В различные исторические периоды Россия уделяла большое внимание освоению арктических территорий и акваторий. Создание объектов инфраструктуры позволило обеспечить не только временное присутствие человека, но и его проживание в арктических условиях, ведение экономической деятельности. В результате изменения климата последних десятилетий в Арктической зоне Российской Федерации (далее — АЗРФ) можно отметить тенденцию оттаивания вечной мерзлоты и изменения природных ландшафтов. Усиление абразии берегов из-за более частого воздействия штормов угрожает портовой инфраструктуре, в то же время благодаря уменьшению ледовитости арктических морей появляются новые возможности для морской навигации по акватории Северного морского пути, а благодаря росту температуры воздуха и воды условия для деятельности человека на открытом воздухе улучшаются, и уменьшаются технологические простои.

Важнейшим элементом, оказывающим влияние на устойчивое развитие территорий АЗРФ, являются объекты промышленной, коммунальной, транспортной и социальной инфраструктур, которые должны выполнять свои функции с учетом хрупкости арктической природы, а также изменений климата.

Для оценки проблем устойчивого развития АЗРФ проводятся многолетние наблюдения наземными методами, а также дистанционное зондирование Земли (далее — ДЗЗ) с пилотируемой и беспилотной авиации, а также космических спутников. Так, например, по данным дистанционного зондирования (далее — ДДЗ) можно выявить разрушение береговой линии Северного Ледовитого океана (далее — СЛО), деградацию пород, оценить целостность инфраструктурных объектов, включая нефтяные скважины, трубопроводы и др. [1]. Факты обнаружения чрезвычайных ситуаций (ЧС) и отклонений сценариев устойчивого развития объектов инфраструктуры в АЗРФ не должны быть случайными, а являться результатом работы комплексной системы анализа и мониторинга пространственных данных. Конечно, мониторинг по данным ДЗЗ не заменит данные наблюдений полярных станций по гляциологическому, геофизическому, метеорологическому, геомагнитному, гидрологическому, сейсмическому и др. наблюдениям, однако позволит точнее разместить такие данные на высокоточную картографическую пространственную основу, наглядно провести интерполяцию значений многолетних наблюдений.


Так, например, в марте 2022 года был представлен отечественный «арктический» сервис, основанный на мониторинге по ДЗЗ оптических и радиолокационных спектральных диапазонов космических аппаратов Госкорпорации «Роскосмос» [2], а уже в октябре 2022 года было предложено интегрированное решение по дистанционному зондированию Земли со спутников и беспилотных воздушных судов [3].

Согласно Третьему Оценочному докладу Росгидромета 2022 года [4], а также докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, англ. Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) 2022 года [5], самые высокие показатели изменений климата в пределах 0,4-0,5 град отмечаются в Российской Арктике. В Арктике, как и в космическом пространстве, нет права на ошибку — в условиях сурового климата и хрупкой природной экосистемы любая погрешность или неточность может привести к техногенной аварии или даже катастрофе. Именно поэтому ДЗЗ пилотируемыми и беспилотными воздушными судами или спутниками — важнейшая технология, которая позволяет рационально управлять территорией и реагировать на новые вызовы.

Как правило, арктические объекты инфраструктуры возведены в промышленных районах, с транспортной доступностью, или при необходимости обеспечения задач государственной безопасности. Стратегическое значение Арктики для России закреплено в государственных программах и законах, подзаконных нормативных актах, а реализация запланированных мероприятий призвана улучшить качество жизни людей, гарантировать комфорт и безопасность их проживания в АЗРФ (при сохранении природных экосистем) [6, 7, 8].

Текущее законодательство до 2022 года не предполагало проведение комплексного мониторинга окружающей среды в целом и комплексного мониторинга АЗРФ в частности, что не позволило интегрировать в одну систему данные ДЗЗ различных ведомств, что негативно повлияло на возможности поддержания устойчивого развития макрорегиона.

В 2022 году в национальном проекте «Экология» был утвержден федеральный проект «Комплексная система мониторинга качества окружающей среды» [9]. Теперь в целях реализации национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» в соответствии с Указом Президента РФ от 7 мая 2018 г. №204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» необходимо обеспечить к 2024 году решение следующих задач:

• создание глобальной конкурентоспособной инфраструктуры передачи, обработки и хранения данных преимущественно на основе отечественных разработок;
• создание сквозных цифровых технологий преимущественно на основе отечественных разработок;
• внедрение цифровых технологий и платформенных решений в сферах государственного управления и оказания государственных услуг, в том числе в интересах населения и субъектов малого и среднего предпринимательства, включая индивидуальных предпринимателей [10].

