CC BY
355
УДК 528.88; 504.064
Е. П. Минаков, Е. Ф. Чичкова
МОНИТОРИНГ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
Определены состав задач, возникающих при чрезвычайных ситуациях, и основные требования к эффективности их решения. Предложена структура автоматизированной системы мониторинга таких ситуаций. Приведены данные мониторинга гидрометеорологической и экологической обстановки Северо-Западного региона России с использованием космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и оценена его эффективность.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, мониторинг, автоматизированная система, чрезвычайная ситуация, эффективность.
Чрезвычайные ситуации (ЧС) природного и техногенного характера, возникающие в различных регионах России (разливы нефти и нефтепродуктов в акваториях морей, на озерах и реках, загрязнения территориально-природных комплексов, пожары, наводнения, опасные метеорологические явления и т.д.), могут выявляться и контролироваться с использованием различных средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), преимущественно космических аппаратов (КА).
Накопленный к настоящему времени опыт позволяет выявить основные требования к решению возникающих в ходе ЧС задач [1]. Обобщенные требования к мониторинговой информации, основанные на анализе данных организаций министерств и ведомств Российской Федерации, представлены в таблице.
№ п/п Задача Время решения, ч Оперативность обновления информации, ч Пространственное разрешение, м
1 Определение факта возникновения ЧС:
пожар 24 0,25—2 10—20
разрушение 24 0,25—2 10
химическое заражение 12 0,20—1 50—100
затопление 12 0,25—1 30—100
2 Оценка масштабов ЧС:
пожар 2—10 1—2 100
разрушение 12—24 3—6 0,5—10
химическое заражение 6—24 2—6 50—100
затопление 6—12 1—6 10
3 Оценка степени разрушения железнодорожных
путей и подвижного состава 1—12 0,5—1 1—2
4 Оценка степени разрушения при авариях мор-
ских (речных) судов и загрязнения поверхности воды и береговой линии 6—8 3—6 10—20
5 Определение места падения летательных аппа-
ратов 6—8 1—3 10—20
6 Определение характеристик транспортных ак-варий 3—6 1—3 1—2
7 Определение места и размеров зон аварий на магистральных трубопроводах 6—12 1—3 1—20
8 Оценка характера и объема разрушений при
авариях на химически опасных объектах 1—12 0,5—2 10—20
Продолжение таблицы
№ п/п Задача Время решения, ч Оперативность обновления информации, ч Пространственное разрешение, м
9 Определение типа аварийной ситуации, характера и объема разрушений при авариях на радиа-ционно опасных объектах 1—12 0,5—3 1—2
10 Определение характера и объема разрушений при обрушении зданий 6—12 1—3 1—2
11 Определение зоны разрушения и затопления при гидродинамических авариях 6—12 1—3 5—10
12 Получение данных для расчета характеристик зон экологических бедствий 3—4 2 10—20
Состав задач, указанный в таблице, нельзя считать исчерпывающим, а требования к их решению — окончательными. Тем не менее можно утверждать, что предельным значением для отводимого времени решения задачи является 1 ч, для оперативности обновления информации о ЧС — 0,2 ч. Предельное пространственное разрешение для мониторинговой информации о ЧС составляет 0,5 м.
Телекоммуникационная подсистема
Подсистема формирования и выдачи заданий на проведение съемки участков земной поверхности
ТелекотмеПлмеоукдносимикмсатцуенимиоанканцаияй теплоедксоимсмтуенмиакаций
(подсистема приема данных ДЗЗ с КА)
Подсистема дешифровки изображений земной поверхности
Ж
Подсистема первичной
и тематической обработки данных ДЗЗ
Ж и.
