Земле нужна поддержка из космоса - Версия для печати
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса является уникальной технологией получения многоцелевой информации длительного пользования и дает возможность комплексного изучения природных ресурсов, экологического мониторинга, анализа техногенного воздействия на окружающую среду и решения многих других социально-экономических и научных задач (более 140 наименований). В том числе в геологии, в интересах нефтегазовой отрасли, инженерных изысканиях, в сельском и лесном хозяйствах.
Исследованиям может быть подвергнута любая точка земного шара, включая труднодоступные и опасные регионы. При этом не требуется использования наземного персонала, организации полевых работ, экспедиций, выделения дополнительных ресурсов и т.д. Покрываемая только одним снимком площадь может достигать десятков тысяч квадратных километров. Наличие разновременных снимков одного региона позволяет исследовать динамику процессов и явлений.
Началом систематического обзора Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1. Первый отечественный космический аппарат аналогичного назначения «Космос-122» был выведен на орбиту 25 июня 1966 г. С тех пор область применения данных ДЗЗ многократно расширилась. Задача оперативного спутникового контроля природных ресурсов, исследования динамики природных процессов и явлений, анализ причин, прогнозирование возможных последствий и выбор способов предупреждения чрезвычайных ситуаций являются на современном этапе неотъемлемым атрибутом методологии сбора информации о состоянии интересующей территории (страны, края, города), необходимой для принятия своевременных управленческих решений.
Одновременно разрабатывалась все более совершенная аппаратура съемки Земли из космоса и создавались новые методы обработки спутниковых данных для выявления отдельных характеристик окружающей среды. Это позволило, с одной стороны, создать различные прикладные системы для решения «насущных» потребностей общества, с другой – на новом уровне решать многочисленные научные задачи, связанные с исследованием состояния и динамики природных объектов (растительности, морей и др.). Эта информация особенно важна для изучения возможных глобальных изменений климата и экосистемы планеты.
Соответственно предъявленным требованиям росли и возможности спутниковых систем ДЗЗ. Увеличилось число действующих космических аппаратов, расширились номенклатура и информационные возможности установленной на них аппаратуры дистанционного зондирования, повысилась оперативность доставки информации потребителям.
Анализ мирового рынка геоинформатики показывает, что наиболее востребованными являются данные ДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения (1 м и менее). В настоящее время на нем господствуют американские компании, поставляющие изображения с пространственным разрешением 0,5-0,4 м. В России по-прежнему существует запрет на распространение спутниковых снимков с разрешением менее двух метров. Еще в декабре 2006 г., в то время глава Минобороны РФ, Сергей Иванов заявил о снятии этих ограничений. Однако «Роскосмос» до сих пор выдает лицензии на использование космической информации ДЗЗ без права на прием и обработку спутниковых снимков территории России с разрешением два метра.
Проект нормативно-правового документа о снятии этих ограничений сегодня только обсуждается заинтересованными министерствами и ведомствами. Как следствие, если объем продаж космической информации ДЗЗ сверхвысокого разрешения в мире оценивается сотнями миллионов долларов, то в России – лишь примерно в 10 млн. При этом на информацию с единственного на сегодня отечественного спутника ДЗЗ «Ресурс-ДК1» приходится 40 тыс. долл., что составляет около 0,4% от мирового уровня.
Основные причины такого состояния российской космической системы ДЗЗ: существенное отставание в разработке новых отечественных спутников дистанционного зондирования и их целевой аппаратуры; слабость инфраструктуры наземного комплекса приема, обработки и распространения информации; зачаточное состояние российского рынка космических услуг в сфере ДЗЗ.
«Ресурс-ДК1», запущенный 15 июня 2006 г., стал первым и, к сожалению, пока единственным российским специализированным космическим аппаратом детального наблюдения земной поверхности. За 4 года его функционирования на орбите выполнена съемка более 60 млн. кв. км земной поверхности. Пространственное разрешение выдаваемой им информации в панхроматическом диапазоне – до 1 м, в трех узких спектральных диапазонах – 2-3 м. Информация поступает в масштабе времени, близком к реальному.
