Сверху видно все

Дистанционное зондирование Земли: мониторинг лесных пожаров, ЧС и другое

Лектор: (none) 21.02.2011, 14:03
Аппарат RADARSAT-1 создан под управлением Канадского космического агентства CSA во взаимодействии с... CSA, MDA
Аппарат RADARSAT-1 создан под управлением Канадского космического агентства CSA во взаимодействии с несколькими коммерческими структурами. Оснащен радиолокатором бокового обзора с синтезированной апертурой (РЛС).

С помощью дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса можно наблюдать за ситуацией с лесными пожарами, строительством трассы через Химкинский лес и контролировать спасательные операции в ЧС. Об основах ДЗЗ в своей лекции «Газете.Ru» рассказывает Алексей Кучейко, к. т. н., заместитель генерального директора ИТЦ «СКАНЭКС».

Россия — страна контрастов. Природно-климатические особенности нашей страны, ресурсный потенциал и увеличивающаяся из года в год антропогенная нагрузка на окружающую среду требуют рационального хозяйствования и постоянного контроля. Как следствие, необходимо ускоренное внедрение эффективных технологий мониторинга самых разнообразных объектов, процессов и явлений. За рубежом уже многие годы в работе государственных служб и коммерческих организаций применяются технологии космической съемки. Российский опыт в сфере работы со спутниковой съемкой в силу исторических особенностей и административно-законодательных барьеров менее масштабен.

Тем не менее интерес к космической съемке в России растет.

Космосъемка востребована в чрезвычайных ситуациях для оперативной оценки масштабов и последствий ЧС и контролирования ликвидации их последствий. Спутниковые данные необходимы для решения задач в области метеорологии, контроля состояния лесов, сельхозугодий, землепользования, состояния технических объектов, территорий с активной нефтедобывающей инфраструктурой, при создании земельного кадастра, картографических продуктов, при территориальном планировании, геологоразведке, отслеживании положения судов в любой части Мирового океана и т. д.

Космические снимки — они же данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса — представляют собой изображения земной поверхности, сделанные с помощью оптической или радиолокационной аппаратуры, которая установлена на искусственных спутниках Земли. Данные спутники — космические аппараты с аппаратурой ДЗЗ — запускаются обычно на низкие полярные орбиты высотой от 500 до 1000 км или на геостационарные 24-часовые орбиты высотой 36 тыс. км (здесь обычно размещены спутники с аппаратурой для обзорных метеонаблюдений видимой поверхности Земли).

Основными параметрами спутниковых изображений являются:
— пространственное разрешение, которое определяет минимальный размер различимых на снимке объектов;
— возможность съемки в панхроматическом (черно-белом) режиме или с использованием нескольких спектральных зон для формирования цветных изображений в натуральных цветах, которые видит человек, или псевдонатуральных, с использованием каналов в инфракрасном участке спектра;
— размер участка местности, охватываемого снимком.

По пространственному разрешению аппаратура съемки Земли подразделяется на несколько классов: низкого разрешения (от 250 м до километра); среднего разрешения (от 10 м до 250 м), высокого разрешения (1 – 10 м) и сверхвысокого разрешения (менее 1 м).

По предназначению спутники съемки Земли подразделяются на метеорологические с датчиками низкого разрешения, картографические (обычно с двухкамерными стереосистемами для оценки плановых координат и высотных параметров объектов, изображенных на снимке), съемки ЧС, а также многоцелевые (с аппаратурой ДЗЗ разного назначения), образовательные, технологические. По источникам финансирования и применению спутники ДЗЗ могут быть гражданскими, коммерческими, военными и двойного назначения.

Метеорологические спутники поставляют данные не только необходимые для прогнозирования погоды и оценки последствий изменения климата, но и широко применяются для обнаружения пожаров по тепловой разности очага пожара и температурного фона подстилающей поверхности.

Спутники с оптической аппаратурой съемки среднего и высокого разрешения позволяют получать глобальные покрытия Земли в виде мозаик снимков, оценивать изменения растительности, обнаруживать полезные ископаемые, применяются в картографии, природопользовании, в лесоводстве, сельском хозяйстве для прогнозирования урожайности, для наблюдения кризисных зон.

На основе цветных оптических космоснимков созданы мозаики известного геосервиса Google и отечественных веб-порталов «Яндекс.Карты» и «Космоснимки».

Спутники с радиолокационными системами применяются обычно для съемок морских акваторий, определения положения судов и ледового покрова, районов разлива нефти на воде и половодий, участков вырубки лесов, изменений рельефа местности. Основным преимуществом радаров является независимость съемки от метеоусловий и освещенности.

