CC BY
212
ОПЕРАТИВНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА
Екатерина Николаевна Кулик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул.
Плахотного, 10, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (913)926-82-57, e-mail: [email protected]
Обзор актуальных и перспективных сфер применения оперативных данных космических комплексов. Качественная динамика технического оснащения отрасли мониторинга Земли. Международные программы дистанционного зондирования Земли, предоставляющие информационные сервисы для решения задач контроля состояний окружающей среды и обеспечения безопасной жизнедеятельности.
Ключевые слова: космический мониторинг, дистанционное зондирование.
PROMPT SPACE MONITORING: YESTERDAY, TODAY AND TOMORROW Ekaterina N. Kulik
Siberian state academy of geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, associate professor, department of photogrammetry and remote sensing, tel. (913)926-82-57, e-mail: [email protected]
Review of current and future applications of the prompt space systems data. Qualitative technical equipment dynamics of Earth surface monitoring. International remote sensing programs: the providers of information services for solving the environment monitoring and life safety problems.
Key words: space monitoring, remote sensing.
Современная революционная технологическая динамика непрерывно и стремительно преображает мир. Космическая съемка стала такой же привычной, как сотовая связь и Интернет. За последнее десятилетие число аппаратов, выполняющих съемку, увеличилось как минимум в 10 раз. Техническое оснащение аппаратов поражает беспрецедентной производительностью, высокой точностью и оперативностью.
Спутниковая информация играет особую роль в территориальных геоинформационных системах, без которых сегодня уже немыслима современная хозяйственная деятельность. В таких системах результаты дистанционного зондирования поверхности Земли (ДЗЗ) являются регулярно обновляемым источником данных, необходимых для формирования природно-ресурсных кадастров.
Задачи оперативного спутникового контроля территорий определяют способы и технологии получения информации, необходимой для принятия своевременных управленческих решений, исследования динамики процессов и явлений, анализа причин, прогнозирования возможных последствий и выбора способов предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Стабильный рост числа и разнообразия искусственных спутников Земли (ИСЗ) характеризует развитие космических средств ДЗЗ. В то же время,
информационные возможности бортовой аппаратуры как существующих, так и перспективных ИСЗ существенно различаются, а значимость передаваемой информации неодинакова при решении тех или иных задач. Особую актуальность приобретает задача выбора наиболее информативных, с учетом тематики исследований, космических систем, во избежание приема и обработки избыточных данных, приводящих к неоправданному росту стоимости создания и эксплуатации средств получения спутниковой информации.
История оперативного мониторинга поверхности Земли начиналась с рождения первых группировок спутников, обеспечивающих информацией широкий круг научных и прикладных задач. Однако нехватка (в ряде случаев недоступность) материалов космических съемок, зачастую, исторически являлась основной проблемой развития автоматизированных мониторинговых систем.
Так 10-15 лет назад существовал целый ряд объективных причин, тормозящих развитие оперативного мониторинга в России. Отсутствовал оперативный доступ к данным ДЗЗ, были не развиты системы передачи оперативной информации. Физическая недоступность исходных данных космической съемки возникала из-за недостаточного количества организаций, способных принимать и/или передавать эти данные, обеспечивать дежурный режим работ по приему спутниковой информации со строго заданной периодичностью и постоянством.
Несовершенство специализированного программного обеспечения зачастую было обусловлено практическим отсутствием каких-либо архивных данных, необходимых для построения моделей и проведения работ по адаптации алгоритмов мониторинга, требующих постоянного обращения к архивным данным для получения ретроспективной информации.
Решение задач создания и поддержки систем оперативной передачи информации опиралось на последовательный учет вопросов о выборе оптимальных технологий передачи, об уровнях предварительной обработки и стандартах архивирования данных, формировались требования к организации регулярного приема информации. При этом анализировались реальные потребности потребителей, коммерческая заинтересованность, объемы передачи информации, надежность каналов связи.
