Введение

В 2019 году в рамках государственного контракта "Ведение мониторинга воздействия на окружающую среду при проведении горных работ на территории Республики Марий Эл с использованием данных дистанционного зондирования" были выполнены работы по поиску и мониторингу нелегальных карьеров. Заказчиком работ выступило Министерство природных ресурсов, экологии и охраны окружающей среды Республики Марий Эл.

Актуальность этой работы заключается в том, что ежегодно из-за нелегальной добычи природных ресурсов государство несёт прямой ущерб, исчисляемый в миллиардах рублей. Вместе с тем подобная незаконная деятельность наносит огромный экологический урон окружающей среде. Бесконтрольное недропользование способствует уничтожению и угнетению растительных сообществ, провоцирует эрозию, вредит экосистемам и т.д. Космические снимки предоставляют хорошую возможность выявлять и мониторить нелегальные объекты недропользования. По условиям технического задания работа выполнялась по данным сверхвысокого и высокого разрешения с российских спутников Канопус-В и Ресурс-П.

Методика и состав работ

Для выявления нелегальных карьеров была выбрана хорошо себя зарекомендовавшая ранее методика, заключающаяся в экспертном визуальном дешифрировании общих контуров карьеров с последующим выделением активных участков добычи с помощью кластеризации по методу ISODATA.

Основой для выявления нелегальных карьеров были космические снимки Ресурс-П и Канопус-В с пространственным разрешением в панхроматическом канале 0,7 и 2,1 м соответственно (в надире). Для выполнения работ заказчиком было предоставлено около 50-ти снимков Ресурс-П и Канопус-В за 2018–2019 гг. При анализе и отборе полученных снимков установлено, что подходящих по сезону снимков Ресурс-П не имеется, поэтому использовались только снимки Канопус-В за 2018-й и 2019-й гг. Среди данных Канопус-В в дальнейшую работу не принимались снежные и слишком облачные снимки. Таким образом, для исследования остались 10 изображений Канопус-В за 2018-й год и 4 - за 2019-й. Дополнительно нами были приобретены несколько китайских снимков сверхвысокого разрешения SuperView с пространственным разрешением в панхроматическом канале 0,5 м. На рисунке 1 представлено общее покрытие территории исследования космическими снимками, пригодными для работ.

Далее отобранные снимки подверглись процедуре ортотрансформирования. Цель этой операции — повышение пространственной привязки снимков за счёт устранения искажений, вызванных рельефом и условиями съёмки.

Для упрощения визуального дешифрирования территория исследования была разбита на участки, которые последовательно обрабатывались исполнителями, поэтому вероятность пропуска карьера была минимальна. Основные дешифровочные признаки для выявления карьеров:

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

В процессе дешифрирования потенциальные объекты нелегального недропользования сравнивались с эталонными объектами, собранными во время выполнения проекта за 2017–2018 гг. Это делалось с целью минимизировать количество ложно выявленных объектов, которые похожи на карьер. Наша база эталонных лжекарьеров включает в себя древесные опилки, отвалы строительного песка у дороги, старые шахтные пусковые установки ракет. В нашем распоряжении имелся слой с лицензионными участками недропользования на территории Республики Марий Эл, поэтому, если мы видели, что выявленный объект лежал вне границ этого слоя, то с высокой вероятностью он являлся нелегальным карьером.

Затем выявленные потенциальные объекты недропользования направлялись на классификацию без обучения по методу ISODATA для выделения активных участков добычи. На рисунке 2 показан результат этой процедуры.

Выявленные карьеры дополнялись семантической информацией, заносимой в атрибутивную таблицу. Добавлялась следующая информация:

• достоверность дешифрирования (100, 75, 50 и 25%);
• состояние использования (активный, заброшенный);
• тип (легальный, нелегальный);
• космический снимок;
• год;
• площадь;
• минерал (по итогам полевой заверки);
• глубина (по итогам полевой заверки).

По выявленным объектам нелегального недропользования был составлен маршрут полевой заверки, состоящий из 38-ми объектов (рисунок 3).

В результате натурной верификации 26 объектов из 38-ми действительно оказались нелегальными карьерами. Точность дешифрирования составила 69%, что довольно много.

Результаты

Всего в результате работ было выявлено 88 объектов, из них 57 являются нелегальными объектами недропользования. 40 из 57-ми объектов были заверены в поле в 2018–2019 гг., а оставшиеся 17 не проверялись, но с высокой долей вероятности являются нелегальными карьерами. Была составлена картограмма распределения нелегальных карьеров по муниципальным образованиям Республики Марий Эл (рисунок 4). При анализе полученной картограммы сразу заметна неравномерность распределения объектов по территории республики. Большинство нелегальных карьеров расположено в юго-восточной части региона, при этом на северо-западе они вообще отсутствуют.

Нелегальные карьеры приурочены к безлесным пространствам и выходам песчаных/карбонатных пород близко к поверхности. В западных и северных районах республики наблюдается высокая лесистость, а плотность населения на этой территории низкая, поэтому карьеры там практически отсутствуют. Часто карьеры приурочены к поймам рек, где из-за эрозии обнажаются глубоко лежащие песчаные слои.

По результатам выполнения работы был составлен ГИС-проект. Для просмотра результатов работ - фотографий, сделанных во время полевой заверки, - дополнительно был создан демонстрационный геопортал (рисунок 5).

Выводы

По итогам выполнения работ установлено, что для выявления нелегальных карьеров лучше использовать снимки сверхвысокого (субметрового) пространственного разрешения. Применение при дешифрировании снимков с разрешением 2 м и ниже повлечёт за собой пропуск мелких нелегальных объектов. Лучше всего для целей проекта подходят снимки WorldView-2,3, SuperView, KompSat-3, Pleiades и Gaofen-2. Хорошо себя зарекомендовали также данные Ресурс-П, Spot 6-7, Triplesat. Возможно использование снимков Канопус-В и Gaofen-1. В любом случае, чем выше пространственное и радиометрическое разрешение исходных данных, тем лучше.

С целью выделения территорий, потенциально пригодных для нелегального недропользования, на первом этапе рекомендуется осуществлять анализ исследуемой территории по снимкам среднего разрешения Sentinel-2, Landsat-8 и общедоступной картографической подложке (Яндекс.Карты, Google Maps). Это позволит сократить затраты на приобретение и обработку данных, поскольку из исследования можно будет исключить водные пространства, сплошные лесные массивы, крупные промышленные и селитебные земли и др.