CC BY
55
Российские космические технологии:
новые возможности оперативного мониторинга и контроля
Ключевые слова:
космические технологии, спутниковый мониторинг, дистанционное зондирование, космосъемка
Съемка Земли из космоса обладает неоспоримыми преимуществами перед альтернативными способами получения геопространственной информации при решении широкого спектра задач. В России в последние годы отмечается увеличение использования материалов спутниковой съемки в работе различных организаций, предприятий, ведомств и т.п., в первую очередь нефтегазовой отрасли и служб реагирования на ЧС.
Рассмотрены примеры практического применения современных космических технологий для мониторинга экологической и судовой обстановки в акватории Северного Каспия (проект проводился в августе-ноябре 2009 г. в интересах компании "Лукойл-Нижневолжскнефть") , а также для контроля и ликвидации последствий ЧС на примере международной гуманитарной операции на Гаити в январе 2010 г. (в интересах МЧС России).
Кучейко АА,
к.т.н., заместитель генерального директора ООО ИТЦ "СКАНЭКС" Баталова В.В.,
руководитель отдела оперативного радиолокационного мониторинга ООО ИТЦ "СКАНЭКС"
Экологическая обстановка в акватории Северного Каспия
В интересах компании "ЛУКОЙЛ-Ниж-неволжскнефть" в августе-ноябре 2009 г. Инженерно-технологический центр "СКАНЭКС" провел спутниковый мониторинг с целью обнаружения загрязнений морской поверхнос-
ти Северного Каспия нефтепродуктами и определения возможных источников загрязнений в период установки морских ледостойких стационарных платформ на месторождении им. Юрия Корчагина (рис. 1).
В ходе работы применялись методические подходы, методологии и программы, разработанные и апробированные в российских организациях - ИТЦ "СКАНЭКС", ИО РАН им. Ширшова, ААНИИ Росгидромета.
Комплексный оперативный спутниковый мониторинг нефтяных загрязнений проводился на основе российской технологии БсапЫе1, которая предусматривает оперативный прием и потоковую обработку в Центре дистанционного зондирования в Москве изображений от 15 спутников с радолокато-рами с синтезированной апертурой и много-
спектральными оптическими датчиками на приемные станции "УниСкан" в России.
В ходе мониторинга акватории Северного Каспия в период с 1 августа по 30 ноября 2009 г. было проведено 64 сеанса оперативной спутниковой радиолокационной съемки акватории Северного Каспия. В течение периода мониторинга радиолокационная информация со спутников ENVISAT-1 и RADARSAT-1 поставлялась в квазиреальном времени (через 1-1,5 часа после съемки) со средней частотой 1 раз в 2 дня.
Кроме того для обеспечения высокой частоты наблюдения за состоянием акватории использовались оптические многоспектральные снимки спутников Terra и Aqua, Landsat-5 (США), высокодетальные снимки спутников EROS A/B (Израиль). В частности данные
V\ #
ч
Рис. 1. Морские ледостойкие стационарные платформы МЛСП-1 и МЛСП-2, соединенные мостом, и суда обеспечения главного производственного объекта на фрагменте изображения спутника EROS B, 29.08.2009. Пространственное разрешение 0,7 м. (© ImageSat Int., СКАНЭКС, 2009)
Рис. 2. Судовые разливы и суда — вероятные источники загрязнения (красный овал) на фрагменте снимка RADARSAT-1 от 07.10.2009 у побережья Казахстана (© CSA, MDA, СКАНЭКС, 2009)
Рис. 3. Результаты прогнозного моделирования распространения нефти в результате гипотетической аварийной ситуации на ПНХ в северной части Каспийского моря. Расчеты проведены с помощью программы ОАМАРБ на временном интервале 5 ч и отражают площадь распространения и концентрацию нефти при реальных гидрометеорологических параметрах на момент расчета. Начало разлива 31.10.09 00:00 иТС (© СКАНЭКС, ААНИИ, 2009)
Рис. 4. Основные районы сосредоточения судовых и нефтяных пленочных загрязнений моря и плёнок ПАВ (выделены желтым цветом), обнаруженных со спутников РАйАРБАТ-! и ЕКМБАТ-! в период август-ноябрь 2009 г.
1_аг^$а1-5 использовались для установления природы происхождения некоторых пленок и для подтверждения наличия нефтяных пятен на радиолокационных снимках. Спутниковая и сопутствующая информация оперативно предоставлялась специалистам "ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть" с помощью веб-сервиса — геопортала "Лукойл — Космоснимки".
