Автоматизация дистанционного экологического мониторинга объектов минерально-сырьевого комплекса Хабаровского края

Сергей Иванович Смагин; Юлия Александровна Озарян; Виталий Игнатьевич Усиков; Алексей Сергеевич Смагин; Кирилл Сергеевич Цыгулёв; Роман Артурович Секриеру; Сергей Александрович Орлов; Татьяна Владимировна Кожевникова

doi:10.15622/ia.24.6.3

Сергей Иванович Смагин ВЦ ДВО РАН Orcid
Юлия Александровна Озарян ИГД ДВО РАН Orcid
Виталий Игнатьевич Усиков ИГД ДВО РАН Orcid
Алексей Сергеевич Смагин ИГД ДВО РАН Orcid
Кирилл Сергеевич Цыгулёв ВЦ ДВО РАН Orcid
Роман Артурович Секриеру ВЦ ДВО РАН Orcid
Сергей Александрович Орлов ВЦ ДВО РАН Orcid
Татьяна Владимировна Кожевникова ВЦ ДВО РАН Orcid

DOI:

https://doi.org/10.15622/ia.24.6.3

Ключевые слова:

информационная система, мониторинг, горнопромышленный комплекс, дистанционное зондирование, месторождение, экологическая безопасность, компьютерное зрение, машинное обучение

Аннотация

В работе рассматривается проблема автоматизации горно-экологического мониторинга объектов минерально-сырьевого комплекса с использованием данных дистанционного зондирования Земли. Обработка и анализ этих данных выполняется с целью оценки влияния процессов добычи на состояние природной среды в местах размещения горнодобывающих предприятий и прилегающих территорий. Представлен макет информационной системы, включающий модули управления данными, обработки и анализа спутниковых снимков. Для автоматизации выделения интересующих объектов горнопромышленного комплекса применяются сверточные и трансформерные модели нейронных сетей. Модели сегментации дражных отвалов, карьеров, хвостохранилищ и угольного пылевого загрязнения были обучены на подготовленных выборках, включающих размеченные спутниковые снимки исследуемых объектов в семи субъектах Российской Федерации. Предложены методы оценки влияния угольного пылевого загрязнения на растительность на основе вегетационных индексов; картирования типов леса с использованием полносвязной нейронной сети; расчета объемов дражных отвалов на основе цифровых моделей рельефа, центральной линии полигона и алгоритма построения диаграммы Вороного; и содержания тяжелых металлов в почве на основе анализа проб, отобранных за многолетний период, методами математической статистики. Сделан корреляционных анализ данных о содержании элементов в образцах почвогрунтов и воде в зоне воздействия добычи полиметаллических руд. Проведена апробация предлагаемых методов на территориях горнодобывающих предприятий Хабаровского края. Совместный анализ накопленных результатов многолетних наблюдений и актуальных данных о современном состоянии объектов природной среды позволяет прогнозировать развитие исследуемых природно-технических систем на среднесрочную перспективу.

