Identification of environmental monitoring objects for building an automated system for controlling anthropogenic activities in water protection zones based on Earth remote sensing data

Водные ресурсы являются национальным достоянием во всех странах мира, обеспеченность ими — ключевой показатель устойчивого развития общества в социальных, экономических и экологических аспектах

Программный план действий «Повестка дня на XXI век», принятый на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро 3–14 июня 1992 года, подчеркивает взаимосвязи между освоением, управлением, рациональным использованием и очисткой водных ресурсов и водными экосистемами и важность осуществления профилактических мер, чтобы избегать впоследствии дорогостоящих мероприятий по восстановлению, очистке и освоению новых водных ресурсов.

В качестве основных проблем, отрицательно влияющих на качество воды рек и озер, конвенция указывает несоответствующую очистку бытовых сточных вод, слабый контроль за сбросом промышленных сточных вод, утрату и разрушение водосборных площадей, нерациональное размещение промышленных предприятий, обезлесение, бесконтрольные залежные системы земледелия, нерациональные методы ведения сельского хозяйства

Эти причины проистекают из антропогенной деятельности, которая, с одной стороны, является реализацией права водопользования на хозяйственную деятельность

Мониторинг непосредственно водных объектов предполагает выявление уже появившихся негативных факторов, для чего в Республике Беларусь уже налажена система мониторинга состояния водных объектов, которая даже на данном этапе показывает достаточно высокую эффективность, подтверждения чему можно найти, например, в сводном отчете о водной безопасности Беларуси

В то же время профилактический мониторинг, направленный на предотвращение или уменьшение загрязнений водных объектов, отсутствует, хотя имеет все предпосылки к его организации. Так, в Республике Беларусь, с целью защиты ресурсов поверхностных вод от загрязнения и засорения, разработаны проекты водоохранных зон  и прибрежных полос водных объектов в разрезе административных единиц, а также отдельных водных объектов

Основная задача водоохранных зон и прибрежных полос как раз и заключается в предотвращении загрязнения и засорения поверхностных водных объектов путем установления на территории, прилегающей к водному объекту, особого режима осуществления хозяйственной и иной деятельности. Правовое регулирование ведения хозяйственной деятельности в границах водоохранных зон осуществляется в соответствии с положениями главы 11 Водного кодекса Республики Беларусь

Потому в данном исследовании была проанализирована задача оценки возможности организации системы мониторинга, направленного на предотвращение или уменьшение загрязнений водных объектов, а именно автоматизированного мониторинга хозяйственной деятельности в водоохранных зонах на основе данных ДЗЗ, которая должна быть органично встроена в национальную государственную систему охраны окружающей среды Республики Беларусь.

На сегодняшний день накоплен значительный опыт в разработке систем мониторинга антропогенной деятельности на основе данных ДЗЗ. В том числе в Российской Федерации разработан ряд подобных систем. 

Так, например, АО «Терра Тех» разработало комплекс отраслевых информационных сервисов «Цифровая Земля — Сервисы», функционирующих на основе данных ДЗЗ. Продукт создан по заказу Госкорпорации «Роскосмос» в рамках мероприятий национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» в интересах руководителей и специалистов государственных структур (министерств и ведомств) по направлениям лесного и сельского хозяйства, недропользования и землепользования, строительства, экологии и чрезвычайных ситуаций. В комплекс «Цифровая Земля – сервисы» входят 7 геосервисов: «Лес-контроль», «Эко-мониторинг», «Карьеры», «Строй-контроль», «Сельхоз-мониторинг», «Чрезвычайные ситуации», «Нарушенные земли»

В Югорском НИИ информационных технологий уже несколько лет назад были разработаны алгоритмы обработки и тематического анализа космических снимков, используемые для выявления нефтезагрязнений на почве, мониторинга действующих факельных установок, контроля лесных рубок и гарей, наблюдения за паводковой обстановкой и изменениями береговых линий вследствие активных русловых процессов на основе широкого круга различных данных ДЗЗ, начиная от мультиспектральных снимков MODIS с пространственным разрешением 250 м до космических снимков с пространственным разрешением не хуже 1 м. Разработана концептуальная схема создания автоматизированной информационной системы экологического мониторинга антропогенных изменений окружающей среды на основе космических снимков

Еще одним примером является опытный образец «Цифровой платформы мониторинга антропогенного воздействия», разработанный Центром компетенций НТИ «Технологии снижения антропогенного воздействия» на базе МГУ имени М.В. Ломоносова. Данная платформа в будущем будет предназначена для комплексного мониторинга факторов антропогенного воздействия на окружающую среду, включая водные ресурсы, почвы и атмосферу

Сходные системы реализуются и в других странах.

