Исследования Земли из космоса

Одним из важнейших направлений использования космических техники и технологий для обеспечения эффективного развития экономики государства является дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ).

Средства космического зондирования открывают широкие возможности для его использования во всех областях деятельности человека. Это практически неограниченная обзорность - от локальной до глобальной, получение информации о труднодоступных и отдаленных территориях. Это - запланированный отбор изображений нужных объектов, мгновенная фиксация данных об огромных территориях, как при одинаковых, так и при различных физических условиях. Это - возможность мониторинга с заданной периодичностью, а с геостационарных спутников - и непрерывное наблюдение. Это – повышение производительности труда и снижение затрат на съемку земной поверхности. Постоянное совершенствование систем космического дистанционного зондирования позволяет решать все более сложные задачи и увеличивать область применения полученных данных. Все более привычным становится использование данных дистанционного зондирования Земли в таких областях, как:

- сельское хозяйство - инвентаризация сельскохозяйственных угодий; почвоведение; оценка всхожести, развития и урожайности сельскохозяй-ственных культур; обнаружение заболеваний сельскохозяйственных культур; сельскохозяйственная гидрология и анализ сельскохозяйственного по-тенциала;

- климатология и метеорология - контроль содержания газов, вызываю-щих парниковый эффект; контроль общего радиационного баланса Земли; мониторинг содержания озона в тропосфере и атмосфере; наблюдение об-лачного покрова; измерение температуры и топографирование поверхности моря; измерение вертикального профиля температуры; метеорологический прогноз;

- поиск полезных ископаемых и энергоносителей - геологоразведочные задачи обзорного и регионального масштаба (выявление линеаментов, разрывных нарушений, трещиноватости; картирование структурно-вещественных комплексов, крупных блоков и овально-кольцевых структур; обзорное тектоническое, неотектоническое и нефтегазогеологическое районирование); поиск нефти, природного газа, угля; получение информации дистанционного зондирования, необходимой для использования энергии ветра, солнечной энергии; получение информации, необходимой для создания и эксплуатации гидроэлектростанций;

- землепользование - топографическое картирование; информация о зем-ной поверхности и другие продукты для городского и рационального пла-нирования; сооружение объектов, например, дорог, трубопроводов, энерге-тических линий и других объектов инфраструктуры; создание Земельного кадастра, имущественной оценки и налогообложения; наблюдение за ростом городов; туризм и отдых;

- наблюдение за прибрежными зонами и океанами - изучение океанских ресурсов; экологический мониторинг, особенно контроль нефтяных разливов и загрязнения; контроль динамики развития фитопланктона; рациональное использование прибрежных ресурсов и инжиниринг; изучение механизма участия океана в процессе глобального теплообмена;

- лесное хозяйство - картографирование лесов; определение типов лесонасаждений и доминирующих пород; измерение общей площади и количественная оценка биомассы; оценка запасов лесоматериалов; контроль уничтожения лесов; обнаружение пожаров и иных опасностей и слежение за ними; лесоводство;

- контроль водных ресурсов - наблюдение снежного и ледяного покровов (контроль запасов пресной воды; наблюдение за перемещениями морских льдов; оценка снежного покрова в целях предупреждения наводнений, селей); определение характеристик грунтовых вод, качества воды; мони-торинг наводнений; гидрологический мониторинг городских и других водо-сборов; безопасность судоходства;

- мониторинг чрезвычайных ситуаций - предупреждение, контроль и оценка последствий наводнений; организация информационного обеспечения при экстренном реагировании на землетрясения, пожары, наводнения и т.п.

Технология дистанционного зондирования дает множество прямых и косвенных выгод для общества, таких как:

- экономия затрат и времени, которая обуславливается повышением экономичности и эффективности в широком круге областей деятельности по планированию, эксплуатации и мониторингу, в сравнении с альтерна-тивными источниками сопоставимой информации, такими как воздушные фотосъемки;

- уменьшение числа человеческих жертв в результате предоставления ин-

формации, которая может быть использована в борьбе со стихийными бедствиями;

- повышение качества жизни в результате укрепления продовольственной безопасности и более рационального управления экологическими и природными ресурсами;

- дальнейшее сокращение неопределенностей в общем процессе принятия решений  [95].                   

В Казахстане за последние годы разработаны и внедрены современные отечественные технологии в области тематического дешифрирования и данных ДЗЗ .

 Созданы центры приема и обработки космических снимков в городах Алматы, Астане и Приозерске. С 2001 года функционирует система космического мониторинга Казахстана, в рамках которой решаются задачи мониторинга сельскохозяйственных угодий, картирования очагов пожаров и зон затопления, контроля экологической обстановки в кризисных районах. Разработаны технологии использования данных дистанционного зондирования  [132].                     

В последние годы проводятся работы по модернизации центра космического  мониторинга в г. Астане, созданию национального архива цифровых космических изображений, обеспечению безопасности данных и защите их от несанкционированного доступа. Организуется опорная сеть центров приема данных в гг. Астана, Алматы и Атырау с обеспечением регулярного покрытия территории Казахстана и сопредельных государств оперативными космическими съемками. Создается сеть подспутниковых полигонов.

