Спосіб фрактальної спектрометричної фітоіндикації виявлення аномалій природного та техногенного походження

Реферат: Винахід належить до нафтогазової галузі, а саме до пошуку і розвідки покладів вуглеводнів. Спосіб фрактальної спектрометричної фітоіндикації виявлення аномалій природного та техногенного походження базується на положеннях, що фізіологічний стан рослин та їхні оптичні характеристики визначаються сукупністю факторів навколишнього середовища. Такими факторами є аномальні геохімічні і біохімічні поля в межах покладів вуглеводнів. Для виявлення аномалій визначають фітоіндикаційний показник листяного покриву на досліджуваній території шляхом спектрометрування і обчислюють його за фрактальною розмірністю спектрограм покриву шляхом належного їх масштабування і перетворень. Спосіб забезпечує підвищення чутливості до виявлення геохімічних аномалій та оперативності їх виявлення, що розширює область його застосування. UA 104360 C2 (12) UA 104360 C2 UA 104360 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до нафтогазової галузі: пошуку й розвідки покладів вуглеводнів. Сучасний стан проблеми характеризується тим, що ресурс родовищ, які легко відкривалися, практично вичерпаний і основною тенденцією розвитку геологорозвідувальних робіт є перехід до вирішення більш складних геологічних задач, пов'язаних з розширенням сировинної бази на промислово-освоєних територіях, за рахунок виявлення покладів, які глибоко залягають і слабо виявляються. Відомий "Спосіб пошуку покладів вуглеводнів сейсморозвідкою" [1]. Фізична основа способу ґрунтується на виявленні явища формування сліду дифузійного потоку над покладами нафти і газу. Недоліками даного способу є висока вартість робіт і досить низький рівень вірогідності результатів пошуку. Пояснюється це тим, що виявлений природний резервуар може виявитися порожнім або бути заповнений глибинними водами, слід дифузійного потоку зберігається при повному зруйнуванні покладу нафти або газу, тобто спосіб враховує факти не наявності покладу вуглеводнів, а їх вертикальної міграції (руйнування покладу). Неоднозначність геологічної інтерпретації геофізичних даних приводить до необхідності комплексного вирішення проблеми, тобто оптимального поєднання ряду геофізичних, геологічних, геохімічних, аерокосмічних методів і бурових робіт. Науковою основою такого поєднання є відкриття аномальних явищ, які спостерігаються в геофізичних, геохімічних і, що особливо суттєво для способу, що пропонується, в біохімічних полях над покладами вуглеводнів, "Явление парагенезиса субвертикальных зонально-кольцеобразных геофизических, геохимических и биохимических полей в осадочном чехле земной коры" [2]. Вплив аномальних полів на рослинність (у більшій мірі геохімічних) спричиняє зміни у біохімічному складі листяного покриву. Відомо, що рослини негативно реагують на наявність в ґрунті, повітрі навіть малих доз токсичних речовин, у тому числі під впливом геохімічних аномалій, і у відповідь на дію несприятливих і шкідливих факторів середовища в першу чергу змінюється біохімічний стан рослинності. При посиленні або тривалій негативній дії розвиваються біохімічні аномалії. Потім пошкодження розповсюджуються на клітинний рівень і лише після цього при значному посиленні негативної дії розвиваються видимі ознаки пошкодження - хлорози і некрози тканин листа, які викликані змінами змісту пігментів (антоціанів), далі відбувається обпадання листа деревних рослин, гальмування зростання. Таким чином, рослини виконують індикаторну функцію (фітоіндикація). Відмінності в біохімічному стані деревних рослин під дією навіть незначних природних і техногенних аномалій виявляється в оптичних властивостях листя. Лист вищої рослини є складною оптичною системою, що має здатність ефективно використовувати сонячну енергію за рахунок тонко організованої і динамічної структури з можливістю направленої зміни у вмісті пігментів в листі, здатностями до ефективної утилізації енергії сонячного випромінювання і пристосування до дії цього випромінювання в найрізноманітніших екологічних ситуаціях [3]. Відомий "Мультиспектральний структурно-польовий спосіб прогнозування покладів нафти і газу" [4], що базується на наявності генетичного зв'язку ландшафтів з розташованими під ними покладами вуглеводнів, в якому сукупно з аналізом аномалій у висотному полі ландшафтів використовуються явища зміни характеристик спектрів відбиття деревинної і трав'яної рослинності під дією біохімічних аномалій над покладом. Для більш точного визначення межі покладів проводиться наземне спектрометрування контактним способом листя дерев спектрофотометрами в лабораторних або польових умовах. Недоліками цього способу оптичної спектрометрії листя дерев є: 1. Низька чутливість результатів до малих проявів геохімічних і біохімічних аномалій, які визначаються за спектральними яскравостями методами факторного аналізу і не враховують закономірності організації структури оптичної системи листя і змін в структурі в зоні аномалій. 