Оценка экологического состояния акватории морского порта Санкт-Петербурга с помощью программного комплекса тематической обработки материалов аэрокосмической съемки

А. В. Марков, О. В. Григорьева, А. Г. Саидов, Д. В. Жуков, В. Ф. Мочалов

В настоящее время материалы аэрокосмической съемки находят широкое применение при решении различных практических задач. При этом существует целый ряд прикладных программ, обеспечивающих тематическую обработку данных дистанционного зондирования и представление результатов обработки с помощью геоинформационных технологий. Однако адаптация или настройка прикладного программного обеспечения на решение конкретной практической задачи с учетом индивидуальных особенностей (спектрального диапазона, пространственного и радиометрического разрешения и т. д.) материалов съемки требует во многих случаях достаточно высокой степени профессиональной подготовки специалистов, привлекаемых к процессу обработки.

В связи с этим в Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского разработан специализированный программный комплекс автоматизированной тематической обработки материалов аэрокосмической съемки. Комплекс прошел апробацию в ходе выполнения пилотного регионального проекта, одной из целей которого являлась оценка экологического состояния акватории и территории морского порта Санкт-Петербурга на основе специально разработанных методологических подходов к идентификации участков, подверженных антропогенному воздействию, определению количественных оценок выявленных нарушений и анализу причин их возникновения.

При создании данного проекта в качестве исходных данных использовались материалы аэросъемки и результаты тестовых наземных измерений. Аэросъемка проводилась с помощью гиперспектральной аппаратуры «Фрегат», которая входит в состав бортового аэросъемочного комплекса. Комплекс также оснащен аппаратурой, обеспечивающей сбор данных в видимом, ближнем инфракрасном, инфракрасном и радиолокационном диапазонах спектра. Обработка материалов съемки с высоким спектральным разрешением позволила сегментировать объекты по физико-химическим свойствам и выбрать участки спектра, имеющие наибольшее индикационное значение в решении задачи классификации акваторий по интенсивности загрязнения разнородными веществами [1].

Большое внимание при реализации проекта уделялось вопросу автоматизации процессов идентификации и классификации участков загрязнения акватории нефтяными пленками и минеральными крупнодисперсными взвесями по данным гиперспектральной съемки. Для обработки материалов съемки и реализации разработанных методик использовался специализированный программный комплекс [2]. В состав программного комплекса входят интерактивные модули анализа и представления результатов автоматизированной обработки.

Идентификация участков антропогенного воздействия объектов инфраструктуры морского порта на акваторию Невской губы и прилегающую территорию осуществлялась по материалам съемки, проведенной в августе 2011 г. Для калибровки и верификации результатов обработки проводились тестовые наземные (судовые) измерения.

Особое внимание уделялось идентификации фактов антропогенного воздействия в районах интенсивного загрязнения акватории минеральными и органическими примесями, нефтью и нефтепродуктами. Причинами неблагоприятного воздействия могут быть аварии, несанкционированные поступления неочищенных стоков с наземных объектов, сбросы льяльных вод с судов в прибрежной зоне, несоблюдение правил складирования грузов.

Методика обработки материалов съемки включала в себя анализ особенностей спектрально-энергетических характеристик этих объектов и фона, полуаналитические подходы восстановления содержания биологических и химических компонентов на основе известных и вновь полученных соотношений между гидрооптическими показателями и актинометрическими характеристиками вод [3]. Далее обеспечивалось автоматизированное обнаружение и оконтуривание участков приповерхностного загрязнения акватории нефтью или нефтепродуктами, а также внутримассового загрязнения взвешенными органоминеральными веществами с концентрацией более 20 мг/л площадью не менее  50 кв. м (рис. 1).

Степень антропогенного воздействия объектов морского порта на экологическое благополучие района оценивалась на основе количественных показателей, характеризующих выявленные нарушения природопользования, а также степень загрязнения акватории и прилегающих территории с учетом фоновых источников загрязнения. В свою очередь при расчете степени приповерхностного загрязнения нефтью и нефтепродуктами учитывались показатели ориентировочной толщины пленки, ее интенсивность, густота и площадь относительно общей площади порта. А при оценке уровня загрязнения взвесями определялись ориентировочные значения их внутримассовых концентраций. Дополнительно количественно оценивались факты несанкционированного сброса льяльных вод с судов (рис. 2), а по косвенным признакам, к которым относятся участки развития фитопланктона, анализировалось содержание в водной среде сильнотоксичных веществ.

Оценка акватории проводилась по бассейнам и гаваням, в пределах каждой из которых рассчитывалась степень загрязнения минеральными и органическими примесями по следующей формуле:

где:

Б — показатель оценки качества воды;

C_i — ориентировочная концентрация загрязняющего вещества i-го участка акватории гавани (или бассейна), мг/л;

C_пдк — предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества, для грубодисперсных взвешенных веществ — 20 мг/л;

S_i — площадь i-го участка акватории гавани (или бассейна) с концентрацией C_i, кв. м;

S_об — общая площадь гавани (или бассейна), кв. м.

При Б≤0,2 воду для акватории морского порта можно считать очень чистой относительно грубодисперсных взвесей, нефтяных пленок и биогенных веществ (при условии, если два последних не были обнаружены), при  0,2<Б≤1,0 — чистой,  при  1,0<Б≤2,0 — умеренно загрязненной, при  2,0<Б<4,0 — загрязненной, при 4,0<Б≤6,0 — грязной, при  6,0<Б≤10,0 — очень грязной, при Б≥10,0 — чрезвычайно грязной.

