CC BY
22УДК 528.7:629.78
особенности проведения и использования результатов съемки земной поверхности, выполняемой экипажами российского сегмента мкс
© 2015 г. Беляев м.Ю.1, десинов Л.в.2, Караваев д.Ю.1, Легостаев в.п.1, рязанцев в.в.1, Юрина О.А.2
1 Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
2 Институт географии РАН (ИГ РАН) Старомонетный пер., 29, г. Москва, Российская Федерация, 119017, e-mail: direct@igras.ru
Анализируются особенности съемки земной поверхности, проводимой экипажами Российского сегмента МКС по программе «Ураган». Описываются проблемы и преимущества изучения Земли с борта пилотируемой орбитальной станции. Главное преимущество — возможность оперативного, интеллектуального реагирования на внезапно возникающие процессы и явления на поверхности Земли. Эта возможность обеспечивается нахождением на борту станции подготовленных космонавтов, наличием современного цифрового фотографического, видео- и фотоспектрального оборудования и использованием специального математического обеспечения. Приводятся данные о разработанном программном обеспечении для планирования наблюдений с учетом географических и метеорологических условий и обработки полученных снимков. Приведены основные направления использования полученных космических изображений для практических целей. Даются примеры полученных уникальных снимков извержений вулканов, половодья, наводнений, «цветения» воды, лесных пожаров, пыльных бурь, динамики движения ледников и айсбергов, а также системы концентрических волн на морской поверхности рядом с островом Дарвин в Тихом океане и необычных кольцевых структур на льду озера Байкал. По полученным с МКС снимкам дается анализ причин возникновения катастрофического наводнения в г. Крымск в 2012 г.
Ключевые слова: земная поверхность, космическая фотосъемка, цифровые снимки, мониторинг, обработка фотоснимков, ортофотоплан, планирование наблюдений, особенности проведения съемок, использование космических снимков.
features of imaging the earth surface and using the results of the imaging made by the iss Russian segment crews
Belyaev M.Yu.1, Desinov L.v.2, Karavaev D.Yu.1, Legostaev v.p.1, Ryazantsev v.v.1, Yurina O.A.2
1 S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2 RAS Institute of Geography (RASIG) 29 Staromonetny per., Moscow, Russian Federation, 119017, e-mail: direct@igras.ru
Features of the Earth surface imaging made by the International Space Station Russian Segment crews under the Uragan Program are analyzed. Problems and advantages of the Earth study from the manned orbital station the main of which is a capability of a quick intelligent response to the processes and phenomena suddenly occurring on the Earth surface are described. This capability is provided by the trained cosmonauts being onboard the Station, the availability of modern digital photographic, video and photospectral equipment and use of special mathematical support. Data on the developed software for planning observations with regard to geographical and meteorological conditions and processing the obtained images is given. The main trends in using the obtained space images for practical purposes are presented.
The following is given: examples of the made unique images of volcano eruption, high water, flooding, algal bloom, forest fires, dust storms, glacier and iceberg motion dynamics as well as a system of concentric waves on the sea surface near the Darwin Island in the Pacific Ocean and unusual circular structures on the ice of the Baikal Lake. Based on the images obtained from the International Space Station the cause analysis of the catastrophic flooding occurred in Krymsk in 2012 is made.
Key words: Earth surface, space photographic imaging, digital images, monitoring, photographic imagery processing, orthophotoplan, observations planning, imaging features, use of space images.
БЕЛЯЕВ М.Ю.
ДЕСИНОВ Л.В.
КАРАВАЕВ Д.Ю.
ЛЕГОСТАЕВ В.П.
РЯЗАНЦЕВ В.В.
ЮРИНА О.А.
БЕЛЯЕВ Михаил Юрьевич — доктор технических наук, профессор, заместитель руководителя НТЦ РКК «Энергия», e-mail: mikhail.belyaev@rsce.ru
BELYAEV Mikhail Yurievich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Deputy Head of STC at RSC Energia, e-mail: mikhail.belyaev@rsce.ru
ДЕСИНОВ Лев Васильевич — кандидат географических наук, заведующий лабораторией ИГ РАН, e-mail: remote_sensing@complat.ru
DESINOV Lev Vasilievich — Candidate of Science (Geography), Head of Laboratory at IG RAS, e-mail: remote_sensing@complat.ru
КАРАВАЕВ Дмитрий Юрьевич — кандидат технических наук, начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: dmitry.karavaev@rsce.ru
^RAVAEV Dmitry Yurievich — Candidate of Science (Engineering), Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: dmitry.karavaev@rsce.ru
ЛЕГОСТАЕВ Виктор Павлович (06.06.1931 г. — 08.01.2015 г.) — академик РАН LEGOSTAEV Viktor Pavlovich (06.06.1931 г. — 08.01.2015 г.) — RAS academician
РЯЗАНЦЕВ Владимир Васильевич — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: vladimir.ryazantsev@rsce.ru
RYAZANTSEV Vladimir Vasilievich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: vladimir.ryazantsev@rsce.ru
ЮРИНА Ольга Александровна — научный сотрудник ИГ РАН, e-mail: olga.yurina@rsce.ru YURINA Olga Aleksandrovna — Research Scientist at IG RAS, e-mail: olga.yurina@rsce.ru
введение
Основным источником мониторинговой информации о процессах и явлениях, происходящих на поверхности Земли и в ее атмосфере, служат аппаратурные комплексы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), установленные на автоматических космических аппаратах. Вместе с тем, ценную информацию об объектах на земной поверхности дают съемки, осуществляемые космонавтами с борта Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) по программе «Ураган» [1-4]. Для фотосъемки используются цифровые фотоаппараты Nikon D3, Nikon D3X с длиннофокусными объективами, обеспечивающими получение цветных изображений объектов на поверхности Земли в видимом диапазоне с пространственным разрешением до 2-3 м.
