Возможности использования снимков с КА « Ресурс-П» для выявления свалок твердых бытовых и строительных отходов

Т.В. Орлов, А.В. Абросимов

Введение и цель

Развитие отечественных средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в сочетании с наметившимися в последнее время тенденциями к их коммерциализации делает их реальными конкурентами зарубежных космических аппаратов на рынке геоинформационных услуг и технологий. Продукты современных российских средств ДЗЗ по качеству и оперативности получения приближаются к лучшим иностранным аналогам, но при этом существенно выигрывают в цене.

Компания «Совзонд», получив статус официального дистрибьютора данных с отечественных КА, запустила серию экспериментов, направленных на изучение свойств поставляемых продуктов с позиций их применимости для решения различных прикладных отраслевых задач. По итогам указанных работ мы планируем опубликовать серию статей, описывающих разные тематические возможности использования российских данных ДЗЗ из космоса.

Эксперименты проводятся на территории Воронежской области площадью 10 000 кв. км, на которую АО «Российские космические системы» предоставило компании «Совзонд» космические снимки с аппаратов «Ресурс-П».

В первую очередь, была проведена оценка применимости данных КА «Ресурс-П» для задачи выявления свалок, оценки состояния полигонов и других скоплений твердых бытовых отходов (ТБО). Эта задача обладает особенной актуальностью в связи с широким распространением свалок в окрестностях населенных пунктов, а также с тем, что 2017  г. объявлен в России годом экологии.

Модельный участок

В пределах территории, на которую были переданы материалы, был выбран модельный участок на северо-западе Воронежской области, общей площадью 16,5 тыс. га, включающий в себя как городские кварталы, так и сельскую местность, а также промышленные объекты. В модельную территорию вошли следующие части муниципальных образований:

• городской округ Воронеж (6198,97 га)
• городское поселение Семилуки (1618,53 га)
• Девицкое сельское поселение (5209,93 га)
• Семилукское сельское поселение (2947,41 га)
• Петинское сельское поселение (597,74 га)
• Латненское сельское поселение (15,01 га)
• Яменское сельское поселение (10,91 га)

Модельный участок с севера на юг пересекает река Дон, с запада на восток —автодорога федерального значения Р-298 (Курск — Воронеж — Саратов), с северо-запада на юго-восток — магистральный газопровод Серпухов — Анапа. Так же на его территории находятся: месторождение огнеупорных глин — карьер «Средний»; карьер Воронежского комбината строительных материалов; СПК «Воронежский тепличный комбинат» и другие промышленные объекты.

Материалы и методы

На сегодняшний момент орбитальная группировка спутников серии «Ресурс‑П» насчитывает три космических аппарата: «Ресурс-П» №1, «Ресурс-П» №2 и «Ресурс-П» №3. Установленный на космических аппаратах оптико-электронный комплекс Геотон-Л1 позволяет выполнять съемку с пространственным разрешением 0,7–1 м в панхроматическом канале (0,62–0,79 мкм) и 2–3 м в мультиспектральных каналах (всего 7 спектральных каналов: синий 0,48–0,52 мкм, зеленый 0,54–0,59 мкм; красный + крайний красный 0,62–0,68, 0,66–0,69, 0,7–0,74 мкм и ближний ИК 0,72–0,8, 0,8–0,9мкм) в различных режимах съемки (объектовая/маршрутная/стерео/площадная).

В работе были использованы следующие сцены КА «Ресурс-П» (Таблица 1), которые прошли предварительную процедуру обработки (подробнее описана в статье «Продукт ОРТОРЕГИОН® на основе данных с КА «Ресурс-П»).

Таблица 1. Исходные данные КА «Ресурс-П»

На выходе были получены ортотрансформированные мозаики с пространственным разрешением 0,75 м /пикс.  На основе полученных продуктов создавался векторный слой экспертно-дешифрируемых мест скопления ТБО.

При векторизации выделялись следующие типы свалок ТБО:

• полигон ТБО
• коммунально-бытовая свалка
• крупная коммунально-бытовая свалка
• строительная свалка
• захламленная территория

Полигон твердых бытовых отходов (ТБО) — специальное сооружение, предназначенное для изоляции и обезвреживания ТБО;

Строительная свалка — территория, используемая под складирование строительных отходов, остатков строительства;

Коммунально-бытовая свалка — территория, используемая под складирование бытовых отходов;

Крупная коммунально-бытовая свалка — территория, используемая под складирование бытовых отходов, площадью более чем 0,5 га;

Захламленная территория — обширная площадь, на которой бытовые и другие отходы распределены относительно равномерно, но не занимают всю поверхность.

Картографирование свалок ТБО проводилось на основе прямых и косвенных дешифровочных признаков. Основные эталоны выявленных свалок приведены в таблице 2, в которой для сравнения дешифровочных свойств также приведено изображение тех же территорий на снимках со спутников компании DigitalGlobe (США).

Наибольшее распространение в пределах модельного участка в количественном отношении получили коммунально-бытовые и строительные свалки (Таблица 3.). Наибольшую площадь занимают полигоны ТБО и крупные коммунально-бытовые свалки. Максимальная площадь выявленной свалки составляет 36,29 га (полигон ТБО), минимальная — 0,001 га.

Таблица 3. Выявленные объекты.

Возможности выявления

С помощью данных КА «Ресурс-П» в частности возможно выявление свалок имеющих существенное распространение и изменение текстуры поверхности, таких как, например строительная свалка площадью 0,41 га на западе города Воронежа вблизи бывшего карьера Воронежского комбината строительных материалов (рис. 1.).

Рис. 1. Строительная свалка площадью 0,41 га на западе города Воронежа вблизи бывшего карьера «ВКСМ» (карьер Воронежского комбината строительных материалов) (космический снимок  «Ресурс-П», 0,75 м. в двух вариантах синтеза, фото GoogleEarth).

Также возможно выявление и разрозненных скоплений мусора ТБО, (захламленных территорий и небольших коммунально-бытовых свалок), как например коммунально-бытовая свалка площадью 0,08 га на западе города Воронежа, вблизи городского микрорайона «Придонской» (рис.2.).

Рис. 2. Коммунально-бытовая свалка площадью 0,08 га на западе города Воронежа, вблизи городского микрорайона «Придонской» (космический снимок  Ресурс-П, 0,75 м. в двух вариантах синтеза, фото GoogleEarth).

В рамках оценки предельных возможностей дешифрирования малых свалок с использованием снимков «Ресурс-П» был проведен эксперимент по определению минимального контура выявляемого объекта.

Эксперимент проводился для поиска и описания места складирования мусора в пределах захламленной территории площадью 1,37 га.

По космическому снимку «Ресурс-П» от 18.06.2016, 0,75 м/пикс,  были выявлены места складирования мусора в количестве 57 шт., общей площадью 20 196 кв. м. Далее результаты дешифрирования были уточнены на основе снимка GeoEye-1 от 01.07.2016, 0,5 м/пикс. Было выявлено дополнительно  17 малых площадок складирования мусора, общей площадью 124 кв. м (рис. 3.).

Рис. 3 Сравнение возможностей выявления мест складирования отходов для снимков «Ресурс-П» (0,75 м/пикс) — слева и GeoEye-1 (0,5 м/пикс) — справа. Выявленные места складирования мусора обозначены желтым, «пропущенные» места — красным.

Таблица 4.  Сравнительные результаты дешифрирования «Ресурс-П»  и GeoEye-1.

При этом, как видно из Таблицы 4, суммарная площадь свалок, выявленных по снимку «Ресурс-П», составляет  99% от всей площади складирования отходов, из чего можно сделать вывод, что результаты дешифрирования их по отечественным снимкам репрезентативны и достаточны для выполнения большинства видов экологических оценок.

Площадь самой маленькой по своим размерам свалки, выявленной по снимку «Ресурс-П» составила 10 кв. м (0,001 га).

На рис. 4 приведен фрагмент космического снимка «Ресурс-П» (синтез в  естественных цветах) на западную окрестность города Воронежа, район Придонской, улицы 9-го Января и Киселева. Красными полигонами выделены свалки различных типов.

