Нефтегазовые месторождения

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Геоэкологические аспекты оптимизации степных ландшафтов в условиях разработки нефтегазовых месторождений

ской области более 50% площади составляют пашни, осложняющие дешифрирование при попытках выявить открытые почвы в пределах нефтегазовых месторождений в вегетационный период (рис. 18).

Вусловиях активного сельскохозяйственного использования земель эффективность вегетационных индексов для распознавания открытых поверхностей значительно снижается ввиду особенностей севооборота, подразумевающих наличие открытых пашен в весенний

иосенний периоды, когда естественная растительность находится в стадии вегетации. Значительное количество сельскохозяйственных угодий, в частности полей в степной зоне, подвергающихся разнообразной сезонной обработке — распашке, боронению, парованию, химической обработке сорняков, — приводит к тому, что доля непокрытых почв значительно возрастает и вносит ощутимые затруднения в распознавание объектов техногенной инфраструктуры. Применение маски сельскохозяйственных угодий для отделения полигонов с объектами нефтегазопромыслов и облегчения дальнейшей обработки изображений не приводит к желаемому результату в связи с большим количеством объектов месторождений на землях сельскохозяйственного назначения, а также в связи со стадийностью обработки полей в зависимости от года и сезона. При использовании сходных методов анализа спутниковой информации в условиях, например, тундры, растительный покров которой отличается равномерностью, стабильностью и длительным периодом возобновления после повреждения, достигается весьма высокая степень точности дешифрирования промышленных объектов (Елсаков, 2012).

Впроцессе поиска методов выявления фактических площадей нарушенных в ходе нефтегазодобычи степных земель было замечено, что на спутниковых снимках, выполненных в зимний период и отображающих снежный покров, территории, подвергающиеся активной эксплуатации в процессе нефтегазодобычи, визуально отличаются от заснеженного пространства. Используемые земли частично очищаются от снега, вытаптываются и загрязняются, что способствует приобретению ими отличных от окружающего заснеженного ландшафта спектральных характеристик. Подобная разница позволяет использовать зимние снимки для выявления и анализа динамики нарушенных нефтегазодобычей земель степной зоны.

Оценка возможности идентификации нарушенных земель на основе зимних спутниковых изображений осуществлялась на примере ключевого участка № 7 (рис. 19).

80

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Глава 3. Закономерности трансформации ландшафтов

Исследовательская репрезентативность ключевого участка обусловлена следующими факторами:

—Бобровское нефтегазовое месторождение находится в разработке более 50 лет (с 1970 г.) и характеризуется значительным объемом накопленной техногенной нагрузки;

—месторождение является одним из крупнейших на территории Волго-Уральского степного региона, занимает площадь более 150 км2

иобладает насыщенной разветвленной инфраструктурой: более 200 скважин различного назначения, множество узловых сооружений, густая трубопроводная и дорожно-транспортная сеть, объединяющая объекты нефтегазопромысла (см. рис. 16).

Для оценки точности выявления нарушенных земель использовался контрольный векторный слой объектов месторождения, содержащий 252 полигона, сформированный на основе GPS-фикса- ции координат в ходе полевых исследований и дополненный ручной оцифровкой инфраструктуры нефтегазопромысла по данным Google Earth. Для апробации и оценки эффективности методов распознавания нарушенных земель использовался снимок Ландсат, дата получения которого соотносится со сроками получения данных для контрольного слоя.

Для подбора наиболее эффективного и надежного метода обнаружения нарушенных земель выявлялись наиболее информативные каналы изображения, позволяющие максимально точно выделить участки нарушенных земель. В связи с существенной разницей в значениях альбедо снежного покрова и открытой почвы ожидалось, что разделение объектов по спектральным признакам не представит значительных трудностей. Действительно, во всех каналах были отмечены существенные различия отражательных характеристик заснеженных и малозаснеженных площадей, вследствие чего они четко фиксируются на изображении (рис. 20).