По сравнению с методами получения информации ДЗЗ с помощью бортовой аппаратуры автоматических космических аппаратов, съемка земной поверхности с РС МКС имеет ряд особенностей, из которых следует отметить:
• возможность оперативного интеллектуального реагирования на события;
• фотосъемка одного и того же объекта 1-3 раза в сутки;
• оперативно реализуемые возможности надирной и перспективной съемки и др.
Кроме того, орбита МКС имеет меньшую высоту по сравнению с солнечно-синхронными орбитами спутников ДЗЗ, что дает преимущества при наблюдении изучаемых объектов.
Одной из важных задач экспериментального этапа фотосъемок с борта РС МКС стала оценка применимости полученных данных для практических целей.
Для широкого использования снимков потребовалось создать простую технологию фототрансформирования космических изображений, полученных с борта РС МКС ручными камерами под разными углами съемки.
преобразование цифровых снимков земной поверхности в ортогональную проекцию и расчет линейных размеров и площадей
При обработке фотоснимков, полученных космонавтами с борта МКС, часто возникает необходимость определения на них линейных размеров и площадей различных объектов, а также составления «мозаичных» карт из изображений, сделанных в одно или разное время.
Для выполнения такой обработки желательно иметь специальные математические средства. Эти средства должны быть более простые и быстродействующие, чем готовое программное
обеспечение, используемое для больших геоинформационных систем. Это связано с тем, что работа с ним обычно очень сложна, а получаемая точность часто избыточна.
Следует также заметить, что задача «привязки» снимков, выполненных космонавтами, затруднена вследствие принятой на РС МКС технологии съемок фотокамерой, свободно «плавающей» в условиях невесомости. Из-за неизвестной ориентации камеры в момент срабатывания ее затвора автоматический расчет «привязки» невозможен. При обработке снимков с РС МКС потребовалось создать специальную технологию.
Основой для опознавания и «привязки» был выбран готовый ортофотоплан земной поверхности. Этот ортофотоплан представлен в открытых источниках (например, googlemaps.com).
Каждый снимок проходит следующие стадии обработки:
• опознавание по ортофотоплану;
• задание четырех общих (опорных) точек на снимке и ортофотоплане;
• преобразование снимка в ортогональную проекцию;
• задание на снимке точек для последующего автоматического определения требуемых линейных размеров;
• выделение цветом на снимке заданных районов для последующего автоматического вычисления площадей.
Главным элементом обработки является трансформирование снимка в ортогональную проекцию (в проекцию имеющегося ортофото-плана).
После этого исследуемый снимок «приобретает» характеристики ортофотоплана: его масштаб и ориентацию, а координаты каждого пикселя снимка становятся известными. Поэтому появляется возможность вычислять линейные и площадные размеры на ортотрас-формированном снимке, а также накладывать снимки друг на друга в одинаковом масштабе для получения «мозаичных» карт [1].
Программное обеспечение для выполнения указанных задач максимально упрощено и предназначено для работы на обычном персональном компьютере в стандартной операционной среде (Windows). При этом в качестве интерфейса с оператором использованы стандартные средства операционной системы — программа MS Paint, входящая в обязательный набор программ. Специальное программное обеспечение представляет собой надстройку над стандартными средствами, обрабатывает сообщения от этих средств, а также производит фотограмметрическое преобразование снимка, исходя из теоремы о двойных соотношениях.
Расчет линейных размеров основан на определении расстояния между двумя произвольными точками на «привязанном» снимке. Координаты каждой точки снимка могут быть вычислены по данным первого этапа обработки.
При расчете приближенно принимается сферическая модель Земли с расстоянием между двумя точками, координаты которых отличаются на одну угловую минуту, в 1 852 м (морская миля).
Для задания точек, между которыми требуется рассчитать расстояние, оператор использует стандартную программу MS Paint и указывает «мышью» точки — концы измеряемых отрезков.
Метод расчета площадей основан на выделении заданной области исходного снимка определенным цветом (не встречающимся в исходном снимке), последующем переводе снимка в ортогональную проекцию и подсчете на преобразованном снимке получившегося нового числа пикселей, выделенных данным цветом. Поскольку теперь в ортогональной проекции площадь каждого пикселя точно определена, суммарная площадь всех выделенных пикселей также может быть сосчитана по их числу, и таким образом определено значение всей площади заданной выделенной области.
С помощью специально разработанной программы число пикселей с заданным цветом автоматически подсчитывается для каждого «ряда» пикселей одной широты. При этом рассчитывается площадь одного пикселя «ряда» (в одном «ряду» все пиксели имеют одинаковую площадь) на основании известного размера и проекции (обычно Меркатора) ортофотоплана. После суммирования площадей всех подсчитанных закрашенных пикселей становится известной общая площадь поверхности заданного объекта, которая автоматически наносится на изображение снимка.
Данный метод позволяет оперативно оценивать площади заданных объектов на земной поверхности, например, очагов пожаров, наводнений, загрязнений акватории и т. п., не прибегая к сложным вычислениям.
планирование наблюдений с борта рС мкС с учетом географических и метеорологических условий
При планировании проведения съемок земной поверхности с борта РС МКС большое значение имеет оценка степени вероятности обнаружения и опознавания объекта с учетом топографических и метеорологических условий.
К топографическим условиям относятся количество имеющихся в районе проведения съемок объектов-ориентиров, т. е. таких естественных или искусственных объектов, которые могут быть опознаны на местности и на аэронавигационной карте масштаба 1:2 000 000, а также качество восприятия ориентиров, которое зависит от их размеров, расположения, контраста и т. д.
