Институт географии, геологии, туризма и сервиса
Кафедра геоинформатики
Допустить к защите
Заведующий кафедрой
проф., д-р геогр. наук
____________ А.В. Погорелов
(подпись)
______________2020 г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА)
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЛАНДШАФТОВ В РАМКАХ ПРОЕКТА
«ЗЕЛЁНАЯ КИТАЙСКАЯ СТЕНА»
Работу выполнил _______________________________________ С.Ю. Осипов
(подпись)
Направление подготовки 05.03.03 «Картография и геоинформатика»
Направленность (профиль) геоинформатика
Научный руководитель
ст. преп., канд. геогр. наук _______________________________ Д.А. Липилин
(подпись)
Нормоконтролер,
доц., канд. геогр. наук ____________________________________ А.Н. Пелина
(подпись)
Краснодар
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................................................................. 3
1 Проект «Зеленая китайская стена»................................................................ 7
1.1 Предпосылки разработки....................................................................... 7
1.2 Основные подходы проектирования...................................................... 10
1.3 Проекты-аналоги..................................................................................... 14
2 Обзор технических средств анализа.............................................................. 20
2.1 Спутниковые съемки................................................................................ 20
2.2 Анализ растительного покрова на основе вегетационных индексов.... 27
2.3 Программное обеспечение...................................................................... 33
3 Анализ изменения ландшафтов при реализации проекта............................ 37
3.1 Объект исследования............................................................................... 37
3.2 Информационное обеспечение анализа.................................................. 40
3.3 Расчеты и картографирование показателей вегетационного индекса... 45
3.4 Анализ полученных результатов............................................................ 54
Заключение........................................................................................................ 58
Список использованных источников................................................................ 60
ВВЕДЕНИЕ
По определению, прописанному в Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием, опустынивание определяется как «деградация земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах в результате действия различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека» [9].
Опустынивание, или дезертификация, является одной из самых серьезных и опасных экологических проблем на протяжении уже многих сотен лет. Наступления пустынь были одной из главных причин упадка и гибели многих древних плодородных государств в районе Междуречья и северной Африки. Так, опустынивание сыграло немаловажную роль в падении Карфагена во II в. до н.э. [13]. Но особенно ярко последствия этого катастрофического явления стали заметны в течение последнего века – со времени массового развития промышленности.
Данные Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде говорят о том, что около четверти всей площади суши подвержены угрозе опустынивания. В этих регионах проживает более 250 млн человек – это жители севера Китая, региона Сахеля, Австралии и многих других территорий. Также наступающие пустыни приводят к существенному уменьшению продуктивности плодородных пахотных территорий, что, в свою очередь, ставит под угрозу получение источников средств существования более 1 млрд человек, проживающих более чем с сотне стран по всему миру. Опустынивание может быть вызвано продолжающимися засухами, однако основной причиной, связанной с возникновением подобного экологического бедствия, является деятельность человека. Побудителями дезертификации зачастую служат чрезмерная вырубка леса, избыточная обработка пахотных территорий, недостаточное дренирование, перепас скота и многие другие антропогенные процессы.
В 1994 г. урегулированию проблемы дезертификации была посвящена Конвенция Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием в тех странах, которые испытывают серьезную засуху и/или опустынивание, особенно в Африке [9]. На соглашении, подписанном 186 странами, основана вся работа по борьбе с опустыниванием по всему миру. Основная часть работ посвящена улучшению качества почв и увеличению их плодородия, разумному пользованию землями, а также рациональному потреблению водных ресурсов. В Конвенции отражены критерии создания национальных программ странами, подвергнувшимися влиянию опустынивания. Беспрецедентная для тех времен роль в разработке и реализации планов действий соглашением была отведена неправительственным организациям. Также в документе было акцентированно внимание на важности причастности жителей и формировании благоприятных условий для жизни местного населения.