Одной из основных характеристик отражательной способности почв является ее увеличение с возрастанием длины волны, поэтому в качестве наиболее информативного канала для разделения незаснеженных и заснеженных участков использовали первый канал видимого спектра (Москвич, 2009). В нем, а также в ближнем инфракрасном канале, традиционно используемом для дешифрирования почв, оценивалась информативность выделения интересуемых объектов путем логических запросов к значениям пикселей. Выявлено, что при идентификации участков нарушенных земель последние смеши-

81

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Геоэкологические аспекты оптимизации степных ландшафтов в условиях разработки нефтегазовых месторождений

ваются с загрязненным снегом, образовавшимся в результате оседания сажи при горении факелов для сжигания попутного нефтяного газа. Смешивание объясняется тем, что альбедо загрязненного снега может снижаться до 20% (Москвич, 2009), в этом случае трудно отделить по снимку снег от других объектов поверхности.

Далее выполнялся поиск спектральных преобразований, позволяющих наиболее точно выделять эксплуатируемые в процессе нефтегазодобычи участки ландшафта. Анализировались результаты неконтролируемой классификации K-Means с целью выявления оптимальной спектральной разделимости объектов, а также результаты классификаций на основе применения индексов, способствующих распознаванию открытых участков земной поверхности, таких, как Topsoil Grain Size Index (GSI) и Soil Brightness (SB). Также испытывались индекс Normalized Differencial Snow Index (NDSnI), помогающий дешифрировать снежный покров, и спектральное преобразование Tasseled Cap (TC), с расчетом компонента Brightness. Краткое описание спектральных преобразований и результаты их применения представлены в табл. 9. С помощью указанных в табл. 9 подходов анализируемое изображение Ландсат классифицировалось на два класса: «нарушенные земли» и «окружающий ландшафт». Для этого на основе данных контрольного слоя для каждого классифицированного изображения подбирался интервал, максимально включающий малозаснеженные участки, основная часть которых является следствием обслуживания инфраструктуры нефтепромысла Бобровского месторождения.

Оценка точности распознавания нарушенных земель, выполненная для каждого из перечисленных методов, осуществлялась по двум критериям:

—оценка количества распознанных объектов по сравнению с контрольным слоем. Для подсчета совпадений на основе точечного контрольного слоя был создан полигональный слой с буферной зоной размером 40 м при среднем размере объекта на местности 50–90 м (1–3 пикселя изображения Ландсат). Подобная величина буферной зоны принималась для исключения погрешности в привязке объектов на местности в зонах плохого приема спутниковых сигналов;

—оценка ложного распознавания (увеличение площади класса за счет попадания посторонних объектов). Как говорилось выше, средний размер объекта составляет 1–3 пикселя; при 252 объектах контр-

82

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Глава 3. Закономерности трансформации ландшафтов

ольного слоя класс распознаваемых объектов «нарушенные земли» должен занимать не более 756 пикселей.

Методы № 1–5 (см. табл. 9) либо не показали достаточно высокой эффективности выделения нарушенных земель, либо продемонстрировали значительное расширение площади искомого класса. В связи с этим далее испытывалось преобразование Co-Occurrence Measures, основанное на интерпретации текстуры объектов (метод № 6). Текстура объектов формируется закономерностями пространственного распределения элементов поверхности и проявляется в сохранении либо нарушении тоновой однородности изображения. Матовую текстуру имеют однородные участки поверхности: снежный покров на безлесных пространствах (матовая белая текстура), участки сплошного хвойного леса и освободившиеся от снега переувлажненные участки (матовая черная текстура). При этом существенны искажения текстуры снежного покрова в районах населенных пунктов и пойм.

Статистический подход Co-Occurrence Measures основан на матрице смежности пикселей. С применением матриц вычислялись статистические характеристики изображения второго порядка, называемые текстурными признаками, которых на данный момент известно несколько десятков. Метод Co-Occurrence Measures широко используется как для дешифрирования снежного и облачного покровов (Москвич, 2009; Астафуров и др., 2013), так и для выявления ландшафтной структуры (Lane et al., 2014), в том числе для распознавания нарушенных земель на основе снимков Ландсат (Haas et al., 2015). При этом необходимо определить эффективные признаки текстуры изображений интересуемых объектов.

При определении значимых границ класса нарушенных земель на зимнем снимке в искомый класс попадают как объекты инфраструктуры (площадки размещения объектов и линейные объекты дорож- но-транспортной сети), так и участки, вызывающие искажения определяемого класса, — населенные пункты, пойм, овражно-балочная сеть и лесозащитные полосы, обрамляющие сельскохозяйственные угодья. Для исключения расширения площади определяемого класса за счет территорий населенных пунктов использована их маска.

