Применение дистанционного зондирования Земли и космических технологий для развития арктических и субарктических территорий Российской Федерации

УДК 004.9

А.В. Вицентий

ФГБУН Институт информатики и математического моделирования технологических процессов КНЦРАН

Кольский филиал ПетрГУ

ПРИМЕНЕНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ И КОСМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РАЗВИТИЯ АРКТИЧЕСКИХ И СУБАРКТИЧЕСКИХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Аннотация

В статье представлен краткий обзор применения космических технологий для развития арктических регионов. Рассмотрены основные понятия, связанные с дистанционным зондированием Земли и последующей обработкой данных.

Ключевые слова:

дистанционное зондирование Земли, космические технологии, развитие Арктики.

A.V. Vicentiy SIMULATION MODEL OF SPATIAL OBJECT MOVEMENTS WITH QUASI-RANDOM ROUTES

Abstract

The article provides a brief overview of the space technology use for the Arctic regions development. The basic concepts related to the Earth remote sensing and the subsequent data processing are considered.

Key words:

earth remote sensing, space technologies, Arctic development.

Введение

Необходимость решения социально-экономических проблем арктических территорий становится все боле актуальной. Увеличивается численность населения Земли, в том числе и в арктическом регионе. Все больше создается инженерных сооружений гражданского, военного и двойного назначений, разрушение которых грозит экологическими и другими катастрофами, существенно расширяется список территорий подверженных сильному антропогенному воздействию, интенсивно разрабатываются полезные ископаемые и др.

В настоящее время в Арктическом регионе происходят быстрые изменения, как в области окружающей среды, так в политике и экономике. При проведении мониторинга любого объекта или экосистемы возникает специфика, вытекающая из особенностей объекта исследования. Такая специфика имеется при исследовании арктического региона. Для Арктики особое значение приобретают такие факторы, как изменение климата, демографические изменения и рост глобального спроса на природные ресурсы региона [6]. Кроме того, арктическая морская деятельность, по всей вероятности, значительно расширится в результате повышения спроса на природные ресурсы и улучшения доступа к морским районам. Эта деятельность повысит риски для окружающей среды и экологических процессов. Следовательно, России и другим арктическим

государствам необходимо прилагать дополнительные усилия в целях подготовки надлежащих и своевременных национальных и международных правил и мер, чтобы уменьшить риски и потенциальные негативные воздействия судоходства и других видов деятельности в арктических водах.

Сложность экологической ситуации на арктических территориях России обусловлена слабой восстановительной способностью природных компонентов на фоне постоянно растущего техногенного давления со стороны горнодобывающей, нефтедобывающей и горноперерабатывающей промышленности, частых аварий на нефте- и газопроводах, буровых платформах и установках, промышленных выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод в реки и моря [1]. Несмотря на то, что в настоящее время информация о ледяном покрове на водных объектах получается за счет спутниковых данных, ряд элементов, характеризующих динамику ледникового покрова, либо не определяются, либо определяются с большими погрешностями. Поэтому задача создания спутникового мониторинга арктических территорий является актуальной и требует комплексного решения.

При современном развитии технологий космического дистанционного зондирования земной поверхности вопрос об основном источнике данных для мониторинга высокоширотной Арктики решается однозначно, но проблема эффективного использования разнообразной космической информации для изучения арктического региона остается достаточно острой, так как единой законченной комплексной методики, использующей все возможности таких данных, на настоящий момент не существует [2].

Современные технические средства дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), позволяют получать цифровые изображения участков земной поверхности с высоким пространственным разрешением и в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. Кроме того, значительное развитие получили математические методы обработки цифровых изображений (пространственно-спектральный анализ, мультифрактальный анализ, радарная интерферометрия и др.), которые при соответствующей адаптации алгоритмической базы могут быть применены для обработки цифровых изображений ледового покрова и других элементов рельефа северных территорий [3].

