Цифровые технологии дистанционного выявления и мониторинга развития бугров пучения и кратеров катастрофических выбросов газа в Арктике

При выполнении трудоемкой многолетней работы авторы использовали многочисленные источники данных ДЗЗ, базирующиеся на различных принципах получения и обработки космоснимков (КС) [2-- 16]. Одно из направлений мониторинга природных и техногенных опасных процессов в Арктике связано с возможностью построения трехмерных цифровых моделей рельефа (ЦМР/DEM -- digital elevation model) на основе обработки стереопар КС [8; 13; 16--18]. При необходимости для целей исследования опасных экзогенных и эндогенных процессов на конкретных участках возможно выполнение эксклюзивной обработки стереопар КС [17; 18], что дорого и не подходит для целей регионального мониторинга различных процессов на обширных территориях Арктики.

Большим подспорьем в выполнении разнообразных мониторинговых исследований в Арктике, в том числе описанной выше работы авторов, служат новые возможности ДЗЗ, связанные с находящимися в открытом доступе ЦМР ArcticDEM, разработанными специалистами Полярного геопространственного центра PGC (Polar Geospatial Center, https:// www.pgc.umn.edu) Университета Миннесоты в сотрудничестве с партнерами (ESRI и др.) [16]. Данная работа была поддержана и профинансирована Национальным агентством геопространственной разведки NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) и Национальным научным фондом NSF (National Science Foundation) США. Первый этап работ по расчету ЦМР был завершен в сентябре 2016 г. для штата Аляска.

В новой версии ArcticDEM Release 7 (доступна с сентября 2018 г.) разрешение всех ЦМР составило 2 м/пикс., что в 2,5 раза выше, чем в ранних версиях. Отметим, что предыдущая версия ArcticDEM Release 6 (доступна с сентября 2017 г.) включала смесь ЦМР с разрешениями 5 и 2 м/пикс. Итоговая мозаика ЦМР ArcticDEM покрывает всю сушу Циркумарктического региона (около 23,07 млн км2) до широты 60°, а в отдельных местах (на Камчатке, Алеутских островах, в южной части штата Аляска) -- почти до 50°. Сводные мозаики ЦМР ArcticDEM подготовлены в виде фрагментов -- тайлов (tiles) 100x100 км (2488 шт.) и сабтайлов (subtiles) 50x50 км (9228 шт.). Каждый из таких фрагментов -- результат анализа, коррекции и обобщения многочисленных перекрывающихся ЦМР (кратность покрытия меняется от 1 до 10 и более раз), построенных при независимой обработке стереопар КС по полосам -- стрипам (strips) пролета спутников. Большая часть стрипов имеет размеры 110--120 км в длину и 16--18 км в ширину с разрешением 2 м/пикс. в 32-битном формате GeoTIFF (эллипсоид WGS84) [16]. В 7-й версии ArcticDEM синтезировано 185,8 тыс. новых полос ЦМР, кроме того, доступны 75 тыс. переобработанных полос предыдущих версий. Ведется работа по расширению ЦМР на более южные широты.

При расчетах ЦМР специалисты PGC использовали стереопары КС высокого разрешения (около 0,5 м/пикс.) четырех полярно-орбитальных спутников американской компании «DigitalGlobe»: WorldView-1, WorldView-2 и WorldView-3 (далее -- WV-1, WV-2 WV-3), а также GeoEye-1 [16]. Обработка ряда перекрывающихся стереопар КС (преимущественно панхроматических) проводится методом фотограмметрии (стереоавтокорреляции) на одном из самых мощных в мире суперкомпьютере Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Университете штата Иллинойс NCSA (National Center for Supercomputing Applications at the University of Illinois).

