Спутниковый экологический мониторинг

Во всем мире исследования Земли из космоса приобретают всеобъемлющий характер. Наиболее информативным методом для решения задач дистанционного исследования поверхности Земли из космоса является использование и тематический анализ изображений, полученных приборными комплексами различных частотных диапазонов, установленных на космических аппаратах. Целый ряд спутников, оснащенных приборами дистанционного зондирования (радиолокаторами, скаттерометрами, радиометрами и оптической техникой), выведены на орбиту специально для получения разносторонней геофизической информации, необходимой для оценки состояния окружающей среды и для природо-ресурсных исследований. Для космического экологического мониторинга целесообразно ориентироваться прежде всего на полярно-орбитальные метеорологические спутники, как на отечественные аппараты (спутники типа "МЕТЕОР", "ОКЕАН" и "РЕСУРС"), так и на американские спутники серии NOAA. Остановимся на характеристиках указанных спутников.

Американские метеорологические спутники серии NOAA снабжены многозональной оптической и ИК аппаратурой, а именно радиометром высокого разрешения AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Космические аппараты NOAA запускаются на полярные орбиты высотой порядка 700 км над поверхностью Земли с наклонением 98,89 градусов. Радиометр высокого разрешения ведет съемки поверхности Земли в пяти спектральных диапазонах: 580–680 нм, 725–1100 нм, 3550–3930 нм, 10300–11300 нм и 11400–12400 нм. Космические съемки проводятся с пространственным разрешением 1100 м и обеспечивают полосу обзора шириной 2700 км.

Российские спутники серии «РЕСУРС–01» принадлежат Федеральной службе России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Росгидромет). Океанографический спутник «РЕСУРС–01» обеспечивает получение многозональной космической информации высокого и среднего разрешения. Параметры орбиты спутника «РЕСУРС–01»: круговая солнечно-синхронная орбита высотой 678 км, период обращения 98 мин с наклонением 98,04 градуса. В состав бортового информационного комплекса входят два сканера видимого и ближнего инфракрасного диапазонов со следующими характеристиками:

1. Многоканальное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-Э с пространственным разрешением 35х45 м. Полоса обзора составляет 45 км, съемка осуществляется в 3 спектральных каналах 500–600 нм, 600–700 нм и 800–900 нм.

2. Многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения МСУ-СК с пространственным разрешением 150х250 м. Полоса обзора достигает 600 км. Съемка проводится в 5 спектральных каналах: 500–600 нм, 600–700 нм, 700–800 нм, 800–1100 нм и 10400–12600 нм.

Размеры видеоизображения составляют 1000 элементов на 1100 строк для МСУ–Э и 1800 элементов на 1500 строк для МСУ–СК.

Космическая гидрометеорологическая система «Метеор-3», также принадлежащая Росгидромету, обеспечивает глобальный экологический мониторинг территории России. Параметры орбиты спутника «Метеор»: приполярная круговая орбита высотой около 1200 км, наклонение 82,5 градуса. Комплекс научной аппаратуры позволяет оперативно 2 раза в сутки получать изображения облачности и подстилающей поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах, данные о температуре и влажности воздуха, температуре морской поверхности и облаков. Осуществляются также мониторинг озоносферы и геофизический мониторинг.

В состав бортового комплекса спутника входят сканирующий десятиканальный ИК-радиометр с пространственным разрешением 35х35 км (спектральный диапазон 9,65–18,7 мкм, полоса обзора 400 км), а также ИК-радиометр для глобального обзора и передачи данных на АППИ с пространственным разрешением 3х3 км (спектральный диапазон 10,5–12,5 мкм, полоса обзора 3100 км).

В составе бортового комплекса имеется также сканирующая ТВ-аппаратура с системой запоминания данных на борту для глобального обзора и сканирующая ТВ-аппаратура для передачи данных на АППИ.