Дополнительную информацию, позволяющую расширить спектр научных и практических задач, решаемых с помощью наблюдений из космоса, дает метеорологический спутник «Метеор-М» № 1, предназначенный для оперативного получения гидрометеорологических, океанографических, гелиогеофизических и природно-ресурсных данных.
Запланированы запуски КА «Электро-Л», «Канопус-В» и «Ресурс-П».
Несмотря на то, что идеология, архитектура и технико-конструктивные характеристики «Ресурса-ДК1» и его целевой полезной нагрузки закладывались еще в конце прошлого века, даже в 2010 г. по ряду параметров (например, - по полосе захвата и информационной производительности при съемке) его аппаратура наблюдения превосходит большинство существующих зарубежных аналогичных систем, уступая лишь новейшим космическим аппаратам.
Действительно, сегодня отечественные космические аппараты ДЗЗ имеют несколько худшее разрешение по сравнению с зарубежными. Возможно, одна из причин этого – отсутствие подкрепленного законодательно интереса к созданию отечественной гражданской (коммерческой) системы ДЗЗ сверхвысокого разрешения.
Тем не менее, в планах Российского космического агентства на ближайшие годы и создание таких перспективных конкурентоспособных спутниковых систем как «Арктика» для непрерывного мониторинга полярных районов.
Решение о создании системы было одобрено правительством Российской Федерации. Внедрять ее планируется с 2014 г. Она позволит укрепить позиции России в Арктическом регионе, обеспечить разведку залежей природных ресурсов на шельфе, сопровождение полярных морских маршрутов перевозок, правительственную и мобильную связь, безопасность трансполярных перелетов авиации, а также экологический мониторинг.
Создание космической системы «Арктика» обойдется примерно в 68 млрд. долл. Из них более 50% может быть получено из внебюджетных средств путем привлечения частных компаний на основе частно-государственного партнерства. В минимальной конфигурации «Арктика» будет состоять из четырех космических аппаратов. Первоначально планируется вывести на высокоэллиптическую орбиту два аппарата «Арктика-М». При этом будет обеспечено покрытие зоны выше 60 град. с.ш. Затем к ним добавятся два радиолокационных спутника «Арктика-Р» на приполярных орбитах. В дальнейшем появятся еще две подсистемы: «Арктика МС-1» для обеспечения региона мобильной связью и «Арктика МС-2» для подвижной правительственной связи и передачи пакетов данных.
Потребность в продуктах ДЗЗ в России увеличивается из года в год. Эта информация широко используется при ведении городских и земельных кадастров, обновлении топографических карт крупного масштаба, мониторинга состояния источников загрязнения атмосферы, воды и почвы, при решении многих задач в интересах социально-экономического развития России. Основными заказчиками информации выступают организации Минтранса, Минприроды, Минсельхоза, МЧС, Российской академии наук, Росреестра и других ведомств, а также организации, представляющие интересы органов исполнительной власти субъектов Федерации.
Спутники помогают бороться с загрязнениями в прибрежной зоне морей России. Наиболее перспективными для обнаружения любого вида загрязнения на морской поверхности являются данные радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) спутникового базирования. К сожалению, с 1972 г., когда прекратил работу РСА, установленный на борту КА «Алмаз-1», на орбите нет ни одного российского радиолокатора, способного давать такую информацию. Поэтому российские ученые вынуждены довольствоваться данными, получаемыми с помощью РСА, установленных на европейских спутниках «Envisat» и «ERS-2».