Исторически технология детальной съемки Земли из космоса сначала разрабатывалась для военной разведки. В 1959 году в США начались запуски секретных спутников по первой программе видовой фоторазведки CORONA, которую курировало ЦРУ. Кроме задач, связанных с поиском баз стратегических бомбардировщиков и межконтинентальных баллистических ракет (МБР), спутниковые снимки применялись для составления карт стран мира в интересах Пентагона. На спутниках-фоторазведчиках первых серий применялись панорамные щелевые фотокамеры компании Itek с линзовыми объективами. Из-за щелевого затвора камеры получили наименования KH (Key Hole, «ки хоул» — «замочная скважина»), а спутники позднее обозначили КН-1, -2 и -3. Уже в 1963 г. на более совершенных фотоспутниках серии КН-4, -4А и -4В устанавливаются по две панорамные камеры со сдвинутыми на 30o оптическими осями, что позволяло формировать стереопары с пространственным разрешением 2–8 м, пригодные для оценки характеристик рельефа местности и высоты объектов.

Решающими для дальнейшего развития космической съёмки стали события 1 мая 1960 года, когда советские зенитчики сбили разведывательный самолет U-2 с пилотом ЦРУ Ф. Пауэрсом.

Аэрофотокамеры U-2 обеспечивали съёмку советских объектов с разрешением 0,6 м. Последовавший запрет на полеты U-2 вынудил руководство США изыскивать альтернативные пути получения высокодетальной видовой информации. В 1960 году президент США дал старт новой программе высокодетальной спутниковой разведки KH-7 GAMBIT. На спутнике впервые была установлена зеркальная длиннофокусная оптическая система, созданная компанией Kodak, в процессе её совершенствования пространственное разрешение было улучшено с 2 м до 0,6 м.

С 1995 года более 800 000 изображений, собранных спецслужбами США в 1960–1972 годах в рамках программы CORONA спутниками КН-1 — КН-5, рассекречены и доступны исследователям. В 2002 г. рассекречена дополнительная партия снимков высокого разрешения, полученных спутниками КН-7 и КН-9. Некоторые фотоснимки Москвы и Ленинграда 1960-х годов, полученные по программе CORONA, доступны, например, на портале «Города и Веси».

Большим технологическим прорывом стал запуск в 1976 году первого спутника оптико-электронной съёмки КН-11 Kennan (позднее переименован в Crystal) с передачей данных по радиоканалу в реальном времени. Позднее на усовершенствованных спутниках серии КН-11 и -12 установили картографическую оптико-электронную камеру и аппаратуру для съемки в ночное время в инфракрасном диапазоне.

Запуск КН-11 означал переход от фотоплёнки и низкой оперативности доставки материалов в капсулах к цифровым изображениям и квазиреальному времени в съёмке и обработке.

Принципиальные технические решения КН-11 оказались настолько эффективными, что через 20–30 лет они стали востребованными в конструкции гражданских высокодетальных спутников IKONOS, QuickBird, WorldView, GeoEye.

Другим революционным шагом стало применение для топографической съёмки спутниковой радиолокационной интерферометрии, в которой высотные параметры рельефа оцениваются по разности фаз сигналов, принятых двумя разнесенными в пространстве антеннами. В 2000 году по заказу агентства геопространственной разведки NIMA (ныне – NGA) космическое агентство NASA выполнило 11-суточный полёт космического челнока «Шаттл» по программе SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) с целью создания глобальной цифровой модели рельефа (ЦМР) Земли. Результатом обработки данных измерений, длившейся несколько лет, стала серия цифровых моделей рельефа (ЦМР) SRTM с шагом сетки 30 м (доступна на территорию США) и 90 м (на весь мир в свободном доступе).

Сегодня Германия, запустив два одинаковых спутника-близнеца с радарами, приступила к созданию более точной глобальной модели рельефа Земли с шагом 12 м (абсолютная точность по высоте — 10 м). Два спутника TerraSAR-X и TanDEM-X, совершая полет на близких по параметрам орбитах на удалении 250–500 м друг от друга, проводят так называемые тандемные бистатические измерения. Кроме ЦМР спутниковая пара позволяет измерять параметры морских течений, скорость сползания ледников и даже скорости автомобилей на автомагистралях. Следует отметить, что спутники созданы в результате частно-государственного партнерства госведомств и крупнейшей аэрокорпорации Германии.

Космические радары зарекомендовали себя как инструменты для оперативного всепогодного сбора информации о рельефе Земли с заданными точностными характеристиками.