Таким образом, в настоящее время появились реальные возможности для разработки последовательной, научно-обоснованной концепции и методологии космического мониторинга арктических территорий и реализации на основе этой концепции космического географического метода изучения изменений на земной поверхности в северных регионах России.

Краткая история дистанционного зондирования Земли

Современный этап развития ДЗЗ обычно связывают с успешной эксплуатацией ERTS - технологического спутника NASA по изучению земных ресурсов 1972 года. Этот спутник был переименован в Landsat-1, и по программе Landsat в течение более чем 30 лет накоплен огромный архив данных ДЗЗ. С этих пор космическая съемка стала проводиться в массовом порядке не только в интересах военных, но и для применения в мирных целях: в метеорологии, при исследовании природных ресурсов и т.д. История отечественных КА природноресурсного назначения началась в 1974 г. с запуска ИСЗ Метеор-Природа с

установленными на борту сканирующими устройствами высокого (МСУ-Э) и среднего разрешения (МСУ-СК).

Бурный рост объема получаемой информации в это время был поддержан одновременным прогрессом вычислительной техники и средств хранения данных. По настоящему широкие перспективы открылись перед ДЗЗ с развитием компьютерных технологий, переносом всех операций по обработке и использованию данных на компьютеры, особенно в связи с появлением ГИС.

В последние годы отчетливо обозначились основные тенденции в развитии технологий ДЗЗ из космоса: увеличение пространственного

разрешения получаемых изображений и производительности съемки с КА, создание спутников или группировок для решения специализированных задач, более активное использование радиолокационных съемок. Все это непосредственным образом сказывается на структуре и объеме рынка ДЗЗ -улучшается качество продукции, и в то же время за счет увеличения на орбите количества спутников и конкуренции значительно снижается стоимость данных, постоянно расширяются архивы снимков, в том числе на территорию России [4].

ДЗЗ сегодня - это огромное разнообразие методов получения изображений буквально во всех диапазонах длин волн электромагнитного (ЭМ) спектра от ультрафиолетовой (УФ) до дальней инфракрасной (ИК) зоны и радиодиапазона, самая различная обзорность - от снимков с метеорологических геостационарных спутников, охватывающих почти целое полушарие, до детальных съемок небольших участков. Пространственное разрешение, при этом, может варьироваться от нескольких километров до нескольких сантиметров.

Современное состояние дистанционного зондирования Земли

В настоящее время большую часть данных дистанционного зондирования Земли получают с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Большой обзор поверхности Земли с высоты полета спутника, высокая скорость движения спутниковых датчиков и возможность регистрировать сигналы в нескольких спектральных диапазонах позволяют получать огромные объемы данных. Широта охвата территории является характерной чертой дистанционных методов исследования Земли. Организация работ по изучению поверхности Земли, основанная на сочетании аэрокосмических методов с небольшим объемом наземных исследований, которые проводятся на ограниченном числе опорных маршрутов и ключевых участков, позволяет значительно сократить сроки производства работ и снизить их стоимость.

Данные космических съемок сегодня стали доступны широкому кругу пользователей и активно применяются не только в научных, но и производственных целях. ДЗЗ является одним из основных источников актуальных и оперативных данных для геоинформационных систем (ГИС). Научнотехнические достижения в области создания и развития космических систем, технологий получения, обработки и интерпретации данных многократно расширили круг задач, решаемых с помощью ДЗЗ [5]. Основные области применения данных ДЗЗ из космоса - изучение состояния окружающей среды, землепользование, изучение растительных сообществ, оценка урожая сельскохозяйственных культур, оценка последствий стихийных бедствий и т. д.

Понятие дистанционного зондирования Земли

Дистанционное зондирование - это способы получения информации об объекте на расстоянии без вступления с ним в прямой контакт, К методам дистанционного зондирования относятся все методы неконтактного получения информации, такие как сейсморазведка, гравиразведка и т. д. Среди них особое место занимают методы ДЗЗ из космоса.

Под дистанционным зондированием поверхности Земли понимается наблюдение и измерение энергетических и поляризационных характеристик излучения объектов в различных диапазонах ЭМ спектра с целью определения местоположения, вида, свойств и временной изменчивости объектов окружающей среды без непосредственного контакта с ним измерительного прибора.

ДЗЗ имеет широкий круг приложений, и прежде всего, в военной сфере. В невоенной сфере большинство приложений относится к категории исследования окружающей среды:

1. Атмосфера: температура, осадки, распределение и тип облаков, концентрации газов и т.д.

2. Земная поверхность: топография, температура, альбедо, влажность почвы, тип и состояние растительности, антропогенные нагрузки.

3. Океан: температура, топография, цвет водной поверхности и т.д.

4. Криосфера: распределение, состояние и динамические подвижки снега, морского льда, айсбергов, ледников.

Одной из наиболее важных характеристик ДЗЗ является возможность накапливать данные о большой области земной поверхности или объеме атмосферы за короткий промежуток времени, получая практически моментальный снимок. Например, с помощью сканера на геостационарном метеорологическом спутнике Meteosat изображение примерно четверти поверхности Земли формируется менее чем за полчаса. Если этот аспект рассматривать в сочетании с тем фактом, что с помощью спутниковых систем можно получать данные в ситуациях сложных для наземных исследований, когда они медленны, дороги, опасны, политически неудобны, то потенциальная польза ДЗЗ становится еще более очевидной. Дополнительным преимуществом ДЗЗ является возможность систем выдавать калиброванные данные в цифровом виде, которые могут быть введены непосредственно в компьютер для обработки.

В современных условиях следующие характеристики определяют востребованность космических снимков (КС):

- Объективность - каждый КС является документом, объективно отражающим состояние местности на момент съемки. Подделать КС практически невозможно, так как съемку ведут различные компании-операторы и попытки изменения данных могут быть легко обнаружены.

- Актуальность - материалы космической съемки можно получить на различные даты, включая съемку на заказ, которая осуществляется, как правило, в течение нескольких недель.

- Масштабность - современные приборы ДЗЗ позволяют одновременно снять значительные по площади территории с довольно высокой степенью детализации.

- Экстерриториальность - участки съемки никак не привязаны к государственным и территориальным границам и для проведения съемки не требуется разрешение.

- Доступность - в настоящее время данные ДЗЗ с пространственным разрешением 2 м и ниже являются открытыми. Процедура заказа и получения снимков достаточно проста.

Данные ДЗЗ, полученные с космических спутников, зачастую нельзя получить никаким другим способом. Современная служба погоды в значительной мере основана на наблюдениях со спутников. Следует отметить, что чем больше территория государства, тем более эффективно применение дистанционных методов.

Доступ к данным ДЗЗ регулируется так называемой политикой «открытого неба» (Open Sky Policy). Основным международным консультативным органом координации политики в области ДЗЗ является CEOS (Committee on Earth Observation Satellites).

Применение и источники данных ДЗЗ для развития арктической зоны Российской Федерации

В арктических и субарктических регионах России на первом месте стоят проблемы мониторинга состояния природных ресурсов и экологического контроля за их добычей и переработкой, анализ состояния природных комплексов в условиях антропогенного воздействия. В настоящее время большинство исследований в области экологии и природопользования базируется на данных ДЗЗ. Тенденции к расширению роли космического мониторинга в значительной мере связаны с усилением требований к оперативности и достоверности сведений о состоянии окружающей среды.

При решении тематических задач оценки природных ресурсов и окружающей среды, решаемых с использованием материалов ДЗЗ, выделяют четыре основные области [6]:

1) геология и ресурсы недр; 2) гидрология и поверхностные водные ресурсы; 3) лесные ресурсы и растительный покров; 4) воздействия на окружающую среду.