Под метеорологическими условиями понимается наличие облачности над фотографируемым районом в баллах от 0 (отсутствие облаков) до 10 (сплошная облачность). Данные об облачности могут быть получены по оперативным сводкам или по картам облачности — средняя за какой-либо период (месяц, год и пр.). Практически облачность свыше 7 баллов не учитывается, так как фотосъемка в таких условиях обычно не производится.
С целью упрощения и ускорения расчетов методика планирования наблюдений была реализована в виде специального программного обеспечения, которое вошло в состав программы баллистико-навигационного отображения полетной обстановки (программа «Сигма»). В настоящее время программа «Сигма» используется и наземными службами ЦУП, и непосредственно действующими экипажами РС МКС при оперативном планировании наблюдений и съемок, в т. ч. и для оценки вероятности успеха таких наблюдений и оценки потребного времени (числа сеансов) для гарантированного успеха. Расчет надежности проводится в программе «Сигма» автоматически каждый раз, когда выбирается новый объект наблюдения.
Для повышения эффективности съемки исследуемых объектов разработаны также методы оптимизации планирования наблюдений. Эти методы позволяют, например, находить наилучшие (по освещенности, удаленности от трассы и т. д.) моменты времени для проведения фотосъемки.
основные направления использования космических снимков с рС мкС
Космические фотоизображения, полученные с РС МКС, широко используются различными организациями при выполнении научно-исследовательских и практических работ. За 14 лет такого использования установлена возможность их применения при изучении следующих процессов и явлений:
• геологические процессы, обусловленные внутренними по отношению к Земле источниками энергии (эндогенные процессы): вулканическая активность, землетрясения и т. п;
• геологические процессы, обусловленные внешними источниками энергии (экзогенные процессы): оползни, обвалы, лавины, подвижка ледников;
лесные пожары; пыльные бури; прогнозная оценка климата; изменения окружающей среды; динамика половодий, ледоходов; мониторинг ареалов загрязнений вокруг городов и на водной поверхности;
• мониторинг карьеров, свалок и др.
При выполнении наблюдений в указанных
направлениях с борта РС МКС за весь период существования космической программы «Ураган» получено 200 000 космических изображений. Некоторые из них уникальны именно тем, что получены космонавтами с борта пилотируемой космической станции. Космонавты наблюдали и фотографировали извержения вулканов, наводнения, ледники, пожары, экологические бедствия и другие явления на земной и водной поверхностях. Полученные снимки иллюстрируют важные достоинства фотосъемки с РС МКС, например, оперативное реагирование на внезапно возникающие процессы и явления на земной поверхности и в атмосфере, возможность мониторинга очень протяженных криволинейных объектов за один сеанс съемки и т. д.
Рассмотрим наиболее характерные примеры съемки с РС МКС, иллюстрирующие указанные особенности.
мониторинг извержения вулканов
До настоящего времени наиболее эффективным и экономически целесообразным подходом к решению проблем вулканоопасности и оперативного контроля труднодоступных районов вулканической активности остается использование методов ДЗЗ и, в частности, съемка с РС МКС. В связи с этим важное место в программе «Ураган» уделяется наблюдению за вулканами.
Во время извержения вулкана космонавты всегда выполняют как перспективную съемку с разных направлений всего конуса (рис. 1), так и крупномасштабное фотографирование кальдеры «в надир» (рис. 2). Такие изображения позволяют «оценить» извержение вулкана со всех сторон, начиная от площади распространения до высоты выброса вулканического материала в окружающую среду. Кроме того, фотографирование объекта под разными углами (конвергентная съемка) дает возможность построения 30-изображений. Такая съемка с автоматических космических аппаратов весьма
трудоемка, а для экипажа РС МКС — простая рутинная операция, регулярно проводимая в рамках программы «Ураган».
Рис. 1. Перспективная съемка извержения вулкана Пик Сары-чева на острове Матуа Курильской гряды
В качестве примера можно привести фотосъемку вулкана Пик Сарычева (высота 1 446 м), занимающего большую часть острова Матуа Курильской гряды (площадь острова 52 км2, размеры около 12x6 км). Мощное извержение стратовулкана 11-18 июня 2009 г. удалось зафиксировать с борта РС МКС. На рис. 2 представлен один из первых снимков извержения — крупномасштабное фотографирование кальдеры вулкана Пик Сарычева «в надир», полученный 12 июня 2009 г.
Рис. 2. Съемка вулкана Пик Сарычева «в надир» 12 июня 2009 г.:
1 — пирокластические потоки; 2 — снежники
На снимке виден сектор юго-западного побережья острова и южный склон конуса. Над конусом на высоту около 12 км поднимается гигантская колонна из горячего вулканического пепла, газов, пыли и сажи диаметром Э5 км. Из ее краевых частей обрушиваются на склоны плотные лавины из горячих газа и пепла, имеющие разные размеры и цветовой тон. Склоны конуса частично покрыты свежими вулканитами. На снимке хорошо видны еще не засыпанные вулканическим материалом зеленые склоны и побережье.
Полученные позднее снимки с РС МКС показали совершенно иную картину.
Извержение существенно изменило рельеф склонов вулкана и вызвало перестройку ландшафтов острова Матуа, трансформировав береговую линию и увеличив площадь острова. В ходе извержения в окружающую среду оценочно поступило около 150+50 млн м3 вулканического материала, основную часть которого составила смесь высокотемпературных вулканических газов, пепла и камней. Раскаленные лавовые потоки стерли с лица земли растительность в окрестности вулкана на расстоянии до 25 км2. По некоторым оценкам [5] для восстановления растительности до состояния, предшествовавшего извержению, потребуется от нескольких десятилетий до нескольких столетий для разных типов субстратов и разных высотных поясов.