В течение десятилетий спутниковой съёмки Земли военными и гражданскими системами ДЗЗ накоплены огромные массивы информации, которые использованы при создании глобальных мозаик спутниковых покрытий и карт. В открытом доступе сегодня находятся глобальные покрытия программы EOS (спутники Terra и Aqua), которые делятся на несколько продуктов и регулярно обновляются по мере сбора данных. Самой известной и долговременной гражданской программой ДЗЗ стала программа Landsat, данные которой распространяются бесплатно через порталы геологической службы USGS. На основе ортоснимков Landsat создана первая доступная глобальная мозаика поверхности Земли GeoCover 2000. Глобальное покрытие Земли спутниками Landsat обновляется с периодичностью 5–10 лет и используется для изучения последствий техногенного воздействия на природу и глобального изменения климата.

Появление принципиально новых продуктов (глобальных мозаик спутниковых снимков, глобальных ЦМР, векторных карт земной поверхности) в сочетании с достижениями спутниковой геодезии и навигации привело к созданию виртуальных моделей Земли.

Такие модели реализованы, например, в виде геосервиса Google Earth (с моделированием рельефа на шаре) или в виде «плоскостных» картографических геосервисов с отображением поверхности в виде многослойных мозаик спутниковых снимков и векторных карт.

В СССР первый спутник-фоторазведчик «Зенит-2» был запущен 26 апреля 1962 года под индексом «Космос-4». Спутник был разработан в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия») под руководством С. П. Королёва на базе пилотируемого космического корабля «Восток» и воплотил множество уникальных для своего времени технических решений. На серийных спутниках «Зенит-2» установлена спецаппаратура «Фтор-2», созданная на Красногорском механическом заводе им. С. А. Зверева, в составе трёх детальных фотокамер СА-20 (фокусное расстояние 1 м) и широкоформатной фотокамеры СА-10 с фокусным расстоянием 0,2 м для обзорно-картографической съёмки. Спутник обеспечивал съёмку в полосе шириной 180 км с высоты 200 км с разрешением 10–15 м (хотя в ряде источников разрешение оценивается 5–7 м). После принятия на вооружение производство и разработка спутников «Зенит» продолжены в Филиале № 3 ОКБ-1 (ныне ЦСКБ «Прогресс», г. Самара). В дальнейшем в ЦСКБ «Прогресс» были разработаны специализированные спутники-картографы «Зенит-4MТ» («Орион», 1971–1982 гг.), «Комета» (1981–2005 гг.) и гражданские спутники серии «Ресурс-Ф» для создания топокарт в интересах различных ведомств.

Крупномасштабные топокарты, разработанные военно-топографическим управлением (ВТУ) Генштаба на основе космоснимков, после развала СССР достались новым независимым государствам и стали доступны на западном рынке, но по-прежнему остаются секретными в России.

В последние годы существования СССР в стране были созданы достаточно эффективные гражданские и военные спутники оперативного наблюдения Земли «Алмаз-1» с радаром, «Ресурс-О1», «Океан-О1», «Аркон» и др., но начавшиеся экономические преобразования затормозили развитие отечественной отрасли ДЗЗ.

Пока в России определяли облик перспективных систем ДЗЗ, конкуренты не стояли на месте, интенсивно развивался мировой рынок космоснимков. Впечатляющих успехов в области создания спутников и аппаратуры съёмки Земли достигли Франция (спутники SPOT 4, SPOT 5), Индия (спутники серии IRS), Япония (ALOS, система ASTER на спутнике Terra), Германия (радарные спутники TerraSAR-X, TanDEM-X), Италия (радарные спутники COSMO-1, -2, -3, -4), Канада (спутники RADARSAT-1, -2), Израиль (спутники EROS-A, -B) и Китай (спутники серий «Яогань», CBERS, HJ, ZY, TH-1). В клуб операторов национальных систем ДЗЗ вошли несколько десятков стран, которые в 80-е годы ХХ века даже не имели собственных космических программ, среди них: Алжир, Испания, Корея, Нигерия, Тайвань, Таиланд, Египет, ОАЭ, ЮАР и др.

Таким образом, изначально спутниковая съемка была в системе военной разведки.

Гонка вооружений заставляла совершенствовать технологии, постепенно улучшая пространственное разрешение (то есть детальность) снимков с нескольких метров до сантиметров. Со временем наработки интегрировались в гражданский сектор. Стало очевидно, что космическая съемка — эффективный источник информации для разных отраслей экономики. На орбите начали появляться коммерческие космические аппараты, в основу создания которых были положены военные технологии — длиннофокусные оптические системы, специальные миниатюрные многоэлементные ПЗС-матрицы, радиолинии для высокоскоростной передачи изображений на Землю в реальном масштабе времени. Первым в мире коммерческим аппаратом съемки Земли с пространственным разрешением меньше метра (когда на спутниковом снимке видны автомобили, дорожная разметка, сельские дома и т. д.) стал американский спутник IKONOS, запущенный в 1999 году. Но и это не предел. Несколько лет назад появились гражданские спутники с разрешением 0,5 м. Учитывая тенденцию увеличения детальности спутниковых изображений и демократизации доступа к этим данным, в ближайшие годы размеры пикселя спутниковых снимков уменьшатся до 0,3 м.