 Сертифицирована приемная станция, обеспечен лицензионный прием данных дистанционного зондирования (ДЗ) с канадского спутника RADARSAT-1 в режиме прямого сброса. Внедрен комплекс технологий высокоточной географической привязки данных активного зондирования, ортонормирования радиолокационных изображений и создания цифровых моделей рельефа. Сформированы электронные каталоги и архивы данных ДЗ. Разработаны технологии интерактивного доступа к каталогам данных ДЗ на основе Internet. Объединены высокоскоростным каналом связи центры космического мониторинга в г. Астане и приема космической информации в г. Алматы. Оборудована сеть пилотных подспутниковых полигонов сельскохозяйственного назначения для синхронного сбора наземных данных в различных почвенно-климатических зонах Казахстана  [133,134].                      

Обеспечены регулярное покрытие территории Казахстана оперативными космическими снимками низкого, среднего и высокого разрешения, безопасность национального архива цифровых изображений, бесперебойная работа казахстанских станций в международной сети центров приема данных дистанционного зондирования. Разработаны методы калибровки данных ДЗЗ, рекомендации по совершенствованию системы их передачи [135].Модернизированы аппаратно-программные комплексы в центрах приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли в Астане и Алматы. Проведена международная сертификация программно-технологических комплексов приема и обработки данных. Осуществлена высокоточная географическая привязка данных активного зондирования. Разработана экспериментальная методика дистанционного контроля заполнения крупных водохранилищ на территории Казахстана. Создан архив цифровых космических изображений. Организованы опорная сеть центров приема данных ДЗЗ, базовая сеть подспутниковых полигонов в различных почвенно-климатических зонах Казахстана  [136].                   

Накоплен большой опыт по приему, архивации и тематической обработке данных ДЗЗ. В ИКИ разработаны геоинформационные системы – «Аграрные ресурсы Казахстана», «Семипалатинский ядерный полигон», «Арал», «Каспий» и др.

АО «Национальная компания «Казкосмос» выполнена разработка эскизного проекта космического аппарата национальной космической системы дистанционного зондирования Земли. На первом этапе проведен анализ существующих КА ДЗЗ, возможностей и функционального наполнения бортовой аппаратуры, анализ эксплуатационных характеристик КА. На втором этапе проанализированы существующие и перспективных космические платформы для КА ДЗЗ. Определены задачи казахстанского космического аппарата дистанционного зондирования Земли, характеристики аппаратуры модуля полезной нагрузки КА ДЗЗ РК. Рассмотрены принципы работы радиолокаторов космического базирования. Проведен анализ мирового и казахстанского рынка данных дистанционного зондирования Земли. Определены основные потребители данных [137,138].                   

Как показывает мировой опыт исследований Земли из космоса, к настоя­щему времени фотографические методы получения изображений Земли практически полностью вы­теснены цифровыми сканерными технологиями. Сканерная космическая съёмка также предпочтительна в тех случаях, когда аэрофотосъёмка сложна в организационном отношении, например, при картографировании крупных городов и приграничных районов; кроме того, она более оперативна. Согласно прогнозу развития рынка данных ДЗЗ на ближайшие 10 лет, опубликованному американским обществом фотограмметрии и дистанционного зондирования, в настоящее время неудовлетворен спрос на снимки разрешением от 1м и лучше; прогнозируется устойчивый рост продаж материалов ДЗЗ (включая аэрофотосъёмку), третью часть которых составят космические снимки.

До последнего времени повышенное требование по разрешению (R=1-10m) предъявлялись только к снимкам, используемых в картографии. Для данных используемых, например, в сельском хозяйстве, в метеорологии основными требованиями являлись полоса захвата (гло­бальные и региональные снимки масштаба меньше 1:1000 000) и опера­тивность получения информации. Однако в последнее время и для метео­спутников повышаются требования по разрешению снимков, т.к. это повышает точность координатной привязки изображений, позволяет точнее рассчитывать скорость ветра (по перемещению облаков). А бла­годаря улучшенному радиометрическому разрешению можно точнее определять температуру морской поверхности и верхней кромки облаков, а также повысить точность численных оценок осадков в морских и авиационных прогнозах, особенно вне зоны действия назем­ных радаров. Ожидается, что спутники с высоким разрешением займут рынок авиа­съемок, в качестве исходного материала для крупномасштабного картогра­фирования.

Отрасли отечественного хозяйства нуждаются в достоверной и своевременной метеоинформации. Метеоспутники, как например космический комплекс второго поколения «Электро-Л» (Россия), позволяют решать следующие основные задачи: анализ и прогноз погоды в региональном и глобальном масштабах; состояния акваторий морей и океанов; условий для полетов авиации; гелиогеофизической обстановки в околоземном космическом пространстве, состояния ионосферы и магнитного поля Земли; мониторинг климата и глобальных изменений; контроль чрезвычайных ситуаций; экологический контроль окружающей среды и др.

Бортовой информационно-измерительный комплекс позволяет:

получать в видимом и ИК-диапазонах спектра изображения облачности, поверхности Земли, снежных и ледяных полей;

проводить непрерывные наблюдения за динамикой быстроменяющихся атмосферных процессов;

оперативно обнаруживать опасные явления природы;

определять скорость и направление ветра на нескольких уровнях, температуру морской поверхности и другие характеристики;

получать информацию о потоках частиц солнечного и галактического происхождения, электромагнитного, ультрафиолетового и рентгеновского излу­чения Солнца, вариаций вектора магнитного поля.

Для создания казахстанского КА ДЗЗ, способного решать аналогичные задачи, необходимо привлечение российских производителей. Анализ показал, что наилучшими характеристиками обладает платформа «Яхта» ГКНПЦ им. Хруничева. На втором месте по техническим возможностям стоит космическая платформа «УМКП-800» ВНИИЭМ имени А.Г.Иосифьяна  [138].                   