Подробное описание системы «Метеор» представлено на сервере SPUTNIK ИКИ РАН и НИЦ "ПЛАНЕТА" Росгидромета. Российская космическая система «ОКЕАН-0» обеспечивает получение радиолокационных, микроволновых и оптических изображений земной поверхности в интересах морского судоходства, рыболовства и освоения шельфовых зон Мирового океана. Одной из основных задач спутника является освещение ледовой обстановки в Арктике и Антарктике, обеспечение проводки судов в сложных ледовых условиях. Параметры орбиты спутника: приполярная круговая орбита высотой 600–650 км, наклонение 82–83 градуса. Поток информации в условиях облачности и в любое время суток обеспечивается радиолокатором РЛС БО и системой сбора информации от автономных морских и ледовых станций «Кондор». В состав комплекса бортовой аппаратуры спутника «Океан–01» входят СВЧ-радиометры Р–600 и Р–255, сканирующий СВЧ-радиометр Дельта–2, трассовый поляризационный спектрорадиометр «Трассер», а также комплекс оптической сканирующей аппаратуры, включающий в себя многоканальное сканирующее устройство среднего разрешения МСУ–С (пространственное разрешение – 370 км, полоса обзора – 1100 км, спектральные диапазоны – 0,6–0,7 мкм, 0,8–1,1 мкм) и многоканальное сканирующее устройство малого разрешения МСУ–М (пространственное разрешение 2 км, полоса обзора – 1900 км, спектральные диапазоны – 0,5–0,6 мкм, 0,6–0,7 мкм, 0,7–0,8 мкм, 0,8–1,1 мкм). Подробное описание бортового информационно-измерительного комплекса космического аппарата «Океан–0» представлено на сервере SPUTNIK.

Спутниковые данные дистанционного зондирования позволяют решать следующие задачи контроля состояния окружающей среды:

· Определение метеорологических характеристик: вертикальные профили температуры, интегральные характеристики влажности, характер облачности и т.д.);

· Контроль динамики атмосферных фронтов, ураганов, получение карт крупных стихийных бедствий;

· Определение температуры подстилающей поверхности, оперативный контроль и классификация загрязнений почвы и водной поверхности;

· Обнаружения крупных или постоянных выбросов промышленных предприятий;

· Контроль техногенного влияния на состояние лесопарковых зон;

· Обнаружение крупных пожаров и выделение пожароопасных зон в лесах;

· Выявление тепловых аномалий и тепловых выбросов крупных производств и ТЭЦ в мегаполисах;

· Регистрация дымных шлейфов от труб;

· Мониторинг и прогноз сезонных паводков и разливов рек;

· Обнаружение и оценка масштабов зон крупных наводнений;

· Контроль динамики снежных покровов и загрязнений снежного покрова в зонах влияния промышленных предприятий.

5.2. Наземная инфраструктура мониторинга

Изображения со спутников передаются на Землю в реальном масштабе времени в диапазоне 1700 МГц в режиме HRPT (High Resolution Picture Transmission). Возможность свободного приема спутниковой информации наземными станциями обеспечивается Всемирной Метеорологической Организацией согласно концепции «Открытого неба».

Наземные станции в зоне видимости спутника принимают изображения земной поверхности с радиометрическим разрешением 10 бит, что обеспечивает передачу 1024 градаций яркости в каждом диапазоне. На наземных станциях приема спутниковой информации производится прием, демодуляция, первичная обработка и подготовка спутниковых данных к вводу в персональный компьютер станции. В зоне приема в среднем находятся два спутника серии NOAA, обеспечивая регулярное обновление данных о состоянии окружающей среды.

На территории России в последнее десятилетие активно развивается сеть станций приема спутниковых данных, образующая наземную инфраструктуру регионального экологического мониторинга. В оперативном режиме непрерывных наблюдений работают наземные станции приема данных от спутников NOAA в Москве (Институт космических исследований РАН, ВНИИГОЧС МЧС), Красноярске (Институт леса СО РАН), Иркутске (Институт солнечно-земной физики СО РАН), Салехарде (Госкомитет по охране окружающей среды Ямало-Ненецкого автономного округа), Владивостоке (Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН).

Типовые станции приема сигналов от спутников NOAA состоят из антенной системы с диаметром параболического зеркала 1,8 м и шириной диаграммы направленности 6 градусов, приемника (частота 1700 МГц) и персонального компьютера уровня PC–486 для первичной обработки принимаемых данных. Программное обеспечение позволяет осуществить полный цикл работ от расчета траекторий спутников и от приема и организации хранения данных до тематической обработки спутниковых данных в пределах нескольких часов после момента приема. Станции приема данных спутника «РЕСУРС» имеют зеркало диаметром 160 см и приемник на частоту 8176-8223 МГц. Скорость передачи информации составляет 7,68 Мбит/ сек. Начальная обработка информации проводится на компьютере типа «IBM-PC-Pentium», последующая обработка и архивация данных осуществляется на втором компьютере «Pentium» с магнитооптическим диском емкостью 1,3 Гб.