Нефтяных загрязнений в пределах лицензионных участков компании "ЛУКОЙЛ-Ниж-неволжскнефть" за весь период наблюдения (август-ноябрь 2009 г.) не обнаружено. Тем не менее, пленочные загрязнения антропогенного происхождения были отмечены на 17 радиолокационных снимках.
Выявленные пятна имели главным образом судовое происхождение, что обусловлено их характерной, линейной, формой на снимке и приуроченностью к основным судоходным трассам. Эпизодически появились пятна, по всей видимости, связанные с действием естественных источников.
Стоит отметить, что 45% детектированных нефтезагрязнений выявлены в казахском секторе Каспия, 55% — в российском. Наиболее крупные разливы имели площадь 2-3 км2. На некоторых спутниковых снимках были дешифрированы также суда, причастные к загрязнениям (рис. 2).
В ходе проекта проводилось моделирование переноса и трансформации нефтезагрязнений. Для расчета переноса устойчивых нефтяных загрязнений использовалась разработанная в ГУ "ААНИИ" модель переноса и трансформации нефтяных загрязнений в
ледовитых морях OilMARS (Oil Spill Model for the Arctic Seas). Модель учитывает перенос и трансформацию нефтяных загрязнений на поверхности моря в результате аварийных разливов нефти от неподвижных или движущихся источников, а также распространение обнаруженных на поверхности моря пятен нефтяных загрязнений. Получая данные о положении и площади пятна и данные для корректировки расчетов, модель может дать информацию о возможных пропущенных при анализе снимка пятнах. При прогнозе модель может помочь определить положение пятен на последующих снимках (рис. 3).
В рамках проекта мониторинга Северного Каспия проводилась генерация трех видов продуктов, характеризующих морскую поверхность:
1. Sea Surface Temperature - температура морской поверхности рассчитывается по интенсивности теплового излучения поверхности моря в тепловой части инфракрасного диапазона электромагнитного спектра.
2. Chlorophyll-a concentration — карта концентрации хлорофилла-а. Работа алгоритма базируется на зависимости интенсивности излучения морской поверхности в сине-зеленой области спектра от концентрации хлорофилла-а в поверхностном слое.
3. Total Suspended Material — карта концентрации взвеси. Концентрация взвеси определяется по степени мутности воды, наблюдаемой в разных каналах видимой части спектра.
Проведенный в период с 1 августа по 30 ноября 2009 г. оперативный спутниковый мо-
ниторинг акватории Северного Каспия позволил выявить три основные зоны сосредоточения судовых и нефтяных загрязнений в контролируемой акватории (рис. 4):
1. Астраханский морской рейд, куда подходят суда из портов Казахстана, Туркмении, Ирана и Азербайджана, следуя по судоходным трассам, которые могут пересекать также лицензионные участки ООО "ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть";
2. Судоходные трассы вокруг островов Тюленьи в Казахском секторе, связывающие порт Баутино (операционная база судов обеспечения) и месторождение Кашаган;
3. Судоходные трассы вокруг полуострова Тюб-Караган, связывающие порты Казахстана с Астраханским морским рейдом и Махачкалой, часть из них также проходит через лицензионные участки ООО "ЛУКОЙЛ-Нижневолжскнефть".
Реализация проекта оперативного спутникового мониторинга нефтезагрязнений в интересах российской нефтяной компании свидетельствует о возрастании степени экологической ответственности отечественных организацией.
Космосъемка для мониторинга и ликвидации последствий землетрясений на Гаити в январе 2010 г.
Масштабные природные катастрофы (цунами, землетрясения, тропические тайфуны и др.) наряду с массовой гибелью людей
вызывают разрушение транспортной и телекоммуникационной инфраструктуры, парализуют деятельность органов управления и силовых структур, что в большинстве случаев не позволяет на местах адекватно оценивать обстановку и принимать своевременные и обоснованные решения. Технологии спутниковой съемки, напротив, обеспечивают получение в сжатые сроки объективной информации о масштабах и последствиях ЧС, необходимой для дальнейшего планирования спасательных и гуманитарных операций.
Впервые крупная международная кампания по спутниковой съёмке зоны ЧС с обменом результатами и картами была осуществлена в 2004 г. после прохождения разрушительного цунами в Индийском океане. В январе нынешнего года организации и учреждения различных стран оказали масштабную информационную поддержку для мониторинга и ликвидации последствий серии разрушительных землетрясений на Гаити. ИТЦ "СКА-НЭКС" совместно с МЧС РФ и российскими организациями провели скоординированную работу по ликвидации последствий землетрясений на Гаити.
Катастрофическое землетрясение на Гаити магнитудой 7.0 Мw с эпицентром в 25 км западнее столицы Гаити произошло в 16:53 по местному времени (21:53 иТС) 12 января 2010 г. В течение двух следующих недель было зарегистрировано более 50 повторных толчков.
Ситуацию в первые дни после катастрофы усугублял комплекс обстоятельств:
— разрушение ключевых зданий управленческого аппарата, включая президентской администрации, правительства и муниципальных органов управления, паралич органов власти, которые не смогли оценивать и контролировать обстановку;
— разрушение транспортной инфраструктуры и телекоммуникаций, выход из строя радио, проводной и сотовой связи), блокирование морского порта, повреждение диспетчерского оборудования в аэропорту, появление многочисленных завалов на дорогах и магистралях, парализовавших транспортное движение;
— выход из строя системы электропитания, водоснабжения, разрушение больниц, гостиниц, школ.
Тяжесть катастрофы усугубили факты отсутствия в Гаити национальной службы реагирования на ЧС. 14-15 января четырьмя самолетами Ил-76 МЧС России на о. Гаити были доставлены 159 человек и 10 единиц техни-
ки. В составе оперативной группы МЧС РФ -спасатели, кинологи с собаками, врачи и психологи Центра экстренной психологической помощи. Спецоборудование позволяло вести поисковые работы, разбирать завалы и делать проходы в разрушенных зданиях с нижних этажей.
Базовый лагерь российских спасателей был развернут в районе международного аэродрома г. Порт-о-Пренс и работал до завершения миссии 22 января. На Гаити доставили также аэромобильный госпиталь для помощи пострадавшим, который был развернут на территории бывшей полицейской академии.
По запросу ООН, служб Франции, Канады и США 12 января была приведена в действие Хартия "Космос и Крупные Катастрофы". Особенностью спутниковой съёмки Гаити стала острая потребность в применении сверхдетальных снимков с разрешением 1 м и менее, которые позволяют точнее оценить степень разрушений зданий различной этажности.
На призыв ООН оказать содействие в ликвидации последствий серии разрушительных землетрясений откликнулись практически все ведущие операторы спутниковых систем ДЗЗ вне рамок Хартии. В результате международная гуманитарная операция на Гаити уже стала крупнейшей в истории кампанией по скоординированному сбору и применению продуктов на основе аэрокосмических снимков. Так, уже 13 января район катастрофы был отснят с помощью американского спутника GeoEye-1, снимок с разрешением 0.5 м был размещён компанией Google в свободном доступе. Это изображение стало первым и основным источником объективной информации о ситуации в городе.
В дальнейшем регулярную оперативную съемку района катастрофы проводили компании-операторы высокодетальных спутниковых систем ДЗЗ DigitalGlobe, GEOEYE (США), ImageSat Int. (Израиль), НЦ ОМЗ (Россия), SPOT Image (Франция), MDA (Канада), e-GEOS (Италия), Infoterra (Германия) и др. Компания DigitalGlobe предоставила свободный доступ к серии высокодетальных снимков спутников WorldView-1/2 и QuickBird через интернет-сервис Image Connect. В течение нескольких суток была осуществлена спутниковая съёмка всей территории Гаити с пространственным разрешением менее 1 м.
Кроме того, по заказу Национального управления исследования океанов и атмосферы Земли США NOAA была проведена вы-
сокодетальная аэрофотосъемка города с разрешением 10-15 см, материалы которой стали доступны на ресурсе Google Earth.
В период с 13 по 22 января 2010 г. в Инженерно-технологическом центре "СКА-НЭКС" была сформирована оперативная группа для заказа, приема и углублённой обработки спутниковой информации на район природной катастрофы в интересах МЧС России.
На основе высокодетального снимка GeoEye-1 от 13 января с помощью программного обеспечения ScanEx Image Processor были составлены спутниковые карты разрушений в Порт-о-Пренсе, переданные 15 и 16 января экспертам Национального центра управления в кризисных ситуациях (НЦУКС). На картах нанесены разрушенные и поврежденные здания, дорожная сеть региона, а также палаточные лагеря. Благодаря высокому пространственному разрешению спутникового изображения GeoEye-1 (0.5 м) удалось с высокой степенью достоверности определять разрушенные здания и элементы инфрастурктуры. При разработке карты использовались доступные материалы OpenStreetMap.
В оперативном режиме созданные спутниковые карты были предоставлены также международным организациям через вебсайт центра UNOSAT (Программа Организации Объединенных Наций по применению спутниковой информации в оперативных целях). Впервые среди опубликованных на сайте UNOSAT материалов по результатам анализа масштабов катастрофы в Гаити стали доступны карты, созданные специалистами российского Центра "СКАНЭКС".
Позже, 17 и 18 января, в интересах МЧС России в Московском центре ДЗЗ были получены высокодетальные спутниковые снимки EROS B (пространственное разрешение 0.7 м) на территорию столицы Гаити. После оперативной обработки снимки были переданы в НЦУКС, а также организациям ООН по программе СПАЙДЕР-ООН. Кроме того, снимки представлены в открытом доступе с помощью программного интерфейса GeoMixer API (http://www.scanex.ru/ru/ news/News_Preview.asp?id=n62125236).
Анализируя опыт применения космо-съемки для оперативных задач мониторинга и ликвидации последствий ЧС, в начале февраля в ИТЦ "СКАНЭКС" были получены ана-глифическое изображение и 3D-модель Порт-о-Пренса на основе данных GeoEye-1 за 13 января и WorldVeiw-2 за 15 января.
Рис. 5. Разрушенное в результате землетрясений здание, завалы на дорогах. Центральные районы Порт-о-Пренса:
а) снимок WorldView-2, дата съёмки 07 января 2010 г. (© й^аЮЬЬе, 2010); б) снимок WorldView-2, дата съёмки 15 января 2010 г. (© й^аЮЬЬе, 2010); в) аэрофотоснимок, дата съёмки 21 января 2010 г. (© WorldBаnk, 2010)
Анаглиф передан для использования и анализа в Управление по вопросам космического пространства ООН UNOOSA, экспертам программы СПАЙДЕР-ООН и программы ООН по применению спутниковой информации в оперативных целях UNOSAT. Российские анаглифические изображения были использованы при разработке атласа разрушений столицы Гаити.
Как показал опыт гуманитарной операции на Гаити, материалы спутниковой съемки зоны природной катастрофы пригодны для решения следующих первоочередных задач: — определение разрушенных зданий и строений для целенаправленой организации спасательньх работ и поиска пострадавших, а
также оценки причиненного ущерба (рис. 5);
— оценка состояния объектов энергетики и транспортной инфраструктуры (портов, аэродромов, вокзалов, дорог), выявление завалов и препятствий на основных дорогах в зоне ЧС (рис. 5);
— локализация временных поселений и их динамика;
— общая оценка состояния местных медицинских учреждений;
— оценка состояния нефтехранилищ, складов опасных веществ, степени загрязнения окружающей среды и хода опасных геоморфологических процессов (рис. 6).
В результате информационного обеспечения участия МЧС России в гуманитарной
Рис. 6. Переформирование береговой линии в районе Порт-о-Пренса в результате серии землетрясений:
а) снимок WorldView-2, дата съемки 07 января 2010 г. (© DigitalGlobe, 2010);
б) снимок GeoEye-1, дата съёмки 13 января 2010 г. (© GEOEYE, 2010)
операции на Гаити получен первый опыт оперативного картирования обстановки в зоне ЧС и разработаны новые продукты — оперативные анаглифические изображения для трехмерной визуализации и оценки состояния объектов.
Литература
1. Кучейко А.А. и др. Российские сервисы спутникового мониторинга нефтяных загрязнений морских акваторий: реалии и возможности // журнал "Земля из космоса — наиболее эффективные решения". — Вып. 3, осень 2009 г.
2. Кучейко АА, Затягалова В.В., Филимонова НА Отечественные технологии оперативного спутникового мониторинга морских акваторий // журнал "Земля из космоса — наиболее эффективные решения". — Вып. 2, лето 2009 г.
3. Становой В.В., Лавренов И.В., Неелов ИА Система моделирования разливов нефти в ледовитых морях. // Проблемы Арктики и Антарктики, 2007. — Вып. 77. — С. 7-16.
4. Становой В.В., Ашик И.М., Фильчук К.В. Оперативная модель распространения нефтяных загрязнений в арктических морях. // Материалы Второй Международной Арктической конф. "Не-ва-2009". — СПб., 2009.
5. Кучейко А.А. и др. Опыт применения космо-съемки для задач мониторинга и ликвидации последствий ЧС на примере международной гуманитарной операции на Гаити в январе 2010 г. // журнал "Земля из космоса — наиболее эффективные решения". — Вып. 4, зима 2010.