Размещаемая на космической платформе аппаратура зависит от характера решаемых задач: метеорологии, экологии, сельского хозяйства , картографии, геологии, для нужд коммерческих организаций.

Спутник дистанционного зондирования Земли многофункционального назначения создается по Национальной космической программе РФ.

Спутник предназначен для получения информации одновременно в оптическом, инфракрасном и микроволновом диапазонах. Установленный на борту спутника комплекс исследовательской аппаратуры, открывает перспективу создания высокоэффективной системы из нескольких спутников для непрерывных метеорологических и океанологических исследований. Одной из задач запуска спутника является обеспечение эксперимента "Вариант" - исследование предвестников землетрясений. Одновременные наблюдения в двух точках пространства создадут принципиально новые благоприятные возможности для постановки новых задач и повышения достоверности результатов эксперимента.

КА «МЕТЕОР-М» обеспечивает измерения профилей температуры и влажности в тропосфере и стратосфере, температур поверхности моря и суши, высоты облачности и доли поверхности, закрытой облачностью, а также суммарной, концентрации озона и распределения аэрозолей, энергетической яркости, поступающего и излученного тепла, протонного и электронного потока на высоте орбиты. К настоящему времени в мире сложился определенный облик геоста­ционарного метеоспутника. Радиометр обеспечивает съемку в 3-5 спектральных каналах видимого и ИК-диапазона с разрешением 1 км и 4 км соответственно. В качестве дополнительной аппаратуры устанавливаются датчики гелиогеофизического мониторинга, ретрансляторы сигналов автоматических метеостанций, аварийных сигналов буев системы поиска и спасения КОСПАС-SARSAT и ретрансляторы метеокарт в международных форматах.

Основные тенденции развития метеоаппаратуры спутников на геоцентрических орбитах (ГСО):

увеличение числа спектральных каналов;

внедрение новой аппаратуры - СВЧ-зондировщиков атмосферы;

улучшение пространственного разрешения и частоты съемки;

повышение оперативности распространения информации и внедрение более совершенных цифровых форматов передачи данных,

В результате повышения информативности аппаратуры и оперативности обмена метеоданными в перспективе будет расширен перечень задач, решаемых с помощью метеоспутников: обнаружение пожаров, контроль чрезвычайных ситуаций, экологический мониторинг и др.

Основной тенденцией наступившего века стала интеграция программ спутниковой метеорологии. Особенно активно интеграционные процессы идут между США, Европой и Японией. Разработаны планы действий в экстренных ситуациях, которые предусматривают замену внезапно вышедших из строя спутников резервными КА, имеющимися в наличии у одной из сторон. Так, выработавший ресурс японский метеоспутник GMS-5 в 2003 г. был заменен резервным американским КА GOES-9. Это стало возможным благодаря унификации требований к аппаратуре метеоспутников и стандартизации форматов передачи метеоданных.

В результате обработки спутниковой информации рассчитывается прогноз погоды на ближайшие 3-5 дней с точностью 80%. В течение ближайших 10 лет срок прогнозирования возрастет до 7-10 суток при той же точности. Через 20 лет возможно увеличить срок прогнозирования до 14 суток. По мере отработки новой измерительной аппаратуры расширится круг задач, решаемых с помощью перспективных оперативных спутников, что позволит повысить точность метеопрогнозов и контролировать параметры ионосферы и системы «океан-атмосфера».          

Изображения, полученные со спутников, представляют собой постоянно обновляемый источник информации. Данные ДЗЗ успешно применяются в следующих областях [129].                  

1. Сельское хозяйство:

выделение и идентификация различных типов земной поверхности, использование при планировании пахотных работ для создания оптимальных условий культивирования растений в зависимости от типа почв;

оценка ущерба нанесенного сельскохозяйственным районам в результате стихийных бедствий, прогнозирование урожайности.

2.Лесное хозяйство:

выделение и идентификация различных пород деревьев;

выделение и картографирование засушливых областей леса;

выявление повреждений лесных массивов, определение источников повреждений;

определение зон для проведения профилактических мероприятий по предотвращению лесных пожаров;

контроль и оптимизация национальных парков;

анализ ущерба, нанесенного окружающей среде в результате вырубки леса;

работы, связанные с логистическим планированием транспортировки лесоматериалов и маршрутов доступа к зонам вырубки.

3.Экология:

моделирование областей наводнений и других природных явлений, а также влияния этих факторов на процесс эрозии почвы;

определение степени риска возникновения лесных пожаров и выделение областей, которым может быть нанесен ущерб в результате пожаров;

определение убытков, вызванных незаконной вырубкой леса;

анализ факторов, вызывающих загрязнение земли и воды;

определение зон, загрязненных промышленными выбросами и выявление связанных с этим проблем;

охрана биологического разнообразия животного и растительного мира; осуществление экологических проектов.

 4. Геология: создание карт, демонстрирующих структуру, литологию и изменение пород (метаморфическое вытеснение) для определения запасов природных ресурсов в исследуемой области;

обновление геологических карт;

выделение и идентификация типов пород;

определение геологической структуры.

Опыт развитых зарубежных стран убедительно свидетельствует, что на современном этапе наиболее эффективные средства информационной поддержки принятия решений в сфере территориального управления базируются на использовании систем космического мониторинга и методов геоинформационного моделирования. Казахстан с его огромной, слабо контролируемой территорией, сильной дифференциацией в распределении ресурсов и уровне развития регионов особенно остро нуждается в подобных средствах. Они незаменимы при решении задач комплексного анализа и оценки состояния регионов, прогнозе возможных последствий различных управляющих воздействий, выработке рекомендаций по устойчивому развитию природно-территориальных комплексов.