Мозаичные ЦМР собираются из многополосных ЦМР с целью получения единообразного и комплексного продукта на больших площадях. Тайлы ЦМР ArcticDEM доступны не только с высоким разрешением 2 м/пикс., но в осредненном виде для региональных и мегарегиональных моделей с разрешением 10, 32, 100, 500 и 1000 м/пикс. [16]. Авторы данной статьи убедились, что при этом устраняются отдельные места с бракуемыми данными по стрипам и повышается достоверность ЦМР в целом. Однако происходит потеря их детальности, выражающаяся в сглаживании итогового массива ЦМР. Кроме того, теряется временная привязка исходных стрипов ЦМР.

Рис. 2. Выделение многолетних бугров пучения: космоснимки в оптических диапазонах частот в летнее (1) и зимнее (2) время в плане, цифровая модель рельефа в плане (3) и в трехмерном виде (4)

Fig. 2. Identification of perennial heaving mounds: satellite images in the optical frequency ranges in summer (1) and winter (2) time in plan, digital elevation model in plan (3) and in 3D form (4)

Авторы накопили большой опыт работ с ЦМР ArcticDEM для решения различных задач [8; 13], который базируется на специальных технологиях комплексного анализа и обработки тайлов и стрипов ЦМР, частично изложенных ниже.

Технологии изучения и мониторинга опасных процессов в Арктике

Выявление многолетних бугров пучения по космоснимкам высокого и среднего разрешения в оптическом диапазоне крайне затруднительно, а в ряде случаев неоднозначно. При аэрофотосъемке, проводившейся во времена СССР в 1970--1980-х годах для объемного дешифрирования, использовались стереопары аэрофотоснимков, по которым Военно-топографическим управлением Генерального штаба Вооруженных сил СССР были подготовлены карты различных масштабов. При этом в российской части Арктики были выделены и нанесены на карты тысячи МБП, в том числе на полуострове Ямал -- 1967 [9].

В работах [9; 10] отмечается, что гораздо легче и надежнее МБП выделяются по зимним КС Landsat-8 (рис. 2.2). При этом основным критерием дешифрирования служит комбинация освещенной и теневой сторон бугра за счет низкого положения Солнца [9; 10]. Благодаря отсутствию высокой растительности создается визуальный аналог теневой отмывки (псевдообъемного изображения) рельефа. В целях удобства работы для полуострова Ямал была подготовлена и использована мозаика, состоящая из 10 исходных сцен зимних КС Landsat-8 с разрешением 15 м (см. рис. 2.2). Координаты вершин МБП были занесены в ГИС «АМО».

Новые возможности не только по выявлению, но и по мониторингу пространственных изменений локальных объектов появились на основе доступных стрипов ЦМР ArcticDEM [8; 13; 16; 18]. Согласно данным PGC и ESRI для Ямала и сопредельных территорий тайлы и стрипы были сформированы в июле-августе 2018 г., при этом, видимо, были использованы КС 2013--2017 гг.

В качестве иллюстрации успешного применения мозаики ЦМР ArcticDEM приведем пример уверенного выделения 24 локальных округлых поднятий -- потенциальных МБП c максимальными размерами в плане до 140--170 м на участке полуострова Ямал (координаты центра 69,08° с. ш. и 71,75° в. д.), сформированных в ArcGIS в плане (рис. 2.3) и в трехмерном виде (рис. 2.4). В целом для всего полуострова Ямал, несмотря на выявленные недостатки, мозаики ЦМР позволили провести проверку и коррекцию координат МБП, определенных по зимним КС [9]. В итоге общее количество обнаруженных МБП составило 7185, что в 3,7 раза больше, чем на картах Генштаба [9; 10].

Рис. 3. Исследования бугра пучения и кратера выброса газа на Бованенковском объекте C1 по данным ДЗЗ: космоснимки (I);

ЦМР (E Elevation) и мониторинг различий ЦМР по годам (D Difference).

Примечания. 1. Конкретные даты ЦМР приведены в табл. 1. 2. A-A' и B-B' положения разрезов, приведенных на рис. 4

Fig. 3. Investigations of heaving mound and the gas blowout crater at the Bovanenkovo object C1 according to RS data: satellite images (I); DEMs (E Elevation) and monitoring of DEM differences by years (D Difference).

Notes. 1. Specific dates of the DEM are given in table 1. 2. A-A' and B-B' are the positions of the cross-sections shown in Fig. 4

Отметим, что процедура выделения МБП облегчается с применением цифровой фильтрации входных данных, при которой в ArcGIS из исходного массива ЦМР вычитается осредненный (низкочастотный -- сглаженный) массив данных. Размер фильтра подбирается эмпирическим путем с учетом 3--5-кратного превышения размеров целевых объектов. Автоматизированное выделение МБП на ЦМР на основе распознавания образов с элементами искусственного интеллекта в алгоритмическом плане более просто в реализации, чем на основе анализа зимних КС. Такая работа выполнена в сотрудничестве Института проблем нефти и газа РАН с Муромским институтом (филиалом) Владимирского государственного университета им. А. Г. и Н. Г. Столетовых (результаты готовятся к публикации) [9].

Особо ценным в ЦМР Arctic DEM является то, что исходные стрипы имеют временную привязку, позволяющую проводить мониторинг изменений локальных объектов, включая изменения размеров и конфигурации МБП и термокарстовых озер. Кроме того, они дают уникальную возможность по поиску других аномальных объектов, включая кратеры выбросов газа.

В качестве примера успешного применения ЦМР ArcticDEM приведем результаты анализа данных на наиболее известном и изученном объекте -- кратере мощного выброса газа С1 (в ГИС «АМО»), расположенном в 30 км южнее Бованенковского НГКМ в 3,5 км от магистрального газопровода высокого давления «Бованенково -- Ухта» [2; 3]. На рис. 3.I приведена пятилетняя серия КС WV-2 2013.07.21, WV-1 2014.06.15, WV-1 2015.07.07, WV-2 2016.06.19, WV-1 2017.06.19. Анализ данных ряда КС различного разрешения, включая WV-2 21 июля 2013 г. (рис. 3 -- I.2013), показал, что на месте кратера С1 существовал крупный МБП диаметром до 60 м. По данным ДЗЗ наиболее вероятное время выброса газа с разрушением МБП определено как март 2014 г. [4; 14]. Согласно данным КС внутренние диаметры кратера С1 составили в июне 2014 г. 14x17 м, а в июле 2015 г. -- 25x29 м (в нижней части у воды). По данным экспедиционных замеров в августе 2014 г. глубина кратера, видимо, была около 50 м.

По состоянию на октябрь 2018 г. для района кратера С1 имелись ЦМР по пяти разновременным стрипам: WV-1 9 июня 2013 г., WV-1 15 июня 2014 г., WV-1 7 июля 2015 г., WV-3 17 июня 2016 г. и WV-2 31 мая 2017 г. (табл. 1), фрагменты которых размером 120x120 м приведены на рис. 3 -- E. Анализ ЦМР по 5 стрипам показал наличие значительных недостатков фотограмметрической обработки (см. табл. 1). Экстремальные значения меняются от -78,6 м (WV-2 31 мая 2017 г.) до +335,2 м (WV-1 9 июня 2013 г.), а для ЦМР 2013 г. максимальный диапазон разброса амплитуд достиг 387,1 м. При этом реальные альтитуды рельефа Ямала не превышают 90 м и не могут быть отрицательными. Даже итоговый сабтайл размером 50x50 км, созданный 8 июля 2018 г. по совокупности стрипов 2013-- 2017 гг., имеет однозначно бракованные значения альтитуд от 0 до -70,2 м и в диапазоне от 90 до 140,5 м. В районе объекта С1 для пяти ЦМР также были выявлены существенные расхождения по вертикали осредненных поверхностей рельефа местности. Оценка этих отклонений (уходов) 4 стрипов по отношению к ЦМР 9 июня 2013 г. приведена в табл. 1. Для них минимальные отклонения 1,2 м выявлены для ЦМР 15 июня 2014 г., а максимальные 4,2 м -- для ЦМР 7 июля 2015 г. С учетом этих индивидуальных уходов все 5 ЦМР были приведены (дополнительно смещены вверх на 4 м) к единому уровню, определенному по альтернативным данным (авторские полевые замеры GPS, данные карт Генштаба).

