Дешифрирование данных дистанционного зондирования как метод анализа восстановительных процессов в пределах карьерно-отвальных ландшафтов

УДК 502.5

ДЕШИФРАЦИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ КАК МЕТОД АНАЛИЗА ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРЕДЕЛАХ КАРЬЕРНО-ОТВАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТОВ

Ряхов Р.В. , Дубровская С.А., Норейка С.Ю.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт степи Уральского отделения Российской академии наук, Оренбург, Россия

В статье рассматриваются разновременные мультиспектральные снимки с применением алгоритмов неконтролируемой кластеризации и расчета вегетационного индекса, выявлены особенности динамики восстановительных процессов глубоко-преобразованных техногеосистем. По результаты дешифрирования проведена оценка масштабов сукцессионных изменений горнопромышленных комплексов и установлена общая закономерность ландшафтной дифференциации восстановительных процессов в пределах изучаемых техногеосистем.

The article discusses different time multispectral images using algorithms unsupervised clustering and vegetation index calculation, the peculiarities of the dynamics of the recovery processes deeply transformed tehnogeosistem. According to the results of decoding an assessment scale mining complexes successional changes and set the general pattern of differentiation of landscape restoration processes within the studied tehnogeosistem.

Постановка проблемы. Месторождения медноколчеданных руд формируют особый геоэкологический и геохимический режимы функционирования ландшафта, который относится к глубоко преобразованным горно-техническим геосистемам. Они характеризуются наибольшей степенью негативного антропогенного воздействия на воздушную среду, поверхностные и грунтовые воды, почвенный и растительный покров восточной части Оренбургской области. Образование, связанных с разработкой месторождений, карьерно-отвальных типов местности оказывает не только локальное влияние на вмещающие ландшафты, по средствам разрушения естественных биогеоценозов и создания новых форм рельефа, но и на достаточно обширные территории, вследствие переноса во взвешенном состоянии тонкодисперсных частиц, и нарушения геохимической обстановки [1]. За счет техногенной миграции веществ в речную сеть и, следовательно, выхода за пределы техногеосистемы, зона загрязнения может достигать нескольких десятков квадратных километров [2].

Для оценки динамики постепенного зарастания (регенерации) отвалов медноколчеданных месторождений растительными сообществами необходимо учитывать временной отрезок (срок эксплуатации), степень преобразования природной среды (формирование новых техногенных форм рельефа) и проведения рекультивационных мероприятий на территории техногеосиситемы, для предотвращения процессов эрозии, дефляции, оползнеобразования, оврагообразования, деградации и загрязнения ландшафтов. Длительность эксплуатации рудных месторождений определяет уровень трансформации ландшафта и образование новых специфических техногенно-преобразованных техногеосистем (карьерные выемки, отвалы, техногенные родники, озера, ручьи).

Блявинское (Cu, Zn, S) месторождение расположено в 6 км от г. Медногорска, разработка началась в 1934 г. Добыча руды прекращена в конце 70-х годов XX века, но до конца 80-х происходило гидрометаллургическое извлечение меди. В настоящее время на месте месторождения находится затопленный карьер. Месторождение Барсучий Лог (Cu, Zn, S) открыто геологами Домбаровской геологоразведочной экспедиции в 70-80-е годы XX века, расположено в надпойменной террасе р. Большой Кумак (13 км к юго-востоку от п. Караганка). Отработка карьера прекращена в 2006 г. Гайское (Cu-Zn) месторождение расположено на водоразделе рек Елшанки и Колпачки (правые притоки р. Урал) в черте г. Гай. Разработка ведется с 1959 г. открытым и подземным способом. Рудник «Джусинский» расположен в Адамовском районе в 3 км к юго-западу от железнодорожной станции

Теренсай и разрабатывается с 2004 г. На современном этапе добыча на месторождении ведется закрытым способом.