В Германии внедрена система WaCoDiS, предназначенная для улучшения мониторинга водных ресурсов посредством интеграции спутниковых данных, наземных сенсоров и метеорологической информации

Агентство передовых исследований в сфере разведки США (IARPA) разработало программу Space-based Machine Automated Recognition Technique, направленную на автоматизацию анализа спутниковых изображений для обнаружения и мониторинга антропогенных и природных изменений на глобальном уровне, включая сельское хозяйство и урбанизацию, с использованием мультиспектральных снимков

Анализ рассмотренных выше и аналогичных систем подтверждает, что данные ДЗЗ являются перспективным источником информации для построения автоматизированных систем мониторинга антропогенной деятельности. В то же время пока еще ни одна система полноценно не встроена в реализацию государственной политики охраны окружающей среды. Аналогичные системы или не достигли еще необходимого уровня технологической зрелости, или являются локальными, и масштабирование их на государственный уровень требует недоступных на сегодня ресурсов, или построены на коммерческой основе и не встроены в государственные процессы контроля и системы учета, или изначально по сути являются рекомендательными продуктами, обработка результатов которых требует значительной экспертной работы.  

Целью данного исследования является определение состава объектов, которые могут являться причиной или следствием нарушений хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и которые могут подлежать мониторингу на основании данных ДЗЗ. При этом система мониторинга водоохранных зон должна быть:

- регулярной (не эпизодической);

- на основании данных ДЗЗ, доступных безвозмездно;

- всей территории страны с учетом ограничений, вводимых законодательством Республики Беларусь.

Выявление таких объектов будет являться стартовым шагом на пути к построению государственной автоматизированной системы мониторинга хозяйственной деятельности в границах водоохранных зон и прибрежных полос, потому возможность автоматизированной обработки тоже является важным аспектом для применения данных ДЗЗ. Примеров функционирования таких систем, построенных на принципах максимальной автоматизации на данный момент не существует. Наиболее близким решением является набор цифровых космических сервисов «Цифровая Земля» для экологического мониторинга от АО «Терра Тех», который все же не предоставляет специализированного сервиса для мониторинга водоохранных зон и не проводит мониторинг на регулярной основе, а только согласно полученным коммерческим заказам.

Территория, на которой будет вестись мониторинг, соответствует ширине водоохранной зоны и прибрежной полосы и определяется ст. 52 Водного Кодекса РБ

Исходя из сформулированной цели анализировались данные ДЗЗ среднего пространственного разрешения и лучше, имеющие пространственное разрешение от 30 м и лучше на пиксель.

Анализ проводился по следующей методике:

- на первом шаге проводилось определение систем ДЗЗ, которые могут быть использованы для контроля хозяйственной деятельности в природных системах с возможностью получения данных на безвозмездной основе;

- на втором шаге осуществлялось формирование предварительного состава контролируемых объектов хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и прибрежных полосах на основе анализа нормативных документов и оценки возможностей контроля данных объектов на основе определённых систем ДЗЗ. Если нарушение актуально не только для водоохранной зоны, но и для других территорий, объект тоже исключался из дальнейшего анализа, так как решение такой задачи должно быть комплексным и выходит за пределы водоохранных зон;

- на третьем шаге проводился анализ возможности (наличия признаков) для распознавания нарушений хозяйственной деятельности в водоохранных зонах на основе дешифрирования данных ДЗЗ и определение возможности использования данных ДЗЗ применительно к распознаванию выделенных объектов;

- на четвертом шаге было проведено ручное визуальное дешифрирование территории водоохранных зон 8-ми районов Минской области на материалах ДЗЗ с целью обнаружения объектов из предварительного состава возможных нарушений, что позволило провести практическую оценку актуальности задачи по поиску данных объектов с учетом частоты их появления и возможности детектирования с использованием данных ДЗЗ;

- заключительным шагом исследования является определение состава контролируемых объектов хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и прибрежных полосах, мониторинг которых может быть автоматизирован.

В соответствии с определенными выше принципами рассматривались спутниковые системы, имеющие пространственное разрешение 30 м на пиксель и лучше, данные которых могут быть получены безвозмездно.

Анализ данных ДЗЗ проводился по следующим критериям:

1) наличие спектральных каналов;

2) временное разрешение;

3) пространственное разрешение;

4) ширина полосы охвата;

5) точность привязки;

6) время поступления данных.

Были проанализированы системы ДЗЗ:

1) Программа Landsat

2) Миссии Sentinel: оптическое (Sentinel-2

3) Белорусская космическая система дистанционного зондирования (БКСДЗ): спутники БКА, Канопус-В

По результатам проведенного анализа было установлено, что перспективными для контроля хозяйственной деятельности в водоохранных зонах являются данные БКСДЗ и Sentinel-2.

Преимуществом БКСДЗ является хорошее пространственное разрешение панхроматических снимков, позволяющее распознавать объекты размеров от 6*10 метров. Недостатком для использования панхроматических данных является ограниченность методов их автоматизированной обработки и интерпретации в отличие от мультиспектральных данных, а также низкая оперативность получения данных.

Преимуществом Sentinel-2 является широкий набор спектральных каналов съемки, позволяющий проводить разносторонний анализ изображений, а также частота покрытия территории съемкой. Пространственное разрешение часто может быть недостаточным для решения поставленной задачи. Размеры объектов, которые могут распознаваться, от 30*50 метров (3*5 пикселей). Это предельная величина, с которой можно для заверки производить визуальную оценку распознанного объекта на изображении.  Панхроматические снимки в комплекте поставки Sentinel-2 отсутствуют.

Использование космических данных спутников Landsat 8, 9 и Sentinel-1 не представляется возможным из-за того, что их пространственное разрешение не позволит распознавать объекты, в особенности в прибрежных полосах.

Определение объектов, которые можно идентифицировать с помощью данных ДЗЗ, было проведено на основе анализа состава возможных нарушений в водоохранных зонах и прибрежных полосах, определенных экологическим законодательством и природоохранными нормами на основе следующих критериев: 

1) ограничение или запрет должны быть явно прописаны в нормативном правовом акте (кодекс, закон, постановление, экологические нормы и правила (ЭкоНиП) или технический кодекс устоявшейся практики);

2) объект нарушения должен быть достаточно крупным, чтобы была возможность его дешифрировать на доступных данных ДЗЗ;

3) объект нарушения может быть локализован с необходимой степенью точности относительно границ водоохранной зоны (или прибрежной полосы, или береговой линии, в зависимости от сформулированного в нормативном акте ограничения).

4) объект нарушения должен сохраняться достаточно долгое время, чтобы нарушение могло быть подтверждено на месте по истечении как минимум нескольких недель после съёмки (так как сами по себе данные ДЗЗ не имеют юридической значимости);

5) объект нарушения должен иметь явные признаки, позволяющие его идентифицировать на поканальных или синтезированных изображениях;

6) нарушение должны быть регулярными (должна быть возможность выявить большое количество объектов данного типа нарушений на исторических данных ДЗЗ), или нарушения могут происходить вблизи небольшого количества точечных источников загрязнения, которые могут быть подвергнуты постоянному мониторингу.

По итогам анализа природоохранного законодательства было выявлено порядка 30 групп ограничений на ведение хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и прибрежных полосах.  Из них лишь 7 соответствует определенным выше критериям (таблица 1), полное соответствие критериям 5 и 6 дополнительно рассмотрено ниже. Так же из этих 7 исключим для дальнейшего анализа такие объекты, как рубки и несанкционированную добычу полезных ископаемых, так как мониторинг такого рода не должен быть ограничен только водоохранными зонами, это отдельные комплексные виды мониторинга, которые должны проводиться по всей территории страны.

Полученный выше предварительный список возможных нарушений был проанализирован на предмет возможности их обнаружения на основе обработки данных ДЗЗ, которые могут быть использованы для контроля нарушений. Для этого подбирались и изучались известные примеры объектов.

По результатам данного анализа можно отметить, что каждый из объектов обладает явными дешифровочными признаками при их просмотре на панхроматических снимках или изображениях видимого спектра, при использовании разновременных композитов или спектральных индексов, за одним исключением. Что касается золоотвалов, распознавание их на мультиспектральных снимках с пространственным разрешением 10 м (Sentinel-2) не эффективно для промышленного использования. Это связано с ограничениями существующих методов и недостаточной точностью определения этих объектов. Кроме того, золоотвалы имеют низкую спектральную яркость, что делает их трудно выявляемыми на панхроматических снимках и разновременных композитах.

Таким образом, на данном шаге из предварительного списка возможных нарушений был исключен такой объект как золоотвалы.

Для дальнейшего формирования состава контролируемых объектов по данным ДЗЗ необходимо было оценить регулярность возникновения предполагаемых нарушений на реальных примерах. Это необходимо для оценки актуальности задачи поиска нарушений определенного типа, ведь если такого рода нарушения очень редки, то нет смысла и организовывать систему их мониторинга. Также важно оценить перспективность использования космических снимков БКСДЗ и Sentinel-2 для их поиска.

В целях определения регулярности появления случаев нарушения экологического законодательства было проведено визуальное дешифрирование территории водоохранных зон и прибрежных полос 8-ми районов Минской области с целью обнаружения объектов из первичного списка возможных нарушений.

Дешифрирование проводилось в два этапа, каждый из которых имел свою цель.

На первом этапе выполнялось распознавание объектов на снимках сверхвысокого разрешения, синтезированных в каналах видимого спектра.

На первом этапе использовались:

- изображения космических снимков картографического сервиса Google Maps

- изображения аэрофотоснимков на Геоинформационном ресурсе данных ДЗЗ Белорусского предприятия сельскохозяйственных аэрофотогеодезических изысканий

На втором этапе выполнялось распознавание обнаруженных объектов на панхроматических снимках БКА и снимках Sentinel-2.

Использованные изображения снимков имели дату съемки от 2017 года и позже.

Для уточнения принадлежности обнаруженного объекта к виду хозяйственной деятельности и землепользователю использовались следующие информационные ресурсы:

- информация слоя «Земельные участки» Публичной кадастровой карты Национального кадастрового агентства Республики Беларусь

- информация слоя «Виды земель» Геопортала открытых данных земельно-информационной системы Республики Беларусь

Количественные результаты распознавания объектов представлены в таблице 2. Данные, отраженные в таблице 2 показывают актуальность задачи поиска нарушений определенного типа с использованием данных ДЗЗ с учетом регулярности их появления. 

По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что распознать появление сооружений, которые в реальности появляются в прибрежных полосах, на доступных данных ДЗЗ фактически невозможно. Эти сооружения не являются капитальными и имеют малые линейные размеры. Было выявлено лишь два случая из 61, и только на снимках БКСДЗ. Дополнительное обследование территорий городов Гомель, Могилев, Брест, Полоцк и их районов в пределах прибрежных полос подтвердило выявление только единичных случаев. Следовательно, проведение отдельного мониторинга нецелесообразно, поскольку пространственного разрешения доступных спутниковых систем недостаточно. Также задача строительства тесно перекликается с задачей выявления новых источников загрязнения. Аналогичный вывод можно сделать и в отношении причалов: размеры реальных причалов не позволяет распознать их появление, даже на панхроматических снимках БКСДЗ с разрешением в 2.1 м на пиксель. 

Таким образом ни один из существующих жестких нормативных запретов не может стать объектом мониторинга на основе бесплатных данных ДЗЗ.

В то же время актуальной и решаемой представляется задача определения новых источников загрязнения: 86 объектов являются потенциальными неучтенными источниками загрязнения, и с помощью снимков БКСДЗ было дешифрировано 76 из них. При этом пространственного разрешения Sentinel-2 недостаточно для решения данной задачи, всего 17 объектов из 86 было распознано на снимках Sentinel-2.

Объектами загрязнения являются достаточно крупные объекты из сфер сельского хозяйства (фермы, машинные дворы и т.д.), ЖКХ, туризма и других. Строительство этих объектов не запрещается в границах водоохранных зон, однако их функционирование требует выполнения ряда рекомендуемых мероприятий, разрабатываемых для каждого отдельного объекта загрязнения при проектировании водоохранной зоны. Соответственно, выявление новых объектов загрязнения или модернизации существующих будет сигнализировать о необходимости корректировки проекта водоохранной зоны и прибрежной полосы.

В рамках данного исследования представлена методика поиска объектов экологического мониторинга в водоохранных зонах на основе данных ДЗЗ, определен объект мониторинга — появление новых и модернизация старых объектов загрязнения в границах водоохранных зон, определены используемые материалы ДЗЗ — панхроматические снимки Белорусской космической системы дистанционного зондирования Земли.

Результаты данного исследования позволяют осуществить четкую постановку задачи на разработку автоматизированной системы экологического мониторинга в водоохранных зонах. Это важная задача, которая позволит оптимизировать процесс разработки необходимых природоохранных мероприятий на существующих и новых объектах загрязнения: можно будет контролировать необходимость корректировки проектов водоохранных зон и прибрежных полос, оценивать объем и порядок выполнения предстоящих работ.