Таблица 1. Краткие характеристики ЦМР ArcticDEM по стрипам в районе объекта С1

В итоге, несмотря на обнаруженные существенные погрешности ЦМР по стрипам, в целом в районе кратера С1 они оказались кондиционными и пригодными для анализа динамики изменений рельефа местности, что видно по пяти ЦМР рис. 3.E (2013--2017), на которых четко видны МБП (рис. 3 -- E.2013) и кратер различной глубины для 2014--2017 гг. (изолинии проведены через 1 м). Глубина кратера в 2014 г. на ЦМР оказалась меньше, чем в 2015 г., что является артефактом изображения на КС очень глубокого дна кратера в июне 2014 г. (около 40 м до уровня воды), не видимого на КС из-за непрохождения косых лучей солнечного света. При этом на КС WV-1 кратер выглядит, как «черная дыра». В 2015 г. за счет таяния ледовых стен кратер С1 расширился и в большей степени был затоплен водой (см. рис. 3 -- E.2015), поверхность которой с плавающими частицами торфа стала хорошо распознаваемой на КС, что позволило достаточно точно определить уровень воды при построении ЦМР. В 2016--2017 гг. кратер был почти полностью затоплен водой, и ее поверхность практически сравнялась с уровнем земли. Для более детального и наглядного представления сказанное выше подтверждается разрезами ЦМР на рис. 4 (Elevation) по двум ортогональным профилям А-А' и B-B', положение которых показано на рис. 3 -- E.

Наличие отредактированных, приведенных к единому уровню ЦМР (см. рис. 3 -- E) позволяет проводить не только качественный, но и количественный анализ изменений в различных комбинациях, например через один, два или три года. В этом случае делается вычитание из ЦМР анализируемого года ЦМР года сравнения. Таким образом, осуществляется цифровой 40-мониторинг (четвертое измерение -- время), который давно и успешно применяется в сейсморазведке для 40-мониторинга разработки месторождений нефти и газа [3; 12]. При этом обычно проводится сравнение каждой новой 30-модели с первоначальной. Подобный 40-мониторинг мы провели и для изучаемого Бованенковского объекта С1.

На рис. 3 -- 0 приведены разностные ЦМР по объекту С1 для четырех лет (2014--2017 гг.) по сравнению с 2013 г., рассчитанные в пакете программ ArcGIS. При этом для 2013 г. была рассчитана разница между ЦМР 2013 г. и синтезированной ЦМР (Х), полученной после расчета изолиний по входным дискретным данным ЦМР в пикселях, выявления и устранения всех замкнутых изолиний, соответствующих МБП, с последующим пересчетом в дискретную ЦМР. На рис. 4 (Difference) приведены разрезы по профилям А-А' и B-B', построенные по разностным ЦМР. Анализ разностных результатов рис. 3 -- 0 и рис. 4 (Difference) позволяет сделать однозначный вывод о возможности 40-мониторинга изменений рельефа местности по стрипам ArcticDEM, особенно надежно работающего в зонах катастрофических изменений, связанных со взрывными и оползневыми процессами.

В ходе обработки данных ЦМР для района объекта С1 были уточнены размеры МБП. По состоянию на 9 июня 2013 г. его размеры по крайней замкнутой изолинии 27,2 м составили 62x65 м, а высота -- 6,1 м. Эти размеры отличаются от примерных данных А. Кизякова с соавторами (диаметр 45--48 м, высота 5--6 м) [18]: по данным ЦМР они больше в плане на 35,4--37,8%, а по высоте -- на 1,7--22%. За счет понижения рельефа местности в южном направлении кажущаяся высота бугра с южной стороны достигает 8 м. В 2014 г. здесь даже остаточная часть бугра с бруствером была около 5 м -- в три раза выше роста человека, что хорошо видно на рис. 1.