Рис.4. Свалки, выявленные по снимкам с КА «Ресурс-П» на западную окрестность города Воронежа

Рис.5. Классификация свалок, выявленных по снимкам с КА «Ресурс-П» на западную окрестность города Воронежа

На рис. 5 приведен фрагмент космического снимка «Ресурс-П» (синтез «естественные цвета) на западную окрестность города Воронеж, район Коминтерновский, западнее  улицы Антонова-Овсеенко.

На территории, в основном, представлены коммунально-бытовые свалки площадью 0,05­–1,73 га, связанные с территорией закрытого полигона ТБО «Формматериалы». Очевидно, что сама закрытая свалка и пустырь вокруг нее продолжает использоваться как место складирования коммунально-бытовых отходов. Также выделяются строительные свалки площадью 0,05–0,31 га, связанные со строительством многоэтажных жилых комплексов (ГСК «Каштановый», ГСК «Галактика») и территорией между ипподромом и его производственной базой. Между ипподромом и территорией ООО «Формматериалы» с одной стороны и ипподромом и песчаным карьером с другой стороны также выделяются участки захламленной территории площадью до 0,21 га.

Полигоны ТБО

Особые подходы применяются для выявления и описания полигонов ТБО. На рис. 6 приведен карьер «Средний», который сейчас используется как полигон ТБО. Розовой заливкой показан закрытый в 2012 г. полигон ТБО, который действовал 19 лет и был закрыт по судебному решению. Однако даже в закрытом состоянии полигон является существенным фактором экологической угрозы и дискомфорта для местных жителей, при этом его закрытая и действующая части примыкают к автодороге федерального значения Курск — Воронеж.

Рис.6. Полигон ТБО вблизи карьера «Средний» на снимке «Ресурс-П»

Использование информации о границах кадастровых участков позволяет установить нарушения «типа» использования для всего полигона или его частей. Закрытый полигон ТБО занимает 2 земельных участка, которые стоят на кадастровом учете: 36:28:8400013:56, 36:28:8400013:90, и частично выходит за их пределы. Площадь санкционированных участков составляет 23,37 и 1,89 га соответственно, несанкционированный участок занимает 2,21 га.

Рис.7. Контур свалки, выявленный по космическому снимку с КА «Ресурс-П» с наложенной кадастровой информацией и выделенной зоной нелегитимного складирования.

Статистика, распространение по территории

Распределение свалок ТБО по обработанной территории неравномерное (рис. 8). После анализа распределения свалок по сельским/городским поселениям и округам  можно сказать, что наибольшую площадь твердые бытовые отходы занимают в Девицком сельском поселении — 72,36 га, а городской округ Воронеж  является самым многочисленным районом по количеству свалок — 63 штуки. Самым чистым районом в пределах модельного участка оказалось Петинское сельское поселение: выявлены всего 2 свалки, которые занимают в общей сложности 0,05 га.

Рис. 8. Тематические карты распределения площадей (а) и количества (б) свалок по муниципальным образованиям

Результат работы по выявлению свалок с помощью методов дистанционного зондирования земли представлен в Таблице 5 . Выявлено 91 мест скопления твердых бытовых отходов, занимающих 104,28 га — это 0,6% всей исследуемой территории.

Таблица 5. Распределение свалок различных типов по муниципальным образованиям.

Выводы

1. Данные КА «Ресурс-П», прошедшие процедуры предварительной обработки, подходят для выявления свалок ТБО. С помощью этих данных возможно выявить даже относительно небольшие по площади (0,001 га) места скопления ТБО;
2. Сравнительный анализ возможностей выявления мест складирования мусора показал, что с помощью снимков «Ресурс-П» (0,75 м/пикс.) возможно выявить 99% площади складирования отходов, по сравнению со снимками Digital Globe (0,5 м/пикс).
3. Основным преимуществом использования снимков КА «Ресурс-П» является дешевизна и скорость получения результирующих материалов, чему способствует разработанный в Компании «Совзонд» технологический поток их обработки и интерпретации;
4. Опираясь на значительный опыт в данной сфере, компания «Совзонд» предлагает услуги по оперативному и точному выявлению свалок ТБО на основе данных с КА «Ресурс-П» всем заинтересованным организациям.