Различные структуры Организации Объединенных Наций оказывают помощь в реализации плана по борьбе с опустыниванием. Финансированием мер по предупреждению распространения пустынь на новые территории занимается Программа развития Организации Объединенных Наций (ПРООН). Этой структурой был организован Центр по освоению засушливых земель в столице Кении, Найроби. Организация занимается помощью в разработке политических мер и консалтингом в сфере технических и организационных вопросов касаемо борьбы с опустыниванием и эксплуатацией пораженных территорий. Специальная программа Международного фонда сельскохозяйственного развития (МФСР) также выделила более 700 млн долларов США на проекты в 25 странах мира, находящимися под угрозой дезертификации. Многочисленные местные и региональные программы, призванные предотвратить негативное влияние пустыни на неустойчивые регионы, спонсируются Всемирным банком и Программой ООН по окружающей среде – ЮНЕП.
По итогам саммита ООН в Бразилии 16 августа 2010 г., период с 2010 по 2020 гг. был объявлен Десятилетием, посвященным пустыням и борьбе с опустыниванием [15]. По планам, в течение этих десяти лет планировалось простимулировать меры, направленные на увеличение осведомленности общественности о проблемах, связанных с распространением пустынь и путями их решения, а также о необходимости оказания помощи регионам, наиболее подверженным пагубному воздействию опустынивания, на территории которых постоянно проживает около трети всего населения планеты.
Несмотря на проводимые ранее мероприятия, плодородные земли, пригодные для сельскохозяйственной обработки и жизнедеятельности человека вообще, сохраняют отрицательную тенденцию и продолжают сокращаться, ставя под вопрос продовольственную безопасность и служа источниками экономических и гуманитарных кризисов. Генеральный секретарь ООН Пан Ги Мун в послании, связанным с началом Десятилетия, посвященного пустыням и борьбе с опустыниванием, отметил: «Продолжение деградации – будь то из-за изменения климата, ненадлежащего ведения сельского хозяйства или плохого управления водными ресурсами – представляет собой угрозу продовольственной безопасности, ведущей к голоду среди наиболее затронутых общин и к утере плодородных земель» [14].
Опустынивание и засуха являются проблемами всемирного масштаба. На текущий момент отрицательным последствиям процесса дезертификации подвергаются около 3,5 млрд га земли по всей планете, что составляет около 25% суши. Все негативные процессы, побуждающие распространение пустыни, приводят к тому, что дезертификации подвергается около 12 млн га земли ежегодно – это территория, по площади примерно равная Греции.
Описанные выше меры поддержки различными международными, государственными и неполитическими организациями сделали возможными разработку и реализацию крупных программ, направленных на остановку распространения пустынь. Среди всех прочих следует выделить один из самых больших и амбициозных подобных проектов – «Зеленая китайская стена».
Проект «Зеленая китайская стена» нацелен на остановку расширения пустынь в северных регионах Китайской Народной Республики. Официальное английское название программы – The Three-North Shelterbelt Development Program – можно перевести как «Программа развития трех северных защитных поясов». Программа является крупнейшим проектом озеленения в истории человечества. Предположительно, она является наилучшим способом остановки дезертификации северных регионов Китая, обладающих аридным климатом и имеющих довольно высокую плотность населения.
Цель данной выпускной квалификационной работы состоит в анализе трансформации ландшафтов (растительного покрова), измененных в ходе программы «Зеленая китайская стена». Для достижения цели будет рассчитан и проанализирован индекс растительности северных территорий Китайской Народной Республики, наиболее затронутых пагубным влиянием процесса опустынивания. Для отражения происходящих изменений индекс планируется рассчитать за два года (2000 и 2019 гг.) в границах репрезентативных участков.
Актуальность проводимой работы заключается в наблюдении за изменением состояния земель, бывших под воздействием дезертификации, а также анализе эффективности проводимых мероприятий. Кроме того, в ходе анализа будет определена эффективность предлагаемой методики мониторинга «Зеленой китайской стены».
1 Проект «Зеленая китайская стена»
1.1 Предпосылки разработки
Территория Китайской Народной Республики, равно как и многие другие области планеты, подвергается воздействию одной из самых опасных экологических проблем, являющейся последствием деятельности человечества – опустыниванию. Сельское хозяйство, развивающееся стремительными темпами, но использующее устаревшие методики, эксплуатирует плодородные почвы сверх пределов их ресурсообеспеченности, полностью истощая весь запас минеральных веществ и нарушая их структуру. И так немногочисленные территории, занятые растительностью, еще сильнее сокращаются вследствие выбивания пастбищ и выпаса скота, а так же массовой вырубки леса, что приводит к потере устойчивости к воздействию эрозии.