Спутниковая информация, принимаемая и обрабатываемая наземными станциями, служит основой для повседневного оперативного контроля за состоянием окружающей среды. С их помощью создается система геоэкологического мониторинга региона, в частности, можно осуществить контроль за сохранением границ водоохранных и санитарных зон при отводе земель и рубке леса в регионах, а также за целевым использованием земельных ресурсов.

5.3. Сетевая инфраструктура мониторинга

Современному уровню глобальных программ исследования Земли из космоса должны соответствовать передовые компьютерные инфраструктуры обработки, архивации и обмена спутниковыми данными, развитые телекоммуникационные и информационные системы и хорошо структурированные базы данных космической информации.

Институт космических исследований РАН, Институт радиотехники и электроники РАН и Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН разрабатывают комплексный проект создания интегрированной распределенной информационной системы данных дистанционного зондирования Земли с использованием ресурсов региональных центров приема, обработки и обмена спутниковыми данными, обеспечивая тем самым информационную поддержку программ дистанционного зондирования.

Объединение региональных центров геоэкологического мониторинга целиком основано на Интернет-технологиях и использует, в частности, Российскую научную космическую сеть Интернет RSSI (Russian Space Science Internet), которая была создана в Институте космических исследований РАН в апреле 1993 г при поддержке NASA в рамках Соглашения 1992 г. между США и Российской Федерацией о сотрудничестве в изучении и использовании внешнего космоса для мирных целей. Сеть RSSI обеспечивает возможность оперативного обмена данными с NASA и ESA и выход на информационные ресурсы NASA.

Глобальная компьютерная сеть Интернет обеспечивает сетевой обмен данными дистанционного зондирования Земли и удаленный доступ внешних пользователей к экспериментальным данным и электронным каталогам зарубежных космических программ.

Открытый доступ к пространственно распределенным данным долговременных природо-ресурсных и экологических исследований Земли из космоса реализуется на основе Web-технологий.

В настоящее время внешние пользователи через Интернет взаимодействуют с информационной системой наблюдения Земли из космоса EOSDIS, разработанной в США NASA.

Поисковый сервер EOSDIS базируется на международном стандарте Протокола интероперабельности каталогов (Catalogue Interoperability Protocol - CIP) и позволяет вести поиск одновременно в нескольких каталогах с данными дистанционного зондирования.

5.4. Компьютерные методы обработки спутниковых данных

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радиометрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим основные этапы обработки данных.

Радиометрическая точность обеспечивается системами внутренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для окончательной калибровки данных, должна содержаться в структуре передаваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ.

Обработка данных ДЗ в соответствии с мировой практикой подразумевает несколько уровней обработки, представленных в табл. 5.1.

В общем случае обработка данных дистанционного зондирования включает три этапа:

· предварительную обработку;

· первичную обработку;

· вторичную (тематическую) обработку.

Таблица 5.1

Уровни обработки спутниковых данных

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнения необходимых декодирующих и корректирующих операций происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с КА, непосредственно в изображение или космический снимок (например, синтез радиолокационных изображений из радиоголограмм, переданных по радиолинии), а также преобразование их в форматы, удобные для последующих видов обработки.

На втором этапе проводят радиометрические и геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических и геометрических искажений, вызванных нестабильностью работы космического аппарата (КА) и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение масштаба изображения и представление изображения в необходимой географической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы обработки в настоящее время могут быть выполнены на борту КА.

Третий этап – тематическая обработка – включает как цифровой анализ с применением статистических методов обработки (кластерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тематической обработки с использованием специализированной компьютерной техники, в основном зарубежного производства.

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически корректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразования используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения параметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изменение освещенности и т.п.). Радиометрические преобразования используются также для абсолютной калибровки данных, т.е. для преобразования интенсивности изображения, измеренной датчиком, в значение измеряемых физических параметров (например, перевод цвета изображения в значения содержания хлорофилла).

С помощью геометрических преобразований изменяют геометрию изображения либо корректируют геометрические искажения, вносимые аппаратурой ДЗ. Искажения возникают в результате ограниченности разрешения каждой системы ДЗ, а также вследствие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Геометрические искажения могут быть устранены или существенно уменьшены с помощью соответствующей обработки, если имеются данные, характеризующие положение датчика в пространстве в момент съемки и геометрию подстилающей поверхности. Совмещение и наложение данных – это термины, которыми обозначаются процессы геометрического выравнивания одного множества данных относительно другого. Например, одно множество может быть данными ДЗ океана, другое – картой. Заметим, что существует большое разнообразие данных, которые можно совместить или наложить друг на друга, например, распределение данных ДЗ океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспутниковых измерениях, о метеорологических параметрах и т.п. Масштабирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений – процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы КА.