4
>
Подсистема пространственного анализа данных ДЗЗ средствами ГИС
Подсистема топографического обеспечения
Рис. 1
Такие высокие показатели в настоящее время могут быть обеспечены только путем комплексного, скоординированного по времени и месту, применения КА, авиационных (вертолетных) пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, а также некоторых других средств, что может быть обеспечено только в рамках единой автоматизированной системы мониторинга ЧС (рис. 1, здесь темные стрелки — команды управления, светлые — данные ДЗЗ).
Система мониторинга должна являться информационным инструментом, позволяющим принимать адекватные решения как для государственных органов управления, так и для за-
интересованных групп пользователей. Создание автоматизированной системы предполагает решение ряда организационных задач, в частности:
— развития информационно-телекоммуникационной среды, адаптированной к особенностям конкретного региона;
— подготовки специалистов по мониторингу окружающей среды средствами ДЗЗ.
Одним из перспективных направлений развития информационно-измерительной подсистемы в структуре, представленной на рис. 1, является баллистическое проектирование и развертывание орбитальной группировки КА ДЗЗ для конкретного региона. Например, показатели, приведенные в таблице, могут быть обеспечены для Северо-Западного региона десятью—двенадцатью малыми КА, движущимися по солнечно-синхронным орбитам и оснащенными бортовыми комплексами управления, проектируемыми в Центральном научно-исследовательском и опытно-конструкторском институте робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК). Повышение эффективности работы данной подсистемы возможно также за счет использования данных ДЗЗ вновь вводимых зарубежных КА с высокими тактико-техническими характеристиками.
Указанные на рис. 1 подсистемы, связанные с приемом и первичной тематической обработкой данных ДЗЗ, с их пространственным анализом средствами геоинформационных систем (ГИС), с дешифровкой изображений для территории Северо-Западного региона успешно функционируют в Центре ДЗЗ ЦНИИ РТК. С 2006 г. поводится регулярный космический мониторинг Финского залива по данным КА Terra. В Центре ДЗЗ ведется разработка специального программного обеспечения и методик тематической обработки космической информации.
Так, в частности, с целью оценивания антропогенного воздействия на акваторию восточной части Финского залива и Невской губы, вызванного строительством нефтяных терминалов, портовых зон и других гидротехнических объектов, а также проведением работ по намыву территорий Санкт-Петербурга, используются данные ДЗЗ КА Terra и Aqua (радиометр MODIS), которые позволяют определять степень загрязнения поверхностных вод взвешенными веществами, их температурные поля, площадь зон повышенной мутности и цветения воды сине-зелеными водорослями.
Рис. 2
На рис. 2 на основе анализа данных ДЗЗ, полученных КА Terra 31 июля 2008 г., показаны зоны повышенной мутности в Невской губе и в восточной части Финского залива (1), а также выделена зона цветения воды сине-зелеными водорослями в центральной части Финского залива (2).
Полученные в период 2006—2008 гг. результаты обработки данных ДЗЗ демонстрируют не только значительное ухудшение экологической обстановки, но и большие отклонения в
значениях некоторых из указанных параметров для водных объектов, находящихся в схожих гидрологических условиях относительно фоновых характеристик 2005 г.
В процессе исследований было установлено, что наибольшие отличия между спутниковыми данными и значениями температуры, полученными в ходе натурных измерений, наблюдаются в диапазоне от 0 до 7 °С [2]. Проведенная валидация алгоритма определения температуры поверхностных вод, используемого программным комплексом SeaDAS для информации с КА Aqua и Terra, по данным репрезентативных наблюдений in situ, обеспечила возможность применения этого алгоритма со стандартной погрешностью 1°С в диапазоне температур от 0 до 23°С для восточной части Финского залива и Невской губы.
Помимо этого было проведено оценивание температуры поверхности воды по данным с КА NOAA в синхронное время, коэффициент корреляции для которых и для данных КА Aqua и Terra составил 0,95.
Другим важным результатом проведенных исследований явилась разработка технологии оперативного получения изображений зон повышенной мутности и цветения воды сине-зелеными водорослями по данным с КА и передачи их по каналам связи в организации, осуществляющие контроль качества вод Финского залива.