Также свою роль играют и огромные темпы роста местного населения, влекущие за собой бесхозяйственность в использовании водных запасов и увеличение необходимых площадей для возделывания сельскохозяйственных культур. Сельское хозяйство, в свою очередь, требует еще большего потребления водных ресурсов. Эта проблема решается благодаря возведению новых плотин и артезианских скважин, которые являются причиной понижению водоносности рек и понижению уровня грунтовых вод. В отдельных случаях, водоток не доходит до моря, истощаясь ранее. Так, например, Хуанхэ, вторая по протяженности река Китая и одна из самых длинных рек мира, более шести месяцев ежегодно в низовьях остается практически безводной [7].
На развитие опустынивания оказывает влияние и ударное развитие промышленности Китая. В 1949 г., к моменту образования Китайской Народной Республики, лесные территории занимали более 8% всей территории государства. Но индустриализация привела к увеличению спроса на топливо, и эта нужда была удовлетворена наиболее простым и дешевым путем – повышением вырубки лесов.
В совокупности это приводит к тому, что рано или поздно плодородный растительный слой либо смывается дождем, либо увядает и уносится воздушными потоками, превращая некогда плодородные почвы в песчаные дюны.
Климат территорий, подвергнутых процессу опустынивания, разительно изменился. В большинстве густонаселенных городов, расположенных в зоне дезертификации, средние показатели температуры увеличились на несколько градусов. Так, в городе Урумчи, столице Синьцзян-Уйгурского автономного района, крупнейшего региона КНР, средняя температура июля повысилась с +20,7°C в 1970 г. до +23,9°C в 2015 г. Из-за изменений климата поднимается уровень моря – в среднем на 3,3 мм в год [8]. Также в северных и западных провинциях Китая воздух стал заметно менее прозрачным и приобрел посторонние запахи, вызванные содержанием в составе пылевых облаков токсичных веществ. Смог во многих мегаполисах Китая превратился в ординарное, к сожалению, совсем не безопасное явление и даже приобрел ироничное название – «Великий китайский смог» (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – Многодневный смог в Пекине
Правительство Китайской Народной Республики в последние десятилетия обеспокоено песчаными бурями, приходящими с территории соседней Монголии, которые, в первую очередь, поражают северные и западные территории страны, расположенные непосредственно у границ пустынь, среди которых третья по величине пустыня планеты – Гоби. Из-за опустынивания КНР ежегодно лишается более 1500 км² плодородных территорий. Всего около полумиллиарда человек ощущают следствие процесса дезертификации, в число которых входит население, проживающее не только на территории Китая, но и жители близлежащих Японии, КНДР и Республики Корея. Последние подвергаются негативному воздействию монгольских пыльных бурь, по причине которых в данных странах стали нередки грязевые дожди и замусоривание водотоков (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Пыльная буря над Желтым морем
Монгольские песчаные бури, поэтически названные жителями Китая «желтыми драконами Монголии», порой бывают достаточно сильны, чтобы пересечь океан. Так, в 2001 г. одна из сильнейших пыльных бурь за всю историю наблюдения перенесла песок с территории Китая через Тихий океан на западное побережье [4].
В настоящее время регионы, так или иначе оказавшиеся под воздействием дезертификации (в том числе и сами пустыни) занимают площадь примерно 2,6 млн км² – около 28% всей территории Китайской Народной Республики.
Но, не обращая внимания на заявления критиков, правительство КНР использует проект Зеленой стены в качестве мощного инструмента предотвращения глобального потепления, доказывая всему миру, что Пекин готов на самые решительные шаги ради снижения объемов выбросов двуокиси углерода. До завершения проекта остается 30 лет, и только время позволит оценить его подлинную эффективность и понять, можно ли таким образом решить наиболее острые экологические проблемы.
1.2 Основные подходы проектирования
Идея крупного проекта озеленения, нацеленного на предупреждение опустынивания западных и северных территорий страны, впервые возникла у Госсовета КНР в конце 1970-х гг. В 1978 г. Правительством Китая был ратифицирована программа, направленная на предотвращение засухи путем искусственной засадки засухоустойчивыми растениями около 350 тыс. км² площади страны, что сопоставимо с площадью Германии.