Представление данных – один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степени зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки.

Сжатие и архивация данных является наиболее важным элементом обработки, так как в процедуре ДЗ приходится обрабатывать огромные потоки данных и хранить обработанную информацию. Путем уменьшения формата или объема данных в коммуникационных системах возможно понизить требования к передаче, хранению и обработке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом.

Под улучшением изображений в широком смысле понимают процедуры улучшения любой разновидности данных, представленных в виде изображения, а в узком – процедуры, улучшающие визуальное восприятие данных, представленных в виде изображения. Все процедуры улучшения изображений могут быть полезны безотносительно того, действительно ли данные ДЗ должны быть визуализированы. Например, фильтрация, позволяющая улучшить выделение контуров или границ, может быть частью более сложной процедуры. Другие операции предназначены для уменьшения различных видов аппаратурных шумов и тем самым могут быть использованы для улучшения последующего классификационного анализа.

Статистические методы применяют для распознавания тех или иных объектов ДЗ и классификации данных с помощью численных методов. Эти методы эффективны для количественных оценок в процедуре дистанционного зондирования.

Результаты, полученные после обработки и анализа данных ДЗ, представляются конечным потребителям в определенном, строго оговоренном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты). Причем пользователи делятся на множество категорий - от так называемых продвинутых пользователей, которые смогут потреблять продукты ДЗ с минимальной обработкой или без обработки вообще, до абсолютно неподготовленных, которым нужны конечные продукты ДЗ в виде таблиц, карт или графиков.

На сегодня в системах обработки данных ДЗ стали стандартом рабочие станции и персональные компьютеры с высокоскоростными процессорами и накопителями большой емкости, что предъявляет соответствующие требования к процедурам обработки данных.

В России одним из развитых архивов данных дистанционного зондирования является Центр обработки и хранения космической информации ИРЭ РАН (ЦОХКИ ИРЭ РАН), созданный в первую очередь для информационной поддержки космической программы «Природа» ЦОХКИ проектировался, создавался и функционирует в настоящее время в оперативном режиме как полностью интероперабельная система с электронным Архивом ДДЗ США - системой NASA EOSDIS V0. Поэтому для ЦОХКИ не существует проблемы доступа со стороны пользователей NASA, а также проблем информационного обмена с системой INFEO (Information on Earth Observations), которая представляет собой Научный архив ДЗЗ, созданный Европейской Комиссией в период действия четвертой Рамочной программы. Анализ запросов по каталогам ЦОХКИ идет в рамках общего опроса (бродкаста) по системе EOSDIS. Разработка программного обеспечения спутниковой природо-ресурсной информации направлена на обеспечение в автоматическом режиме решения следующих задач:

· оперативное наблюдение Земли;

· тематическая обработка ДДЗ и наполнение оболочки электронного архива с целью изучения природных ресурсов Земли;

· геоэкологический мониторинг окружающей среды;

· оценка состояния экосистем космическими методами;

· обеспечение доступа к гидрометеорологической информации со всей поверхности Земли.

В процедуре геоэкологического мониторинга территории России одной из существенных проблем, возникающих при наблюдении больших по площади территорий, является необходимость согласования работы нескольких распределенных центров приема и обработки спутниковых данных. Важной проблемой также является организация такой системы доступа к данным, которая была бы максимально независимой от конкретных регионов, где эти данные приняты и обработаны. Указанные задачи могут быть решены различными способами с помощью глобальных компьютерных сетей Интернет.

При существующем в России уровне развития информационных технологий в процедуре спутникового мониторинга все большое значение приобретает принцип распределенной обработки данных. Перспективным оказывается поэтапное создание информационных систем мониторинга, при котором эффективное функционирование информационной системы начинается при создании лишь нескольких их узлов и элементов. Так, первым этапом создания системы доступа к спутниковой информации, принимаемой и обрабатываемой на разных наземных станциях, является разработка базового сервера в узле сети, имеющего развитые телекоммуникации. Информация на центральном (базовом) сервере обновляется различными региональными центрами с использованием даже низкоскоростных коммутируемых каналов. В то же время удаленные пользователи получают доступ по сети Интернет к спутниковым данным, полученным региональными центрами мониторинга.