2. Необхідність отримати еталон спектрограм листя з аномальної ділянки. Такий підхід передбачає наявність аномальної ділянки в зоні пошуку і знання його координат, що значно обмежує сферу застосування даного способу. Відомий "Спосіб картування границь покладів вуглеводнів із застосуванням даних дистанційного зондування та наземного спектрометрування рослинного покриву" [5] (прототип), за яким уздовж вибраного маршруту району можливих покладів вуглеводнів, наряду з іншими вимірюваннями, виконується наземне спектрометрування зразків рослинності і по критерію статистичного розділення спектрограм визначаються границі покладу. Цей спосіб, також як і аналог [4], для виявлення аномалій використовує загальні імовірнісні методи розділення спектрограм рослинності, що виконується після проведення всієї множини вимірів за маршрутом. Спосіб не містить безпосередньо вимірюваного показника міри забруднення території, не враховує закономірності в змінах структури оптичної системи рослин, як наслідок 1 UA 104360 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перерахованих недоліків спосіб має низьку чутливість і оперативність до виявлення геохімічних аномалій. Способи усунення цих недоліків представлені в запропонованому винаході: 1. Враховувати закономірність в організації оптичної системи листя дерев, і прояв цієї закономірності як ефекту змін фрактальної структури спектрограм листяного покриву під впливом геохімічних і біохімічних аномалій. 2. Ввести безпосередньо вимірюваний засобами спектрометрування фітоіндикаційний показник, заснований на ефекті цілеспрямованої зміни дробової фрактальної розмірності спектрограм листяного покриву під впливом геохімічних і біохімічних чинників середовища. Для підвищення чутливості до виявлення аномалій і оперативності їх виявлення та розширення області використання винаходу в способі фрактальної спектрометричної фітоіндикації виявлення аномалій природного та техногенного походження, за яким враховують зв'язок між параметрами вибраних ділянок досліджуваної території та геохімічними і біохімічними полями та їх аномаліями в межах покладів вуглеводнів на цій території, при цьому вибирають маршрути для спектрометрування, виконують наземне спектрометрування відібраних зразків рослинності на зазначених ділянках досліджуваної території по вибраних маршрутах, далі за критерієм статистичної розділювальності отриманих спектрограм визначають точки межі покладу вуглеводнів на кожному з маршрутів, згідно з винаходом, додатково за результатами наземного контактного спектрометрування листяного покриву на вибраних ділянках досліджуваної території за допомогою прецизійного спектрометричного приладу визначають за отриманими спектрограмами аномалію біохімічного поля для уточнення межі покладу, при цьому для визначення аномалії обчислюють індикаторну ознаку фітоіндикаційний показник, що враховує зміни фрактальної розмірності спектрограм листяного покриву під впливом аномалій, для обчислення фітоіндикаційного показника і фрактальної розмірності отримані спектрограми масштабують та визначають степеневу залежність спектрометричної міри від рівнів квантування спектрограм, а за істотним збільшенням значення фітоіндикаційного показника на аномальних ділянках та по відхиленню його значень від значень на еталонній, без аномалій, ділянці виявляють області аномалій на кожній ділянці досліджуваної території, за якими уточнюють межі покладів вуглеводнів. Ефект змін фрактальної розмірності D в спектрах відбиття листяного покриву під впливом аномалій реєструються прецизійним спектрометричним приладом із спектральною розрізненністю 1-4 нм, у видимій області спектра і виявляється в змінах фрактальної розмірності