Методика комплексного использования данных аэрокосмического зондирования и гис-технологий для мониторинга линейных природно-технических систем

Актуальность темы

Районы Западной Сибири — основная топливно-энергетическая база не только Российской Федерации, но и целого ряда стран ближнего и дальнего зарубежья. На территории Западной Сибири расположены крупнейшие в стране месторождения нефти и газа, обеспечивающие более половины добычи жидкого и газообразного углеводородного сырья России. Разведка, обустройство и эксплуатация месторождений нефти и газа сопровождается интенсивным прямым и косвенным воздействием на состояние природных ресурсов, полезных ископаемых, грунтов, рельефа, земельных (в том числепочвенных), водных, воздушных, животного мира (промысловых и одомашненных видов животных), растительности (лесов, кормовых и промысловых видов), — что является причиной их значительных изменений и приводит к ухудшению, как экологической обстановки, так и социально-экономических условий региона.

Обеспечение прироста запасов углеводородного сырья, комплексное исследование факторов воздействия на природную среду в результате строительства и эксплуатации технических сооружений, повышение уровня технологии освоения месторождений нефти и газа, обеспечение условий для наиболее рационального природопользования в регионе, организация системы экологического мониторинга — это лишь часть проблем, которая, как показывают проведенные исследования, в первую очередь требует комплексного привлечения для своего решения материалов аэрокосмических съемок и ГИС-технологий.

Однако анализ результатов использования аэрокосмической информации показывает, что эффект от применения данных дистанционного зондирования при решении перечисленных выше задач далек от желаемого уровня. Недостаточно используются материалы аэрокосмических съемок при составлении необходимых картографических документов и организации баз географических данных.

Особенно недостатки такого рода ощутимы при изучении воздействия различных комплексов технических сооружений на природную среду и при проведении работ, направленных на оптимизацию природопользования. Повышение эффективности использования аэрокосмической информации при анализе состояний природно-технических систем (ПТС) могло бы способствовать принятию мер по ослаблению существующих или предупреждению возможных конфликтных ситуаций разной остроты и сложности, в первую очередь в районах нефтегазодобычи Западной Сибири, а также и в других регионах Российской Федерации,.

Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований являлась разработка методики комплексной оценки состояний природно-технических систем магистральных трубопроводов на основе данных аэрокосмического зондирования и ГИС-технологий.

В ходе исследований в интересах достижения общей цели работы решались задачи:

1. Отработка технологии обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) средствами специализированного программного обеспечения с последующей оценкой информативности материалов аэрокосмических съемок для целей мониторинга состояний ПТС МТ.

2. Тематический анализ территории пролегания трасс магистральных трубопроводов по условиям и последствиям взаимодействия природно-территориальных комплексов (ПТК) и технических сооружений с учетом факторов возникновения опасных процессов.

3. Оценка состояния, динамики ПТС, прогноз устойчивости и выработка рекомендаций по оптимизации расположения трасс линейных сооружений с использованием разработанных методов и математических моделей.

4. Разработка структуры и содержания базы данных специализированной геоинформационной системы для информационной поддержки мониторинга линейных ПТС.

5. Создание специализированного ГИС-проекта на исследуемый магистральный трубопровод и построение информационной математической модели (фоновое состояние, стадия строительства, стадия эксплуатации технического сооружения, прогнозирование ситуации) для целей мониторинга состояний действующих и построение прогноза на проектируемые трубопроводы.

Исходными материалами, положенными в основу диссертации, являются:

— результаты исследований полученные в ходе выполнения госбюджетных работ в период 2005;2009 гг.,.

— фондовые материалы производственных предприятий,.

— материалы аэрокосмических съёмок на территорию п-ова Ямал и Тазовско-го полуострова.

— топографические и тематические карты,.

— литературные источники.

В процессе выполнения работы привлекались, разрабатывались и совершенствовались методы и технологические приемы:

S анализа и обобщения материалов по теории и практике аэрокосмического мониторинга, тематического картографирования, оценки устойчивости при-родно-территориальных комплексов (ПТК) и ГИС-технологиям;

•S сбора, обработки и анализа данных ДЗЗ, в том числе космических изображений, полученных оптико-электронными и радиолокационными съёмочными системами с применением методов визуального и автоматизированного дешифрирования, а также оценки динамики ПТК и прогноза их устойчивости в районах прохождения трассы трубопровода;

S составления специальных тематических карт для анализа состояний ПТС по результатам дешифрирования и интерпретации;

S обработки космических цифровых изображений средствами программного пакета ERDAS Imagine для создания экспериментальной базы данных на участок трассы МТ;

S ввода комплексной картографической информации с преобразованием ее в векторную форму и последующей обработкой с помощью программ Mapinfo Professional и GeoMedia Professional;

•S формирования прикладных информационно-аналитических ГИС-проектов на отдельные районы пролегания магистральных газопроводов (МГ) Та-зовского п-ова и п-ова Ямал;

V" вероятностно-аналитических оценок потенциального и фактического состояния ПТК.

Научная новизна. В результате проведенных исследований была разработана оригинальная методика комплексного использования данных аэрокосмического зондирования в составе информационно-аналитической ГИС, в основе которой реализована математическая модель описания состояния ПТС и приемы анализа результатов мониторинга линейных природно-технических систем для оценки состояния и прогнозирования их дальнейшего развития. В том числе разработаны (выполнены):

•S способ оценки состояний и прогноза динамики ПТС МТ в зависимости от условий природной среды на основе физиономических характеристик, выявленных по данным ДЗЗ, цифровым тематическим и комплексным полевым наблюдениям на тестовых участках;

•S оценка информационного потенциала различных видов аэрокосмических данных, применяемых при дешифрировании состояний (современных, реконструируемых или прогнозных) ПТС;

S структура и содержание базы данных информационно-аналитической ГИС мониторинга линейных природно-технических систем криолитозоны (север Западной Сибири);

S информационно-аналитический ГИС-проект на участок трассы действующего МГ «Ямбург-Ныда» и проектируемого МГ «Обская-Бованенково» для целей мониторинга состояний действующих и построение прогноза на проектируемые трубопроводы.

Материалы диссертации использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных тем:

1. «Разработка методов комплексирования гиперспектральных и радиолокационных ДДЗ в корпоративную ГИС для целей аэрокосмического мониторинга трасс магистральных трубопроводов», МИИГАиК, 2007;2009 гг.;

2. «Разработка автоматизированной технологии динамического картографирования растительного покрова и других типов наземных экосистем по временным сериям данных дистанционных наблюдений на различных уровнях пространственной дифференциации», МИИГАиК, 2008 г.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на конференциях молодых ученых и специалистов МИИГАиК (Москва, 2006, 2007, 2008 г. г.) — на юбилейной конференции «230 — лет МИИГАиК» (Москва, 2009 г.) — на конференции ГИС-Ассоциации (2009 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст изложен на 152 страницах и иллюстрирован 39 таблицами и 32 рисунками. Список использованной литературы включает 124 названия, в том числе 19 на иностранных языках.

1. Экспериментальная часть работы посвящена реализации разработанной методики на примере построения оценочной модели ПТС МГ «Ямбург-Ныда», расположенного на территории Тазовского п-ова, на основе материалов ДЗЗ и ГИС-технологий с использованием выработанных алгоритмов. Параметры ста тической вероятностной модели состояния ПТС, заданной уравнением множе ственной регрессии I порядка рассчитываются на основе эмпирических данных (данные тематического картографирования, материалы полевых обследований и др.). Динамика природной среды определяется по материалам ДЗЗ, получен ным на различные моменты времени. Созданная таким образом модель позво ляет не только моделировать описанное по факту состояние ПТС, но и полу чить его оценку на различных этапах её существования.2. Возможности практического использования разработанной методики рассмотрены на примере проектируемой трассы МГ «Обская-Бованенково». Природно-климатические условия прохождения проектируемой трассы аналогичны условиям эксплуатации рассмотренного МТ «Ямбург-Ныда», что позволяет экстраполировать результаты анализа характера взаимодействия компонентов линейной ПТС «Ямбург-Ныда» на предполагаемую ПТС «Обская Бованенково». Такой подход позволит осуществлять грамотное проектирова ние, строительство и эксплуатацию инженерных сооружений и повысить эф фективность управления работой МГ с учётом накопленного опыта.3. Однотипные природно-территориальные комплексы обладают близки ми значениями устойчивости к антропогенным воздействиям, ответными реак циями на них и режимами восстановления нарушенных компонентов. Анализ структуры параметров и функционирования ПТК служит основой проектирова ния устойчивых ПТС, контроля и управления ими. С другой стороны, создание линейных ПТС требует знания объекта как в плане его функционирования, так и в плане его дальнейшего взаимодействия с.

4. Построение прогнозно-динамической модели состояния ПТС позволяет оценить степень подверженности выделенных типов ПТК к основным видам техногенных воздействий, произвести районирование территории по степени ее общей устойчивости в процессе эксплуатации с построением соответствующих карт-схем. Применение подобных схем позволит учесть факторы природной среды при проектировании МТ, оптимизировать размещение трассы и парамет ры инженерных конструкций для их эффективного функционирования, а также обеспечить максимально возможную устойчивость ПТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют утверждать, что поставленные в диссертационной работе научно-практические задачи комплексного использо вания данных аэрокосмического зондирования в составе информационно аналитической ГИС, в основе которой реализована математическая модель описания состояния ПТС и приемы анализа результатов мониторинга линейных природно-технических систем для оценки состояния и прогнозирования их дальнейшего развития решены в полном объеме. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана технология систематизации, обработки и оценки информа тивности данных ДЗЗ для целей выявления потенциальной опасности природ ных процессов и определения динамических состояний природно-технических систем и их элементов с последующей их дифференциацией на группы с раз личной степенью устойчивости и подверженности к изменениям в результате усиления техногенной нагрузки (благоприятные, сложные, неблагоприятные и крайне неблагоприятные) на основе экспертного и факторного статистического анализа. Проведенная оценка информативности аэрокосмической информации при дешифрировании элементов ПТС, позволила определить оптимальный вариант обработки материалов ДЗЗ с помощью специализированного программного обеспечения ERDAS Imagine.2. Разработана параметризированная модель динамики переменных со ставляющих ПТС в пространственно-временном контексте, позволяющая опи сывать изменение переменных как функцию состояния природных и антропо генных факторов. В ходе исследований создано математическое обоснование модели фор мального описания динамики природной и техногенной составляющих ПТС в пространственно-временном контексте. На основе созданной математикестатистической модели разработан способ оценки потенциальной опасности природных процессов с использованием экспертного анализа факторов на ос нове материалов ДЗЗ.

3. Прогнозно-динамическая модель состояния ПТС позволила оценить степень подверженности выделенных типов ПТК к основным видам техноген ных воздействий, произвести районирование территории по степени ее общей устойчивости в процессе эксплуатации с построением соответствующих карт схем. Применение подобных схем позволит учесть факторы природной среды при проектировании МТ, оптимизировать размещение трассы и параметры ин женерных конструкций для их эффективного функционирования, а также обес печить максимально возможную устойчивость ПТС криолитозоны.4. Реализована одна из основных задач, возникающая при разработке ин формационно-аналитической ГИС — формирование информационного базиса для реальной комплексной оценки состояния территории и построения про гнозных моделей при проектировании различных магистральных линейных со оружений. Исследовано сочетание картографического и аэрокосмического методов для разработки и поддержания ГИС на современном уровне. Дальнейшее раз витие геоинформационных технологий на основе использования материалов ДЗЗ позволит обеспечить всестороннее информационное обеспечение процес сов инвентаризации, оценки и учета природных объектов, а также объектов го сударственной, частной и коллективной собственности и оптимального управ ления ими.5. Для решения задач мониторинга ПТС разработана концептуальная мо дель хранения геопространственных данных в серверной многопользователь ской СУБД. Геореляционная модель организации данных предусматривает оп ределение межобъектных связей не только на основании общности качествен ных (семантических) характеристик согласно условию эквивалентности значе ний по ключевым и связующим полям соответствующих таблиц, но и опреде ление отношений данных в зависимости от их положения в пространстве.6. Создан экспериментальный информационно-аналитический ГИС проект, позволяющий: • оценить состояние и динамику действующей трассы МГ «Ямбург Ныда», расположенной на территории Тазовского п-ова, • построить прогноз на проектируемый магистральный газопровод «Об ская-Бованенково», расположенный на п-ове Ямал. Применение подобных объектно-ориентированных ГИС позволяет не только моделировать описанное по факту состояние ПТС, но и получить его оценку на различных этапах её существования. Такой подход позволит оптими зировать проектирование, строительство и эксплуатацию инженерных соору жений и повысить эффективность управления работой МГ с учётом накоплен ного опыта.7. Разработанная экспериментальная геоинформационная система, пред назначенная для дальнейшего проектирования экспериментальных специализи рованных геоинформационных систем позволила: • выбрать и адаптировать программные средства (Maplnfo Professoinal, Geomedia Professional, ERDAS Imagine и др.), позволяющие провести ввод, сис тематизацию и обработку исходной информации (как картографической, так и.

аэрокосмической) — • разработать вопросы проектирования информационно-аналитической ГИС и ее адаптации к существующим технологическим схемам проведения ра бот для трасс магистральных трубопроводов Западной Сибири на примере тес товых участков. Созданная информационная система является универсальной и может быть ориентирована на решение любых прикладных задач, связанных с мони торингом как инженерно-технических, так и природных объектов.