Ежегодно на орбиту выводятся 10–20 спутников ДЗЗ. К примеру, в 2010 году осуществлены запуски 14 гражданских, коммерческих и военных спутников съемки Земли, в том числе:
— 7 спутников с оптико-электронной аппаратурой съемки с пространственным разрешением от <1м до 5–10м Китая (2), Индии, США, России, Алжира и Израиля;
— 4 спутника с радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) Германии, Италии, США и Китая;
— 3 метеорологических КА на геостационарную и низкую полярную орбиты Китая, Кореи и США.

По интенсивности запусков спутников с аппаратурой съемки Земли результаты 2010 года оказались самыми низкими за последние пять лет и соответствовали уровню 2000–2006 годов (10–16 спутников).

Спад наступил после рекордного трехлетия (в 2007 году — 19, 2008-м – 21, 2009-м — 22 спутника).

Следует отметить устойчивую тенденцию последних лет – увеличение числа запусков студенческих и образовательных наноспутников с аппаратурой съемки Земли. В 2010 году университеты Японии, Индии и Китая запустили пять таких спутников массой менее 5 кг.

По предназначению запущенные в 2010 году аппараты разделились следующим образом:
— видовая космическая разведка – 7 (Китай — 3, США – 2, Россия и Израиль — по 1);
— двойного назначения – 2 (Индия, Италия);
— гражданские и коммерческие – 2 (Германия, Алжир);
— метеорологические – 3 (США, Корея, Китай).

Особенностью 2010 года для отрасли съемки Земли из космоса стало наращивание орбитальных группировок спутников видовой разведки.

Очевидно, в условиях мирового экономического кризиса и политической нестабильности ведущие космические державы уделяют первостепенное внимание развитию возможностей информационных систем контроля обстановки. Лидерство в этом направлении в 2010 году принадлежит Китаю и США.

В настоящее время лидерами по числу спутников ДЗЗ на орбитах являются США, Китай, страны Европы, Индия. Россия занимает место во второй десятке, эксплуатируя на орбите два гражданских аппарата — «Метеор-М» № 1 и «Ресурс-ДК» № 1, последний — с выработанным ресурсом. В 2010 году в России запущен только один спутник с аппаратурой съемки Земли — военный КА «Космос-2462», идентифицированный в западной прессе как фоторазведчик «Кобальт-М», который прекратил существование через 95 суток полета.

Запуски отечественных аппаратов «Электро», «Канопуса» и других в очередной раз перенесены на 2011 год (КА «Электро-Л» успешно запущен в январе 2011 года). По заявленным планам Федерального космического агентства, к 2015 году на орбите появятся от 15 до 20 гражданских КА ДЗЗ. Для реализации таких планов необходимо запускать в течение пяти лет ежегодно по три-четыре спутника, чего ещё не было на протяжении последних десяти лет.

Так и не приняв системных мер по созданию качественно новых спутников ДЗЗ (например, на принципах частно-государственного партнерства), руководство отечественной отрасли ДЗЗ приступило к решению более простой задачи — организации централизованной бюджетной закупки зарубежной космической информации.

В конце 2010 года был даже подготовлен законопроект «О внесении изменений в закон Российской Федерации «О космической деятельности». Он встретил резкую критику со стороны компаний-участников отечественного рынка космической информации, по мнению которых, предложенные меры по централизации закупок и созданию общих фондов не дадут ожидаемой экономии бюджетных средств (что признали и руководители Федерального космического агентства). Напротив, будет создан монополист со всеми сопутствующими исторически понятными последствиями, в том числе замедлением темпов и без того отстающего от всего мира рынка отечественных космических технологий ДЗЗ.

Кроме того, в России до сих пор на законодательном уровне однозначно не определено, спутниковые снимки с какой детальностью являются несекретными.

В частности, вводятся ограничения на работу в России со снимками разрешением лучше 2 метров. Результаты спутниковой съёмки, в том числе высокодетальные, уже не первый год доступны всем на популярных сайтах Google Maps, «Яндекс.Карты», Kosmosnimki.Ru и др., в то время как в самой России эти данные однозначно не рассекречены.