Среди современных вариантов оперативного доступа к данным ДЗЗ при осуществлении космического мониторинга распространение получили два подхода: заказ данных ДЗЗ у оператора космических аппаратов (КА); либо прием данных непосредственно с КА посредством установленной станции приёма. Однако бурное развитие отрасли привело к тому, что традиционные подходы уже не могут обеспечить современный уровень задач космического мониторинга.
В настоящее время ведущие мировые операторы доводят данные до потребителя посредством высокоскоростных каналов связи с использованием сетевых технологий. Во всем мире государственные организации и агентства отказываются от использования персональных станций приема и переходят к заказу съемок операторам КА ДЗЗ и получению данных непосредственно от них. При использовании нового подхода заказчику обеспечивается возможность доступа к данным ДЗЗ посредством геопорталов и геосерверов.
Виртуальный прием данных ДЗЗ делает космический мониторинг особенно перспективным в качестве информационно-аналитической основы ситуационных центров различного уровня. Такой прием гарантирует оперативное получение пространственной информации в ситуациях, требующих принятия безотлагательных решений.[1]
Результаты анализа оперативных данных ДЗЗ из космоса, предоставляя наиболее полную и объективную информацию о природно-ресурсном потенциале, интегрируются в тематические ГИС для получения картины динамики развития позитивных и негативных процессов. Оперативная спутниковая информация является ключевой при решении задач управления сельским, лесным, нефтегазовым хозяйством, при мониторинге транспортных средств, в гидрометеорологии и океанографии, при изучении природных ресурсов, экологическом мониторинге и контроле чрезвычайных ситуаций. [2, 3] Эффективность использования систем ДЗЗ в значительной мере зависит от характеристик системы распределения космической информации. Современный этап развития характеризуется разделением мирового рынка ДЗЗ на общедоступную и коммерческую спутниковую информацию. [4]
Рост интереса к ДЗЗ связан с взрывной динамикой технических возможностей аппаратуры: увеличением пространственного и
радиометрического разрешения, расширением возможностей стереоскопической съемки, улучшением геометрических характеристик изображения, расширением мультиспектральных возможностей, повышением точности пространственной привязки данных ДЗЗ без применения наземных опорных точек, увеличением полосы съемки, появлением радиолокационных аппаратов сверхвысокого разрешения с возможностью интерферометрической обработки.
За последние годы на орбите появились спутники с оптико-электронными системами сверхвысокого разрешения нового поколения (WorldView и GeoEye), уникальные многофункциональные космические аппараты (ALOS), группировки спутников малого класса мониторингового назначения (RapidEye), аппараты с радиолокаторами высокого и сверхвысокого разрешения (TerraSAR - X,COSMO SkyMed, RADARSAT-2). [5]
Наиболее востребованными зарубежными КА ДЗЗ в настоящее время являются ALOS (Япония), Landsat и EO-1 (США), ERS, ENVISAT (Европейское космическое агентство), RADARSAT-1,2 (Канада), TerraSAR-X и TanDEM-X (Германия), COSMO-SkyMed (Италия), IRS (Индия), RapidEye (Германия), SPOT (Франция), FORMOSAT-2 (Тайвань) и др. [4]
В последние десятилетия американское космическое агентство NASA запустило целую серию спутников, позволяющих вести глобальное изучение Земли из космоса. Эти спутники, составляющие систему EOS (Earth Observing System), в основном уже выработали свой ресурс, поэтому им на смену готовится новая серия полярно-орбитальных спутников, которые планируется запустить в рамках программы JPSS (Joint Polar Satellite System; прежнее название NPOESS — National Polarorbiting Operational Environmental Satellite System). Спутник NPP (NPOESS Preparatory Project), запущенный 28 октября 2011 г. с высотой орбиты 824 км будет проводить съемку поверхности Земли практически в ежедневном
режиме. Спутник оснащен пятью различными инструментами,
усовершенствованными аналогами приборов, установленных на борту спутников Terra, Aqua и Aura. Особый интерес для съемки земной поверхности представляет сенсор VIIRS (Visible/Infrared Imager/Radiometer Suite), 22-канальный радиометр, аналогичный MODIS, с шириной полосы съемки сенсора 3000 км и пространственным разрешением от 400 м в надире до 800 м на краях полосы съемки. Сенсор VIIRS позволит получать оперативную информацию о лесных пожарах, изменениях ландшафта, ледовой обстановке в северных морях и т.д. [6, 7] В 1998г. для обеспечения всеобъемлющего мониторинга окружающей среды руководящими органами Европейского Союза было принято решение о развертывании программы GMES (Global Monitoring for Environment and Security), которая должна осуществляться под эгидой Еврокомиссии в партнерстве с Европейским космическим агентством (ESA) и Европейским агентством по окружающей среде (European Environment Agency). Развёртывание программы GMES начато в 2008 году с серии пилотных сервисов, полнофункиональность программы будет реализована к 2014г.