D [6]. На фіг. 1 приведені графіки апроксимації ступеневими функціями експериментальних даних результату обробки спектрограм листяного покриву. Ступенева функціональна залежність спектрометричної міри М, від кількості рівнів m квантування спектрограм виявляється на різних ділянках маршруту. Різна інтенсивність прояву аномалій на ділянках маршруту фіксується по фрагментах спектрограми листяного покриву за змінами значень показника міри D, який відповідно характеризує розмірність спектрограми. Спектрометрична міра М обчислюється як сума квантованих значень яскравості в групах каналів спектральних діапазонів приладу. Ступеневий характер дробової залежності D спектрометричної міри М від числа рівнів квантування m: N~m верифікує наявність фрактальної структури, а зміни розмірності D на аномальних ділянках дозволяють використовувати фрактальну розмірність як індикаційну ознаку. Графіки на фіг. 1 надані у двох інтервалах області визначень функції m[1, 4], m[4, 16] і мають одну продовжену вісь абсцис m. Верхньому графіку відповідає приблизне значення фрактальної розмірності D=2,8, контрольована ділянка знаходиться поза покладом нафти, для нижнього графіка D=2,6 і ділянка знаходиться в зоні покладу нафти. Теоретичні передумови способу, що пропонується, базуються на таких положеннях: - фізіологічний стан рослин та їхніх оптичних характеристик визначаються сукупністю факторів навколишнього середовища. Такими факторами є аномальні геологічні, геофізичні, геохімічні і біохімічні поля у межах покладів вуглеводнів; - наявність ефекту цілеспрямованої зміни фрактальної розмірності спектрів відбиття рослинного покриву під дією аномальних факторів зовнішнього середовища [6]; - методах визначення фрактальної розмірності природних об'єктів як розмірності Хаусдорфа [7]. Виявлення аномалії природного або техногенного походження способом фрактальної спектрометричної фітоіндикації виконується в наступній послідовності (фіг. 2): Блок 1. Спектрометрування листяного покриву. На контрольованій ділянці виконується спектрометрування 16 листів деревної рослинності одного типу. Спектрометрування виконується контактним способом для кожного листа окремо у 2 UA 104360 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 видимій частині оптичного діапазону за допомогою прецизійного польового спектрометричного приладу, що допускає спектральну розрізненність в каналах від 1 нм до 4 нм. Результат спектрометрування рослинного покриву фіксується у вигляді 16 спектрограм листів. Блок 2. Створення спектрограм листяного покриву ділянки Спектрограма листяного покриву створюється як об'єднання по стовпцях 16 електронних таблиць спектрограм окремих листів. По рядках таблиць розташовані номери каналів, по стовпцях - номери спектрограм листів. Кожен елемент таблиці містить значення спектральної яскравості. Створена таким чином електронна таблиця - це двовимірний масив спектральної яскравості, розподіленої по каналах приладу для листяного покриву. Блок 3. Визначення фрактальної розмірності спектра за фрагментом спектрограми листяного покриву. Блок 3.1. Квантування спектральних яскравостей. Із спектрограми листяного покриву вибирається фрагмент А, що складається з 16 рядків і 16 стовпців з номерами Аi, j, що послідовно йдуть, визначається мінімальне значення (елемент) яскравості фрагмента таблиці min(Ai, j). Значення яскравості у фрагменті таблиці перераховуються шляхом віднімання значення мінімального елемента Bi, j=Аi, j-min(Ai, j). Кількість рівнів m квантування яскравості вибирається рівним числу рядків і стовпців таблиці В, m=16. Визначається масштабна одиниця квантування (крок вимірів) r=max(Bij)/16. 3.2 Визначення спектрометричної міри фрагмента спектрограми листяного покриву. Спектрометрична міра М визначається як сума квантованих значень спектральних яскравостей всіх елементів таблиці В, 16 16 B i, j M   i1 j1 r . (1) 3.3. Визначення фрактальної розмірності фрагмента спектрограми. Фрактальна розмірність фрагмента визначається перетворенням D=ln(M)/ln(m), (2) де М - чисельне значення спектрометричної міри, знайдене згідно з виразом (1), m=16 стала величина, яка відповідає прийнятому числу рівнів квантування фрагмента спектрограми. Блок 4. Визначення фітоіндикаційного показника. Фрактальна розмірність D спектрограми будь-якого матеріалу, знайдена згідно з виконанням дій вказаних