Рис. 4. Исследования бугра пучения и кратера выброса газа на Бованенковском объекте C1 на ЦМР 2013-2017 гг. по профилям A-A' и B-B' (положение показано на рис. 3): Elevation разрезы ЦМР; Difference мониторинг изменений ЦМР

Fig. 4. Investigations of the heaving mound and the gas blowout crater at the Bovanenkovo object C1 at the 2013-2017 DEMs along profiles A-A 'and B-B' (the position of profiles is shown in Fig. 3): Elevation DEM sections; Difference monitoring of DEM differences

В качестве второго примера применения разновременных стрипов ЦМР ArcticDEM приведем результаты мониторинга обстановки в районе Сеяхинского кратера выброса газа С11 (в ГИС «АМО»), образовавшегося 28 июня 2017 г. в русле реки Мюдрияха (рис. 5 -- Е.2017) [8--13]. В результате комплексных исследований данных ДЗЗ и четырех экспедиций (2017--2020 гг.) было установлено, что до выброса, самовоспламенения и взрыва газа на месте сформировавшегося кратера в русле под действием газодинамических процессов активно рос МБП [8; 13]. В 2013 г. его центральная часть, расположенная прямо в русле реки, размывалась речной водой, за счет чего на КС WV-2 высокого разрешения (до 0,5 м) 22 июня в русле реки наблюдаются локальное инородное строение дна и малозаметное искривление левого (юго-восточного) берега (рис. 5 -- I.2013). Зимний КС WV-1 19 апреля 2016 г. (рис. 5 -- I.2016) малоинформативен, однако на месте изучаемого объекта видны две черные полосы, наиболее вероятно, связанные с трещинообразованием в поверхности свода МБП. На летнем КС WV-3 27 июля 2017 г. наблюдается кратер диаметром около 90 м (см. рис. 5 -- I.2017).

Для анализа Сеяхинского объекта С11 из базы данных ЦМР ArcticDEM оказались доступными данные по 6 стрипам (3 для 2013 г., 2 для 2016 г. и 1 для 2017 г.), краткая характеристика которых дана в табл. 1. Анализ этих данных, как и в предыдущем случае, выявил ряд недостатков расчета ЦМР при фотограмметрической обработке, заключающихся во многих больших отклонениях значений альтитуд на отдельных участках суши и на поверхностях водоемов от реальных (см. табл. 1). Экстремальные значения меняются от -74.3 м (WV-3 27 июля 2017 г.) до +454,5 м (WV-3 28 февраля 2016 г.), а в реальности для Ямала -- от 0 до 90 м. Итоговый сабтайл размером 50x50 км (подготовлен 8 июля 2018 г. по совокупности стрипов 2013--2017 гг.) имеет явно бракованные значения альтитуд с отрицательными значениями от 0 до -20,2 м.

В районе объекта С11 были выявлены существенные расхождения по вертикали поверхностей рельефа местности, при этом данные только одной ЦМР от 14 марта 2013 г. оказались выше нуля (в среднем 1,6 м), а пять других ошибочно «ушли» в отрицательную область (рис. 6). Оценка этих уходов 5 стрипов по отношению к ЦМР 14 марта 2013 г. приведена в табл. 1. Для них минимальные отклонения 3,4 м выявлены для ЦМР 27 июля 2017 г., а максимальные 5,8 м -- для 3 мая 2013 г. Максимальный диапазон разброса амплитуд для КС 28 февраля 2016 г. достиг 511,5 м (вместо не более чем 90 м). Кроме того, сопоставление данных всех 6 ЦМР с альтернативными источниками информации (авторскими полевыми замерами GPS, картами Генштаба) показало необходимость их дополнительного смещения вверх примерно на 5 м. Отметим, что в двух случаях были выявлены небольшие (5 и 6 м) смещения по горизонтали. Несмотря на это, в целом после указанной выше коррекции ЦМР по 5 стрипам (за исключением 19 июля 2013 г.) оказались кондиционными и пригодными для площадных построений карт и локального анализа динамики изменений рельефа местности в районе объекта С11 (см. рис. 5 и 7).