Экономическая эффективность космического и планируемого подспутникового мониторинга чрезвычайно высока. Несмотря на высокую стоимость космических снимков, на сегодняшний день это наиболее эффективный и экономичный способ получения оперативной информации по большим территориям. Подспутниковые исследования существенно пополнят научные знания и помогут развить новые и существующие методы дистанционной диагностики состояния земной поверхности, что ускорит внедрение современных наукоемких отечественных технологий в практическую деятельность соответствующих министерств и ведомств Казахстана,  позволит выйти республике на качественно новую ступень использования космических технологий.

Работы по созданию системы космического мониторинга ведутся в Казахстане уже несколько лет. В 1991-1992 гг., организованная по инициативе Национальной Академии наук рабочая группа, в которую вошли представители 12 институтов, разработала концепцию создания системы космического мониторинга в Казахстане, которая и легла в основу всех дальнейших работ в этой области [139].                   

Благодаря усилиям Института космических исследований (ИКИ), с 1996 г. в Алматы функционирует Центр приема и обработки космической информации (ЦПКИ). С помощью методов распознавания образов, кластерного нализа разработаны технологии обработки аэрокосмических изображений, моделирования процессов управления космическими объектами [140].                   

 В 2003 г. на базе Евразийского Университета  им. Л.Гумилева в столице Казахстана открыт филиал ИКИ - Центр космического мониторинга (ЦКМ). Сегодня аппаратно-программные комплексы (АПК), установленные в ЦПКИ и ЦКМ, обеспечивают оперативный прием, предварительную обработку и архивацию данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с американских спутников NOAA (разрешение 1100 м), Terra и Aqua (250 м), российского спутника «Метеор - 3 М» (37 м), индийских спутников IRS 1C/1D (5,6 м) и канадского спутника Radarsat-1 (от 8 до 25 метров). Эти данные используются для решения широкого круга прикладных задач [139, 141,142].                   

 С 1997г. развивается система космического мониторинга сельскохозяйственных угодий, с помощью которой ежегодно определяются площади посевов и состояние зерновых культур, оцениваются перспективы на урожай, контролируются сроки и качество проведения агротехнических мероприятий. В рамках сотрудничества с Агентством РК по чрезвычайным ситуациям разработаны и внедрены технологии космического мониторинга пожаров и наводнений. В целях охраны окружающей среды ведется постоянное наблюдение за состоянием регионов с повышенной техногенной нагрузкой и зон экологических бедствий республики: Семипалатинским испытательным ядерным полигоном, Аральским регионом, бассейном Каспийского моря и др. [143-146].                   

Приказом Министра образования и науки РК ДГП «Институт космических исследований» был определен головной организацией по реализации Программы "Национальная система космического мониторинга Республики Казахстан" на 2004-2006 гг.. В 2004 г. завершился первый этап программы, в рамках которой выполнялись НИР по восьми проектам:

1.  Разработка базовых технологий приема и предварительной обработки данных дистанционного зондирования.

2. Создание национального архива цифровых изображений территории Казахстана.

3. Создание опорной сети станций приема данных ДЗЗ и корпоративной сети для распространения результатов мониторинга.

4. Разработка геоинформационных технологий для решения приоритетных задач космического мониторинга.

5. Создание сети подспутниковых полигонов.

6. Создание математических моделей и алгоритмов спектрального анализа цифровых изображений.

7. Разработка и внедрение математических моделей и алгоритмов для решения прикладных задач охраны окружающей среды.

8. Создание базы данных ИК- спектральных образов льдов водоемов Казахстана.

Получены следующие основные результаты [140].                   

Впервые в Казахстане в ЦКМ (г. Астана) внедрена технология лицензионного приема и предварительной обработки данных IRS 1С/ ID на основе АПК «Унискан». Подписано соглашение с фирмой Antrex, официальным представителем Индийского космического агентства, предоставляющее Институту космических исследований право приема и   коммерческого распространения данных приборов PAN, LISS и WIFS, а также результатов их обработки. Проведено дооборудование АПК «Унискан» трактами приема данных с КА RADARSAT-1 (Канада), EOS AM- Terra и EOS PM- Agua, подписаны трехсторонние соглашения с фирмой RADARSAT Int. (Канада) и ИТЦ Сканэкс (Россия) о сертификации АПК "УниСкан" и лицензионном приеме данных RADARSAT. В результате сертификации первая Казахстанская станция будет включена в международную сеть станций приема данных RADARSAT и получит право на прием и коммерческое распространения данных CAP RADARSAT, a также результатов их обработки.

Данные активного зондирования с КА RADARSAT позволяют получать качественные изображения земной поверхности независимо от наличия облачного покрова и времени суток. Радарные снимки особенно эффективны при определении участков затопления, картировании береговой линии и выявлении нефтяных загрязнений акватории, наблюдении за динамикой ледового покрытия, оценке состояния рисовых чеков и хлопковых плантаций, мониторинге зон экологических бедствий и др.

    Разработана концепция и архитектура корпоративной информационной сети Национальной системы космического мониторинга, объединяющей:

- опорную сеть станций приема данных ДЗЗ;

- национальный архив космических изображений;

- информационную сеть тестовых подспутниковых полигонов;

- информационную сеть распределения результатов мониторинга.