Современный рынок данных ДЗЗ предоставляет широкие возможности по выбору КС, которые могут быть использованы для создания и обновления геопространственной информации. Для задач крупномасштабного топографического картографирования подойдут снимки сверхвысокого ПР (выше 2 м), такие как WorldWiew-l, GeoEye-1, CARTOSAT-2, QuickBird, IKONOS, Ресурс-ДК и др., и высокого ПР (2-3 м), такие как Radarsat-2, SPOT-5, CARTOSAT-1, FORMOSAT-2, ALOS PRISM.

Для целей тематического картографирования, в большинстве случаев, подходят КС сенсоров среднего ПР, имеющие большое количество спектральных каналов, отвечающих за узкие участки спектра. Наличие каналов в среднем, ближнем и дальнем ИК диапазонах дает расширенные возможности для прикладных задач, связанных с картографированием растительного и почвенного покровов. К таким съемочным системам относятся, прежде всего, RapidEye, ALOS AVNIR-2, Landsat-5/7, SVOT-4/5, ASTER, IRS-1C/ID, Resoursesat-1 и др.

Современные КС более низкого ПР в таких системах, как MODIS, MERIS, NOAA и других, также несут огромный объем полезной информации, позволяющей решать тематические задачи в мелких масштабах.

К настоящему моменту накоплен большой архив данных ДЗЗ, который регулярно пополняется. У потенциального потребителя есть широкие возможности выбора снимков по типу съемки, пространственному и радиометрическому разрешению, а также по времени съемки. Архивные данные, как правило, значительно дешевле оперативных, но в любом случае, для конечного пользователя проходит определенное время между заказом снимка и его получением, даже если снимки приобретаются через Интернет. Организации, которые работают с большими объемами информации, могут получать данные со спутников в режиме оперативной связи, минуя поставщиков данных ДЗЗ, если приобретут и установят у себя станцию приема информации.

Заключение

В настоящее время ДЗЗ является источником актуальной и оперативной пространственной информации и широко используется для решения различных тематических задач. Для развития арктических и субарктических регионов России ДЗЗ приобретает особое значение, т.к. в связи с труднодоступностью, широким промышленным освоением и уязвимостью экосистемы северных регионов ДЗЗ из космоса становится одним из наиболее эффективных инструментов решения возникающих задач.

Литература

1. Зятькова, Л.К., Елеповз Б.С. У истоков аэрокосмического мониторинга природной среды («Космос» - программе «Сибирь»): монография. / Л.К. Зятькова, Б.С. Елепов. - Новосибирск: СГТА, 2007. - 380 с.

2. Гарбук, С.В., Гершензон, В.Е. Космические системы дистанционного зон -дирования Земли / С.В. Гарбук, В.Е. Гершензон. - М.: А и Б. - 1997.- 296 с.

3. Гонсалес, Р., Вудс, Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс / пер. с англ. - М.: Техносфера, 2006. - 1072 с.

4. Замятин, А.В., Марков, Н.Г. Анализ динамики земной поверхности по данным дистанционного зондирования Земли / А.В. Замятин, Н.Г. Марков.

- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 176 с.

5. Ермошкин, И.С. Современные средства автоматизированного дешифри-рования космических снимков и их использование в процессе создания и обновления карт // ARCREVIEW. - 2009. - № 1. -С.12-13.

6. Миртова, И.А., Берюляев, A.A. Географические основы аэрокосмического топографического мониторинга территорий Крайнего Севера / И.А. Мир -това, А.А. Берюляев // Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка».

- 2010. - №6. - С.68-73.

7. Беленко, В.В., Малинников, В.А. Мониторинг природных и техногенных геоэкологических систем Хибинского горнопромышленного узла по дан -ным космической съемки / В.В. Беленко, В.А. Малинников // Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка». - 2011. -№4. - С.84-87.

Сведения об авторах

Вицентий Александр Владимирович - к.т.н., научный сотрудник, доцент, е-mail: alx 2003@mail.ru

Alexander V. Vicentiy - Ph.D. (Tech. Sci.), Researcher, Associate professor