83

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Геоэкологические аспекты оптимизации степных ландшафтов в условиях разработки нефтегазовых месторождений

Однако создать маску пойменных, овражно-балочных участков и лесозащитных полос не удалось, так как на зимних снимках они перемешиваются с нарушенными землями, а на бесснежных изображениях возникают помехи из-за ранней вегетации пойменной и ов- ражно-балочной растительности и сельскохозяйственных посевов. Было решено включить объекты «пойменная и овражно-балочная растительность, лесозащитные полосы» в класс «нарушенные земли»: пойменная и овражно-балочная растительность, а также лесозащитные полосы существуют на всех изображениях временного ряда без кардинальных изменений; соответственно взаимно нивелируются при подсчете изменений площади нарушенных земель. Кроме того, развитию овражно-балочной сети и соответственно увеличению площади класса нарушенных земель способствует воздействие нефтегазодобывающего производства (подробнее см. гл. 3.5).

Отбор методов, дающих наиболее точные результаты распознавания класса «нарушенные земли», выполнялся следующим образом: первоначально исключались преобразования, показывающие точность распознавания класса «нарушенные земли» менее 50% (GSI, Soil Brightness). Затем исключались методы, показывающие расширение площади класса «нарушенные земли» за счет окружающего снежного покрова (K-Means, NDSnI, Тasseled Cap) (рис. 21).

При выделении класса «нарушенные земли» методом Co-Oc- currence Measures наиболее информативными оказались признаки Variance, рассчитанный для синего канала изображения (точность выделения искомого класса 74,6%), и Mean, рассчитанный для ближнего инфракрасного канала (NIR) с длиной волн 0,76–0,90 мкм (точность выделения искомого класса 80,16%). К сожалению, канал с подобными длинами волн отсутствует в изображениях, получаемых со спутника Ландсат-8OLI (в ближнем инфракрасном канале используются длины волн 0,85–0,88 мкм), что создает неудобство при анализе временного ряда снимков. В связи с указанными расхождениями в изображениях Ландсат TM, ETM и OLI для выделения классов «нарушенные земли» наиболее целесообразно использовать текстурную характеристику Variance, рассчитываемую для синего канала изображения, показавшую достаточно высокий результат распознавания объектов класса «нарушенные земли» в значимом интервале значения пикселей 9,0–60,6 (рис. 22).

Метод был протестирован на снимке Ландсат-8OLI от 03.03.2015 г., для ключевого участка № 10. В период полевого сезона 2014 г. был

86

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Глава 3. Закономерности трансформации ландшафтов

создан контрольный точечный слой с координатами 45 площадок с объектами инфраструктуры. При распознавании нарушенных земель на основе изображения текстурной характеристики Variance, рассчитанной для синего канала изображения методом Сo-Occurrence, точность определения класса «нарушенные земли» в значимом интервале значения пикселей 9,0–60,6 составила 68,2%. Особенность тестируемого ключевого участка заключалась в том, что плотность объектов нефтегазопромысловой инфраструктуры в его границах невелика при относительно высокой плотности лесозащитных полос, пойменных и овражно-балочных образований (рис. 23). Последнее обстоятельство объясняет высокую величину показателя ложного определения класса «нарушенные земли» для апробируемого участка. Однако, как упоминалось выше, неизменность структуры размещения подобных образований позволяет нивелировать их вклад при анализе динамики класса «нарушенные земли» по временному ряду снимков.

Учитывая небольшие размеры основной части полигонов размещения объектов месторождений (1–3 пикселя), затруднительно даже их визуальное распознавание на спутниковых снимках среднего пространственного разрешения (30 м). Поэтому процент совпадения контрольных данных и выделенного класса «нарушенные земли», составляющий 67–74%, можно считать удовлетворительным для поставленной задачи.

Таким образом, был подобран достаточно эффективный метод распознавания эксплуатируемых нарушенных земель в степной зоне по спутниковым данным, позволяющий выстроить долговременный динамический ряд нарушений. Фактор доступности снимков Ландсат значительно повышает практическую ценность метода, снижая финансовые ограничения его применения, что может способствовать внедрению регулярного мониторинга проблемных зон. В ситуации, когда изучаемая территория велика, а доступ на объекты исследования ограничен, предложенный метод является доступным и информативным способом получения оперативной информации о происходящих трансформационных процессах.