За последнее столетие извержение вулкана Пик Сарычева стало одним из крупнейших на Курильских островах. Учитывая высокую активность вулкана в течение исторического периода, остается высокой вероятность его последующих извержений в недалеком будущем. Для вулкана характерно излияние лавы, сопровождающееся взрывами. Взрывы происходят как одновременно с излияниями, так и чередуясь с ними, при этом выбрасывается огромное количество рыхлого вулканогенного материала. Извержения вулкана представляют угрозу для воздушных судов, а наиболее крупные — могут подвергнуть опасности людей, находящихся на острове. В связи с этим вулканической активности Пика Сарычева и дальше будет уделяться особое внимание.
мониторинг половодья
Волго-Ахтубинская пойма и дельта Волги являются уникальными природными объектами. Ежегодно во время весенних залповых сбросов паводковых вод (попусков) из Волгоградского водохранилища они заливаются водой.
Искусственно организуемые половодья приводят к снижению уровня воспроизводства рыбы вследствие сокращения времени образования и существования полоев (временные водоемы, образующиеся в период половодья и служащие нерестилищем многих видов рыб), а также к изменению структуры и состояния почвенно-растительного покрова поймы и дельты реки Волги.
В связи с интенсивной геологической работой воды, проходящей через Волжский гидроузел, русло Волги в нижнем бьефе сильно изменилось: появились отмели и косы, не исчезающие даже в период половодья. Деградации подвержена вся пойма.
Для оперативной оценки гидрологической обстановки в пойме и эффективности водосброса во время половодья космонавты ежегодно проводят съемку Волго-Ахтубинской поймы. За один пролет они получают обзорные кадры и несколько детальных фрагментов ее ключевых участков, что невозможно сделать при фотографировании с автоматических космических аппаратов. При обнаружении сброса воды через плотину Волжской ГЭС космонавты фотографируют гидротехническое сооружение и пойму реки, расположенную ниже него.
На рис. 3 и 4 представлены снимок Волжской ГЭС, сделанный 29 апреля 2013 г. во время попуска максимального за последние восемь лет объема воды с расходом 26 000 м3/с, и фрагмент Волго-Ахтубинской поймы ниже по течению.
Рис. 3. Снимок максимального попуска воды на Волжской ГЭС в 2013 г.
Рис. 4. Снимок фрагмента Волго-Ахтубинской поймы
Съемка бликующей поверхности воды дает возможность оперативно картографировать все водотоки шириной более 2 м. Фрагмент Волго-Ахтубинской поймы возле г. Нариманов приведен на рис. 5.
Рис. 5. Съемка бликующей поверхности воды
мониторинг криволинейных объектов
Одним из главных достоинств фотосъемки с орбитальной станции является возможность детального мониторинга за один сеанс съемки криволинейных объектов протяженностью в сотни километров с созданием мозаичных изображений для оценки быстро меняющейся природной обстановки на реках (например, паводковой ситуации на реке от ее истока до устья), транспортной ситуации на железных дорогах, загруженности автомагистралей и т. п.
Обычно космонавт успевает сделать 20...50 кадров, из которых в наземной лаборатории с помощью специального программно-математического обеспечения создаются мозаичные картины. С автоматических космических аппаратов возможно фотографировать лишь часть протяженного криволинейного объекта вдоль трассы полета спутника.
В качестве примера можно привести космические снимки долины реки Дон.
Для полного покрытия такого протяженного (1 870 км) криволинейного объекта съемкой с РС МКС потребуется сделать около 200 снимков (с учетом перекрытия кадров около
20%). Пример двух «сшитых» в один образ снимков фрагментов долины реки Дон представлен на рис. 6.
мониторинг «цветения» воды
Преимуществом фотосъемки с РС МКС является то, что, обнаружив редкое природное явление, космонавт может его оперативно сфотографировать и передать полученные снимки по радиоканалу на Землю для дальнейшего принятия мер, например, по предотвращению чрезвычайных ситуаций.
Таким явлением может быть «цветение» воды в крупных водоемах, вызванное массовым размножением микроводорослей (эфтрофирование).
«Цветение» воды — массовое развитие фитопланктона, с доминированием в основном одного или нескольких видов водорослей, является типичным для таких водоемов России, как Таганрогский залив Азовского моря, дельта реки Дон и Цимлянское водохранилище.
Во время массового развития микроводорослей в приповерхностном слое (в основном 2. 4 м) возникают характерные «пятна цветения», которые хорошо видны из космоса. Площадь таких пятен может достигать от одного гектара до нескольких квадратных километров акватории.
Несмотря на естественность «цветения» воды при определенных гидрометеорологических условиях, может произойти резкий рост количества водорослей, аналогичный тому, что произошел в г. Волгодонске в 2009 г. Внезапное увеличение биомассы сине-зеленых водорослей Цимлянского водохранилища привело тогда к засорению фильтров водозабора местного «Водоканала», вследствие чего население города (около 170 000 человек) осталось без воды на целые сутки [6].
Рис. 6. Снимки реки Дон, «сшитые» в один образ
Согласно работе [7], причиной такого быстрого увеличения концентрации водорослей Microcysis aeruginosa в октябре стала аномально теплая осенняя погода (среднемесячные показатели температуры превышали норму на 4,7 °С для воздуха и на 2,4 °С для воды), а также длительное действие ветров северовосточного и восточного направлений (со скоростью 15 м/с) с нагоном микроводорослей в прибрежную зону.
На рис. 7 представлен снимок интенсивного проявления на водной поверхности Цимлянского водохранилища сине-зеленых водорослей 16 июля 2012 г., когда также было остановлено несколько турбин гидростанции, и перекрыта подача воды для бытовых и промышленных нужд.
Рис. 7. Проявление на водной акватории Цимлянского водохранилища сине-зеленых водорослей
Опасность «цветения» воды в Цимлянском водохранилище состоит не только в непосредственном засорении фильтров водозабора, но и в том, что на всех основных этапах развития сине-зеленых водорослей в водную среду поступают токсины. В результате использования такой воды для питьевого водоснабжения появляется угроза населению. В случае, когда интенсивное «цветение» воды охватывает значительную площадь на водном объекте, появляется опасность нарушения атмосферной аэрации водоема и массового замора рыбы.
Для предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с «цветением» воды на Цимлянском водохранилище, необходимо проводить его периодический мониторинг и вовремя регистрировать скопления микроводорослей.
Мониторинг лесных пожаров
Лесной покров чрезвычайно мозаичен, и когда в периоды засухи пожар распространяется на десятки, сотни и даже тысячи гектаров, то горению подвергаются все многочисленные
лесные формации, присущие данной лесной зоне. Развитие пожара и его распространение определяются не отдельными типами лесных горючих материалов, а комплексом природных факторов, в т. ч. лесным покровом, влажностью почвенного покрова, рельефом, климатом, текущей погодой, синоптической ситуацией.
Почти все крупные пожары возникают при аномальных гидрометеорологических условиях — в засуху. Продолжительность засухи и ее интенсивность (дефицит осадков) являются тем фоном, на котором возникают и распространяются лесные пожары. В засушливые годы пожары возникают со второй половины мая и продолжаются до сентября. Особо запомнился своими лесными пожарами 2010 г.
Пожары хорошо определяются на космических снимках.
Большая часть пожаров, наблюдаемая и фиксируемая с борта МКС, приходится на При-ангарье, Хабаровский край и Дальний Восток. Наиболее распространены здесь сосновые и лиственные типы леса. Широко представлены березняки. Сосняки располагаются в долинах рек и на склонах различной крутизны. На водораздельных пространствах преобладает лиственница, на высоких водоразделах и теневых склонах — смешанные темнохвойные леса.
Особенностью фотографирования пожаров с РС МКС является то, что космонавты сначала выполняют обзорную съемку бедствия, а затем проводят детальное фотографирование его отдельных очагов (рис. 8, 9). При этом изменяется площадь фотографируемой поверхности и разрешение на местности цифровых изображений. Варьируя фокусное расстояние объектива в сторону его увеличения, космонавты достигают улучшения детализации изображений, при этом уменьшается площадь фотографируемой поверхности. Наличие нескольких изображений одного и того же объекта, полученных с разной детализацией, существенно повышает результативность исследований.
Рис. 8. Фотосъемка пожаров
Рис. 9. Детальная съемка отдельного (тага пожара
Мониторинг лесных пожаров продолжает входить в число основных задач программы «Ураган». После появления возможности оперативной передачи космических снимков с РС МКС в ЦУП в Москве, данные о пожарах стали более востребованными в связи с повышением скорости их доставки потребителю. Теперь фотоизображения пожаров передаются в Национальный центр управления в кризисных ситуациях МЧС России для оперативной оценки ситуации и принятия мер по ликвидации пожаров.
мониторинг кольцевых структур на льду озера Байкал
В апреле на ледовом покрове озера Байкал иногда можно увидеть темные кольца диаметром от нескольких десятков метров до 5-7 км. Впервые такое кольцо было замечено на космическом снимке, сделанном в апреле 1999 г. Кольцо располагалось напротив мыса Крестовский (недалеко от пос. Бугульдейка). В следующий раз аналогичное ледовое явление было зафиксировано на том же месте в апреле 2002 и 2003 гг., затем в апреле 2005 г., а в 2004, 2006, 2007 гг. кольцевых образований на льду Байкала обнаружено не было. В 2008 г. кольца появились уже в двух местах: опять в районе мыса Крестовский (с некоторым смещением на юго-запад от места расположения кольца в 1999, 2002, 2003 и 2005 гг.) и, впервые, в районе пос. Турка. В 2009 г. опять зафиксировано два кольца в новых местах: западнее мыса Нижнее Изголовье полуострова Святой Нос и в южной оконечности Байкала.
На рис. 10 приведен обзорный снимок, на котором отчетливо видна кольцевая структура ледового явления на Байкале.
Происхождение кольцевых структур связано с подъемом пузырей метана от подводных кратеров донных грязевых вулканов. Газ приподнимает лед и наполняет его поры.
Как правило, эти куполообразные возвышения ледового покрова существуют только 20-25 суток и разрушаются в результате геохимического взрыва. Дегазация жидкости происходит с взрывом («эффект шампанского»).
Рис. 10. Снимок кольцевой структуры на льду озера Байкал
Такие кольца на льду для Байкала явление не новое. Но из-за огромного размера увидеть кольцо со льда и даже с горы практически невозможно. Поэтому замечать их стали недавно, когда начал проводиться космический мониторинг Байкальской природной территории.
В настоящее время космонавты выполняют поиск таких кольцевых структур и фотографируют их от времени появления до разрушения при дегазации воды.
Для расширения возможностей изучения кольцевых структур на льду озера Байкал с борта РС МКС помимо фотокамер видимого диапазона используют также фотоспектральную аппаратуру, регистрирующую излучение в спектральном диапазоне 350...1 050 нм [8].
Мониторинг таких явлений важен для научного анализа метановых извержений со дна озера и для практики безопасного передвижения по льду Байкала. Эффективность таких исследований прямо связана с частотой получения космической информации и оперативностью ее передачи в руки ученых.
мониторинг систем океанических волн
Важными задачами программы «Ураган» являются поиск и съемка с борта РС МКС различных систем поверхностных океанических волн и выявление причин и механизма их образования с помощью математического моделирования. Полученные снимки могут использоваться, в частности, при моделировании цунами [4].
В качестве примера приведем систему концентрических волн на морской поверхности рядом с островом Дарвин, обнаруженную и зафиксированную космонавтами в мае 2006 г. (рис. 11).
Рис. 11. Концентрические волны на морской поверхности
Остров Дарвин — самый северный из островов Галапагосского архипелага, расположенного в районе одного из срединно-океанических хребтов Тихого океана примерно в 1 000 км к западу от Эквадора. Географические координаты острова таковы: 1°1'11" с. ш. и 92° з. д. Площадь острова составляет около 1,06 км2.
На рис. 11 в центральной части снимка виден остров Дарвин, рядом с которым располагаются три белых пятна — маленькие островки суши, затапливаемые приливом. Самый маленький островок является центром (на рисунке обозначен А), от которого в стороны распространяются поверхностные кольцевые волны.
По полученным с РС МКС снимкам были проведены исследования методом математического моделирования, и выдвинута гипотеза образования таких волн вследствие некоторого периодического воздействия на дно океана, физическая природа которого пока не известна. При помощи многовариантных расчетов удалось приблизить смоделированную волновую систему к зафиксированной на фотоснимке и произвести оценку физических параметров источника волн [9].
Для подтверждения полученных результатов исследований космонавты продолжат съемку данного района.
Обнаружение необычных природных явлений и чрезвычайных ситуаций с последующим их фотографированием — важное преимущество фотосъемки с орбитальной станции перед автоматическими космическими аппаратами.
мониторинг пыльных бурь
Наблюдение и фотографирование Аральского моря — первая и наиболее продолжительная программа мониторинга советской и российской пилотируемой космонавтики. Сегодня это программа слежения не за усыханием моря, а за его деградацией и гибелью, берущими свое начало с середины 60-х гг. прошлого века.
На бывшем дне Арала отложены неорганические минеральные удобрения, которые десятилетиями вносились на площади около 10 млн га, и продукты нерегулируемого сброса в реки Амударью и Сырдарью отходов промышленности и бытового хозяйства. В поймах рек повсеместно и грубо нарушались правила хранения, утилизации и транспортировки различных химических препаратов, вредных веществ и минеральных удобрений.
Резкое сокращение размеров Аральского моря и образование большой площади суши на его бывшем дне привело к увеличению ветрового выноса концентрированных минеральных солей на расстояние в несколько сотен километров. Эта соль откладывается на огромной площади Средней Азии и Казахстана.
В составе солей преобладают сульфаты и хлориды натрия, сульфаты магния и кальция, бикарбонат кальция. Эти вещества негативно влияют на здоровье населения, приводя к поражению дыхательных путей, к развитию желчнокаменной болезни, хроническому гастриту, заболеваниям почек и увеличению онкологических заболеваний.
Космическая съемка является единственным средством фиксирования ареалов распространения ветропесчаных потоков и их относительной интенсивности. Впервые пыльные бури, продуцируемые отложениями вреднейших солей на осушенном дне бывшего Аральского моря, были обнаружены с борта орбитальной станции «Салют-4».
Пыльные бури возникают всего несколько раз в год и отслеживаются из космоса только путем оперативного поиска с РС МКС (рис. 12). Общий годовой вынос вредных солей со дна Арала достигает 200 млн т.
ЩШ
■Н^-
Мапый Арал
- -г
Рис. 12. Пыльная буря Арала
Бо.йыцой Арал
5
Экипажами РС МКС уже зафиксировано распространение шлейфа до гг. Ташкент, Бухара, Самарканд. Но особую тревогу вызывают результаты мониторинга с МКС, установившего частые (до 6-7 раз в год) направления шлейфов соли и песка в сторону территории России с отложением грязи на просторах Оренбургской и Челябинской областей, Башкортостана и Поволжья.
По существу, речь идет о начале экологического бедствия, на которое сегодня еще не обращают внимания.
Вот почему фиксирование каждого случая распространения солей Арала в направлении российской территории — важнейшая задача программы «Ураган».
мониторинг пульсирующих ледников
Оперативный прогноз подвижек горных ледников путем выявления признаков активизации по данным фотосъемки — важная задача программы «Ураган». Опасность подвижек льдов состоит, например, в том, что в случае перекрытия ледовыми плотинами боковых ущелий образуются напорные озера, при прорыве которых возникают высокие волны, часто создающие катастрофическую ситуацию в долине.
На рис. 13 представлен снимок, где проявились кинематические волны на поверхности памирского ледника Медвежий. По этому признаку в марте 2011 г. был сделан прогноз его наступания с перекрытием долины реки Абдукагор.
Рис. 13. Ледник Медвежий
В конце мая 2011 г. МЧС республики Таджикистан передало сообщение о быстрой подвижке ледника Медвежий. В эти дни наступающий фронт уже приближался к долине реки Абдукагор. Однако из-за плохих метеоусловий в то время фотографирование с РС МКС провести не удалось.
В конце июля поступило сообщение о полном завершении пульсации. Это подтвердила повторная съемка ледника, выполненная с РС
МКС 29 сентября 2011 г. Уже в начале лета 2014 г. мониторинг с РС МКС зафиксировал новую активизацию ледника. С этого времени ледник Медвежий вновь вошел в перечень приоритетных задач.
мониторинг наводнений
Одной из важнейших задач обеспечения нормального функционирования многих горных регионов страны является мониторинг катастрофических наводнений. Эта задача тесно связана с происходящим повышением среднегодовой температуры воздуха, что приводит к обострению паводковой ситуации в глобальном аспекте. В нашей стране примером таких явлений является наводнение в г. Крымск. Рассмотрим подробнее роль мониторинга с РС МКС в изучении данной катастрофы.
Северный Кавказ, наряду с Приморским краем и Якутией, — район, наиболее часто страдающий от наводнений. В Краснодарском крае зимой и летом 2002 г. произошла серия наводнений, приведшая к многочисленным жертвам среди населения и крупному материальному ущербу. Через десять лет в районе вновь произошло катастрофическое наводнение, охватившее гг. Новороссийск, Геленджик и Крымск. По официальным данным, погибло более 170 человек, причем большая часть в г. Крымск с населением 57 000 человек, расположенном на реке Адагум (бассейн Кубани). Здесь наводнение приобрело наибольший размах. Постановщики эксперимента «Ураган» с самого начала приняли активное участие в изучении данного наводнения и в анализе природных и антропогенных факторов, его вызвавших.
С 9 по 20 июля 2012 г. объектом мониторинга стал бассейн реки Адагум. Космонавт Геннадий Падалка выполнил в ручном режиме и передал на Землю более 200 обзорных и детальных космических снимков района катастрофы с разрешением на местности около 2 м. Часть снимков была оперативно дешифрирована в Институте географии РАН, что позволило провести анализ данной катастрофы.
На рис. 14 приведен снимок г. Крымск и основных инженерных сооружений вдоль реки Адагум: железных и автомобильных дорог, трубопроводов, мостов и др.
На рис. 15 представлен космический снимок бассейна реки Адагум в виде 3Л-изображения. Очень наглядно выделяются два параллельных горных хребта и склоны: пологий в сторону г. Крымск и круто спадающий — к Черному морю.
Рис. 14. Снимок города Крымск
Рис. 15. Бассейн реки Адагум
Выпавшие в течение 6-7 июля осадки относились к экстремальным и не отмечались ранее за всю историю инструментальных наблюдений. Сумма суточных осадков по метеостанции Крымск в ночь с 6 на 7 июля достигла 156 мм.
С 22:00 до 24:00 6 июля в станице Неберд-жаевской на реке Баканке максимальный уровень воды был 4,16 м. В это же время уровень воды в притоках поднялся на 2-3 м. В Крым-ске началось наводнение.
На пути паводковых вод к Крымску в 2,2 км от него оказались препятствия: насыпь железной дороги, железнодорожный мост и трубопроводы, по которым транспортируется углеводородное сырье (рис. 16).
Рис. 16. Препятствия на пути паводковых вод к Крымску:
1 — автомобильный мост; 2 — участок шоссе 800 м, сыгрывший роль дамбы; 3 — железнодорожный мост
На рис. 17 изображены главные препятствия на пути паводка — мост и дамба на шоссе, ставшие причиной образования волны-убийцы высотой более 8 м.
Рис. 17. Главные препятствия на пути паводка — мост и дамба (снимок с вертолета)
Реку Адагум пересекает шоссе с высотой полотна на 6,45 м выше долины реки. Дорога на протяжении 800 м фактически образует дамбу с тяжелым низким мостом. «Живое сечение» этого моста для пропуска воды имеет ширину всего 80 м, к тому же оно разделено на семь частей широкими железобетонными опорами. К началу катастрофы все пространство под мостом было забито мусором. Насыпь
автомобильной дороги оказалась основной временной плотиной, задержавшей паводковые воды и способствовавшей поднятию уровня Адагума значительно более чем на 7 м.
Вода вначале хлынула через образовавшуюся плотину по всему фронту шириной 800 м с превышением ее высоты до 2 м, а затем пробила себе путь в «живом сечении» моста, и на город обрушилась волна высотой до 7 м. В итоге в Крымске было затоплено более половины территории города. Более 60% погибших людей было обнаружено недалеко от этого моста на левом берегу реки. Затем главная волна ушла на правую сторону поймы в направлении широкого оврага, спадающего к реке. Здесь и чуть ниже обнаружены все остальные погибшие люди.
Очень важно отметить, что именно материалы фотосъемки с РС МКС дали возможность точно картографировать площадь затопления города и его окрестностей, а разработанные методы и программно-математическое обеспечение обработки снимков позволили провести анализ произошедшей катастрофы. На снимке (рис. 18) выделены фиолетовым цветом подсчитанные с помощью созданного программного обеспечения площади оползней, возникших в процессе катастрофического наводнения. По площади оползней были, в частности, оценены объемы твердой составляющей в потоке водных масс.
Рис. 18. Рассчитанные площади оползней, возникших в процессе катастрофического наводнения в г. Крымск
заключение
В рамках эксперимента «Ураган» на РС МКС за 14 лет проведено около одной тысячи сеансов мониторинга природных и техногенных катастроф.
Наряду с большими успехами проектов спутников ДЗЗ [10], фотографирование с пилотируемой станции обрело свое место, свою «нишу». Мониторинг природной среды и катастроф, выполненный с РС МКС, показал высокие результаты. В частности, постановщики программы «Ураган» первыми предоставили точную оценку причин наводнения, произошедшего в Краснодарском крае в июле и августе 2012 г.
Получено и обработано большое количество уникальных снимков по разным направлениям исследований, в т. ч. для оценки потенциальной опасности и возможного ущерба от наводнений в долинах Краснодарского края, изучения пожаров на территории юга России, горных ледников и Аральского моря, мониторинга объектов при подготовке проведения Олимпийских игр в Сочи в 2013-2014 гг. и др.
Список литературы
1. Beliaev M.Yu., Dessinov L.V., Maslennikov L.V. Conception of the development of the Ground/ Space system to forecast and decrease natural and technical catastrophes danger // 49th IAF International Astronautical Congress, IAF-98-C.2.04, 28 September - 2 October 1998, Melbourne, Australia.
2. Беляев М.Ю., Волков О.Н., Десинов Л.В., Масленников Л.В. Изучение катастрофических явлений с борта орбитальной станции «Мир» и МКС в эксперименте «Ураган» // Труды XXXV Чтений К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». Казань. 2001. С. 117-129.
3. Beliaev M.Yu., Dessinov L.V. Study of the environment from the ISS in the URAGAN Program//23rdInternational Symposium on Space Technology and science. Abstracts. Matsue, Japan. 26 May - 2 June 2002. P. 74.
4. Беляев М.Ю., Десинов Л.В., Крика-лев С.К, Кумакшев С.А., Секерж-Зенькович СЯ. Идентификация системы океанских волн по космическим снимкам // Известия РАН. Теория и системы управления. 2009. № 1. С. 116-126.
5. Гришин С.Ю. Воздействие на окружающую среду мощного извержения вулкана Пик Сарычева (Курильские острова, 2009 г.) по данным космической съемки. // Исследование Земли из космоса. 2011. № 2. С. 92-96.
6. Овчарова А.Ю. Анализ работы Волжского гидроузла за 2011-2012 годы // «Инновации в науке»: материалы XIX международной заочной
научно-практической конференции, 22 апреля 2013 г. Новосибирск: СибАК, 2013. С. 189-192.
7. Матишов Г.Г., Ковалева Г.В. «Цветение» воды в водоемах юга России и сбои в водоснабжении (на примере г. Волгодонска) // Вестник Южного научного центра РАН. 2010. Т. 6. № 1. С. 71-79.
8. Беляев Б.И., Беляев М.Ю., Десинов Л.В., Роговец А.В., Рязанцев В.В., Сармин Э.Э., Сосен-ко В.А. Летная отработка исследовательской аппаратуры «Фотоспектральная система» на борту Российского сегмента МКС // Космическая техника и технологии. 2014. № 1(4). С. 22-28.
9. Беляев М.Ю., Виноградов П.В., Деси-ов Л.В., Кумакшев С.А., Рязанцев В.В., Секерж-Зенькович СЯ. Идентификация источника океанических кольцевых волн вблизи острова Дарвин по фотоснимкам с Международной космической станции // Ракетно-космическая техника. Труды. Сер. XII. Королев: РКК «Энергия», 2011. Вып. 1-2. С. 218-232.
10. Шовенгерт Р.А. Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки изображений. М.: Техносфера, 2010. 560 с.
Статья поступила в редакцию 28.11.2014 г.
References
1. Beliaev M.Yu., Dessinov L.V., Maslennikov L.V. Conception of the development of the Ground/Space system to forecast and decrease natural and technical catastrophes danger. 49th 1AF International Astronautical Congress, 1AF-98-C.2.04, 28 September-2 October 1998, Melbourne, Australia.
2. Belyaev M.Yu., Volkov O.N, Desinov L.V., Maslennikov L.V. Izuchenie katastroficheskikh yavlenii s borta orbital'noistantsii «Mir» iMKS v eksperimente «Uragan» [The study of catastrophic events on the Mir Orbital station and the ISS in the URAGAN experiment]. Trudy XXXVChtenii K.E. Tsiolkovskogo. Sektsiya «Problemy raketnoi i kosmicheskoi tekhniki», Kazan', 2001, pp. 117-129.
3. Beliaev M.Yu., Dessinov L.V. Study of the environment from the ISS in the URAGAN Program. 23rd International Symposium on space technology and science. Abstracts. Matsue, Japan, 26 May-2 June 2002, pp. 74.
4. Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Krikalev S.K., Kumakshev S.A., Sekerzh-Zen'kovich S.Ya. Identifikatsiya sistemy okeanskikh volnpo kosmicheskimsnimkam [Identification of the ocean wave system in space images]. Izvestiya RAN. Teoriya i sistemy upravleniya, 2009, no. 1, pp. 116-126.
5. Grishin S.Yu. Vozdeistvie na okruzhayushchuyu sredu moshchnogo izverzheniya vulkana Pik Sarycheva (Kuril'skie ostrova, 2009) po dannym kosmicheskoi s"emki [The environmental effect of powerful Sarychev Peak volcano eruption, (Kuril Islands, 2009) from data of space image]. IssledovanieZemli iz kosmosa, 2011, no. 2,pp. 92-96.
6. Ovcharova A.Yu. Analiz raboty Volzhskogo gidrouzla za 2011-2012 gody [The operation analysis of Volzhskiy hydraulic unit within 2011-2012]. Innovatsii v nauke: materialy XIX mezhdunarodnoi zaochnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii 22 april2013. Novosibirsk, SibAKpubl., 2013, pp. 189-192.
7. Matishov G.G., Kovaleva G.V. «Tsvetenie» vody v vodoemakh yuga Rossii i sboi v vodosnabzhenii (na primere g. Volgodonska) [Algal bloom in reservoirs of the South of Russia and disruptions in water supply (by the example of Volgodonsk)]. Vestnik Yuzhnogo nauchnogo tsentra RAN, 2010, vol. 6, no. 1, pp. 71-79.
8. Belyaev B.I., Belyaev M.Yu., Desinov L.V., Rogovets A.V., Ryazantsev V.V., Sarmin E.E., Sosenko V.A. Letnaya otrabotka issledovatel'skoi apparatury «Fotospektral'naya sistema» na bortu Rossiiskogo segmenta MKS [Flight testing of research equipment "Photospectral system" onboard ISS RS]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2014, no. 1, pp. 22-28.
9. Belyaev M.Yu., Vinogradov P.V., Desinov L.V., Kumakshev S.A., Ryazantsev V.V., Sekerzh-Zen'kovich S.Ya. Identifikatsiya istochnika okeanicheskikh kol'tsevykh voln vblizi ostrova Darvin po fotosnimkam s Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [Identification of the source of ocean circular waves near the Darwin Island in photographs from the International Space Station]. Raketno-kosmicheskaya tekhnika. Trudy. Ser. XII. Korolev, RKK «Energiya»publ., 2011, issue 1-2, pp. 218-232.
10. Shovengert R.A. Distantsionnoe zondirovanie. Metody i modeli obrabotki izobrazhenii [Remote sensing. Image processing methods and models]. Moscow, Tekhnosferapubl., 2010.560p.