Для оценивания ЧС, связанных с погодными явлениями, разработано специализированное программное обеспечение гидрометеорологического назначения, позволяющее определять по спутниковой информации низкого и среднего разрешения очаги гроз, града, шквала и других опасных явлений. На рис. 3 представлены очаги гроз над территорией СевероЗападного региона 15 мая 2007 г., выявленные по данным ДЗЗ КА NOAA.
28 Е ЗОЕ 6rüi 32Е 34Е ЗбЕ
-1 'И.1, —V ---—1 V**--1МГ
32Е 34Е ЗбЕ 38Е
Рис. 3
Основными проблемами мониторинга при использовании такой информации в настоящее время являются сложность прогнозирования развития соответствующих опасных метеорологических явлений и недостаточная оперативность передачи данных ДЗЗ потребителям. Для повышения качества прогноза развития и перемещения опасных погодных явлений, а
также загрязнений воды должны быть разработаны методики комплексного использования спутниковой информации и данных различных прогностических моделей. Для валидации методик обработки данных ДЗЗ КА требуется проведение ряда „подспутниковых экспериментов" с широким по тематическому охвату спектром контактных измерений физических параметров компонентов окружающей среды.
Для повышения точности контроля состояния воды и объектов суши требуется спутниковая информация ДЗЗ высокого и среднего пространственного разрешения, которая обрабатывается при помощи соответствующего специализированного программного обеспечения. Основные проблемы в этом случае состоят в высокой себестоимости получения данных требуемого пространственного разрешения, в недостаточной методической разработке обнаружения и анализа зон различных загрязнений на воде и суше, в необходимости валидации и региональной адаптации существующих методик.
Для оценивания эффективности применения КА ДЗЗ были использованы карты космической обстановки и графо-аналитический метод [3, 4]. Полученные результаты показывают, что применение спутникового мониторинга ЧС позволяет повысить вероятность обнаружения зон разлива нефти в любой акватории на поверхности Земли более чем в 1,2 раза, обнаружения нештатной ситуации на контролируемом объекте — в 1,4 раза, выявления таких опасных явлений, как ураганы, тайфуны — в 1,1 раза. При этом соответствующее время обнаружения сокращается в среднем почти в 2 раза. Особо следует отметить, что применение космических средств должно повысить оперативность решения таких задач, как обнаружение очагов возгорания, оценивание ледовой обстановки и некоторых других, в 3—4 раза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голованев И. Н. Федеральная система мониторинга объектов и ресурсов. Основы построения и техническая реализация. М.: СИП РИА, 2006. 252 с.
2. Чичкова Е. Ф., Булаев O. A. Спутниковый мониторинг восточной части Финского залива в 2007 году // Сб. тр. IX Междунар. экологического форума „День Балтийского моря". СПб, 2008. С. 224—225.
3. Минаков Е. П. Карты космической обстановки для оценивания эффективности применения космических аппаратов дистанционного зондирования поверхности Земли // Мат. IV Междунар. конф. „Микротехнологии и новые информационные услуги в авиации и космонавтике". СПб, 2005. С. 45—49.
4. Булаев О. А., Минаков Е. П., Федоров С. А. Графо-аналитический метод оценивания вероятности группового применения орбитальных средств дистанционного зондирования областей на поверхности Земли // Там же. С. 49—52.
Сведения об авторах
Евгений Петрович Минаков — д-р техн. наук, профессор; Центральный научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербург; E-mail: minakov@rtc.ru
Елена Федоровна Чичкова — канд. географических наук, старший научный сотрудник; Центральный
научно-исследовательский институт робототехники и технической кибернетики, Санкт-Петербург; E-mail: chichkova@rtc.ru
Рекомендована Ученым советом Поступила в редакцию
ВКА им. А. Ф. Можайского 20.10.08 г.