Таким образом, приоритетным становится обеспечение актуальной и современной картографической и геодезической основы для эффективного решения стратегических задач социально-эколого-экономического развития АЗРФ по данным динамических изменений и результатам мониторинга.

При анализе мирового и российского опыта мониторинга объектов инфраструктуры в Арктике можно отметить возрастающий интерес к беспилотным авиационным технологиям, которые позволяют получать данные о подстилающей поверхности оперативно, над районами, над которыми невозможно получить данные из-за облачности из космоса, или там, где требуются высокоточные данные. Так, в США используется целый флот специализированных беспилотных воздушных судов (далее БВС), а также надводных беспилотников для мониторинга окружающей среды в Арктике [11]. Один из первых БВС, который выполнял и задачи мониторинга с целью оценки опасных метеоявлений для американского агентства NOAA (Национальное управление океанических и атмосферных исследований), стал Global Hawk, который, помимо задач разведки в СЛО, например, с помощью сбрасываемых зондов анализировал параметры атмосферы (см. рис. 1) [12].

В России была доказана эффективность применения БВС в районе Северного полюса для целей мониторинга 2017 году, когда первыми в мире в рамках высокоширотной арктической экспедиции «Барнео», организованной Экспедиционным центром Русского географического общества и при участии ГК «Беспилотные системы», ФГУП «ГосНИИАС» и ООО «Фирма «НИТА», была апробирована технология автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В) отечественного производства, которая позволила выполнять полеты пилотируемой и беспилотной авиации в едином воздушном пространстве в районе Северного полюса (см. рис. 2). Кроме того, были предложены методы ледовой разведки с БВС для поиска подходящей льдины в целях организации взлетно-посадочной полосы ледового аэродрома, выполнен мониторинг дрейфующей льдины для обеспечения безопасности экспедиции.

Значимым результатом исследования стала также и оценка возможности мониторинга поверхности ледяного поля с использованием тепловизионной съемки для определения толщины и профиля снежного покрова, а также наличия трещин. Это важно для обеспечения безопасности инфраструктуры ледового аэродрома — единственного пути сообщения для членов экспедиции на дрейфующей льдине (см. рис. 3). Кроме того, выполнялся мониторинг в целях обеспечения безопасности во время проведения марафона на территории обитания белых медведей. (см. рис. 4).

Востребованность мониторинга с помощью беспилотных авиационных систем (далее — БАС) подтверждается многочисленными закупками для нужд мониторинга и патрулирования объектов добывающей и транспортной инфраструктуры. Мониторинг выполняется на объектах Норникеля, Газпром-Нефти, Роснефти, Лукойла и др. Примечательно, что в отчетах об устойчивом развитии, например, группы «Лукойл» (2020-2021 гг.), БАС приводятся как неотъемлемый инструмент по обнаружению чрезвычайных происшествий и оперативного принятия мер по локализации таких техногенных аварий, а также для регулярного мониторинга объектов ТЭК [12]. Пример данных мониторинга нефтепровода в 2016 году ГК «Беспилотные системы» приведен на рис. 5.

БАС применяются для мониторинга устойчивого развития инфраструктуры АЗРФ регулярно, приведем отдельные уникальные проекты в таблице 1.

Таблица. 1 БАС для мониторинга объектов иинфраструктуры в АЗРФ (по результатам исследования авторов)

Данные таблицы 1 говорят о различных сферах прикладного использования мониторинга, в том числе и объектов инфраструктуры по данным ДЗЗ БВС. Такие материалы рационально использовать при отсутствии данных космического ДЗЗ или неподходящего качества последних. Следовательно, из-за высоких требований к геодезической точности при картографировании объектов инфраструктуры результаты космической съемки могут применяться в качестве вспомогательных материалов, тогда как для мониторинга межселенных территорий — основным источником данных. Комплексный мониторинг объектов инфраструктуры в АЗРФ должен включать в себя инструменты наземного мониторинга, дистанционного зондирования Земли из космоса, а также данные ДЗЗ пилотируемой и беспилотной авиации.

Такой подход позволит собрать данные необходимой и достаточной точности. Кроме того, в условиях необходимости обеспечения безопасности, а также санкционного запрета на поставку пространственных данных высокого разрешения, развитие современной и импортонезависимой системы комплексного мониторинга инфраструктуры АЗРФ становится насущной необходимостью.