Разработана структура базовой сети станций приема данных ДЗЗ на территории Казахстана, в состав которой входят Центр приема космической информации ИКИ в Алматы, Центр космического мониторинга (ЦКМ) - филиал ИКИ в г. Астана и приемный комплекс ТОО «Казгеокосмос» в г. Атырау.

Определены и согласованы с МИР РФ и РКА спецификации оборудования и программных средств обслуживания  центра отображения результатов мониторинга, который планируется организовать на базе ЦКМ в г. Астане.

Разработан проект Национального архива космических изображений. Определена структура хранения данных на оперативном и долговременном уровнях. Предложена технологическая схема интерактивного доступа к каталогу космоснимков. Разработаны спецификации технического и программного обеспечения НАЦАИ.

Разработана технологическая схема определения стоимости земель сельскохозяйственного назначения. По данным дистанционного зондирования рассчитаны временные ряды вегетационных индексов территории Казахстана за период с 1999 по 2004 гг. и сформирована база данных ГИС- технологии для комплексной оценки продуктивности пашни и пастбищ.

Разработана экспериментальная методика распознавания свежеубранных полей зерновых культур. Проведены подспутниковые наблюдения на территории Акмолинской области и построены критерии распознавания. Сформирована база данных ГИС-технологии контроля темпов и качества уборки зерновых культур.

Разрабатываются методы анализа и диагностики данных дистанционного зондирования на примере задачи прогноза объема зернового производства Северного Казахстана Разработаны методы обработки спутниковых данных в задачах оценки площади спутниковых сельскохозяйственных масок; распознавания ярового сева и структуры зернопарового севооборота. Осуществлена адаптация автоматической классификации спутниковой информации к задачам распознавания яровых посевов и реконструкции параметров зернопарового севооборота [147].

Разработан проект системы космического мониторинга чрезвычайных ситуаций для территории Казахстана, включающий: принципы организации, архитектуру базового комплекса, структуру наземного и космического сегментов, блок тематических задач с разделением на находящиеся стадии эксплуатации и стадии разработки.

Сформирована база статистических данных по ЧС природного и техногенного характера, произошедших на территории Казахстана с 1990 г. Предложена экспериментальная методика количественной оценки социального и индивидуального риска чрезвычайных ситуаций для различных регионов Казахстана.

Сформулирована задача мониторинга трансграничных рек. Сформирована база картографической информации и данных дистанционного зондирования для       ГИС-технологии космического мониторинга режима заполнения Чардарьинского водохранилища и контроля водопотребления в нижнем течении реки Сыр-Дарья.

Проведен анализ зон экологических бедствий и выделены три первоочередных региона для      космического мониторинга:

- район Семипалатинского испытательного ядерного полигона (СИЯП);

- Аральский регион;

- акватория Казахстанской части Каспийского моря с прибрежной зоной.

Сформированы интегрированные базы ГИС - СИЯП, ГИС-Арал и ГИС - Каспий, сформулированы основные задачи космического мониторинга для этих регионов.

Разработана программа развертывания сети подспутниковых тестовых полигонов на территории Казахстана. Определены места расположения пилотных подспутниковых полигонов и разработаны спецификации оборудования для синхронных наземных наблюдений. Проведена серия экспериментов по калибровке данных дистанционного зондирования на основе наземных фотометрических измерений.

 Разработан алгоритм восстановления цифровых изображений и составлена исследовательская компьютерная программа, реализующая генератор функций Радемахера, генератор базиса Уолша, систему разложения изображений в спектр, систему синтеза изображений по его спектру, систему эмуляции искажений и помех при передаче; предложен метод повышения качества космических снимков основанный на алгоритме перебора амплитудно-частотной производящей функции.

 Разработана математическая модель переноса аэрозольной примеси в турбулентной стратифицированной атмосфере и численный метод, позволяющий выполнить расчет полей скорости, температуры и концентрации и произвести приближенную оценку пульсационных характеристик течения. Построенная модель применена для расчета суммарного загрязнения прибрежной зоны и атмосферы восточной части Каспийского моря от горящих факелов с учетом реальной розы ветров в этом регионе.

 Изготовлена криогенная приставка для получения ИК- спектров льдов и проведена серия экспериментов по измерению ИК- спектров льдов, образованных из газовой и жидкой фазы при различной концентрации примесей в воде. Изучена возможность использования ИК-спектров для распознавания типов при космическом мониторинге ледовых покрытий озер и рек Казахстана [139].

Задачи оперативного спутникового контроля природных ресурсов, ис­следования динамики природных процессов и явлений, анализа причин, про­гнозирования возможных последствий и выбора способов предупреждения чрезвычайных ситуаций являются на современном этапе неотъемлемым ат­рибутом методологии сбора информации о состоянии интересующей терри­тории (государства, региона, локального участка). Она необходима для при­нятия современных управленческих решений. Особая роль при этом отво­дится спутниковой информации в геоинформационных системах, где результаты дистанционного зондирования из космоса или специализирован­ных самолетов являются регулярно обоновляемым источником данных, ох­ватывающие широкий спектр масштабов исследований (от 1:5000 до 1:10 000 000).

Развитие технологий ДЗ и ГИС необходимо для совершенствования сис­темы мониторинга окружающей природной среды, природных ресурсов и природопользования с перспективой их дальнейшей интеграции с аналогич­ными зарубежными системами для глобальных исследований.