Литература

1. Wang Z., Zhou W., Jiskani I.M., Ding X., Luo H. Dust pollution in cold region Surface Mines and its prevention and control // Environmental Pollution. 2022. vol. 292. DOI: 10.1016/j.envpol.2021.118293.
2. Wang H., Maqbool A., Xiao X., Yang H., Bi W., Bian Z. Seasonal pollution and risk assessment of heavy metals in atmospheric dust from coal mining area // International Journal of Environmental Science and Technology. 2022. vol. 19. № 12. pp. 11963–11972.
3. Блиновская Я.Ю., Мазлова Е.А. Выбросы парниковых газов при добыче и переработке угля: состояние проблемы и технологии сокращения // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2019. № 54. С. 145–154.
4. Мун С.А., Ларин С.А., Глушков А.Н. Влияние роста добычи угля на загрязнение атмосферы и заболеваемость раком легкого в Кемеровской области // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1.
5. Афанасов В.И., Вокин В.Н., Заяц В.В., Зеньков И.В., Кирюшина Е.В., Кондрашов П.М., Конов В.Н., Логинова Е.В., Маглинец Ю.А., Нефедов Б.Н., Перфильев Д.А., Раевич К.В., Спирин Т.С., Федоров А.Б., Юронен Ю.П. Угольные разрезы России из космоса. Горные работы и экология нарушенных земель. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2017. 519 с.
6. Liu Y., Heng W., Yue H. Quantifying the coal mining impact on the ecological environment of Gobi open-pit mines // Science of the total environment. 2023. vol. 883.
7. Pan Y., Chen M., Wang X., Chen Y. Ecological risk, source apportionment, and influencing factors of heavy metals in soil in a typical lead-zinc mining watershed, Guangxi, China // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2024. vol. 12. no. 3.
8. Baieta R., Ettler V., Vaněk A., Drahota P., Kříbek B., Nyambe I., Mihaljevič M. Smelter-derived soil contamination in Luanshya, Zambia // Science of The Total Environment. 2023. vol. 867.
9. Karn R., Ojha N., Abbas S., Bhugra S. A review on heavy metal contamination at mining sites and remedial techniques // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2021. vol. 796. № 1.
10. Haghighizadeh A., Rajabi O., Nezarat A., Hajyani Z., Mina Haghmohammadi M., Hedayatikhah S., Asl S.D., Beni A.A. Comprehensive analysis of heavy metal soil contamination in mining Environments: Impacts, monitoring Techniques, and remediation strategies // Arabian Journal of Chemistry. 2024. vol. 17. no. 6.
11. Bakshi S., Banik C., ZhenLi H. The impact of heavy metal contamination on soil health. Managing soil health for sustainable agriculture. Volume 2: Monitoring and management. 2018. pp. 63–95.
12. Шпирт М.Я., Ласкорин Б.Н. Безотходная технология: утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. Недра. 1986. 255 с.
13. Леонов С.Б., Федотов К.В., Сенченко А.Е. Промышленная добыча золота из золошлаковых отвалов тепловых электростанций // Горный журнал. 1998. Т. 5. С. 67–68.
14. Лупян Е.А., Константинова А.М., Балашов И.В., Кашницкий А.В., Саворский В.П., Панова О.Ю. Разработка системы анализа состояния окружающей среды в зонах расположения крупных промышленных объектов, хвостохранилищ и отвалов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 7. С. 243–261.
15. Qdais H.A., Begday I.V., Katorgin I.Y., Shkarlet K.Y., Kharin K.V., Bluzhina A.S., Likhovid A.A. Assessment of metals pollution from tailing sites in the North Caucuses Region, Russia // Mine Water and the Environment. 2018. vol. 37. no. 4. pp. 815–824.
16. Шаповалов В.В., Козырь Д.А. Ресурсосберегающая технология утилизации породных отвалов горнодобывающих производств // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2023. Т. 334. № 4. С. 175–184.
17. Чуркин О.Е., Гилярова А.А. Освоение отходов горного производства как инвестиционное направление развития горнорудной промышленности Кольского полуострова // Экономика, предпринимательство и право. 2020. Т. 10. № 3. С. 905–916.
18. Alsayed A., Nabawy M.R.A. Stockpile volume estimation in open and confined environments: a review // Drones. 2023. vol. 7. no. 8.
19. Ren H., Zhao Y., Xiao W., Hu Z. A review of UAV monitoring in mining areas: Current status and future perspectives // International journal of coal science & technology. 2019. vol. 6. pp. 320–333.