Изменение климата в АЗРФ только усиливает потребность мониторинга эксплуатационного ресурса нефтегазового оборудования. Можно привести примеры техногенных аварий на объектах инфраструктуры в Российской Арктике, которые стали возможными в связи с недооценкой таких рисков при освоении территорий.

Так, 29 мая 2020 года произошла крупная авария на объекте компании Норникель. На территории ТЭЦ-3 разлилось около 21 тыс. тонн нефтепродуктов. По итогам этой техногенной аварии природе был нанесен существенный экологический ущерб, для устранения последствий которого по решению суда был назначен штраф около 146 млрд. рублей, который был впоследствии полностью выплачен [14, 15]. В ходе расследования было выявлено, что мониторинг температуры грунта (мерзлоты) под топливным резервуаром не проводился, что не позволило своевременно оценить риски, связанные с повышением температуры вечной мерзлоты.

Так, по спутниковым данным ДЗЗ был проведен мониторинг бассейна реки Амбарная. На космических снимках отчетливо видно, что в результате техногенной аварии на объекте компании ПАО «ГМК «Норильский никель» была загрязнена река Амбарная, (см. рис. 6, красными окружностями отмечены следы наибольшего загрязнения) [14].

Наиболее эффективный и оперативный метод, позволяющий оценить подобные экологические катастрофы — космический мониторинг подстилающей поверхности.

Мониторинг территорий АЗРФ выполняется как на государственном, так и на корпоративном уровне, когда крупные компании инвестируют в создание пространственного базиса для эффективного управления своими ресурсами. В АЗРФ такой базис создают добывающие компании, строительные, логистические, энергетические и управляющие компании.

Помимо традиционных видов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с самолетов и спутников для ДЗЗ привлекаются беспилотники, съемка с которых позволяет создавать высокоточные трехмерные модели объектов инфраструктуры, топографические планы крупных масштабов, магнитометрические карты и др. Данные космической съемки показывают актуальность инструментов космического ДЗЗ в тех случаях, когда необходимо получить данные на большие площади, при этом сверхвысокая точность не требуется.

Конечно, мониторинг для оценки состояния вечной мерзлоты требует не только технологий получения данных, но и хранения, обработки, анализа и распределения информации в рамках единой системы — банка данных. При проведении мониторинга вечной мерзлоты, помимо ДЗЗ, зачастую применяются данные наземных стационарных и полевых исследований.

Мониторинг может быть организован на различных этапах жизненного цикла объекта инфраструктуры для обеспечения устойчивого развития территории. Он предполагает регулярное получение информации для возможности сравнения фактической ситуации с исходной. Систематический и комплексный мониторинг может стать основой для устойчивого развития инфраструктуры АЗРФ и позволит принимать верные управленческие решения с учетом динамики изменения.

Проблема отсутствия регулярного мониторинга АЗРФ была обозначена в докладе «Вечная мерзлота как ключевой определяющий фактор развития Арктики» министра природных ресурсов и экологии Российской Федерации в 2021 году [16]. В частности, в нем сообщалось, что почти не ведутся работы по мерзлотной направленности, нет целевых программ, никто не изучает опыт строительства и эксплуатации градостроительных агломераций в Арктике, а данные инженерных изысканий считаются коммерческой тайной. В то же время в Российской Арктике Институтом геоэкологии РАН совместно с Росавтодором создается система мониторинга участков федеральных дорог, которые проходят по территориям северных регионов с многолетнемерзлыми грунтами. Это может помочь процессу прогнозирования оттаивания грунта, а также состоянию дорожного полотна в будущем.

Освоение Арктики связано, прежде всего, с созданием объектов инфраструктуры для обеспечения приемлемых условий для проживания, ведения экономической деятельности при обеспечении необходимого уровня экологической безопасности. Экономическое благополучие граждан России зависит в том числе от поставок биоресурсов, а также полезных ископаемых АЗРФ: углеводороды, металлы, минералы и др. Поэтому разработка арктических ресурсов крайне актуальна для России. В то же время экологические и социальные проблемы зачастую возникают по причине несбалансированного потребления природных ресурсов.