в блоках 1-3, знаходиться в інтервалі 2D3. При вимірі абсолютно чорного тіла D=2. У випадку, коли спектральні яскравості у всіх каналах однакові: D=3. Виходячи з теоретично можливою межею інтервалу змін фрактальної розмірності фітоіндикаційний показник Р визначається як Р=(3-D)100. Показник Р визначається методом спектрометрування і характеризує міру геохімічного забруднення території по біохімічних змінах в листі. Показник Р вимірюється в цілочисельних відліках на шкалі 0100. Значення фітоіндикаційного показника длялистяних покривів знаходяться в діапазоні 1060. Чим вище значення показника Р, тим більше забрудненою є ділянка. Перед початком проходження маршруту шкала вимірів калібрується за значеннями фітоіндикаційного показника Р для видів рослин, що використовуються на маршруті як індикаторні, на свідомо чистих ділянках місцевості. При переході з чистих ділянок на аномальні спостерігається скачок показника на 15 і більше значень одиниць шкали виміру, що складає не менше 15  100 %  30% 60  10 від можливого інтервалу змін фітоіндикаційного показника для листяних покривів і служить індикатором входження в аномальну зону. На фіг. 3 показана типова зміна фітоіндикаційного показника Р при входженні в аномальну зону і просування по ній; k - номер ділянки на маршруті. Джерела інформації: 1. Спосіб пошуку покладів вуглеводнів сейсморозвідкою // патент UA № 21783А від 30.04.98 2. Явление парагенезиса субвертикальных зонально-кольцеобразных геофизических, геохимических и биохимических полей в осадочном чехле земной коры. // Открытие от 24.07.80, № 234. // Зорькин Л.М., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. и др. 3. Мерзляк М.Н., Гительсон А.А., Погосян С.И. и др. Спектры отражения листьев и плодов при нормальном развитии, старении и стрессе // Физиология растений. 1997. Т. 44, № 5. С. 707716. 4. Деклараційний патент на винахід UA № 63073А. Мультиспектральний структурнопольовий спосіб прогнозування покладів нафти і газу // Перерва В.М., Тепляков М.О., Архіпов О.І. та ін. - опубліковано - 15.01.2004. 3 UA 104360 C2 5 10 15 20 25 30 5. Патент України № 94146. Спосіб картування границь покладів вуглеводнів із застосуванням даних дистанційного зондування та наземного спектрометрування рослинного покриву // Попов М.О., Станкевич С.А. та ін. - бюл. № 7, 11.04.2011. 6. Артюшенко М.В., Подгородецкая Л.В., Федоровский А.Д. Фрактальный анализ спектрограмм растительного покрова в задачах природопользования // Доп. НАН України. 2010. - № 8. - С. 113-119. 7. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. - Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001. - 528 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб фрактальної спектрометричної фітоіндикації виявлення аномалій природного та техногенного походження, за яким враховують зв'язок між параметрами вибраних ділянок досліджуваної території та геохімічними і біохімічними полями та їх аномаліями в межах покладів вуглеводнів на цій території, при цьому вибирають маршрути для спектрометрування, виконують наземне спектрометрування відібраних зразків рослинності на зазначених ділянках досліджуваної території по вибраних маршрутах, далі за критерієм статистичної розділювальності отриманих спектрограм визначають точки межі покладу вуглеводнів на кожному з маршрутів, який відрізняється тим, що додатково за результатами наземного контактного спектрометрування листяного покриву на вибраних ділянках досліджуваної території за допомогою прецизійного спектрометричного приладу визначають за отриманими спектрограмами аномалію біохімічного поля для уточнення межі покладу, при цьому для визначення аномалії обчислюють індикаторну ознаку - фітоіндикаційний показник, що враховує зміни фрактальної розмірності спектрограм листяного покриву під впливом аномалій, для обчислення фітоіндикаційного показника і фрактальної розмірності отримані спектрограми масштабують та визначають степеневу залежність спектрометричної міри від рівнів квантування спектрограм, а за істотним збільшенням значення фітоіндикаційного показника на аномальних ділянках та по відхиленню його значень від значень на еталонній, без аномалій, ділянці виявляють області аномалій на кожній ділянці досліджуваної території, за якими уточнюють межі покладів вуглеводнів. 4 UA 104360 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5