Ограничение разработанного подхода заключается в том, что с его помощью возможно выявление лишь трансформации земель, эксплуатируемых в период даты съемки спутникового изображения. Нарушенные ранее, но не рекультивированные надлежащим образом участки выявлены не будут. Тем не менее разработанный метод не

87

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Геоэкологические аспекты оптимизации степных ландшафтов в условиях разработки нефтегазовых месторождений

имеет аналогов и позволяет картировать нарушенные в определенный момент времени степные территории с тем, чтобы проводить в дальнейшем регулярный мониторинг — оценку их состояния и специфичность использования.

3.3. Динамика фрагментации ландшафтов

Рост площади нарушенных земель обусловливает возникновение

иразвитие такого симптоматичного индикатора техногенной трансформации ландшафтов, как фрагментация, широко освещаемая в научной литературе (Агаханянц, 2003; Jaeger et al., 2007; Белоновская

идр., 2014; Johnstone et al., 2014; Ramesh et al., 2015). В степной зоне негативное влияние фрагментации усиливается отсутствием ярусности растительного покрова, способствуя разрушению местообитаний степных сообществ, ставя под угрозу их функциональную целостность.

Используя метод выявления эксплуатируемых нарушенных земель (см. гл. 3.2), выполнен анализ их динамики на ключевом участке № 7 (часть Бобровского нефтегазового месторождения). Использовалась серия изображений спутников Ландсат, включающая 5 разновременных снимков (табл. 10).

Таблица 10. Снимки спутников Ландсат, использованные для анализа динамики нарушенных земель на ключевом участке № 7

Подбор снимков временного ряда осуществлялся исходя из их соответствия как базовым критериям пригодности снимка для аналитического дешифрирования (наличие первичного уровня обработки и низкой облачности), так и специфическим требованиям,

88

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts

СПБГУАП|Институт 4 группа 4736

Глава 3. Закономерности трансформации ландшафтов

необходимым для решения поставленной задачи. Для исключения осложнений в виде смешивания спектральных характеристик снежного и облачного покровов из всего доступного архива снимков, отображающих данный участок, подбирались изображения с облачным покровом не более 3%. Дополнительно информация об облачности корректировалась по данным ближайших метеостанций. При изучении архива метеоданных особое внимание уделялось случаям выпадения осадков в период, предшествующий дате снимка. Если снегопад наблюдался за 2–3 дня до или непосредственно в день съемки, снимок считался непригодным для изучения, так как нарушенные земли покрывались снегом и разница в спектральных характеристиках искомых объектов и окружающих незатронутых ландшафтов значительно снижалась. К сожалению, представленный временной ряд не включает снимки периода, предшествующего началу разработки месторождения (1970) или начального этапа его освоения — в архиве Ландсат нет пригодных снимков. Обработка и анализ спутниковых изображений осуществлялись в ПО ENVI и среде ArcGIS. На всех изображениях временного ряда идентифицировался класс «нарушенные земли» (рис. 24).

Далее, в программе Fragstats 4.2 рассчитывались параметры фрагментации ландшафтов (табл. 11). За 27 лет эксплуатации месторождения (с 1988 по 2015 г.) максимальная фрагментация ландшафтов отмечена в период наиболее интенсивной разработки — с 2001 по 2009 г. В 2001 г. количество фрагментов ландшафта выросло более чем в 3 раза по сравнению с начальными этапами освоения (1988). Рост фрагментации произошел по большей части за счет увеличения плотности дорожно-транспортной сети месторождения, соединяющей увеличивающееся количество объектов нефтегазопромысла друг с другом (рис. 25). Площади окружающих незатронутых техногенным воздействием ландшафтов существенно сократились, средний размер их частей уменьшился в 6 раз.

С 2009 г. отмечается снижение общей площади эксплуатируемых нарушенных земель и сокращение фрагментации ландшафтов. К 2015 г. общая площадь эксплуатируемых нарушенных земель снизилась более чем в 1,5 раза по сравнению с периодом наиболее интенсивной разработки месторождения. Однако по летним данным Google Earth за 2014 г. на участке изучения четко визуализируется ряд дополнительных участков нарушенных земель, не идентифицируемых на зимних снимках. Можно предположить, что часть полигонов

89

Контакты | https://new.guap.ru/i03/contacts