На практике GMES будет состоять из сложного комплекса систем наблюдения: спутников ДЗЗ, наземных станций, морских судов, атмосферных зондов и т.д. GMES обеспечит единую систему информационных сервисов, призванных помочь в решении задач улучшения окружающей среды и условий жизни, гуманитарных проблем, а также поддержать принятие политических решений в интересах более устойчивого развития общества.
GMES будет опираться на два типа систем ДЗЗ: 5 типов спутников Sentinel (ESA, запуск с 2013 года), и спутниковые системы миссий содействия (GMES Contributing Missions; GCMs). Наземный сегмент будет обеспечивать свободный доступ к сервисам GMES.
Первая миссия будет обеспечивать мониторинг арктических морей, картографирование ледовых полей, мониторинг нефтяных разливов, обнаружение кораблей с целью обеспечения безопасности, мониторинг подвижек земной поверхности, картографирование лесов, внутренних вод и почв, поддержка гуманитарных операций и управления кризисными ситуациями. Sentinel-2 обеспечат сервисы мультиспектральной съемкой высокого разрешения для мониторинга стихийных бедствий и гуманитарных операций, управления земельными ресурсами, сельским и лесным хозяйством. Основной целью миссии Sentinel-3, наследника спутников ERS-2 и Envisat, является наблюдение океана, мониторинг окружающей среды и климата, картографирование морских льдов. Миссии Sentinel-4,5 на платформе метеорологических спутников (EUMETSAT) предназначены для обеспечения данными о составе атмосферы.
В настоящее время имеется около 30 функционирующих или планируемых к запуску спутников и их групп, составляющих миссии содействия GMES. К ним относятся космические аппараты, принадлежащие непосредственно ESA, государствам-членам ESA, другим странам, метеоспутники EUMETSAT и др. Миссии содействия GMES включают в себя следующие спутники:
- С оптико-электронными сенсорами: ERS-2/ATSR-2, Envisat/MERIS, AATSR, Proba-V (ESA); RapidEye, EnMAP, HiROS (Германия); SPOT,
Pleiades (Франция); Prisma (Швеция); DMC (Disaster Monitoring Constellation); Deimos-2, SEOSat-Ingenio (Испания); VEN^S (Франция/Израиль);
- Радарные: ERS-2/SAR, Envisat/ASAR (ESA); TerraSAR-X,
TanDEM-X (Германия); COSMO-SkyMed (Италия); RADARSAT-2 (Канада);
SeoSAR (Испания);
- Оснащенные альтиметрами: Envisat/Radar Altimeter-2, CryoSat (ESA); Jason-2 (OSTM)/Jason-3 (США/Франция); SARAL/AltiKa (Франция/Индия);
- Оснащенные инструментами для атмосферных наблюдений: Envisat (ESA); MSG, MetOp (ESA/EUMETSAT); Calipso (США/Франция); Merlin (Германия/Франция).
Весь информационный поток программы GMES можно разделить на шесть основных групп сервисов: мониторинг океанов, мониторинг суши, мониторинг атмосферы, обеспечение мероприятий по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, обеспечение безопасности, наблюдения за изменением климата.
Доступ к базовым сервисам планируется сделать свободным и бесплатным для любых организаций и граждан. Аналитические и прогнозные продукты будут предоставляться на платной основе. [8]
Развитие российской орбитальной группировки КА ДЗЗ, наземной инфраструктуры и системы распространения данных ДЗЗ проводится в соответствии с «Концепцией развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года» и мероприятиями ФКП-2015. Перспективная орбитальная группировка КА ДЗЗ будет состоять из аппаратов мониторинга чрезвычайных ситуаций, гидрометеорологического, природно-ресурсного, картографического назначения. [4]
АРМС-ТАСС 7 марта 2012г. заявил о выводе 20 января 2012г. на геостационарную орбиту космического аппарата гидрометеорологического назначения "Электро-Л" 1. С его запуском, в дополнение к запущенному ранее спутнику "Метеор-М" 1, Россия начала формировать орбитальную группировку гидрометеорологического назначения. [9]
Сегодня общее число стран-операторов КА ДЗЗ превысило 30. В период до 2015 г. планируется запустить в космос около 70 типов зарубежных КА ДЗЗ, которые распределяются по странам следующим образом: США — 20 типов КА, 28,6% (DigitalGlobe: WorldView-3 к 2014г., GeoEye: GeoEye-2 в 2012/13г.); ЕКА и страны Европы — 21 тип КА, 30,0% (CNES: SPOT-6 в 2012г., SPOT-7 в 2014г., Pleiades-1 в 2011/12г., Pleiades-2 в 2013г.); Япония — 3 типа КА, 4,3% (JAXA: ALOS-2 в 2013г., ALOS-3 в 2014г.); Китай — 5 типов КА, 7,1%; Индия — 7 типов КА, 10,0%; другие страны — 14 типов КА, 20,0%. [4, 10, 11]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Болсуновский М. А. Современные подходы к организации оперативного космического мониторинга [Текст] / М.А. Болсуновский // Геоматика. - 2010. - №3. - С. 13-18.
2. Любимцева С.В. Информационно-аналитическое обеспечение ситуационных центров. Новые подходы к организации эффективного регионального управления [Текст] / С.В. Любимцева, А.М. Ботрякова, Б.А. Дворкин, Д.Б. Никольский // Геоматика. - 2G1G. - №4. - С. 17-22.]
3. Горбунов А.В. Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуаций «Канопус-В» [Текст] / А.В. Горбунов, И.Н. Слободской // Геоматика. - 2G1G. - №1. - С. 3G-33.
4. Носенко Ю. И. Единая территориально-распределенная информационная система дистанционного зондирования Земли — проблемы, решения, перспективы (часть 1) [Текст] / Ю.И. Носенко, П.А. Лошкарев, Є.А. Черногузов, В.А. Мусиенко, А.Г. Исаков и др. // Геоматика. - 2G1G. - №3. - С. 35-42.]
5. Болсуновский, М. А. Перспективные направления развития дистанционного зондирования Земли из космоса [Текст] / М. А. Болсуновский // Геоматика. - 2GG9. - №2. - С. 12-15.
6. Дворкин Б.А. Новый спутник NPP продолжит комплексное наблюдение за Землей [Текст]/ Б.А. Дворкин // Геоматика. - 2G11. - №4. - С. 2б-34.
7. The JPSS Mission [Electronic resource] / Home page of the National Environmental
Satellite, Data, and Information Service, NASA - Англ. - Режим доступа:
http://www.nesdis.noaa.gov/jpss.
8. Дворкин Б.А. Европейская программа GMES и перспективная группировка спутников ДЗЗ Sentinel [Текст]/ Б.А. Дворкин // Геоматика. - 2G11. - №3. - С. 14-2б.
9. В составе российской орбитальной группировки по целевому назначению
используются 53 космических аппарата [Электронный ресурс] / Информационное
телеграфное агентство России. - Режим доступа: http://www.itar-tass.com/c9/360938.html.
1G. Pleiades. Imagery to meet European civil and military challenges [Electronic resource] / CNES: CNES Programmes - Англ. - Режим доступа: http://www.cnes.fr/web/CNES-en/323б-pleiades.php
11. Pleiades: a multi-missions concept and a partnership program [Electronic resource] -Англ. - Режим доступа: http://smsc.cnes.fr/PLEIADES.
О Е.Н. Кулик, 2012