Проект получил название «Зеленая китайская стена». Название программы взято по аналогии с Великой Китайской стеной, крупным фортификационным сооружением протяженностью 8850 км, возведенным в VII в. до н.э. для отделения Поднебесной от монгольских степей. Оба проекта играют схожие роли: многовековое сооружение предотвращало проникновение на территорию Китая захватчиков с севера, а современный проект призван оградить страну от пыльных бурь. Местные жители называют разработанную программу «Укрощение желтого дракона». Территория, на которую распространяется программа, изображена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 – Территория, затрагиваемая национальной программой
«Зеленая китайская стена»
Зеленую китайскую стену от древней постройки отличает то, что проводимая программа является одним из самых крупных проектов планеты, направленных на создание длинного зеленого пояса, засаженного деревьями и засухоустойчивыми растениями, протяженностью свыше 4500 км. Цель программы сводится к остановке разрастания пустыни Гоби и уменьшению количества выбрасываемого в атмосферу углекислого газа на многие миллионы тонн. Согласно плану, к середине века территория, занятая лесами, увеличится с 5% до 15% от общей площади КНР.
Лесные насаждения как нельзя лучше предназначены для снижения скорости ветра и противодействия эрозии почвы. Растения мешают распространению песка и ветра, их корни укрепляют структуру почвы и противостоят ее эрозии. Северные и западные провинции Китая характеризуются достаточно засушливым климатом – среднегодовое количество осадков на этих территориях редко превышает 200 мм. Поэтому в данных условиях для насаждаемых растений важен быстрый рост и устойчивость к воздействию пыльных бурь. По причине этого в качестве высаживаемого материала были выбраны неприхотливые быстрорастущие виды деревьев – в основном это лиственницы, тополи и эвкалипты. В обозримых планах использовать генетически модифицированные или клонированные тополя [2]. Монокультурам присуща повышенная уязвимость для заболеваний и вредителей, поэтому в основном создаются смешанные леса.
Используется несколько вариантов процесса озеленения. В более традиционном методе проводится срывание песчаных дюн и сглаживание земли спецтехникой, затем производится высаживание растений, как правило, вручную. Иной метод же предполагает высевание семян путем сброса с летящих самолетов (сидбомбинг) [10]. Такие семена уже должны находиться на начальной стадии созревания и быть завернутыми в массу из суглинка (рисунок 1.4). Вторым способом на текущий момент озеленены более 1000 км². Этот метод стал новаторским и был выведен Поднебесной на коммерческий уровень.
Рисунок 1.4 – Шарики из суглинка с семенами для сидбомбинга
Начало нового тысячелетия было ознаменовано изменениями в правовой сфере Китайской Народной Республики. В 2003 г. стартовала структурная реформа предприятий лесной промышленности. Изменения стали существенными: лесные территории на арендной основе передавались в пользование крестьянам, чьи права юридически свидетельствовались, что делало каждого крестьянина собственником посаженных им лично растений. Помимо этого, крестьяне получили право работы на облагаемой налогом земле, а также приобрели возможность передачи права пользования сторонним лицам и организациям. Проведенная реформа послужила огромным толчком в развитии программы и побудила крестьян вкладывать средства и силы на посадку лесов.
В рамках проводимой реформы было издано предписание, согласно которому каждый гражданин Китайской Народной Республики возрастом от 11 до 60 лет обязан ежегодно проводить высадку, по меньшей мере, трех деревьев – тополей, лиственниц или эвкалиптов. В качестве альтернативы посадке деревьев существует возможность оплаты соответствующего налога. Уже более 30 лет ежегодно 12 марта отмечается праздник посадки деревьев (рисунок 1.5). За период с начала действия указа гражданами Китая было высажено более 50 млрд деревьев.
Рисунок 1.5 – День посадки деревьев в Китае
Благодаря общим усилиям властей и жителей Китая, в настоящее время «Зеленая китайская стена» простирается на территории 6 провинций и занимает площадь около 240 000 км², что немногим меньше площади Великобритании. По некоторым данным [18], высаженные леса значительно сократили количество пыльных бурь и ежегодно удерживают около 200 млн тонн песка. Во многих регионах уже очевидны результаты проводимой программы: области, жителям которых ежедневно приходилось очищать свои владения от результатов пыльных бурь, стали снова пригодными для спокойной жизни, а сами бури уменьшили свое негативное воздействие, став менее разрушительными.