Рис. 5. Исследования бугра пучения и кратера выброса газа на Сеяхинском объекте C11 по данным ДЗЗ: I космоснимки; E ЦМР, D мониторинг различий ЦМР по годам.

Примечания. 1. Конкретные даты ЦМР приведены в табл. 2. 2. A-A' положение разреза, приведенного на рис. 6 и 7

Fig. 5. Investigations of heaving mound and the gas blowout crater at the Seyakha object C11 according to RS data: I satellite images; E DEM, D monitoring of DEM differences by years.

Notes. 1. Specific dates of the DEM are given in table 2. 2. A-A' the position of the cross-sections shown in Fig. 6 and 7

Таблица 2. Краткие характеристики ЦМР ArcticDEM по стрипам в районе объекта С11

Рис. 6. Рельеф поверхности Сеяхинского объекта С11 по меридиональному профилю A-A' по данным 6 стрипов ЦМР 2013, 2016 и 2017 гг. до коррекции

Fig. 6. The surface relief of the Seyakha object C11 along the meridional profile A-A' according to the data of 6 DEM strips in 2013, 2016 and 2017 before correction

На рис. 5 -- E приведены в трехмерном виде три ЦМР ArcticDEM для участка объекта С11 200x200 м: средние из двух зимних для 2013 г. (14 марта и 3 мая) и 2016 г. (28 февраля и 19 апреля), а также летняя ЦМР 2017 г. (27 июля). На всех ЦМР 2013 г. на обоих берегах видны локальные приподнятые участки с относительным превышением рельефа порядка 1 --1,4 м, также хорошо видные на осредненной ЦМР за 2013 г. (рис. 5 -- Е.2013) [8]. Зимние ЦМР 2013 и 2016 гг. визуально сильно отличаются от летней 2017 г. -- они менее выразительны по амплитуде из-за выравнивания рельефа местности при занесении снегом низменных частей, особенно долины и русла реки. На рис. 5 -- Е.2017 четко видно русло реки и две отрицательные локальные подводные аномалии над кратером, которые также видны на разрезе A-A' (см. рис. 7 -- Elevation). Рассчитанные автоматически подводные аномалии ЦМР ArcticDEM на порядок меньше реальной замеренной глубины кратера (56 м) [13]. Они, видимо, соответствуют поверхности зоны смешения прозрачной для солнечного света речной воды с мутной водой в кратерном водоеме. Отметим, что на другом кратерном озере с чистой водой на ЦМР была определена глубина дна, видимого на КС.

На рис. 5 -- D приведены результаты 4D-мониторинга изменений ЦМР по годам исследований, получаемые путем вычитания из текущих ЦМР 2016 и 2017 гг. первоначальной 2013 г. (см. рис. 5 -- 2016-2013 и рис. 5 -- D.2017-2013). При этом для 2013 г. также была рассчитана разница между ЦМР 2013 г. и синтезированной ЦМР (Х), полученной после устранения двух аномальных поднятий МБП на берегах реки. Отметим, что на разностной ЦМР 2016 г. выделяется лишь одно поднятие на правом (северном) берегу реки, что связано с полным размывом рекой поднятия на левом берегу.

Несмотря на полное затопление кратера С11 речной водой сразу после взрыва, на разностной ЦМР рис. 5 -- D.2017-2013 и соответствующем разрезе рис. 7 -- D видны ярко выраженные аномалии (как и на объекте С1), свидетельствующие о произошедших кардинальных катастрофических изменениях ранее сложившегося ландшафта.

Анализ последствий техногенных катастроф в Арктике