODATA). В результате было выявлено несколько классов, автоматически отдешифрированных программой.

Классифицированный по границе карьера фрагмент снимка. Выделено 6 классов

На следующем этапе данные также в автоматическом режиме с помощью специально созданной модели были векторизованы и объединены в один слой.

Анализ полученных данных

Следующим значительным этапом работы стал анализ полученных объектов в совокупности с существующими данными фонда недр и подготовка к полевым исследованиям. Помимо интеграции данных, была разработана специальная шкала «достоверности»:

• 25% – наличие карьера маловероятно;
• 50% – наличие карьера определено со средней степенью вероятности;
• 75% – наличие карьера определено с высокой степенью вероятности;
• 100% – объект является карьером.

Данные были оценены в соответствии с ней и внесены все остальные актуальные атрибутивные данные (состояние карьера, наличие свалки ТБО, площадь выработки, вид полезного ископаемого, используемый для дешифрирования космический снимок, год съёмки).

В рамках подготовки к полевым работам были созданы несколько дорожных графов и спланированы маршруты объезда интересующих объектов.

Полевой маршрут № 1.

Полевые работы

Заключительный этап проект заключался собственно в полевом обследовании объектов интереса. В результате полевых работ было обследовано 43 потенциальных объекта недропользования 21 объект из 43 посещенных оказался карьером.

Кроме того, опыт полевого обследования позволил уточнить шаблоны и эталоны для камерального дешифрирования, что поможет сотрудникам ООО «Иннотер» в будущем в подобных проектах. Теперь, ООО «Иннотер» располагает собственным банком эталонов дешифрирования и точность выявления карьеров достигает 70% и более.

Результат

Выполнен мониторинг воздействия на окружающую среду при проведении горных работ на территории Республики Марий Эл, осуществлённый с помощью космических снимков «Ресурс-П» и «Канопус-В» за 2017–2018 гг. С учетом имеющегося покрытия территории Республики пригодными для дешифрирования космическими снимками, по итогу проведенных работ выявлено более 100 объектов недропользования.

Результаты работ показали, что данные дистанционного зондирования Земли можно – и нужно – использовать для мониторинга окружающей среды, например, в данном случае для выявления незаконного недропользования и добычи полезных ископаемых, а также обнаружения несанкционированных свалок ТБО.

Помимо выявленных объектов недропользования были сформированы дополнительные дешифровочные признаки карьеров, а также других объектов, которые можно спутать с карьерами при автоматизированном и ручном дешифрировании.

Составлен ГИС-проект по ведению и мониторингу объектов недропользования в формате NextGIS QGIS, содержащий информацию о контурах законных и незаконных выработках, когда-либо обнаруженных на территории Республики; о данных полевого обследования и неподтверждённых случаях нелегальной деятельности (в том числе, центроиды фотографий); о снимках, используемых в работе. Кроме того, ГИС содержит топографическую и административную информацию о территории.

Итоговый вид ГИС созданного проекта