Повреждение инфраструктуры и инженерных сооружений в районах вечной мерзлоты часто связано с наблюдаемым повышением температуры воздуха. Однако в этих отчетах не показано подробно, как изменение температуры воздуха может повлиять на толщину активного слоя и температуру вечной мерзлоты на конкретных участках и для конкретных сооружений в Арктике.
В России, как в США, существует государственный мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг). Он представляет собой сложную систему наблюдений. Единая система государственного экологического мониторинга в России включает в себя 15 подсистем [17]:

1. состояния и загрязнения окружающей среды;
2. атмосферного воздуха;
3. радиационной обстановки на территории;
4. земель;
5. объектов животного мира;
6. лесопатологического;
7. воспроизводства лесов;
8. состояния недр;
9. водных объектов;
10. водных биологических ресурсов;
11. внутренних морских вод и территориального моря;
12. исключительной экономической зоны Российской Федерации;
13. континентального шельфа Российской Федерации;
14. государственного экологического мониторинга уникальной экологической системы озера Байкал;
15. охотничьих ресурсов и среды их обитания.

Отдельно стоит выделить государственный мониторинг земель, направленный на отслеживание 49 негативных процессов, таких как: водная эрозия (слабая, средняя, сильная), линейная эрозия (слабая, средняя, сильная), переувлажнение (слабое, среднее, сильное), подтопление (слабое, среднее, сильное), заболачивание (слабое, среднее, сильное), затопление (слабое, среднее, сильное), захламление, радиоактивное загрязнение, загрязнение нефтью и нефтепродуктами (среднее, сильное),обвально-осыпные и оползневые процессы (слабые, средние, сильные), абразия (слабая, средняя, сильная), нарушенные земли при наземном строительстве, при гидротехническом строительстве, при недропользовании, при промышленном лесопользовании, сельскохозяйственном освоении, при проведении геологоразведочных, испытательных, эксплуатационных и иных работ, при складировании и захоронении промышленных отходов.

Кроме вышеперечисленных систем и подсистем государственного мониторинга, нельзя списывать со счетов данные мониторинга субъектов АЗРФ, профильных ведомств, крупных хозяйствующих субъектов АЗРФ, а также научные данные мониторинга Российской Арктики.

Как правило, экологические катастрофы просходят там, где темпы научного обеспечения уступают темпам освоения. Очевидно, что приоритетность научного подхода при освоении АЗРФ в настоящее время может обеспечить не только эффективное управление территориями, но и устойчивое сбалансированное развитие с учетом экологических, экономических и социальных факторов. Пространственная основа системы мониторинга АЗРФ может стать базисом для управления устойчивым развитием инфраструктуры. Такой подход позволит проводить научные исследования для поиска социо-эколого-экономического баланса с привязкой к пространственным и иным данным.

Очевидно, что если нынешние тенденции по изменению климата сохранятся, то опасных последствий деградации вечной мерзлоты и разрушений инфраструктуры не избежать, что несет большие риски устойчивому развитию. Разрушение объектов инфраструктуры может привести к экологическому загрязнению, транспортным коллапсам, ухудшению качества жизни и социальной неудовлетворенности населения. Вполне возможно, что разрушения зданий и сооружений могут повлечь за собой необходимость эвакуации жителей, поэтому оценке устойчивого развития инфраструктуры АЗРФ по данным ДЗЗ должно уделяться самое пристальное внимание.

Предложения. Комплексный мониторинг, призванный анализировать изменения на территориях и акваториях АЗРФ площадью около 9 млн кв. км, должен быть строго регламентирован и автоматизирован. Необходимо использовать возможности машинного обучения для анализа данных ДЗЗ, шире использовать возможности беспилотного ДЗЗ, подключать современные спутниковые сервисы. Для обеспечения устойчивого развития инфраструктуры АЗРФ предлагается вести мониторинг по единой «арктической» методике, и с учетом рисков, связанных с эксплуатацией объектов инфраструктуры. Данная методика должна интегрировать существующие и перспективные государственные и корпоративные системы мониторинга, применимые для АЗРФ, обеспечить возможность системного сбора данных различными инструментами (в т.ч. БВС), миграцию данных из различных источников, киберзащищенность, возможность анализа и прогнозирования жизненного цикла объектов инфраструктуры, моделирование нештатных ситуаций на объектах инфраструктуры, что будет способствовать устойчивому развитию территорий.

Авторы также предлагают организовать специализированные мониторинговые наблюдения за резкими изменениями в экосистемах для дальнейшего применения этих данных при моделировании или при наступлении чрезвычайных ситуаций, техногенных аварий и катастроф.

DOI: 10.51823/74670_2022_3_15