Месторождения Блявинское и Барсучий Лог в связи с прекращением добычи руды не испытывает техногенной нагрузки и наблюдаются естественные процессы восстановления ландшафта. На территории Гайского месторождения в 2006 г. проведена многоэтапная рекультивация отвалов карьера № 2 с использованием флотохвостов обогатительной фабрики: горно-технический этап и биологический (создание плодородного слоя и высадка различного посадочного материала). Джусинское (Cu, Zn, S) относится к новоразрабатываемым месторождением, и подвержено активным процессам отвалообразования с увеличением занимаемой площади.

Объекты и методы исследования. Цель исследования - определение динамики зарастания карьерно-отвальных ландшафтов, в пределах техногеосистем медноколчеданных месторождений Оренбургской области по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. Для обследования выбраны разновременные снимки (июнь 2008, 2010 гг.) спутника Landsat 5 с сенсором ТМ и Landsat 8 с сенсором OLI_ TIRS (июнь 2015 г.) с разрешением 30 м. Мультиспектральные изображения Landsat на территорию медно-колчеданных месторождений представлены Геологической службой США (USGS) и находятся в открытом доступе на электронном ресурсе - www.glovis.usgs. gov. Даты выбирались из расчета совпадения сезонов и полного отсутствия облачности в пределах месторождений. Основным методом стал расчет показателей нормализованного вегетационного индекса растительности NDVI, а также расчет трендов его изменения в промежутке с 2008 по 2015 г. Выбор объектов исследования обусловлен, во-первых территориальной близостью техногеосистем, что обеспечивает примерно равную степень влияния климатические условий на растительный покров, во-вторых они находятся на разных этапах техногеоморфогенеза. Калибровка каналов, расчет показателей значения вегетационного индекса NDVI и предварительная обработка снимков осуществлялась в программном комплексе ENVI. Данный индекс позволяет визуализировать относительную биомассу, основываясь на спектральных свойствах растительности в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. Может принимать значения от -1 до 1. Для растительности характерны значения от 0,2 до 1. Отрицательные и около нулевые значения относятся к водным и антропогенным объектам, а также выходам горных пород [3]. Разбиение массива данных расчета вегетационного индекса на классы по 0,1 единицы. Все отрицательные значения объединены в один класс. Полученные ступени экспортировались в векторном формате из программного комплекса ENVI сначала в «ENVI Vector File» а затем были пересохранены в виде шейп-файлов для использования в программном комплексе ArcGis. Применение программного комплекса ArcGis позволяет проводить совместный анализ разновременных снимков, а также осуществлять оформление картографического материала. Сопоставление значений вегетационного индекса за 2008, 2010 и 2015 гг. производилось при помощи утилиты «Пересечение» из набора инструментов «Анализ» входящей в состав ArcToolbox. Проведено сопоставление всех классов и определены тенденции изменения значений индекса NDVI. Ранжирование полученных трендов осуществлялось, согласно методике ученых географического факультета МГУ, на 5 ступеней: а) устойчивый негативный тренд; б) значимый негативный тренд; в) тренд отсутствует; г) значимый позитивный тренд; д) устойчивый позитивный тренд [4]. Оформление картографических материалов и их экспорт из программного комплекса ArcGis в виде растрового файла формата «jpeg».

Отображение объемной визуализации рельефа поверхности территорий медноколчеданных месторождений необходимо для анализа ландшафтной структуры, особенностей изменения форм рельефа, расположения и соотношении между минимальной и максимальной отметками высот. Для работы по трехмерному моделированию рудников использовались данные полученные с помощью радарной съемки ASTER GDEM (версия 2, Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model). Пространственное разрешение полученных снимков - 30 метров.

Результаты исследований и обсуждение. Согласно классификации техногеосистем (ТГС) медноколчеданных месторождений исследуемые участки нами распределены по трем типам преобразованности рельефа под действием техногенных процессов и

формированию новых форм поверхностей и их воздействия на соседние геосистемы (степень гипотехноморфогенеза и гипертехноморфогенеза, объемы отвалов и площади растительных сообществ) (таблица 1): регенрирующие (восстановливающиеся), стагнирующие (статичные - выраженные в нулевых или незначительных темпах изменения), деструктирующие (нарушение процесса протекания этапов первичной сукцессий) [5].

0,75 - 1 0,5 - 0,75 0,25 - 0,5 0 - 0,25 -1 - 0

Упс^БвШеС

Рисунок 1. Динамика относительных площадных изменений значений вегетационного индекса NDVI медноколчеданных месторождений Южного Урала.

Таблица 1

Оценка количественных показателей и типизация техногеосистем медноколчеданных месторождений

Месторождение Блявинское Барсучий Лог Гайское Джусинское

Срок эксплуатации (лет) разрабатывалось >50 разрабатывалось >20 разрабатывается >50 разрабатывается >12

Степень гипотехноморфогенеза (глубина, м) ~300 170 >400 285

Геохимический состав рудного сырья Си, Аи, гп, РЬ, S, Аи, Se, Те, 1п, Ga, С4 Ge, Т1 Си, Аи, гп, РЬ, S, Аи, Se, А^ Те, 1п, Ga, Cd Си, Аи, гп, РЬ, S, Аи, Se, А^ Те, 1п, Ga, Cd, Со Си, гп, Se, Т1, Те, Ва, РЬ, Аи, Cd, Ag

Степень гипертехноморфогенеза (высота, м) 35 20-45 40-65 36

Объем отвалов с вскрышными и околорудными породами (млн.м3) >60 11,6 >461 >30

Изменение площади покрытия вегетирующей растительностью, в % за период с 2008 по 2010 гг. +10 -10,8 -3,5 -18,9

Площадь карьера (км2) 0,4 0,3 2,75 0,4

Площадь отвалов (км2) 1,7 0,65 7,3 1,35

Тип горно-технической геосистемы регенерирующее деструктирующее стагнирующее деструктирующее

Характерной чертой горно-технических ландшафтов является наличие нескольких геоморфологических уровней, которые образованы в результате разработки карьеров и образования отвалов вскрышных пород и некондиционных руд. Развитие аномальных амплитуд рельефа (таблица 1, рисунок 1) ведет к активизации экзогенных процессов, резко повышает динамичность геосистемы и приведет ее в состояние устойчивого дисбаланса. Контрастность рельефа горно-технических ландшафтов коррелирует с размерами месторождения и особенностями рудного тела. Характерной особенностью всех глубоко преобразованных ландшафтов, связанных с карьерными разработками, является близкое взаиморасположение аномальных по высоте и глубине точек рельефа - карьеров и отвалов [6].

Анализируя построенные трехмерные изображения глубоко-преобразованных техногеосистем Южного Урала (рисунок 2) на территории Гайского месторождения (отвал карьера № 2) на основе визуально оценки мультиспектральных изображений отмечены участки с сглаженной и относительная однородной рельефной структурой, что подтверждает проведение рекультивационных мероприятий. Северный отвал карьеров №1 и №3 по результатам трехмерного моделирования (градации цветой шкалы высот) указывают интенсивную горно-техническую разработку месторождения.

Рисунок 1. Цифровые модели горно-технических геосистем медноколчеданных месторождений: А - Блявинское; Б - Барсучий Лог; В - Гайское; Г - Джусинское.

Космические снимки с месторождений Блявинское и Барсучий Лог на основе визуального интерпретирования позволяют выделить общую рельефную однородность отвалов и коррелируют с природным ландшафтом. Сглаженность форм отвалов Блявинского месторождения с окружающими его ландшафтами обусловлено сроками эксплуатации и фиксируются многолетние эрозионные процессы, проведение на южном отвале западного борта частичной и слабовыраженной технической и биологической рекультивации. Северный участок представляет собой свалку и слабое наличие естественного зарастания отвала. Площадь карьерного озера на данном участке увеличился в полтора раза последние десять лет. На участке отвала отработанного месторождения Барсучий Лог визуально выделяются относительно резкие уклоны и возвышения до 45 м. На участке отвала проведена техническая и биологическая рекультивация (не прослеживаются дробные высотные возвышения, естественное зарастание). Угол откоса отработанного карьера - 35,27°. При анализе трехмерной территории разрабатываемого Джусинского месторождения на отвале

выделяются отдельные участки складирования вскрышных пород, обрывистые участки по краям отвального участка. Откосы уступов составляют 38° - на северо-восточном и 43° - на юго-западном бортах карьера.

При оценке цифровых моделей территорий месторождений ситуация соответствует результатам трендов изменения значений вегетационного индекса NDVI в пределах техногеосистем. Процессы зарастания в пределах техногеосистемы Гайского месторождения (рисунок 3), характеризуются, в целом, позитивными тенденциями показателей вегетационного индекса NDVI.

Рисунок 2. Тренды изменения значений вегетационного индекса NDVI в пределах техногеосистем месторождений: А - Гайское, Б - Барсучий Лог, В - Джусинское, Г -Блявинское.

Поверхность южного отвала, в настоящее время законсервированного и рекультивированного, покрыта растительностью, исключение составляют только небольшие участки на южных склонах и в северо-восточной части. Тенденции значений индекса в пределах отвала характеризуются повышающимся градиентом с запада на

восток. Позитивные тренды отмечаются по бортам карьера, особенно борту юго-западной экспозиции. Северная часть действующего отвала (карьер № 1) менее подвержена процессам зарастания и отличается более устойчивыми позитивными трендами. Основным фактором является накопление влаги межбортового пространства между уклонами отвала. На участках отвальных террас отмечаются позитивные тренды в юго-восточной, северовосточной и северной частях. Влияние ТГС месторождения на окружающие степные растительные сообщества выражается в снижении показателей вегетационного индекса, наиболее резко проявляющиеся в северо-западной части. При этом отсутствуют тренды в изменении индексов относящихся к сельскохозяйственным ТГС (заброшенными садово-дачные массивы).

В пределах месторождения Барсучий Лог (рисунок 3) наблюдаются процессы самозарастания отвала и верхней части карьера. В отличие от Гайского показатели вегетационного индекса более равномерны и дифференцированны по элементам ТГС. На картосхеме выделены участки со слабой тенденцией к зарастанию бортов отвала. Позитивные значения индекса приурочены к северо-западной части отвала и бортам северо-западной экспозиции карьера. Склоны отвала юго-восточной экспозиции, напротив, испытывают существенное снижение показателей индекса. Значения вегетационных индексов растительных сообществ отвала характеризуются значительной положительной динамикой, в отличие от естественных степных участков. Причиной такого дисбаланса являются высокий уровень увлажнения прилегающих участков отвалов и миграции химических элементов на околоотвальное пространство к западу и юго-западу от месторождения.

Джусинское месторождение (рисунок 3), подверженное интенсивным техногенным трансформациям, испытывает наименьшее влияние сукцессионных процессов и активно влияет на прилегающие степные участки. В результате расчета вегетационного индекса выявлены положительные тенденции регенерации техногенного ландшафта (карьер, борт отвала северо- и юго-восточной экспозиций). С западной стороны направленность сукцессионных процессов относительно негативная. Единственная самозарастающая часть отвала приурочена к склону северной экспозиции и сложена глинистыми вскрышными породами.

Картографическая схема направленности и значимости изменений трендов NDVI для участка Блявинского месторождения (рисунок 3) характеризуется как регенерирующий тип ТГС горно-промышленного ландшафта.

Сукцессионные процессы в пределах данного участка характеризуются общим позитивным фоном. Практически по всей площади отвалов и бортов карьера наблюдается повышение значений вегетационного индекса NDVI совместно с увеличением на 10% площади покрытой вегетирующей растительностью. Максимальные показатели трендов приурочены к подножию борта отвала северо-западной экспозиции. Причиной высоких значений служат увлажненность территории за счет выхода на поверхность подотвальных вод. Вдоль борта южного отвала юго-восточной экспозиции выделяются позитивные тренды зарастания. В северной части отвала - негативные тренды, связанные с продолжающейся техногенной нагрузкой на глубоко-преобразованный степной ландшафт, используемый для складирования отходов. Показатели трендов изменения вегетационного индекса на территории, прилегающей к ТГС, связаны в первую очередь с сельскохозяйственной деятельностью (распашка участков на востоке) и последствиями пирогенеза к западу от месторождения.

Важнейшей проблемой рационализации степного природопользования является рекультивация земель, нарушенных горными работами. Главной задачей рекультивации, на наш взгляд, является не столько восстановление былой биопродуктивности нарушенных угодий, сколько ландшафтно-экологическая адаптация техногенных природных комплексов с восстановлением экологического равновесия на конкретных территориях. По-прежнему важнейшей задачей оптимизации недропользования является повышение комплексности переработки минерального сырья.

Полученные в результате исследования картосхемы горно-технических ландшафтов месторождений позволяют оценить интенсивность восстановительных

процессов и мероприятий по рекультивации. Применение результатов дешифрирования разновременных мультиспектральных изображений позволило оценить масштабы сукцессионных изменений карьерно-отвальных комплексов в пределах техногеосистем. Анализ полученных данных показывает, что восстановительные процессы в пределах ТГС месторождений подчиняются общим закономерностям ландшафтной дифференциации. Одним из важных факторов, влияющих на пространственно-временные особенности зарастания, является экспозиционная неоднородность склонов. Как правило, склоны южной экспозиции испытывают существенно-меньшую интенсивность сукцессионного зарастания по сравнению со склонами северной экспозиции. Другим фактором является эффект барьерности, детерминирующий распределение осадков в течение сезона вегетации. Влияние эффекта барьерности отчетливо прослеживается для Гайской техногеосистемы, и несколько слабее для техногеосистем месторождений Барсучий Лог и Джусинское и более показательно для Блявинского.

Меры по оптимизации недропользования и его гармонизации с жизнью людей и природы разнообразны. Одной из главных исходящих от недропользования опасностей является нарушение геохимического равновесия среды. Приведенная классификация горных разработок построена на основе разнонаправленных рекультивационных трендов. Опасные в геохимическом отношении месторождения требуют мер по экологической реабилитации горнопромышленных объектов и нейтрализации его химически активных компонентов.

Список литературы

1. Геоэкологические проблемы степного региона / Под ред. члена-корр. РАН А.А. Чибилева. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 380 с.

2. Петрищев В. П. Закономерности формирования современной ландшафтной структуры горно-технических комплексов медноколчеданных месторождений Оренбургской области // Проблемы региональной экологии. - М.: Изд-во «Камертон», 2010. - № 2. - С. 89-94.

3. Петрищев В.П., Чибилев А.А. Сравнительный анализ состояния растительности в г. Оренбурге по результатам обработки мультиспектральных космических снимков // Проблемы региональной экологии. - М.: Изд-во «Камертон», 2014. - № 4. - С. 213-217.

4. Калуцкова Н.Н., Тельнова Н.О., Дронин Н.М. Динамика биологической продуктивности степных экосистем Оренбургского заповедника: анализ по данным дистанционного зондирования // Оренбургский заповедник: значение для сохранения степных экосистем России и перспективы развития: Труды Государственного природного заповедника «Оренбургский». - Оренбург: ИПК «Газпромпечать», 2014. - Вып. I. - С. 89-91.

5. Артамонова С.В., Петрищев В.П., Калиев А.Ж. Геоэкологические аспекты классификации техногеосистем меднокочеданных месторождений Оренбургской области // Вестник Оренбургского государственного университета. - Оренбург, 2010. - № 12 (118). - С. 190-195.

6. Оценка экологических рисков на объектах геологического наследия Урала / Петрищев В.П., Чибилев А.А., Кадебская О.И., Аминов П.Г., Удачин В.Н., Митюшева Т.П., Норейка С.Ю., Ряхов Р.В. // Проблемы региональной экологии. - М.: Изд-во «Камертон», 2015. - № 4. - С. 135-139.