В сравнении с концом 1970-х гг. лесные территории Поднебесной увеличились практически вдвое. Некоторые области до сих пор подвержены негативному влиянию дезертификации. Но, несмотря на это, за период с 2005 по 2010 гг. площадь годового опустынивания впервые в истории проекта снизилась до 1300 км², что соизмеримо площади Лос-Анджелеса. На конец прошлого десятилетия на территории КНР были расположены более 1750000 км² лесов, в число которых входит самая крупная на планете территория восстановленных лесных насаждений.
1.3 Проекты-аналоги
Опустынивание нельзя назвать проблемой, присущей только Китаю. Негативные последствия процесса дезертификации наблюдаются по всей планете. Более 40% земной суши занято аридными территориями. В этих областях проживает около 3 млрд человек, свыше 90% которых – граждане развивающихся стран. Таким государствам присущ менее развитый аграрно-промышленный комплекс, равно как и социально-правовая структура. В странах, расположенных в засушливых регионах, детская смертность разительно выше среднемировой [6], а уровень валового национального продукта на душу населения ниже в сравнении с остальным миром. В аридных областях, по причине больших проблем с доступом к воде, в том числе и питьевой, сильно распространена нищета.
По перспективе, описанной Организацией Объединенных Наций, под опасностью воздействия дезертификации находится свыше миллиарда человек и примерно третья часть территорий, эксплуатирующихся в сельскохозяйственных целях. В первую очередь подобным процессам подвержены огромные территории Северной Африки и Ближнего Востока, Юго-Восточная и Средняя Азия, Австралия, западные регионы обеих Америк, а также Средиземноморское побережье Европы, в основном Пиренейский полуостров. Некоторые меры предпринимаются локально, например, в Тунисе создаются противопустынные сооружения (рисунок 1.6). Эти регионы занимаются местными и международными проектами, призванными остановить опустынивание плодородных территорий.
Рисунок 1.6 – Противопустынные сооружения в Северной Африке
Крупнейшей из подобных программ можно назвать план «Великая зеленая стена» – проект Африканского союза, нацеленный на уменьшение отрицательного влияния дезертификации на территории, расположенные южнее пустыни Сахары. Проект заключается в посадке линии растительности длиной более 7700 км и шириной около 15 км. Полоса будет тянуться от Атлантического побережья до Красного моря – от Сенегала до Джибути. В программе уже задействовано 21 государство северной и центральной Африки [5].
Главной целью посадки подобной лесополосы является защита почв от опустынивания и эрозии. Регулированием работ по возведению «Великой зеленой стены» занимается Сенегал. Ожидается, что помимо улучшения экологической ситуации в регионе существенно возрастут и доходы местного населения. Глобальный экологический фонд, объединяющий 182 государства, выделил на осуществление программы 120 млн долларов.
Растительная стена соединит столицу Сенегала Дакар на Атлантическом побережье с городом Джибути на берегу Красного моря. Сооружение расположится на территории 11 стран: Сенегала, Мавритании, Мали, Буркина-Фасо, Нигера, Нигерии, Чада, Судана, Эритреи, Эфиопии и Джибути. План будущей стены изображен на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 – Великая зеленая стена в Северной Африке
По состоянию на 2019 г. программа против опустынивания реализована всего лишь на 15%, но это уже дало возможность убедиться в целесообразности возведения стены – сооружение справляется со своей задачей. На территории Нигерии воссозданы более 5 млн га деградировавших земель, в Эфиопии засухоустойчивыми растениями засажено уже свыше 15 млн га, а в Сенегале – около 12 млн га.
Итоговая цель программы состоит в восстановлении 100 млн га вырожденных земель, абсорбция 250 млн тонн CO2 из атмосферы и создание 10 млн новых рабочих мест в наиболее бедных сельских областях Африки к 2030 г.
