CC BY
29
УДК 528.88:528.94
СПУТНИКОВЫЙ МОНИТОРИНГ ТРАНСГРАНИЧНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИИ И КАЗАХСТАНА
Ирина Степановна Тренина
Научно-исследовательский центр космической Россия, г. Москва, Большой Предтеченский пер., e-mail: pingvin@planet.iitp.ru
Артем Алексеевич Максимов
Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии «Планета», 123242, Россия, г. Москва, Большой Предтеченский пер., 7, младший научный сотрудник, тел. (499)252-03-56, e-mail: ice-karta-planet@yandex.ru
Ирина Алексеевна Соловьева
Сибирский центр ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета"», 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, заместитель директора, тел. (383)334-45-42, e-mail: sol@rcpod.ru
Оксана Геннадьевна Новикова
Сибирский центр ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета"», 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, зав. отделом обработки спутниковой информации, тел. (383)334-45-42, e-mail: novikova@rcpod.ru
Игорь Владимирович Рублев
Сибирский центр ФГБУ «Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета"», 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Советская, 30, младший научный сотрудник, тел. (383)334-45-42, e-mail: rublev@rcpod.ru
Россия и Казахстан связаны общей границей протяженностью более 7 500 км. 12 субъектов Российской Федерации граничат с 7 областями Республики Казахстан. Важнейшими аспектами трансграничного сотрудничества между странами являются вопросы экологии, чрезвычайные ситуации и стихийные бедствия, требующие особого контроля. Данные дистанционного зондирования Земли и высокоэффективные технологии их обработки вносят весомый вклад в решение задач мониторинга трансграничных территорий России и Казахстана.
Ключевые слова: данные дистанционного зондирования Земли, спутниковые данные, технология обработки, тематические карты, экология, мониторинг окружающей среды, трансграничные территории, пожарная обстановка, паводковая обстановка, ледовая обстановка.
SATELLITE MONITORING OF THE TRANSBOUNDARY TERRITORIES OF RUSSIA AND KAZAKHSTAN
Irene S. Trenina
State Research Center for Space Hydrometeorology «Planeta», 7, Bol. Predtechensky St., Moscow, 123242, Russia, Head of Laboratory, phone: (499)252-03-56, e-mail: pingvin@planet.iitp.ru
гидрометеорологии «Планета», 123242, 7, зав. лабораторией, тел. (499)252-03-56,
Artem A. Maksimov
State Research Center for Space Hydrometeorology «Planeta», 7, Bol. Predtechensky St., Moscow, 123242, Russia, Junior Researcher, phone: (499)252-03-56, e-mail: ice-karta-planet@yandex.ru
Irene A. Solovjeva
Siberian State Research Center for Space Hydrometeorology «Planeta», 30, Sovetsky St., Novosibirsk, 630099, Russia, Deputy Director, phone: (383)334-45-42, e-mail: sol@rcpod.ru
Oksana G. Novikova
Siberian State Research Center for Space Hydrometeorology «Planeta», 30, Sovetsky St., Novosibirsk, 630099, Russia, Head of Department of Satellite Data Processing, phone: (383)334-45-42, e-mail: novikova@rcpod.ru
Igor V. Rublev
Siberian State Research Center for Space Hydrometeorology «Planeta», 30, Sovetsky St., Novosibirsk, 630099, Russia, Junior Researcher, phone: (383)334-45-42, e-mail: rublev@rcpod.ru
The total length of the border between Russia and Kazakhstan is more than 7 500 kilometers. 12 subjects of the Russian Federation border on seven regions of the Republic of Kazakhstan. The most important aspects of cross-border cooperation between countries are environmental issues, and emergencies that require special control. Remote sensing data of the Earth and effective technologies for their processing solve the problem of monitoring the transboundary territories of Russia and Kazakhstan.
Key words: remote sensing data of the Earth, satellite data, processing technology, thematic map, ecology, environmental monitoring, transboundary territory, fire situation, flood situation, ice conditions.
Под мониторингом подразумевается регулярная система наблюдений с целью получения определенной информации для осуществления и планирования каких-либо видов работ. Составной частью современного мониторинга является спутниковый мониторинг, имеющий ряд преимуществ перед наземными средствами наблюдений: регулярность и оперативность получения данных, возможность осуществлять съемку на обширных территориях с высоким временным разрешением. Проведение комплексного мониторинга в оперативном режиме для решения широкого круга задач, и низкая стоимость по сравнению с наземными исследованиями также является существенным достоинством, помимо этого, исследования дистанционными методами территорий сопредельных государств не требуют специальных разрешений.
Предметом деятельности ФГБУ «НИЦ «Планета» является проведение научно-исследовательских работ в области разработки, развития и применения методов и средств определения из космоса гидрометеорологических, океанографических, гелиофизических параметров, космического мониторинга состояния и загрязнения окружающей среды, включая мониторинг опасных стихийных явлений.
Сотрудничество между Российской Федерацией (РФ) и Республикой Казахстан (РК) в сфере использования и охраны трансграничных водных объектов
осуществляется по 20 рекам. В связи с этим, возникает необходимость в оперативном спутниковом мониторинге протяженной приграничной территории с целью выявления опасных гидрологических явлений. В период весеннего половодья превышения расчетных уровней критических отметок подъема уровня воды влекут за собой значительный материальный ущерб населению и не редко приводят к человеческим жертвам.
ФГБУ «НИЦ Планета» обеспечивает непрерывный спутниковый мониторинг водных объектов на сопредельных территориях с целью выявления подъема уровня воды в реках и продвижения волны паводка. Мониторинг водных объектов по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) осуществляется на основе данных, как с зарубежных, так и с отечественных космических аппаратов (КА), группировка которых постоянно расширяется. В качестве дополнительной информации привлекаются ежедневные наземные данные с гидрологических постов сети Росгидромета о режиме и состоянии рек.
В ФГБУ «НИЦ «Планета» разработаны технологии тематической обработки разнородных спутниковых данных для определения водных объектов [1, 2]. Технологии основаны на спектральных характеристиках сенсоров КА, на рассчитанных нормализованных индексах, а также на эмпирически вычисленных пороговых значениях. При этом время обработки спутниковых изображений размером ~10 пикселей составляет всего несколько секунд. Программно реализованные цифровые алгоритмы тематической обработки спутниковых данных прошли производственные испытания и зарекомендовали себя как эффективные методы по определению водных объектов при проведении оперативного мониторинга паводковой обстановки.
В мае 2017 г. на реке Ишим в Тюменской области сложилась катастрофическая паводковая ситуация, которая явилась следствием резкого повышения температур воздуха в начале апреля и активного схода снежного покрова в районах Северного Казахстана. Уровень воды в реке Ишим во многом определяет режим работы Сергеевского водохранилища, расположенного на территории Казахстана. По данным с наземной наблюдательной сети гидрологических по-
-5
стов РК на 17 апреля 2017 г. сброс воды водохранилища составил 3 480 м/с, что выше среднестатистического максимума в 3 раза. 28 апреля на реке Ишим в границах города Петропавловска был зафиксирован уровень воды более чем на метр превышающий критический максимум. По данным ДЗЗ были определены подтопленные участки городской территории.
Из-за сложившихся гидрометеорологических условий, пришедший с северных районов Казахстана, паводок стал сильнейшим для Тюменской области за последние полвека наблюдений. По сведениям с наземных гидрологических постов сети Росгидромета на 1 мая 2017 г. уровень воды в районе населенного пункта Ильинка Тюменской области превысил критическую отметку на 74 см, а 11 мая критический максимум подъема уровня воды в реке Ишим в границах населенного пункта Ишим был превышен на 130 см.
Использование алгоритмов классификации водных объектов по спутниковым данным позволяет определять границы и площади участков подтопленной
поймы реки. Границы выхода воды на пойму реки Ишим, полученные по разновременным спутниковым данным, наглядно отражают прохождение волны паводка на реке Ишим Тюменской области в мае 2017 г. (рис. 1).
Рис. 1. Карта паводковой обстановки на реке Ишим (Тюменская область) по разновременным спутниковым данным
На территории города Ишим по данным ДЗЗ высокого пространственного разрешения с отечественного КА «Ресурс-П» № 1 от 13 мая 2017 г. с использованием алгоритмов тематической обработки спутниковых данных были выявлены территории подтопленных дачных сообществ, коммуникации, аэродром авиаклуба, оказавшиеся под ударом стихии. По результатам спутникового мо-
ниторинга паводковой ситуации были определены максимальные границы зон затопления пойменной части реки в границах города Ишим при наивысшем зафиксированном уровне подъема воды за весь период прохождения паводка. Полученные картографические материалы объективно отражают границы зон затопления и могут быть использованы при территориальном планировании городской застройки и градостроительном проектировании.
Еще одним примером трансграничного сотрудничества между Россией и Казахстаном является предупреждение чрезвычайных ситуаций, связанных с пожарной обстановкой, требующей эффективных методов обнаружения и ликвидации очагов возгорания на ранней стадии развития.
Техническая оснащенность центров ФГБУ «НИЦ «Планета» позволяет вести круглосуточный спутниковый мониторинг пожарной обстановки не только на территории Российской Федерации, но и за ее пределами. В настоящее время для мониторинга пожарной обстановки используются данные ДЗЗ низкого пространственного разрешения с КА «Terra», «Aqua», «SuomiNPP», «NOAA», среднего пространственного разрешения с КА серии «Ресурс-П», «Метеор-М», «Landsat-8», «Sentinel» и высокого пространственного разрешения c КА серии «Канопус-В» и «Ресурс-П».
Оперативное обнаружение очагов возгорания и мониторинг пожарной обстановки по данным ДЗЗ заключается в выполнении следующих задач:
• обнаружение очагов возгорания;
• выделение фронта пожара;
• определение площади территории пройденной огнем;
• мониторинг распространения дымовых шлейфов;
• расчет степени загрязнения атмосферы над действующими пожарами.
Результатом спутникового мониторинга пожарной обстановки являются:
таблицы периодической отчетности о ТВВ (точки вероятного возгорания), карты суточных данных мониторинга пожаров по территориям, открытым от облачности, карты действующих фронтов пожаров, карты гарей, карты распространения дымовых шлейфов и карты аэрозольного индекса атмосферы [3].
На трансграничной территории России и Казахстана с началом схода сезонного снежного покрова и установлением положительных температур воздуха возникает большое количество очагов возгорания. Палы сухой травы, профилактические отжиги и возгорания в результате грозовой деятельности сохраняют риск возникновения длительно действующих пожаров с переходом на степи и лесные массивы, а также несут потенциальную угрозу жителям и инфраструктуре ближайших населенных пунктов.
19 апреля 2017 г. в 14:17 (местного времени) близ населенного пункта Ду-вановка Павлоградского района Омской области был зафиксирован очаг возгорания площадью 42 га, 20 апреля 2017 г. трансграничный пожар перешел на территорию Уалихановского района Северо-Казахстанской области. По данным дистанционного зондирования Земли от 21 апреля общая площадь выгоревшей территории составила 1 327 га (1 070 га на территории РК и 257 га на террито-
рии РФ). В результате пожара пострадала часть квартальной застройки населенного пункта Дувановка Павлоградского района Омской области (рис. 2).
Рис. 2. Карта пожарной обстановки по данным КА «Landsat-8»
от 21 апреля 2017 г.
Для обеспечения мониторинга ледовой обстановки Каспийского моря, омывающего берега России и Казахстана, в ФГБУ «НИЦ «Планета» созданы и развиваются специализированные технологии обработки спутниковых данных. В частности, создана технология построения карт ледовой обстановки [4, 5].
Построение карт ледовой обстановки Каспийского моря осуществляется по информации видимого, инфракрасного и микроволнового диапазонов, принимаемой с российских и зарубежных спутников преимущественно в Европейском и Сибирском центрах ФГБУ «НИЦ «Планета», а также данные получаемые оперативно по системе международного обмена EARS, в которую наша организация входит с 2009 г. [6].
В технологии построения карт ледовой обстановки реализованы автоматизированные и интерактивные методы обработки. В автоматизированном режиме осуществляется предварительная обработка спутниковых изображений, интерактивно дешифрируются на космических снимках ледовые параметры: возраст, сплоченность, формы льда, обобщенные характеристики и др. Далее ледовые параметры отображение на карте в соответствие с национальной и международной символикой [7]. Этапы технологии построения ледовых карт представлены на рис. 3.
Генерация картографической основы Трансформирование спутникового изображения в
картографическую основу
Нанесение границ и символов обобщенных Условная раскраска и условные обозначения
характеристик льда по национальному российскому стандарту.
возраст льда
Рис. 3. Этапы технологии построения карт ледовой обстановки
В процессе интерактивного дешифрирования спутниковых изображений проводится оценка возрастного состава льда. При выполнении такой оценки используются данные измерений толщины льда на наземных гидрометеорологических станциях и постах, а также результаты расчета «суммы градусодней мороза» в точках расположения метеорологических станций и гидрологических постов на побережье или островах Северного Каспия.
Для повышения надежности картографирования в условиях облачного покрова построение карт ледовой обстановки производится на основе комплексной обработки спутниковых данных разных спектральных диапазонов и различного пространственного разрешения. По данной технологии в ФГБУ «НИЦ «Планета» ежегодно за ледовый период выпускается 17-20 карт ледовой обстановки Северного Каспия. Карты ледовой обстановки Северного Каспия выпускаются в графическом и векторном форматах; ледовые карты в векторном формате Sigrid-3 размещены на сервере Мирового центра данных по морскому льду. Пример карты ледовой обстановки Северного Каспия, построенной по данным с КА «Метеор-М»/КМСС, «ШАА»/АУтЯ и «AQUA»/MODIS представлен на рис. 4.
Рис. 4. Исходные спутниковые изображения (а) и карта-схема ледовой обстановки Каспийского моря 11-13 февряля 2018 г. (б)
На основе полученной информационной продукции формируются многолетние ряды климатических данных, по которым можно отследить сезонные изменения припая, плавучего льда и оценить динамику площади льда в Каспийском море.
В последнее время большое внимание уделяется вопросам природопользования, которое основано на получении достоверной информации о состоянии природных ресурсов с их качественными и количественными характеристиками. Нерациональное природопользование порой приводит к истощению и утратам природных ресурсов, а также к разрушению и видоизменению ландшафтных комплексов. Одним из таких объектов, привлекающий к себе внимание специалистов из разных областей, является Аральский природно-территори-альный комплекс (ПТК).
Изучение изменений, происходящих в Аральском ПТК, основывается на постоянных наблюдениях и выявлении закономерностей происходящих процессов и явлений. Данные ДЗЗ являются основным наиболее эффективным методом получения информации о состоянии окружающей среды Приаралья. Использование разновременных рядов спутниковых данных позволяет анализировать динамику развития событий, таких как обмеление и наполнение водных
объектов, а также ряд иных факторов воздействующих на изменение Аральского ПТК.
По результатам исследований, проведенных в ФГБУ «НИЦ «Планета», было установлено, что резкое обмеление Аральского моря, начавшееся в 60-70-х гг. ХХ в., привело к окончательному пересыханию пролива Берга в 1988 г. и разделило его на два изолированных водоема - Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. В последующие годы сохранялась тенденция к отрицательной динамике общей площади водного зеркала, которая достигла в 2014 г. значения в 7 230 км2. На 2017 г. площадь водной поверхности
л
Аральского моря составляет 12 093 км (рис. 5).
Рис. 5. Мониторинг изменения Аральского природно-территориального
комплекса
Опасные явления, возникающие на границе одного государства, несут потенциальную угрозу природным комплексам и населению соседнего государства. С целью уменьшения рисков возникновения и развития чрезвычайных ситуаций использование спутниковой информационной продукции имеет важное значение для отслеживания опасных явлений, таких как наводнения и пожары, а также позволяет оценивать антропогенные воздействия различного характера и экологическую обстановку трансграничных территорий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Новгородцева О. Г., Рылов С. А., Пестунов И. А., Дубровская О. А., Синявский Ю. Н. Технология обработки данных с космических аппаратов «Канопус-В», «Ресурс-П» и «Ме-теор-М» для мониторинга и картографирования паводковой ситуации // Матер. II Междунар. науч. конф. «Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли». - Красноярск : СФУ, 2015. - С. 207-212.
2. Антонов В. Н., Новгородцева О. Г. Мониторинг и картографирование паводковой ситуации в Сибирском федеральном округе // Образовательные ресурсы и технологии. -2014. - № 5. - С. 81-86.
3. Завьялова Д. Ю., Новикова О. Г., Дубровская О. А., Синявский Ю. Н. Технология обработки данных ДЗЗ для оперативного обнаружения и мониторинга пожарной обстановки в Сибирском федеральном округе // Тезисы докладов XXII рабочей группы «Аэрозоли Сибири». - Томск : ИОА СО РАН, 2015. - С. 99.
4. Кровотынцев В. А., Тренина И. С., Волгутов Р. В., Максимов А. А., Маслова Н. А. Информационная продукция спутникового мониторинга полярных акваторий Земли и замерзающих морей России // Метеоспектр.- 2014. - № 2. - С. 89-98.
5. Асмус В. В., Загребаев В. А., Кровотынцев В. А., Милехин О. Е., Соловьев В. И., Успенский А. Б. Подсистема спутниковых наблюдений Росгидромета // Труды VI Всероссийского метеорологического съезда (г. Санкт-Петербург, 14-16 октября 2009 г.). - СПб., 2011. -С. 49-64.
6. Кровотынцев В. А., Тренина И. С. Информационная продукция спутникового мониторинга арктических акваторий // Применение космических технологий для развития арктических регионов: сборник материалов Всероссийской конференции с международным участием. - Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова. - Архангельск : ИПЦ САФУ, 2014. - С. 111-119.
7. Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов / под ред. Б. А. Крутских. - Л. : Гидрометеоиздат, 1984. - 56 с.
© И. С. Тренина, А. А. Максимов, И. А. Соловьева, О. Г. Новикова, И. В. Рублев, 2018