Обработка данных съемки с помощью биоптического алгоритма показала, что участки развития фитопланктона в форме хлорофилла «а» в акватории морского порта практически отсутствуют — менее 2 мкг/л, поэтому показатель трофности акватории в оценке степени загрязнения не учитывался.

В целом классификация участков акватории по степени загрязнения предусматривала, как минимум, три уровня оценки: чистая; умеренно загрязненная; загрязненная и грязная или очень грязная. Результаты оценки для основных бассейнов и гаваней порта Санкт-Петербурга приведены в табл. 1. К наиболее экологически неблагоприятным участкам акватории относятся Угольная и Большая Турухтанная гавани, что связано с их наибольшей нагрузкой по перевалке навалочных, насыпных и наливных грузов (минеральных удобрений, угля, руды, глинозема, бокситов, калийных удобрений, металлолома, нефтеналивных грузов), по обработке паромов с автотехникой.

Таблица 1. Оценка степени загрязнения крупных бассейнов и гаваней морского порта Санкт-Петербурга

Результаты обработки данных авиационных наблюдений и оценки экологической обстановки в акватории порта подтверждены в ходе проверок, проводимых Управлением морского контроля, разрешительной деятельности и особо охраняемых природных территорий Росприроднадзора. По итогам проведенных проверок также было отмечено увеличение концентрации углеводородов в поверхностном слое и придонной воде по сравнению с пробами 2010 г., загрязнение поверхности акватории льяльными водами и высокая концентрация взвесей [portnews.ru].

Следует отметить, что негативное влияние объектов инфраструктуры морского порта на экологическое благополучие Невской губы является не единственным. Серьезный вред наносят и объекты городской инфраструктуры. За пределами порта фиксируются обширные зоны развития сине-зеленых водорослей на мелководных участках в районе очистных сооружений. Развитие водорослей свидетельствуют о сильном эфтрофировании исследуемой зоны вследствие поступления недостаточно биологически очищенных стоков. Фоновыми источниками загрязнения также является вынос загрязненных вод из реки Красненькая. В прибрежной зоне реки размещено большое количество промышленных предприятий и заводских территорий, имеющих выпуски сточных вод в реку (рис. 3). Дополнительное негативное влияние оказывает вынос загрязненных вод рек Фонтанка и Большая Нева. Вклад в загрязнение исследуемой акватории от речных вод, по нашему мнению, не меньше, чем от объектов порта. Концентрация загрязнителей речных вод превышает 250…300 мг/л, особенно в шлейфе выноса реки Красненькая. Шлейф от выноса загрязненных вод распространяется вдоль восточного побережья Невской губы.

 

С помощью интерактивных модулей анализа и представления результатов автоматизированной обработки, контуры выявленных нарушений были конвертированы в ГИС-проект актуального состояния морского порта, содержащий набор тематических слоев (рис. 4).

При этом информация об участках загрязнения и уровне их воздействия  автоматически заносится в пространственную базу геоданных. Кроме этого, в базе характеристического описания выявленных негативных воздействий с помощью дополнительного модуля анализа рассчитывается оценка причиненного эколого-экономического ущерба в соответствии с действующим законодательством, а также отражаются рекомендации по ликвидации выявленных нарушений природопользования и плана мероприятий по предупреждению возможных отрицательных последствий для морской среды.

Таким образом, разработанный программный комплекс может использоваться для формирования информационной базы данных в интересах административных и природоохранных структур Санкт-Петербурга. Создается информационная основа для принятия обоснованных управленческих решений по нормализации экологической ситуации в порту и обеспечению экологической безопасности прибрежных районов города. Плановая работа по организации информационного обеспечения в интересах экологической безопасности повысит эффективность природоохранных мероприятий, снизит риски возникновения неблагоприятных условий.

Апробация программного комплекса на практическом примере показала, что в настоящее время много- и гиперспектральная аэросъемка могут быть эффективно использованы для выявления нарушений со стороны участников водопользования. При этом в качестве исходных данных могут быть использованы материалы космической мультиспектральной съемки сверхвысокого пространственного разрешения, например, с космического аппарата WordView-2.

Рассмотренные программный комплекс и методики тематической обработки материалов аэрокосмической съемки могут применяться при решении широкого круга актуальных практических задач.

Список литературы:

1. Марков А. В., Шилин Б. В. Проблемы развития видеоспектральной аэросъемки. Оптический журнал. Т.76, №2, 2009. С.20–27.
2. Григорьева О. В., Шилин Б. В. Опыт оценки экологических характеристик акваторий морских портов по данным видеоспектральной аэросъемки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сборник научных статей. Том 9. Номер 1. – М.: ООО «ДоМира», 2012. – С.156–166
3. Марков А. В., Григорьева О. В., Бровкина О. В., Мочалов В. Ф., Жуков Д. В. Автоматизированные методы оценки состояния окружающей среды по данным мульти- и гиперспектральной космической съемки// Геоматика. – 2012. – №4 – С.102–106.

Статья подготовлена по результатам выполненного проекта — победителя конкурса «Лучшие проекты в области ГИС-технологий и ДЗЗ» в номинации «Лучший региональный инновационный проект с использованием космических данных ДЗЗ» в рамках Международного Форума «Интеграция геопространства ― будущее информационных технологий» (17–19 апреля 2013 г.).