CC BY
245
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
СОЗДАНИЕ ОТРАСЛЕВОЙ ГЛОБАЛЬНОЙ МОНИТОРИНГОВОЙ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛЕСА (ГЛОМАС-ЛЕС) -
прорывное направление критических технологий
В.Г. САНАЕВ, проф. ректорМГУЛ, д-р техн. наук,
И.М. СТЕПАНОВ, проф. каф. ВТ МГУЛ, д-р техн. наук,
В.И. ЗАПРУДНОВ, проф., проректор МГУЛ по научной работе, д-р техн. наук,
В.И. ПАНФЕРОВ, доц., начальникНИЧ МГУЛ, канд. техн. наук
Создание единой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛО-МАС) - прорывное критическое направление инновационного развития технологий аэрокосмического мониторинга Земли
С функциональной точки зрения все космические системы делятся на три вида: навигационные, коммуникационные и мониторинговые космические системы.
Навигационные космические системы предназначены для решения задач навигации. К этим системам относятся системы GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Коммуникационные космические системы предназначены для решения задач связи. К этим системам относятся все системы спутниковой связи. Мониторинговые космические системы предназначены для решения задач мониторинга земной поверхности из космоса.
Космические системы, включающие все три вида космических систем, относятся к многофункциональным космическим системам.
Максимальный эффект от использования результатов космической деятельности в народном хозяйстве можно получить исключительно при максимально широких масштабах использования и максимальной глубине переработки космической информации. Достичь этого можно только путем индустриализации и автоматизации всех процессов получения, обработки и использования результатов космической деятельности в народном хозяйстве.
Сложность техническая и организационная, масштабы и затраты на решение задачи сплошной индустриализации космической деятельности особенно большие для мониторинговых аэрокосмических систем. Миними-
stepanim@mail.ru
зация общих затрат на создание отраслевых мониторинговых аэрокосмических систем и максимизация эффективности использования результатов их работы возможны при создании объединенной всеотраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛОМАС), состоящей из отраслевых мониторинговых систем. При таком подходе к построению системы аэрокосмического мониторинга нужна одна, общая для всех отраслевых систем, базовая система аэрокосмического мониторинга, а для каждой отраслевой системы будут разработаны соответствующие расширения.
В состав объединенной всеотраслевой системы ГЛОМАС должны войти отраслевые системы: ГЛОМАС-МЕТЕО (гидрометеорология), ГЛОМАС-ЭКО (экология), ГЛОМАС-ЧС (чрезвычайные ситуации), ГЛОМАС-КАР-ТА (картография), ГЛОМАС-АГРО (сельское хозяйство), ГЛОМАС-АКВА (водное хозяйство), ГЛОМАС-ГЕО (геология), ГЛОМАС-ЛЕС (лесное хозяйство) и другие.
Аналогичный подход предложен в Роскосмосе, а за рубежом уже использован [1]. «Подобный подход уже более 20 лет реализуется в европейской программе GMES (Global Monitoring for Environment and Security - Глобальный мониторинг окружающей среды и безопасность), учрежденной Европейской комиссией и Европейским космическим агентством и программе EOS (Earth Observing System) Национального управления США по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (NASA)».
Такое направление работ позволит ускорить инновационное развитие технологий аэрокосмического мониторинга леса средствами российской космической системы ДЗЗ
140
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
и вывести их на лидирующие позиции в мире [2, 5], поэтому оно должно быть отнесено к прорывному направлению критических технологий [3].
Обеспечение конкурентоспособности системы ГЛОМАС-ЛЕС на внутреннем и внешнем рынках услуг аэрокосмического мониторинга леса
В работе [2] показано, что обеспечить конкурентоспособность системы ГЛОМАС-ЛЕС на внутреннем и внешнем рынках можно путем ускоренного инновационного развития технологий аэрокосмического мониторинга леса средствами российской космической системы ДЗЗ. Для этого необходимо обеспечить соответствующее качество системы ГЛО-МАС-ЛЕС. При этом оценка качества должна производиться по следующим критериям (характеристикам): функциональным, потребительским, техническим и технологическим.
Функциональные характеристики: эффективное решение задач лесного хозяйства с использованием космических технологий; решение задач ландшафтной архитектуры; решение задач охраны лесов и окружающей среды; решение задач рационального природопользования.
Потребительские_____характеристики
(простота работы): работа удобна и проста для пользователей; ориентация на неподготовленного пользователя; доступность для пользователей из любой точки Земли (через Интернет); все пользовательские интерфейсы унифицированы и полностью соответствуют принятым международным, государственным и отраслевым нормативам и стандартам.
Технические характеристики: воз-
можность получения космических снимков любых участков Земли; возможность использования космических снимков с наиболее рациональным разрешением для решения конкретных практических задач; возможность использования много- и гиперспектральных аэрокосмических снимков; решение задач дешифрирования аэрокосмических снимков автоматизировано; решение задач ГИС-картирования результатов дешифрирования снимков автоматизировано.
Технологические характеристики: принципы построения инфраструктуры и структуры системы ГЛОМАС-ЛЕС дают возможность ее дальнейшего развития, модернизации и совершенствования.
Требования к составу задач Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛОМАС-ЛЕС). Состав задач первой очереди Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛОМАС-ЛЕС) полностью соответствует составу задач ДЗЗ (раздел лесного хозяйства), представленному в «Концепции развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года» [4]. В общем числе задач ДЗЗ раздел задач лесного хозяйства самый представительный, он включает 29 задач. Тематически задачи лесного хозяйства разбиты на 8 групп. У каждой группы задач свои, отличные от других требования к характеристикам космической информации. Эти требования различны к разрешающей способности (пространственной и радиометрической), к спектральному диапазону, к периодичности и к оперативности получения информации.
Максимально ускорить достижение конкурентоспособности на мировом рынке российских систем аэрокосмического мониторинга можно, если одновременно с улучшением их потребительских качеств улучшить и технические показатели за счет использования высококачественных снимков, полученных с зарубежных космических аппаратов. Для этого необходимо создание систем аэрокосмического мониторинга, использующих снимки, полученные как с отечественных космических аппаратов, так и с зарубежных. В дальнейшем, по мере запуска и ввода отечественных космических аппаратов с улучшенными техническими характеристиками, начнется замещение зарубежных космических аппаратов отечественными.
Концептуальная структура системы ГЛОМАС-ЛЕС
Глобальная мониторинговая аэрокосмической система леса (ГЛОМАС-ЛЕС) структурно представляет собой единую отраслевую сеть связанных между собой (через Интернет)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
141
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Рис. 1. Структура главного Web-Узла
функциональных центров аэрокосмического мониторинга леса: Главного Центра и Региональных Центров (в составе соответствующих региональных филиалов Рослесинфорга).
Каждый функциональный Центр состоит из технологических центров (приема/ передачи снимков, первичной обработки, дешифрирования снимков, ГИС-картирования тематических карт, валидации и сертификации, архивирования снимков и результатов их дешифрирования). Глобальная мониторинговая аэрокосмическая система леса будет интегрирована в Мировую сеть аэрокосмического мониторинга Земли.
На рис. 1 представлена структура главного Web-Узла Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса, состоящего из технологических центров.
Ниже рассмотрено назначение технологических Центров. Каждый центр соответствует определенной фазе технологического процесса аэрокосмического мониторинга леса.
Центр анализа запросов на решение задач и заказа снимков. Для каждого вида задач аэрокосмического мониторинга леса требуются «свои» снимки, получаемые с различных космических аппаратов. Запросы по каждому виду задач должны быть приведены к определенному (для «своего» вида формату).
Центр приема и предварительной обработки аэрокосмических снимков. Принимаемые аэрокосмические снимки в первоначальном виде не пригодны для тематического дешифрирования. Снимки должны быть предварительно обработаны и приведены к определенному формату.
142
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
-р*.
Российская
космическая
система
мониторинга
Земли
Единая
территориально-распределенная система ДЗЗ (ЕТРИС ДЗЗ)
Федеральная Служба Аэро -
космического
Мониторинга
(ФСАМ)
Хозяйствующий субъект
- холдинг
Институты Организации МГУЛеса Инвест.
РАН по созданию компания
сканеров ! Инвестиции, |
| Разработка 1 | Разработка | 1 коммерциали -1
! Решение 1 1 гипер - | 1 технологий 1 зация, |
1 проблем (Спектральных 1 дешифриро - 1 1 валидация, 1
1 аэрокосмич. | 1и радиолокац. | 1 вания 1 сертификация, j
1 мониторинга | 1 сенсоров | | снимков 1 |патент.исслед. \
1
1
3
I
Коммерческие организации -поставщики космических снимков
Базовые автоматизированные технологии аэрокосмического мониторинга леса
Трансферт,
технологии
«КБ систем аэрокосмического мониторинга (КБ САМ)»
Разработка отраслевых прикладных технологий аэрокосмического мониторинга
(адаптация базовых технологий)
Бизнес-центр (БЦ САМ)
космические снимки
Трансферт
технологии
Общесистемная часть всеотраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (предобработка)
Объединенная всеотраслевая
ЕЛОМАС - ЕЛОМАС - ЕЛОМАС - Елобальная мониторинговая ЕЛОМАС -
аэрокосмическая система
ЛЕС ЭКО АЕРО ЕЛОМАС ЧС
Бизнес -инкубатор
Коммерческие
органи !ации инвес горы
_______________г__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________I
1 1 1 1 1 1 Организации Организации Организации Организации 1 Коммерческие
1 Правитель 1 | Рослесхоза контроля мех МЧС 1 организации -
| СТВО РФ | 1 1 1 1 1 1 экологии 1 1 1 | потребители
' 1 1 1 1 Еосударственные организации-потребители 1 1 1
Рис. 2. Структурная схема интеграции системы ГЛОМАС-ЛЕС в систему ГЛОМАС
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВ.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Центр дешифрирования аэрокосмических снимков. В Центре производится тематическое дешифрирование снимков. Каждой задаче соответствуют свои программы. Одно из главных направлений развития Центра обработки снимков - разработка методов и средств максимально возможной программной автоматизации дешифрирования снимков. В перспективе необходимо все работы по дешифрированию снимков переложить на программы.
Центр сертификации и валидации результатов дешифрирования снимков. Центр подспутниковой валидации предназначен для экспериментальных наземных измерений и высокоточных измерений авиафотосъемкой исследуемых участков. Для валидации снимков и результатов их дешифрирования отводятся полигоны с характерными типами ландшафтов. В качестве таких полигонов будут использованы учебные леспромхозы МГУЛ, расположенные в Щелковском и Пушкинском районах. Для привязки снимков к координатам Земли используются средства ГЛОНАСС.
Центр ГИС-картирования результатов дешифрирования снимков. В Центре результаты дешифрирования снимков переводятся в стандартные ГИС-формы, принятые в лесном хозяйстве. Формы совместимы с лесными ГИС (ЛЕСИС, ЛЕСГИС, TOPOL).
Центр космической лесоинвентаризации. Задача инвентаризации лесов относится к функционально-тематическим задачам, но в силу ее важности создается отдельный центр. Государственная инвентаризация лесов основана на сочетании использования наземных средств и дистанционных аэрокосмических методов.
Центр оперативного мониторинга чрезвычайных ситуаций в лесах. В отраслевом Центре собирается и обрабатывается вся информация о чрезвычайных ситуациях в лесах (пожары, лесопатология, радиационные загрязнения и др.).
Центр архивирования снимков и результатов их дешифрирования. Архивирование снимков необходимо для оценки состояния лесов и динамики изменения этого состояния на заданном протяженном интервале времени.
Центр интегрирования системы ГЛО-МАС-ЛЕС в мировую сеть ДЗЗ. Интеграция в мировую сеть позволит более эффективно использовать мировые информационные ресурсы баз данных космических снимков.
Интеграция отраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛОМАС-ЛЕС) в объединенную Глобальную мониторинговую аэрокосмическую систему (ГЛОМАС)
Структурная схема интеграции Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛОМАС-ЛЕС) в объединенную Глобальную мониторинговую аэрокосмическую систему (ГЛОМАС) представлена на рис. 2.
Структурно всеотраслевая Глобальная мониторинговая аэрокосмическая система (ГЛОМАС) представляет собой объединение всех отраслевых систем аэрокосмического мониторинга в единую систему. В эту систему входят отраслевые системы: ГЛОМАС-ЛЕС (лесное хозяйство), ГЛОМАС-АГРО (сельское хозяйство), ГЛОМАС-ЭКО (экология), ГЛОМАС-ЧС (чрезвычайные ситуации) и все другие. Все отраслевые мониторинговые аэрокосмические системы унифицированы по принципам построения, но специализированы по тематическим задачам.
Отраслевые системы аэрокосмического мониторинга унифицированы по программной платформе, по базовым математическим методам тематического дешифрирования, составляющим библиотеку программ.
Каждая отраслевая система аэрокосмического мониторинга имеет «свои», специфические именно для нее линеаментные признаки.
Общесистемная часть Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы является общей для всех отраслевых аэрокосмических систем. Общесистемная часть осуществляет предобработку снимков, приводит их к виду, пригодному для последующего тематического дешифрирования.
Промышленная версия программного обеспечения всей системы ГЛОМАС и отраслевых систем должна разрабатываться государственным предприятием «КБ систем аэрокосмического мониторинга». Разработка же математических методов дешифрирования
144
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
осуществляется при непосредственном участии предприятий, вузов, представляющих соответствующую отрасль. Математические методы, алгоритмы дешифрирования и вся технология аэрокосмического мониторинга леса разрабатываются предприятиями и вузами, представляющими лесное хозяйство. Для достижения наибольшей эффективности процесса разработки эти организации объединяются в холдинги, как показано на рисунке.
Для проведения коммерческих работ создаются соответствующие Бизнес-центр, Бизнес-инкубатор и сеть малых предприятий, ориентированных на отдельные направления работ в области аэрокосмического мониторинга леса.
Ресурсное обеспечение и организация работ по созданию Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛО-МАС-ЛЕС)
Каждая отраслевая мониторинговая аэрокосмическая система состоит из сегментов: космического, наземного, природохозяйственного и когнитивного.
Космический сегмент является общим для всех отраслевых систем, его развитие определено действующей Федеральной космической программой и осуществляется в соответствии с «Концепцией развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года». Финансирование работ по развитию космического сегмента осуществляется из Федеральной космической программы.
Природохозяйственные сегменты должны соответствовать требованиям и задачам «своих» отраслей, их состав и структура не должны претерпеть каких-либо серьезных изменений при создании и внедрении системы ГЛОМАС в практику обязательного использования аэрокосмического мониторинга в этих отраслях.
Наземные сегменты, выполняющие роль калибровки, сертификации, верификации и валидации результатов аэрокосмического мониторинга, имеют общие принципы построения, поэтому сравнительно легко переносятся из одной отрасли в другую.
Наибольшие трудности возникнут при разработке когнитивных сегментов. Для каждой отрасли при многих общих методах, алгорит-
мах тематического дешифрирования космических снимков есть много «своих» линеаментных признаков, а поэтому и много «своих» специфических методов дешифрирования космических снимков. Несмотря на то, что в каждой отрасли уже имеются наработки в области аэрокосмического мониторинга, предстоит большая работа по систематизации и обобщению уже имеющихся методов, алгоритмов тематического дешифрирования и по созданию новых методов и алгоритмов. Эта работа имеет научный характер и будет выполняться как отраслевыми НИИ, так и профильными для каждой отрасли вузами, опираясь на фундаментальные исследования академических институтов РАН, работающих в этом направлении.
В разработке объединенной всеотраслевой системы ГЛОМАС будут участвовать многие отрасли, поэтому наиболее эффективным методом разработки системы ГЛОМАС является программно-целевой метод. Для этого нужна Федеральная целевая программа создания Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛОМАС). При этом, в силу масштабности и большой сложности системы ГЛОМАС, вся целевая Программа по созданию должна быть разбита на подпрограммы, для каждой отрасли «своя» подпрограмма.
Для лесного хозяйства будет разработана система ГЛОМАС-ЛЕС («Глобальная мониторинговая аэрокосмическая система для лесного хозяйства»). В разработке системы ГЛОМАС-ЛЕС будут участвовать организации Роскосмоса (космический сегмент), организации Рослесхоза (лесохозяйственный сегмент) и вузы лесного профиля (когнитивный и наземный сегменты).
Результаты работы всеотраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛОМАС) используются многими отраслями, поэтому ее работу целесообразно сделать независимой от любой отрасли, от любого ведомства. Всеотраслевая Глобальная мониторинговая аэрокосмическая система (ГЛОМАС) должна выполнять функцию абсолютно объективной информационной системы, а в ряде задач функцию государственного контроля.
Для обеспечения полной независимости работы всеотраслевой Глобальной
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
145
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛОМАС) целесообразно создать Федеральную службу аэрокосмического мониторинга и подчинить ей всеотраслевую Глобальную мониторинговую аэрокосмическую систему (ГЛОМАС) со всеми входящими в нее отраслевыми Глобальными мониторинговыми аэрокосмическими системами. При такой организации никакая отраслевая Глобальная мониторинговая аэрокосмическая система не будет зависеть от отрасли, для которой она решает задачи. При этом будут учтены все пожелания каждой конкретной отрасли в части улучшения работы соответствующей ей отраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы.
Максимальный эффект от использования результатов космической деятельности в народном хозяйстве можно получить исключительно при максимально широких масштабах использования и максимальной глубине переработки космической информации. Достичь этого можно только путем индустриализации и автоматизации всех процессов получения, обработки и использования результатов космической деятельности. Однако сложность техническая и организационная, масштабы и затраты на решение задачи сплошной индустриализации космической деятельности очень большие, особенно это относится к мониторинговым аэрокосмическим системам.
Минимизация общих затрат на создание отраслевых мониторинговых аэрокосмических систем и максимизация эффективности использования результатов их работы возможны при создании объединенной всеотраслевой Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы (ГЛОМАС), состоящей из отраслевых мониторинговых систем.
В работе предложена эффективная структура системы ГЛОМАС-ЛЕС. Показано, что Глобальная мониторинговая аэрокосмической система леса (ГЛОМАС-ЛЕС) структурно представляет собой единую отраслевую сеть связанных между собой (через Интернет) функциональных центров аэрокосмического мониторинга леса: Главного Центра и Региональных Центров (в составе
соответствующих региональных филиалов Рослесинфорга). Каждый функциональный Центр состоит из технологических центров (приема/передачи снимков, первичной обработки, дешифрирования снимков, ГИС-кар-тирования тематических карт, валидации и сертификации, архивирования снимков и результатов их дешифрирования). Глобальная мониторинговая аэрокосмической система леса будет интегрирована в Мировую сеть аэрокосмического мониторинга Земли.
Разработана структурная схема интеграции Глобальной мониторинговой аэрокосмической системы леса (ГЛОМАС-ЛЕС) в объединенную Глобальную мониторинговую аэрокосмическую систему (ГЛОМАС). Отраслевые системы аэрокосмического мониторинга унифицированы по программной платформе, по базовым математическим методам тематического дешифрирования, составляющим библиотеку программ. Каждая отраслевая система аэрокосмического мониторинга (в том числе и ГЛОМАС-ЛЕС) имеет «свои», специфические именно для нее линеамент-ные признаки.
Библиографический список
1. Урличич, Ю.М. О приоритетах практической реализации развития космической системы дистанционного зондирования Земли / Ю.М. Урличич, В. Селин, К.С. Емельянов // Интернет-ресурс: www. gisa.ru/file/file2154.doc^_ 13.01.2012 («Аэрокосмический курьер» 6(78)’20П)
2. Санаев, В.Г. Ускоренное инновационное развитие технологий аэрокосмического мониторинга леса средствами российской космической системы ДЗЗ и вывод их на лидирующие позиции в мире: решение проблемы / В.Г. Санаев, И.М. Степанов, В.И. Запруднов, В.И. Панферов и др. // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник. - М.: МГУЛ. - 2012. - № 4(87).
3. Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники и перечня критических технологий Российской Федерации».
4. Документ: « Концепция развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года». Интернет-ресурс: www.gisa.ru/file/file766.doa
5. Крапивин, В.Ф. Оценка состояния лесной экосистемы по данным эпизодического мониторинга в условиях информационной неопределенности / В.Ф. Крапивин, В.С. Шалаев, В.Д. Бурков, И.Л. Букатова и др. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник.
- № 7. - 2013. - С. 31-41.
146
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2014