Большой объём заложенной информации в базы атрибутивных данных о состоянии природно-территориальных комплексов (ПТК) позволяет выработать единую систему управленческих и природоохранных рекомендаций по наиболее оптимальному с экологической и хозяйственной точек зрения использованию природных комплексов.

Первые базы данных природных систем начали разрабатываться в мире более 30 лет назад, с появлением компьютерной техники. В странах ближне­го зарубежья аналогичные исследования начались двумя десятилетиями позже и до сих пор работы в этом направлении зачастую связаны с адаптаци­ей зарубежного опыта. Исторически базы данных развивались на основе по­исково-информационных систем, а позднее картографических банков дан­ных. В настоящее время базы данных можно рассматривать как интера­ктивные системы, способные реализовать хранение, систематизацию, анализ, обработку и распространение информации и как средство получения новых знаний о пространственно-временных процессах и явлениях.

Благодаря стремительному совершенствованию компьютерной техники, программного обеспечения, а также методов получения данных с помощью дистанционных исследований, работы в этом направлении развиваются во всем мире. В настоящее время проблема оперативного анализа информации с ис­пользованием новых компьютерных технологий для оценки современного состояния ПТК стоит как одна из основных, ведущих задач. Необходимость моделирования динамики ПТК в результате действия атропогенных и антро­погенно-стимулированных процессов и представление информации в виде серий тематических карт на определенную территорию очевидна. Работы по созданию баз для ГИС с исполь­зованием средств СУБД требуют специальных программных разработок под поставленные задачи.

В результате работы по геоинформационному картографированию аридных ландшафтов Казахстана с использованием данных дистанционного зондирования разработаны классификации Land cover (земная поверхность) и Land use (землепользование) с учетом физико-географических и эколого-физиономических критериев для автоматизированной обработки данных ДЗ [148].

 Применение технологий геоинформационного картографирования и ДЗ позволяет оперативно оценивать состояние природно-территориальных комплексов. С использованием данных ДЗ и ГИС подготовлена методика оперативного мониторинга природных и антропогенно-стимулированных процессов (опустынивание, трансгрессия или регрессия морей) на примере Прикаспия, Приаралья. Реализованы новые технологии бесконтурной картографии на основе обработки цифровых космических изображений по спектральным характеристикам природных объектов в специализированных программах. Предложен метод оценки разнообразия растительности по космическим снимкам. Созданы интегральные ГИС для территорий Приаралья, побережья Каспия, месторождения Карачаганак, национального парка Чарын.

В рамках создания межотраслевой ГИС с использованием методов дистанционного зондирования и цифровой картографии отработаны алгоритм создания базы данных, методика трехмерного моделирования территорий. Создана технология дистанционного контроля температурного режима зон сейсмической активности с применением геоинформационных систем. Составлен эскизный проект межотраслевой геоинформационной системы как многопользовательской развивающейся системы открытого типа, обеспечивающей эксплуатацию в режиме "on line" ГИС-технологий космического мониторинга сельскохозяйственных угодий, чрезвычайных ситуаций, зон сейсмической активности, промышленных и урбанизированных территорий, радиационно-опасных объектов, ледового покрытия водоемов и ледников, объектов добычи твердых полезных ископаемых, нефтяных скважин и нефтепроводов. Определены состав и формат входной и выходной информации, назначение баз данных. [149].

В Институте космических исследований в рамках Интегрированной Геоинформационной Системы была создана Система Космического Мониторинга Пыльных бурь Приаралья.

Пыльные (песчаные) бури - широко распространенное стихийное явление погоды на осушенной части дна Аральского моря, которое является мощным источником поступления аэрозолей в атмосферу вот уже на протяжении более четверти века.

Система космического мониторинга «Арал» проектировалась как многопользовательская развивающаяся система и состоит из пакета задач, каждая из которых ориентирована на конкретного пользователя, и системной оболочки, поддерживающей рост, модификацию пакета и всевозможные внутренние и внешние интерфейсы. Узловым элементом в данном определении является понятие задачи мониторинга, которое включает в себя смысловой и алгоритмический уровни. Смысловой уровень - это фактически постановка задачи, а алгоритмический - это технология решения задачи, встроенная в систему космического мониторинга Пыльных бурь Приаралья .

Программно-инструментальный комплекс, обеспечивающий решение задач мониторинга и тем самым функционирование, можно рассматривать как системную оболочку пакета задач. Ключевым компонентом системной оболочки является географическая информационная система ГИС «Арал», поддерживающая, казалось бы, такие разнородные системы, как:

• сопровождение баз данных дистанционного зондирования и наземных наблюдений,

• интерфейс с внешними системами, важнейшей из которых является INTERNET,

• сопровождение пакета задач, как оперативного контроля, так и оптимального управления.

Заказчиком выступил Международный Фонд Спасения Арала, который совместно с местными органами власти планирует использование мониторинговых наблюдений для принятия решений по ограничению негативных последствий Аральской катастрофы.

Технологически система космического мониторинга состоит из блока приема данных космического зондирования со спутников серии NOAA, блока сбора и архивации наземных экспедиционных данных наблюдений, блока архивации данных метеонаблюдений со станций, расположенных в Аральском регионе, блока выделения очагов-источников аэрозолей с подстилающей поверхности Приаралья, блока выделения на космоснимках шлейфов аэрозольного выноса, блока математического моделирования подъема и переноса аэрозольных потоков при соответствующих метеоусловиях, блока сравнительного анализа данных космического мониторинга и математического моделирования и блока сервисных программ, обеспечивающих интерфейс с пользователем системы. Разработка выполнена на основе современных геоинформационных технологий и методов обработки данных дистанционного зондирования lit . [150].

Модульный принцип дает возможность создавать различные модели в рамках этой подсистемы, улучшать, редактировать, заменять. Эта подсистема легла в основу дальнейшего развития работ по моделированию пыльных бурь Приаралья.

Аральская трагедия вылилась в целую серию негативных последствий - от деградации животного мира до аридизации климата. Среди них, особенно значительно изменился ветровой режим Приаралья с частыми штормовыми явлениями, сопровождаемые выносом огромного количества песка и соли с осушенного дна Аральского моря. Эти пыльные бури являются одним из пусковых механизмов опустынивания огромных прилегающих к Аралу, территорий. При этом, перенос аэрозоля носит трансграничный характер, и вредному воздействию этих явлений подвержены практически все центрально-азиатские страны и Россия. Проблема усугубляется дальнейшим обмелением Арала и непрерывным образованием новых очагов выноса аэрозолей.

Наземные наблюдения носят, как правило, ограниченный характер т.к. не могут охватить всю территорию. Кроме того, они достаточно трудоемкие и дорогостоящие вследствие чрезвычайно неблагоприятных условий пребывания на осушенном дне Аральского моря. В этой связи весьма актуальным является использование методов математического моделирования и дистанционного зондирования. Математические модели, адаптированные к реальным условиям, позволяют оценить такие важнейшие факторы, как объем выносимого аэрозоля, расстояние, на которое он выносится, количество частиц, выпадающих на поверхность и пр.

Использование методов геоинформационного моделирования не только позволяют описывать процесс пыльных бурь, выполнять их комплексный анализ, но и осуществляют дружественный интерфейс с пользователями, что является чрезвычайно актуальным для выработки конкретных решений по управлению территорией.

В результате исследований [150] разработан моделирующий комплекс системы мониторинга пыльных бурь Приаралья, полностью погруженный в геоинформационную среду и использующий развитый инструментарий геоинформационного моделирования. Подсистема моделирования включает в себя иерархиюматематических моделей, процедуру сравнительного анализа результатов моделирования с данными дистанционного зондирования и дружественный интерфейс с пользователями. Создана комплексная модель подъема и выноса аэрозольных частиц в виде иерархии следующих процедур:

-идентификация потенциально возможных очагов подъема аэрозоля на осушенном дне Аральского моря на базе ландшафтной карты, построенной по данным дистанционного зондирования;

- расчет дисперсной структуры аэрозолей на подстилающей песчаной поверхности, с использованием эмпирической функции распределения частиц по размерам;

- расчет порогового значения динамической скорости трения м*, в
зависимости от среднемодального размера частиц песка и эмиссионной способности выделенных очагов;

- расчет вертикального потока массы аэрозоля, формирующегося выше слоя сальтации, за счет турбулентной диффузии;

- моделирование шлейфов дальнего переноса аэрозолей с высохшего дна Аральского моря, путем решения трехмерного уравнения турбулентной диффузии в Гауссовом приближении.

       Для наиболее характерных эпизодов, идентифицированных в системе
космического мониторинга пыльных бурь Приаралья, выполнен
сравнительный анализ с модельными расчетами.

Моделирующий комплекс спроектирован и реализован с ориентацией на практическое использование. В зависимости от запросов пользователей результаты расчета можно применить для планирования экспедиционных наблюдений, для оценки эффективности мероприятий по закреплению очагов выноса аэрозолей, оценки возможного ущерба от выпадения частиц на прилегающие территории и т.д.

В настоящее время комплекс используется в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата (КазНИИМОСК) при анализе данных натурных наблюдений и выборе наиболее важных участков экспедиционных исследований на высохшем дне Аральского моря.

Для эффективного анализа состояния лесных экосистем необходимо знание основных закономерностей развития лесных территорий как природного комплекса, находящегося под влиянием сложных естественных и антропогенных факторов [151]. 

Вследствие того, что лесные территории Республики Казахстан находятся в труднодоступных районах (на востоке и юге), а также имеют мелкоструктурный характер и разбросаны на больших территориях (на севере), традиционные наземные наблюдения являются весьма дорогостоящими. Такие наблюдения несут, как правило, ограниченный характер и не решают задачу комплексного анализа состояния лесных территорий.

Многообразие типов лесного покрова, климатического режима, рельефных и ландшафтных особенностей, влияние антропогенных и природных факторов требуют комплексного решения задачи мониторинга лесных территорий с использованием данных аэрокосмического дистанционного зондирования и наземных наблюдений.

Лесные экосистемы представляют сообщества сложных структурных территориальных комплексов. Для анализа их состояния (вырубки, болезни, пожары, др.) и типовой идентификации (хвойный, лиственный, смешанный) необходима разработка специальных методов и алгоритмов цифровой обработки больших объемов спектрозональных данных аэрокосмического дистанционного зондирования.

 В результате исследований [151]  создана численная модель расчета распространения лесных пожаров. Разработаны: алгоритм текстурной классификации для анализа плотностных характеристик лесных экосистем по аэрокосмическим снимкам; методика обработки аэрокосмических данных и составления электронных карт лесных территорий; методика анализа разновременных космических изображений для обнаружения территорий природной и техногенной деградации. Предложен комплекс программ для геометрической коррекции, классификации изображений, их анализа по характеристикам Эйлера. Проведены расчеты распространения лесных пожаров. Показано соответствие расчетных и фактических площадей сгоревших лесов. В Восточно-Казахстанской области выявлены территории масштабных вырубок (уменьшение плотности текстуры).

Подготовлено автоматизированное рабочее место для решения лесокадастровых задач с использованием данных дистанционного зондирования и наземных наблюдений.    Разработанный комплекс программ для оперативного анализа состояния лесных экосистем ориентирован на практическое использование в повседневной работе специалистов лесокадастровых организаций.

В настоящее время разработанный комплекс программ используется для ведения аэрокосмического мониторинга лесных территорий, определения районов их деградации, а также для обнаружения очагов лесных пожаров и прогнозирования их распространения.

Методы и алгоритмы анализа состояния лесных территорий, предложенные в диссертационной работе, применяются в департаменте ГИС «Национального центра по радиоэлектронике и связи» РК, а также в РГП «ЛесПроект» и РГКП «ЮжГеодезия».

 Рост индустриализации и концентрации населения в городских и промышленных районах создали серьезные проблемы, связанные с атмосферным загрязнением локальных территорий. Решение этих проблем связано с такой сложнейшей процедурой, как управление качеством воздуха, включающей в себя компоненты мониторинга, прогноза и принятия решений. Если при долгосрочном планировании основным природным фактором является климат территории, то краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы опирается на текущие метеорологические факторы. Соответственно, в прогностических задачах является весьма актуальным типизация и прогноз возможных метеоситуаций. Только решив такую задачу, можно вести оперативный анализ времени пребывания загрязняющих веществ на выделенной территории, переноса облака либо шлейфа примеси над различными районами, эффективности принятия оперативных мер по регулированию выбросов и др. [152].

Задача оперативного объективного прогноза метеоситуаций наиболее сложна и актуальна для территорий с характерными природными особенностями. В частности для городов, расположенных в горной местности, степень загрязненности воздушного бассейна сильно зависит от метеорологических факторов (скорости ветра, температурной стратификации атмосферы, влажности и др.).

В работе [152] была поставлена задача разработать и реализовать в составе системы ТОПАЗ (Текущий Объективный Прогноз Атмосферных Загрязнений) процедуру прогноза метеорологической ситуации, способствующей накоплению вредных примесей в атмосфере города Алматы. При этом метеорологическая ситуация должна характеризоваться полями метеорологических величин (ветер, инверсия и др.) в объеме воздушного бассейна города.

В результате исследований проанализированы характеристики синоптических полей и выделены показатели, идентифицирующие состояние атмосферы, в виде ежесуточных полей геопотенциальной поверхности Н500 первого естественного синоптического района;

- модифицирована и программно реализована методика классификации полей, основанная на принципе минимума расстояния. В результате ее использования выделены шесть основных классов метеоситуаций, способствующих повышенному уровню загрязненности города Алматы;

- построены эталонные поля метеоэлементов, соответствующие каждому классу и выделены наиболее вероятные значения параметров, используемых в расчетных моделях системы ТОПАЗ;

      - разработан блок идентификации текущей метеоситуации с использованием прогностической карты Н500 в режиме оперативного прогноза.

   Получена и реализована методика объективного прогноза динамики полей загрязнения в атмосфере города, характеризующегося сложной циркуляционной картиной ветровых потоков.

 Разработанная технология предназначена для использования в текущей работе Гидрометеорологической службы и служб мониторинга окружающей среды в городах юго-восточной части Казахстана, расположенных в горной местности. Разработанный алгоритм может служить основой для процедуры классификации и прогноза загрязнения атмосферы в различных географических районах. Необходимо отметить, что система ТОПАЗ была сдана в эксплуатацию и неоднократно использовалась при выработке научно-обоснованных архитектурно-планировочных решений в Генеральном плане развития города Алматы и территориально-комплексной схеме охраны природы Алматы и Алматинской области  [152] . По данным дистанционного зондирования с привлечением материалов наземных съемок разработана методика поисков месторождений полезных ископаемых. Подготовлены кадастр, реестр и карта проявлений полезных ископаемых, мелкомасштабная геологическая карта  [153]. Таким образом, создана методическая и информационная основа для дальнейшего развития инфраструктуры Национальной системы космического мониторинга и создания ГИС-технологий космического мониторинга.

    Разработаны методологические принципы наземно-космического мониторинга и прогнозирования катастрофических наводнений на реках Казахстана с применением ГИС-технологий. Составлены каталоги наводнений по рекам Сырдарья, Урал, Иртыш за период 1990-2005 гг. Выявлены факторы, причины и условия катастрофических наводнений. Обоснованы вероятные сценарии катастрофических наводнений [154].

Проводится космический мониторинг промышленных агломераций и урбанизированных территорий, радиационно опасных объектов и контроля добычи твердых полезных ископаемых .Отработаны методика и алгоритмы дешифровки спутниковых снимков для анализа литологического состава горных пород, определения разноса пылевых частиц, оценки качества растительного покрова. Созданы черновые варианты баз данных по урбанизационным процессам (на примере Караганды) и контролю добычи твердых полезных ископаемых (на примере фосфоритовых карьеров Жанатаса [155].

Создается система экологической безопасности Республики Казахстан на основе космического мониторинга и информационных технологий для урбанизированных и промышленных территорий. Разработана математическая модель пространственного турбулентного течения в стратифицированной атмосфере. Оценено возмущение приземного слоя атмосферы. Создан программный комплекс для моделирования динамических процессов в средней атмосфере [156].

 

                       

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: