CC BY
39
ТЕХНИЧЕСКАЯ ОСНОВА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ
Е.В. РЫЖОВА, НИИ космических систем
Характерной чертой космической деятельности в XXI в. будет не только стремление к достижению новых количественных и качественных рубежей в развитии космических систем, но и создание новых высокотехнологичных космических средств и систем различного целевого назначения, затрагивающих и кардинально меняющих многие сферы человеческой деятельности [6].
Резкий рост уровня антропогенного воздействия на окружающую среду в сочетании с низкой эффективностью и разобщенностью природоохранных мероприятий привел за последние десятилетия к значительному ухудшению экологической обстановки в различных регионах Российской Федерации. Наиболее уязвимыми оказались промышленно развитые районы с высокой концентрацией промышленных производств топливно-энергетического, химического, металлургического и др. профилей, приведших к превышению уровней допустимой экологической нагрузки на природную среду, возникновению потенциально опасных чрезвычайных ситуаций. Компенсировать перечисленные последствия позволяют регуляторные способности биосферы, в основном растительности.
Негативное воздействие человека на окружающую среду делает чрезвычайно важным развитие космических средств и систем контроля
опасного антропогенного воздействия на среду обитания, высокооперативного выявления катастрофических явлений. Своевременному предупреждению о них, повышению оперативности и эффективности мер по ликвидации последствий этих опасных явлений на основе информации космических систем уделяется в настоящее время особое внимание.
Постановлением коллегии Федеральной службы лесного хозяйства России от 19 октября 1993 г. приняты основные положения лесного мониторинга в России [7]. Лесной мониторинг является составной частью Единой государственной системы экологического мониторинга в Российской Федерации. Однако органы управления лесным хозяйством России, особенно федерального и регионального уровней, испытывают значительные трудности в оперативном управлении лесами, т.к. при подготовке и обосновании принимаемых решений не обладают в настоящее время достоверной оперативной и систематизированной информацией о произошедших изменениях в состоянии лесного фонда, которую с успехом можно было бы получать с помощью космических средств наблюдения. Информация о лесном фонде обновляется лесоустройством один раз в 10 лет, но в последнее время этот срок увеличился. В результате не представляется возможным получать достоверную
54
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2006
информацию обо всех изменениях, происходящих в лесном фонде в течение этого периода. Так, по данным Канадской службы лесов, информация о лесном фонде территории устаревает на 10 % в год (^дЫег, 2001). В настоящее время эту информацию дает инвентаризация лесов, однако она имеет ряд следующих недостатков:
- инвентаризация в разных регионах проводится по разным технологиям с различной дробностью и точностью работ;
- данные инвентаризации имеют существенные систематические ошибки;
- для данных инвентаризации как в целом по стране, так и в пределах отдельных крупных объектов РФ характерен широкий диапазон давности от нескольких лет до нескольких десятков лет.
Отсюда вывод о том, что существующие наземные методы получения природно-ресурс-ной и экологической информации не в полной мере обеспечивают потребности регионов в части осуществления экологического мониторинга. Необходим переход на качественно новый уровень получения информации.
Растительность является естественным биологическим индикатором степени экологического благополучия природного комплекса. Регулярные наблюдения индикаторных признаков дают возможность не только оценить текущее экологическое состояние, но и дать прогноз его дальнейшего изменения. Важнейшими из индикаторных признаков являются характеристики процессов продукции (т.е. приращения биологической массы) и распада растительной органики. Космические средства наблюдения обеспечивают новый подход к оценке экологического состояния лесов с использованием временных рядов биопродуктивности. Однако применение космических средств наблюдения в данном конкретном случае требует наличия:
- бортовой измерительной аппаратуры КА, обладающей соответствующими характеристиками;
- новых информационных технологий для определения функциональных зависимостей между спектральными характеристиками лесной растительности и их биопродуктивностью по космической информации.
Эффективное использование космических средств наблюдения возможно лишь на основе системного решения проблемы.
Дистанционно с использованием авиационных и космических средств ДЗЗ состояние леса определяют на основе результатов измерения его оптических характеристик. За последние 30-40 лет в отечественном лесоведении изучению спектральной отражательной способности древесной растительности были посвящены исследования С.В. Белова [1], Н.Г. Харина [8], Б.Ф. Виноградова [2], А.С. Исаева и Ф.И. Плешикова [5], Н.Н. Выгодской [3], В.М. Жирина [4] и др. Однако в данных работах динамика изменения оптических характеристик подстилающей растительности учитывается, на наш взгляд, недостаточно. В лучшем случае определяются линейные тренды характеристик, между тем для растений характерно периодическое изменение их характеристик. Сложность в определении этих характеристик с использованием космических средств обусловлена рядом ограничений, а именно:
- значительной вариацией спектральных характеристик объекта наблюдения в зависимости от вегетационного периода, климатических условий, рельефа местности;
- смешанным произрастаним лесной растительности;
- зависимостью качества данных об объекте наблюдения от метеорологической обстановки.
Следует учитывать очевидные на данном этапе экономические ограничения по созданию специализированной космической системы мониторинга состояния лесов, строительства отдельных пунктов приема космической информации и т.д. Выбор КА и его орбитальных параметров для экологического мониторинга должен осуществляться по «пригодности» из существующих типов КА ДЗЗ.
Основная доля поступающей от космических средств наблюдения информации лежит в видимом диапазоне длин волн или в ближнем ИК-диапазоне. В этом диапазоне функционирует целый ряд зарубежных спутников наблюдения, таких, как «SPOT», «LANDSAT» и др. Количество отечественных КА наблюдения, функционирующих на орбитах, ограничено. При этом используемая спектрозональная бортовая измерительная аппаратура не в полной мере удовлетворяет решение целевой задачи. В нашей стране космическое наблюдение осуществляется с помощью КА оптико-электронного наблюдения типа «Ре-сурс-О1» и фотографического наблюдения «Ре-сурс-Ф». Опыт эксплуатации данных КА показал
ряд их недостатков, особенно с появлением новых задач, таких, как экологический мониторинг, контроль чрезвычайных ситуаций и др. В России имеется опыт использования информации космических средств наблюдения только для обнаружения техногенных и некоторых видов природных объектов, для которых характерны стабильные спектральные характеристики. Так, например, наиболее просто дистанционному обнаружению поддаются нарушения растительного покрова, обусловленные физическими воздействиями на него (лесные вырубки, гари, подтопления).
Для решения задач мониторинга состояния лесов в перспективе было бы достаточно двух-трех типов КА. Первый тип КА - геостационарный, позволяющий осуществлять контроль лесных пожаров. В настоящее время это достаточно успешно делается на основе информации, получаемой от КА типа ^АА (США). В 2006 г. ожидается запуск российского геостационарного КА ДЗЗ «Электро-Л», оснащенного многозональным сканером, работающим в 3 каналах видимого и 7-9 каналах ИК-диапазона. Причем этот КА должен быть выведен в точку стояния 76°в.д., откуда наилучшим образом обозревается вся территория России. Естественно было бы использовать этот КА в целях мониторинга лесных пожаров.
Второй и третий типы - соответственно низкоорбитальные (высота орбиты - 600-1000 км) КА оптико-электронного и радиолокационного наблюдения. В настоящее время на орбите находятся два российских КА ДЗЗ оптико-электронного наблюдения: метеорологический и природно-ресур-сный КА «Метеор-ЗМ» № 1 (ВД) и КА двойного назначения «Аркон-1» № 2 (ВД и ближний ИК-диапазон). Средств радиолокационного наблюдения в настоящее время у России нет.
В перспективе задачи мониторинга состояния лесов, возлагаемые на низкоорбитальные КА, могут решаться [6]:
- КА комплексной космической системы «Монитор» (запуск первого КА - 2005 г.), в составе которой должны быть КА как оптико-электронного, так и радиолокационного наблюдения;
- КА оптико-электронного наблюдения «Ресурс-ДК», запуск - июнь 2006 г.;
- КА радиолокационного наблюдения системы «Кондор-Э», запуск - конец 2003 - начало 2004 г.;
- КА радиолокационного наблюдения «Аркон-2» № 1, запуск - 2007 г.;
- малыми и микро- КА разработки ВНИИЭМ и ЦНИИМАШ.
Необходимо отметить, что в ближайшие несколько лет в ГКНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» будет создан КА «Ресурс-ДК1» № 2, дополнительно оснащенный радиолокационным комплексом высокого разрешения (ВРЛК), что позволит вести круглосуточное всепогодное наблюдение земной поверхности в видимом и сверхвысокочастотном диапазонах спектра. Кроме того, КА «Ресурс-ДК1» с радиолокационным комплексом сможет проводить синхронную съемку поверхности Земли одновременно в видимом и СВЧ-диапазонах электромагнитного спектра с высокими характеристиками пространственного разрешения. В этом случае КА второго и третьего рассматриваемых типов объединяются в один.
Таким образом, систему мониторинга состояния лесов в настоящее время можно было бы построить на базе информации ДЗЗ, получаемой с КА серии NOAA (США), а также - с КА «Ме-теор-3М» № 1 и «Аркон-1» № 2. В более отдаленной перспективе могут быть рассмотрены, на наш взгляд, три варианта:
1. NOAA + КА комплексной космической системы «Монитор».
2. NOAA + КА комплексной космической системы «Монитор» + КА системы «Кондор-Э».
3. «Электро-Л» + «Ресурс-ДК1» № 2.
Библиографический список
1. Белов, С.В. Аэрофотосъемка лесов / С.В. Белов. - М.-Л: АН СССР, 1959. - 256 с.
2. Виноградов, Б.Ф. Аэрокосмический мониторинг лесов / Б.Ф. Виноградов. - М.: Наука, 1984. - С. 161-170.
3. Выгодская, Н.Н. Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности / Н.Н. Выгодская, И.И. Горшкова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 248 с.
4. Жирин, В.М. Дистанционное зондирование при изучении динамики лесных экосистем за рубежом / В.М. Жирин // Обзор. информ. (Лесоводство и лесоведение. Вып. 2) - М.: ВНИИЦлесресурс, 1993. - 40 с.
5. Исаев, А.С. Основные направления исследований лесных ресурсов Сибири с помощью аэрокосмических средств / А.С. Исаев, Ф.И. Плешиков // Исследование лесов аэрокосмическими методами. - Новосибирск: Наука, 1970. - С. 3-9.
6. Киселев, А.И. Космонавтика на рубеже тысячелетий: итоги и перспективы / А.И. Киселев, А.А. Медведев, В.А. Меньшиков. - М: Машиностроение - Полет, 2002. - С. 729.
7. Постановление коллегии Рослесхоза от 19 октября 1993 г. «Лесной мониторинг в России». - М., 1993.
8. Харин, Н.Г. Лесохозяйственное дешифрирование аэрофотоснимков / Н.Г. Харин. - М.: Наука, 1965. - 138 с.