Похожий проект был и в отечественной истории. Сталинский план преобразования природы представлял собой программу по научному регулированию природы и проводился в конце 1940-х – начале 1950-х гг. Проект рассчитывался до 1965 г. и предусматривал возведение восьми значительных лесополос в засушливых степных и лесостепных регионах Советского Союза. Общая протяженность насаждаемых полос должна была составить более 5300 км. Решение о принятии подобной программы было побуждено катастрофической засухой и голодом 1946–1947 гг.
Проект был утвержден И.В. Сталиным и подготовлен к реализации постановлением Совмином Советского Союза и ЦК ВКП(б) от 20 октября 1948 г. «О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоемов для обеспечения высоких устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах Европейской части СССР» [17]. Принятая программа была первой в своем роде в мировой истории и не имела прецедентов по обозначенным масштабам.
Проектом подразумевалось создание восьми лесополос общей площадью свыше 110 тыс. га. Насаждения планировались:
1. Вдоль реки Северный Донец от Белгорода до р. Дон – две лесополосы длиной 500 км и шириной 30 м;
2. Вдоль реки Дон от Ростова до Воронежа – две лесополосы длиной 900 км и шириной 60 м;
3. Вдоль реки Урал от Златоуста через Чкалов (ныне Оренбург) до побережья Каспийского моря – шесть лесополос длиной свыше 1000 км и шириной 60 м;
4. От Сталинграда (ныне Волгоград) до Черкесска – четыре лесополосы длиной 570 км и шириной 60 м;
5. Вдоль левого берега Волги от Куйбышева (ныне Самара) до Владимировки (Астраханская область) – четыре лесополосы длиной 580 км и шириной 60 м;
6. Вдоль водораздела рек Волги и Иловли в направлении Сталинград – Камышин – три лесополосы длиной 170 км и шириной 60 м;
7. Вдоль водораздела рек Медведица и Хопра в направлении Пенза – Каменск – три лесополосы длиной 600 км и шириной 60 м;
8. Вдоль Волги от Саратова до Астрахани – две лесополосы длиной 900 км и шириной 100 км.
Художественное изображение плана программы дано на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 – Сталинский план преобразования природной среды в европейской части СССР
Основной целью проводимой программы была борьба с повторяющимися засухами и пыльными бурями путем высадки защитных лесополос и введения травопольных севооборотов в южных областях Советского Союза.
Благодаря проведенной работе разительно уменьшилось негативное влияние пыльных бурь и суховеев, а также значительно увеличилась урожайность зерновых и овощей.
В 1953 г., после смерти И.В. Сталина, реализация проекта была приостановлена на неопределенный срок, многие лесополосы были вырублены. Однако, несмотря на деградацию, лесополосы до сих пор выполняют ветро- и снегозадерживающие функции.
2 Обзор технических средств анализа
2.1 Спутниковые съемки
Программа Landsat является самой продолжительной программой по получению спутниковых снимков Земли. Это совместный проект Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Геологической службы США (USGS) [26]. 23 июля 1972 г. был запущен ERTS – Earth Resources Technological Satellite (Технологический спутник земных ресурсов), впоследствии переименованный в Landsat (рисунок 2.1). Последний на текущий момент, Landsat 8, был запущен 11 февраля 2013 г. Приборы, установленные на спутниках Landsat, произвели миллиарды снимков. Эти изображения, созданные в Соединенных Штатах и на станциях обработки данных Landsat по всему миру, являются уникальным ресурсом для исследований глобальных изменений и их применения в сельском хозяйстве, картографии, геологии, лесном хозяйстве, региональном планировании, а также могут быть просмотрены и получены через веб-сайт Геологической службы США (USGS). Например, данные Landsat 7 имеют восемь спектральных полос с пространственным разрешением от 15 до 60 м, временное разрешение составляет 16 суток. Снимки Landsat обычно делятся на сцены для удобства загрузки. Каждая такая сцена имеет около 185 км в длину и 185 км в ширину.
В конце 1970-х гг. научно-исследовательский центр Hughes Santa Barbara приступил к разработке и созданию трех мультиспектральных сканеров (Multi-Spectral-Scanners – MSS). К октябрю 1970 г. были изготовлены первые прообразы MSS, впоследствии протестированные в национальном парке Йосемити.
Джим Кодак, инженер в сфере оптико-механических систем, спроектировал изначальную оптическую структуру MSS. Также Кодак известен тем, что им был разработан первый оптический прибор, покинувший пределы Солнечной системы – камера, установленная на космических аппаратах программы Пионер [23].
Рисунок 2.1 – Космический аппарат Landsat-1 (1972 г.)
Изначально программа носила название Earth Resources Observation Satellites (Спутники наблюдения за ресурсами Земли), но в дальнейшем была переименована. Джимми Картер, 39-й президент США, в 1979 г. издал Директиву №54, по которой управление программой было передано Национальному управлению океанических и атмосферных явлений (NOAA). Также в документе была отмечена рекомендация по разработке долгосрочной программы с еще четырьмя аппаратами после Landsat 3. Также было рекомендовано произвести передачу проекта в частный сектор. В середине 1980-х гг. группа из трех крупных компаний – Earth Observation Satellite Company (EOSAT), Hughes Aircraft и RCA – на десятилетний срок была отобрана NOAA для координации программы Landsat. Так, Landsat-4 и Landsat-5 находились под управлением EOSAT. Организация обладала исключительными правами на коммерческое использование данных, полученных этими двумя спутниками, а также внесла существенный вклад в создание следующих двух аппаратов – Landsat-6 и Landsat-7.
В 1989 г. Национальным управлением океанических и атмосферных явлений было принято решение о закрытии Landsat-4 и Landsat-5. Причина сворачивания программы состояла в недостаточном финансировании проекта Конгрессом.
В результате запуска спутника Landsat-6 5 октября 1993 г. произошла авария, и аппарат был утерян. Это послужило возобновлению эксплуатации спутников Landsat-4 и Landsat-5 и обработке производимых ими данных. 15 апреля 1999 г. NASA запустило Landsat-7, работа которого ведется до сих пор.
В октябре 1992 г. Конгрессом США была признана ценность программы Landsat. Тогда же был принят Закон о политике в области дистанционного зондирования Земли (Land Remote Sensing Policy Act – Public Law 102-555), по которому доступность снимков и данных программы Landsat была гарантирована по максимально низким ценам для всех пользователей.
Спутники Landsat 1-3 находились на солнечно-синхронной субполярной орбите высотой около 900 км. Период обращения спутников составлял 103 минуты, периодичность съемки – 1 раз в 18 дней.
Спутники Landsat 4-8 вели съемку также с солнечно-синхронной субполярной орбиты высотой 705 км. Снижение высоты орбиты привело к уменьшению расстояния, необходимого для полного облета поверхности планеты, что повлекло за собой изменение повторяемости съемки до 1 раза в 16 дней и уменьшение периода обращения, который составил 98,9 минут.
Даты начала и завершения работы серии спутников Landsat, а также продолжительность их работы указаны в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Хронология запусков спутников программы Landsat [24]
| Спутник | Старт | Завершение | Продолжительность |
| Landsat-1 | 23 июля 1972 | 6 января 1978 | 5 лет, 6 месяцев и 14 дней |
| Landsat-2 | 22 января 1975 | 25 февраля 1982 | 7 лет, 1 месяц и 3 дня |
| Landsat-3 | 5 марта 1978 | 31 марта 1983 | 5 лет и 26 дней |
| Landsat-4 | 16 июля 1982 | 14 декабря 1993 | 11 лет, 4 месяца и 28 дней |
| Landsat-5 | 1 марта 1984 | 5 июня 2013 | 29 лет, 3 месяца и 4 дня |
| Landsat-6 | 5 октября 1993 | 5 октября 1993 | 0 дней (утерян) |
| Landsat-7 | 15 апреля 1999 | Активен | 21 год, 2 месяца и 16 дней |
| Landsat-8 | 11 февраля 2013 | Активен | 7 лет, 4 месяца и 20 дней |
На спутниках программы Landsat было установлено следующее съемочное оборудование:
– мультиспектральные видеокамеры RVB (Return Beam Vidicion) – использовалась на Landsat 1-3, разрешение 80 м;
– панхроматические видеокамеры RVB – Landsat-3, разрешение 40 м;
– сканирующий мультиспектральный сканер MSS – Landsat 1-5;
– сканирующий тематический сканер TM – Landsat 4-5;
– улучшенный тематический сканер ETM – Landsat-6.
На до сих пор эксплуатируемом спутнике Landsat-7 был установлен тематический сканер плюс ETM+. Характеристики спектральных каналов сканера даны в таблице 2.2. У аппарата есть три компаньона, движущихся по сходным орбитам с интервалом в несколько минут от самого Landsat-7 – это спутники Earth Observing-1, SAC-C и Terra. Данную группу неофициально называют «утреннее созвездие», так как съемка производится в утренние часы – около 10:00 по местному времени.
Таблица 2.2 – Характеристики спектральных каналов инструмента ETM+
| Спектральный канал | Длина волны, мкм | Разрешение, м |
| Канал 1 – синий (Blue) | 0,45 – 0,52 | |
| Канал 2 – зеленый (Green) | 0,52 – 0,60 | |
| Канал 3 – красный (Red) | 0,63 – 0,69 | |
| Канал 4 – ближний ИК (Near Infrared, NIR) | 0,77 – 0,90 | |
| Канал 5 – ближний ИК (Shortwave Infrared, SWIR 1) | 1,55 – 1,75 | |
| Канал 6 – тепловой (Shortwave Infrared, SWIR 2) | 10,40 – 12,50 | |
| Канал 7 – ближний ИК (Thermal Infrared, TIR) | 2,09 – 2,35 | |
| Канал 8 – панхроматический (Panchromatic, PAN) | 0,52 – 0,90 |
На последнем, на данный момент запущенном спутнике Landsat-8 (рисунок 2.2) были установлены два новых устройства – Operational Land Imager (OLI) и Thermal InfraRed Sensor (TIRS). Один из первых снимков, произведенных спутников, изображен на рисунке 2.3.
OLI является основным инструментом из установленных на спутнике и работает в девяти спектральных диапазонах, семь из которых уже использовались предыдущими аппаратами программы. За счет этого обеспечивается совместимость с более ранними данными. Было добавлено два новых диапазона – канал 1 (темно-синий и фиолетовый) для изучения аэрозолей и прибрежных вод, а также канал 9 (ближний инфракрасный) для облегчения обнаружения облаков на снимках.
Характеристики диапазонов, в которых OLI ведет съемку, описаны в таблице 2.3.
Рисунок 2.2 – Landsat-8 (2013 г.)
Рисунок 2.3 – Один из первых снимков Landsat-8 [22]
Таблица 2.3 – Характеристики спектральных каналов инструмента OLI
| Спектральный канал | Длина волны, мкм | Разрешение, м |
| Канал 1 – побережья и аэрозоли (Coastal / Aerosol, New Deep Blue) | 0,433 – 0,453 | |
| Канал 2 – синий (Blue) | 0,450 – 0,515 | |
| Канал 3 – зеленый (Green) | 0,525 – 0,600 | |
| Канал 4 – красный (Red) | 0,630 – 0,680 | |
| Канал 5 – ближний ИК (Near Infrared, NIR) | 0,845 – 0,885 | |
| Канал 6 – ближний ИК (Short Wavelength Infrared, SWIR 2) | 1,560 – 1,660 | |
| Канал 7 – ближний ИК (Short Wavelength Infrared, SWIR 3) | 2,100 – 2,300 | |
| Канал 8 – панхроматический (Panchromatic, PAN) | 0,500 – 0,680 | |
| Канал 9 – перистые облака (Cirrus, SWIR) | 1,360 – 1,390 |
TIRS предназначен для съемки в дальнем инфракрасном диапазоне. Получение изображений ведется в двух каналах, 10 и 11, работающих в том же диапазоне, что и TIR на предыдущих аппаратах программы. Характеристики диапазонов съемочного оборудования TIRS описаны в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Характеристики спектральных каналов инструмента TIRS
| Спектральный канал | Длина волны, мкм | Разрешение, м |
| Канал 10 – дальний ИК (Long Wavelength Infrared, TIR1) | 10,30 – 11,30 | |
| Канал 11 – дальний ИК (Long Wavelength Infrared, TIR2) | 11,50 – 12,50 |
На данный момент ведется работа над спутником Landsat-9, запуск которого намечен НАСА на апрель 2021 г. [25]. На аппарате будут установлены улучшенные датчики OLI-2 и TIRS-2.
2.2 Анализ расти