20. Таловская А.В., Язиков Е.Г., Шахова Т.С., Филимоненко Е.А. Оценка аэротехногенного загрязнения в окрестностях угольных и нефтяных котельных по состоянию снегового покрова (на примере Томской области) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 10. С. 116–130.
21. Казанцева У.Д., Яковенко О.С., Лешукова М.К., Легощин К.В., Лешуков Т.В., Ларионов А.В. Морфологические характеристики, размер и масса пыли PM0,1 около угольных карьеров // Успехи современного естествознания. 2023. № 2. С. 90–95.
22. Kong S., Lu B., Ji Y., Zhao X., Chen L., Li Z., Han B., Bai Z. Levels, risk assessment and sources of PM10 fraction heavy metals in four types dust from a coal-based city // Microchemical Journal. 2011. vol. 98. no. 2. pp. 280–290.
23. Опарин В.Н., Потапов В.П., Гиниятуллина О.Л., Андреева Н.В., Счастливцев Е.Л., Быков А.А. Оценка пылевого загрязнения атмосферы угледобывающих районов Кузбасса в зимний период по данным дистанционного зондирования Земли // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2014. № 3. С. 126–137.
24. Стручкова Г.П., Крупнова Т.Г., Тихонова С.А., Капитонова Т.А. Исследование загрязнения снежного покрова угледобывающих районов с использованием спектральных характеристик // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021. № 12-1. С. 195–203.
25. Krupnova T.G., Rakova O.V., Struchkova G.P., Tikhonova S.A., Kapitonova T.A., Gavrilkina S.V., Bulanova A.V., Yakimova O.N. Insights into particle-bound metal(loid)s in winter snow cover: Geochemical monitoring of the Korkinsky coal mine area, south Ural region, Russia // Sustainability. 2021. vol. 13. no. 9.
26. Chen W., Wang X., Cui J., Cao X., Pu W., Zheng X., Ran H., Ding J. Radiative forcing of black carbon in seasonal snow of wintertime based on remote sensing over Xinjiang, China // Atmospheric Environment. 2021. vol. 247.
27. Ahmad M., Alam K., Tariq S., Blaschke T. Contrasting changes in snow cover and its sensitivity to aerosol optical properties in Hindukush-Karakoram-Himalaya region // Science of the Total Environment. 2020. vol. 699.
28. Sahu, R., Gupta R.D. Snow cover area analysis and its relation with climate variability in Chandra basin, Western Himalaya, during 2001–2017 using MODIS and ERA5 data // Environmental Monitoring and Assessment. 2020. vol. 192(8). DOI: 10.1007/s10661-020-08442-8.
29. Тигеев А.А., Аксенов Н.В., Московченко Д.В., Пожитков Р.Ю. Оценка пылевого загрязнения атмосферы наземными и дистанционными методами (на примере г. Тобольск) // Географический вестник. 2021. № 2(57). С. 121–134.
30. Nie X., Hu Z., Ruan M., Zhu Q., Sun H. Remote-sensing evaluation and temporal and spatial change detection of ecological environment quality in coal-mining areas // Remote Sensing. 2022. vol. 14. no. 2.
31. Li Z., Zhao Y., Ren H., Sun Y. A Novel Index for Detecting Bare Coal in Open-Pit Mining Areas Based on Landsat Imagery // Remote Sensing. 2024. vol. 16. no. 24.
32. Xia N., Hai W., Song G., Tang M. Identification and monitoring of coal dust pollution in Wucaiwan mining area, Xinjiang (China) using Landsat derived enhanced coal dust index // Plos one. 2022. vol. 17. no. 4.
33. Yu H., Zahidi I. Environmental hazards posed by mine dust, and monitoring method of mine dust pollution using remote sensing technologies: An overview // Science of the total environment. 2023. vol. 864.
34. Wei X., Chang N.B., Bai K., Gao W. Satellite remote sensing of aerosol optical depth: advances, challenges, and perspectives // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2020. vol. 50. no. 16. pp. 1640–1725.
35. Антонинова Н.Ю., Рыбникова Л.С., Славиковская Ю.О., Шубина Л.А. Эколого-экономические аспекты выбора направлений реабилитации территорий размещения промышленных отходов горно-металлургического комплекса // Горная промышленность. 2022. № S1. С. 71–77.
36. Мусина Г.А. Сравнительный анализ современных методов деформационного мониторинга // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. 2023. Т. 4. № 2. С. 82–90.
37. Багаев С.M., Медведева Е.В. Сегментация спутниковых снимков на основе сверточной нейронной сети u-net. Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA-2021): докл. 23-й междунар. конф. 2021. С. 218–222.
38. Kumar A., Gorai A.K. Development of a deep convolutional neural network model for detection and delineation of coal mining regions // Earth Science Informatics. 2023. vol. 16. no. 2. pp. 1151–1171.
39. Gallwey J., Robiati C., Coggan J., Vogt D., Eyre M. A Sentinel-2 based multispectral convolutional neural network for detecting artisanal small-scale mining in Ghana: Applying deep learning to shallow mining // Remote Sensing of Environment. 2020. vol. 248.
40. Ronneberger O., Fischer P., Brox T. U-net: Convolutional networks for biomedical image segmentation // Proceedings of the 18th international conference Medical image computing and computer-assisted intervention (MICCAI), part III. 2015. pp. 234–241.
41. Chen L.C., Papandreou G., Florian S., Hartwig A. Rethinking atrous convolution for semantic image segmentation // arXiv preprint arXiv:1706.05587. 2017.
42. Xie E., Wang W., Yu Z., Anandkumar A., Alvarez J.M., Luo P. SegFormer: Simple and efficient design for semantic segmentation with transformers // Advances in neural information processing systems. 2021. vol. 34. pp. 12077–12090.
43. Cao H., Wang Y., Chen J., Jiang D., Zhang X., Tian Q., Wang M. Swin-unet: Unet-like pure transformer for medical image segmentation // European conference on computer vision. Cham: Springer Nature Switzerland. 2022. pp. 205–218.
44. Bentéjac C., Csörgő A., Martínez-Muñoz G. A comparative analysis of gradient boosting algorithms // Artificial Intelligence Review. 2021. vol. 54(3). pp. 1937–1967.
45. Biau G., Scornet E. A random forest guided tour // Test. 2016. vol. 25. no. 2. pp. 197–227.
46. Khasanov K. Evaluation of ASTER DEM and SRTM DEM data for determining the area and volume of the water reservoir // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. vol. 883. no. 1.
47. Tadono T., Ishida H., Oda F., Naito S., Minakawa K., Iwamoto H. Precise global DEM generation by ALOS PRISM // ISPRS Annals of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2014. vol. 2. pp. 71–76.
48. Li H., Zhao J., Yan B., Yue L., Wang L. Global DEMs vary from one to another: an evaluation of newly released Copernicus, NASA and AW3D30 DEM on selected terrains of China using ICESat-2 altimetry data // International Journal of Digital Earth. 2022. vol. 15. no. 1. pp. 1149–1168.
49. Marsh C.B., Harber P., Pomeroy J.W. Validation of FABDEM, a global bare-earth elevation model, against UAV-lidar derived elevation in a complex forested mountain catchment // Environmental Research Communications. 2023. vol. 5. no. 3.
50. Ho Y.F., Grohmann C.H, Lindsay J., Reuter I.H., Parente L., Witjes M., Hengl T. GEDTM30: Global Ensemble Digital Terrain model at 30 m and derived multiscale terrain variables. PeerJ. 2025. vol. 13. DOI: 10.7717/peerj.19673.
51. Филатова М.Ю. Оценка экологической ситуации в границах влияния золотодобычи (для обоснования создания лесных плантаций) // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2023. № 8. С. 27–44.
52. Лемешко Б.Ю. Критерии проверки отклонения распределения от нормального закона. Руководство по применению. 2014. 192 с.
53. Zhao Y., Wang Z., Sun W., Huang B., Shi X., Ji J. Spatial interrelations and multi-scale sources of soil heavy metal variability in a typical urban–rural transition area in Yangtze River Delta region of China // Geoderma. 2010. vol. 156. no. 3-4. pp. 216–227.
54. Yuan G.L., Sun T.H., Han P., Li J., Lang X.X. Source identification and ecological risk assessment of heavy metals in topsoil using environmental geochemical mapping: typical urban renewal area in Beijing, China // Journal of geochemical exploration. 2014. vol. 136. pp. 40–47.

Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний

Автоматизация дистанционного экологического мониторинга объектов минерально-сырьевого комплекса Хабаровского края

DOI:

Ключевые слова:

Аннотация

Литература

Опубликован

Статистика

Как цитировать

Выпуск

Раздел

Импакт-фактор

Разделы

Мы в сети

Обратная связь

Просмотры	20
Скачивания	13