В рамках российских и международных проектов объединенный коллектив специалистов из Института космических исследований (ИКИ) РАН, Института океанологии РАН им. П.П.Ширшова и Морского гидрографического института НАН Украины разработал эффективный комплексный подход к оперативному спутниковому мониторингу антропогенных загрязнений морей России. Задача обнаружения и прогнозирования распространения антропогенных загрязнений на морской поверхности решается на базе совместного использования разнородных данных спутникового зондирования. Основу исследований составляют изображения РСА. Одновременно привлекается вся доступная информация спутникового зондирования в инфракрасном и оптическом диапазонах. Впервые такой подход был осуществлен для района юго-восточной Балтики, где в 2004-2005 годах по контракту с ООО «Лукойл-Калининградморнефть» была фактически создана служба мониторинга нефтяного загрязнения, которая работала в оперативном режиме круглосуточно в течение 18 месяцев.
Начиная с 2006 г., ГУ «ННЦ «Планета» (Росгидромет) совместно с ИКИ и Институтом океанологии им. П.П.Ширшова ежегодно с октября по ноябрь проводят работы по спутниковому мониторингу загрязнений водной среды российского сектора Азово-Черноморского бассейна.
Одну из главных ролей в глобальных экологических процессах Земли играет наземная экосистема Северной Евразии. Исследования этого непрерывно изменяющегося природного объекта сопряжены с необходимостью регулярно обновляющихся данных из космоса. В Отделе технологий спутникового мониторинга ИКИ совместно с рядом партнерских организаций разработана технология дистанционного зондирования, использование которой позволило создать ряд тематических продуктов и баз данных, которые находят широкое применение при изучении взаимосвязанных процессов динамики наземных экосистем и изменений климата, моделирования циклов веществ и, в частности биогеохимических циклов, в управлении природными ресурсами.
ИКИ также накоплен достаточно большой опыт использования спутниковых данных в сельскохозяйственном мониторинге на уровне всей страны и ее отдельных регионов. Спецификой сельскохозяйственного производства большинства стран мира является его зависимость от климатических условий, которая приводит к значительной изменчивости показателей производства сельскохозяйственной продукции от года к году. Подобная изменчивость оказывает сильное влияние на рынок сельхозпродукции, на объемы импортно-экспортных операций, на цены, во многом предопределяет затраты на субсидирование и страхование сельского хозяйства. В связи с этим большое значение имеет независимая оценка объемов производства продукции и их заблаговременное прогнозирование, а также объективный контроль поступающей от производителей информации, которая используется для регулирования рынков и планирования производства.
В ИКИ разработаны технологии: ежегодной оценки площадей используемых пахотных земель; распознавания и оценки площадей озимых культур и чистых паров; оценки рисков и последствий повреждения посевов засухой и весенними заморозками; заблаговременность прогнозирования урожайности и валового сбора отдельных сельскохозяйственных культур. Эти разработки легли в основу Системы дистанционного мониторинга земель агропромышленного комплекса, которая создается ИКИ по заказу Министерства сельского хозяйства РФ в сотрудничестве с Главным вычислительным центром Минсельхоза и рядом других научно-исследовательских организаций. Система направлена на регулярное обеспечение Минсельхоза и других заинтересованных государственных и коммерческих структур оперативной и объективной информацией о сельскохозяйственном производстве.
Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности космического обеспечения отечественного сельского хозяйства является создание спутниковой подсистемы, обеспечивающей возможность получения информации достаточно высокого разрешения и с высокой частотой наблюдений (ежедневно).
В 2008 г. по заказу Минсельхоза при участии «Роскосмоса» начата разработка такой подсистемы, получившей обозначение «Космос-СХ». В ее составе будут три спутника, обеспечивающие ежесуточное покрытие съемками более 90% экваториальной зоны Земли и полное покрытие территорий выше 350 с.ш. и ниже 350 ю.ш.
Космические аппараты рассчитаны на функционирование в режиме как прямого сброса информации, так и ее накопления и последующего сброса на работающие в интересах СДМЗ АПК центры приема и обработки данных, создаваемые или модернизируемые в рамках Федеральной космической программы на 2006-2015 гг. Разработка космических аппаратов для этой подсистемы в настоящее время ведется в ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф.Решетнева» совместно с ИКИ РАН и другими заинтересованными организациями. Ввод системы в эксплуатацию намечен на 2012 г.
Планируется, что при этом будут обеспечен максимальный возможный уровень преемственности с уже действующими технологиями сельскохозяйственного мониторинга. То есть спутниковая группировка фактически создается под уже функционирующую в настоящее время систему мониторинга. Это позволит, в частности, использовать уже разработанные на сегодня методы и алгоритмы анализа данных, а также накопленные многолетние информационные архивы.
Создание отечественной спутниковой группировки для сельскохозяйственного мониторинга обеспечит России независимость от получения данных ДЗЗ из-за рубежа, а также позволит создать уникальную и конкурентоспособную систему мониторинга состояния растительности на основе собственного накопленного в стране опыта. Будет также создана возможность для экспорта разработанных технологий мониторинга и отечественных спутниковых данных, что обеспечит дополнительную экономическую эффективность системы.
Сегодня в России функционирует Информационная система мониторинга лесных пожаров, опытное использование которой начались в 2003 г., а с 2005 г. она была принята в промышленную эксплуатацию. Основные задачи системы – информационное обеспечение космического мониторинга пожарной опасности, выявление и учет изменений состояния лесов в результате негативных воздействий лесных пожаров и анализ причин их возникновения. Особенно актуальны такие исследования сегодня, после катастрофических пожаров, охвативших летом 2010 г. значительную часть европейской территории России и Сибири.
В этих условиях важное значение приобретает объективный анализ последствий пожаров. Проведенные оценки показали, что за прошедший сезон пожары затронули территорию России общей площадью свыше 6 млн. га. При этом около 2 млн. га пожарами пройдено по покрытым лесом территориям. Спутниковый мониторинг показал, что наблюдавшаяся на европейской территории России засуха не только способствовала распространению пожарной опасности, но и привела к аномальным изменениям состояния лесов, свидетельствующим об их стрессовом состоянии и возможности массового усыхания.
С 2002 г. находится в промышленной эксплуатации система мониторинга контроля производственной деятельности российского промыслового флота и зарубежных рыболовных судов, работающих в экономической зоне России.
Начата работа по созданию систем дистанционного мониторинга энерговыделения, которая позволит оперативно оценивать эффективность использования энергоресурсов, динамику развития различных регионов страны.
Результаты выполненных исследований, анализ снимков, переданных пусть пока единственным российским спутником дистанционного зондирования «Ресурс-ДК», высокая эффективность специально созданной для него целевой аппаратуры, наглядно демонстрируют масштабы успеха отечественных разработчиков, а также те трудности, которые им удалось преодолеть. Тем не менее, оставаясь одной из ведущих космических держав мира, в том числе и в области дистанционного зондирования Земли, Россия в настоящее время не может составить конкуренцию ни Индии, ни Европейскому космическому агентству, ни, тем более, США. И это несмотря на то, что создание систем ДЗЗ в бывшем Советском Союзе началось еще в 1972 г.
Недостаточно проработанным видится и состав будущей отечественной системы дистанционного зондирования. Предусматривается, что при полном развертывании в 2020-2025 гг. российская орбитальная группировка будет включать не менее девяти космических систем и комплексов ДЗЗ. Такого их обилия сегодня нет ни у кого в мире. По мнению ряда экспертов, это слишком дорого и не нужно.
Вопрос вызывает и идея совместного размещения оптической аппаратуры сверхвысокого разрешения (0,5-1 м) и среднего разрешения на спутниках оперативного наблюдения. В то же время, полагают эксперты, Россия особо нуждается в спутниках оперативной съемки с набором одновременно аппаратуры среднего и низкого разрешения.
Итак, ясно, что России крайне необходима система глобального космического мониторинга на базе современных, надежных спутниковых систем и соответствующей наземной инфраструктуры. В свою очередь, создание такой высокотехнологичной продукции невозможно без устойчивого процесса модернизации отечественной промышленности.
По теме: