Системы космического мониторинга окружающей среды

• пространственного разрешения - до 70% решаемых задач мониторинга природных ресурсов требуют разрешения не хуже 15 м, хотя есть типы задач, которые не требуют хорошей детальности (в метеорологии, океанографии и др.);
• радиометрического разрешения - для более чем 70 % задач, решаемых приборами в видимой и ближней инфракрасной области спектра, - 0,1-0,5 %; для почти НО % задач, решаемых инфракрасными радиометрами, - 0,1-0,2 К; для 90 % задач, решаемых с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой, - 0,1-1 дБ;
• обзорности зондирования - требуемая полоса захвата съемочной аппаратуры колеблется от нескольких десятков км для локальных задач до нескольких тысяч км для глобальных задач, большее число задач требует полосу захвата около 150 км;
• оперативности получения данных - времени между моментом зондирования и моментом получения данных пользователем. Этот параметр особенно критичен и задачах мониторинга чрезвычайных ситуаций (время принятия решений до десятков минут), в то время как для большинства задач удовлетворительна оперативность от 7 до 30 дней;
• набора спектральных диапазонов зондирования - для решения около трети всех задач необходим охват всего спектра электромагнитного излучения, большинство же задач пока решается с помощью видимого и ближнего инфракрасного диапазонов;
• периодичности зондирования - возможных интервалов времени повторного зондирования одного и того же объекта. В задачах мониторинга чрезвычайных ситуаций и опасных метеорологических явлений требуется непрерывное зондирова- иие, для большинства же задач достаточна периодичность от одного раза в месяц до одного раза в сезон;
• комплексности данных по разрешаюшей способности, спектральным диапазонам. Комплексное использование данных позволяет увеличить достоверность дешифрирования в большинстве задач при условии использования соответствующих методов усвоения этих данных.

Важнейшим компонентом системы  космического мониторинга является орбитальный сегментносители съемочного оборудования, в данном случае - космические аппараты (КА). Эффективность КА во многом зависит от типа и параметров бортовых измерительных приборов. Именно способ зондирования (пассивный или активный), параметры приборов (количество, состав спектральных диапазонов, оптические характеристики) в комплексе с параметрами орбиты (высота, наклонение и т. д.) и способом доставки данных на Землю определяют ценность спутниковых данных с точки зрения пользователей.

2.Применение методов космического мониторинга окружающей среды

Эта глава посвящена описанию некоторых применений космического мониторинга при решении задач контроля окружающей среды.

Современное состояние научно-исследовательских  работ в области ДЗЗ из космоса  характеризуется переносом центра тяжести исследований с разработки отдельных научно-методических вопросов на создание полных технологий решения тематических задач. В мире накоплен большой опыт по цифровой обработке спутниковых данных, разработано и создано соответствующее программное обеспечение. Однако применимость методов ДЗЗ из космоса пока оставляет желать лучшего. Причиной тому является невысокая технологичность уже разработанных программных комплексов, обусловленная их недостаточной масштабируемостью, адаптируемостью, технологической и функциональной совместимостью.

В 2001г. рабочая группа Европейского агентства по окружающей среде (ЕАОС) подготовила документ о роли и  вкладе экологической информации, полученной с помощью дистанционного зондирования, в мониторинг экологических проблем  в масштабах Европы. В документе  констатируется, что информация, содержащаяся в регулярных докладах о состоянии  окружающей среды в Европе, помогает директивным органам оценивать эффективность принятых мер и способствует более рациональному отбору альтернативных вариантов и принятию будущих решений. Европейскому агентству по окружающей среде и его сети предлагается представлять отчетность о состоянии окружающей среды в Европе путем создания целостной «экологической картины» европейского континента, соблюдая при этом принципы точности и надежности информации в ходе описания отдельных аспектов или приоритетов, имеющих важное региональное и локальное значение.

Там же указывается, что дистанционное  зондирование является уникальным средством, позволяющим получать информацию, дополняющую  данные, собираемые с помощью имеющихся систем наземного мониторинга. Дистанционное зондирование может использоваться для восполнения пробелов в получении своевременной информации и позволяет сформулировать сводную картину трансграничной информации. Данные и информация, получаемые с помощью программ ДЗЗ, могут беспрепятственно использоваться в рамках географических информационных систем для сопоставления с другой географической информацией. Несмотря на эти преимущества, механизмы ДЗЗ используются крайне ограниченно в ходе подготовки национальных докладов о состоянии окружающей среды, а также на международном уровне: наиболее часто они используются только в иллюстрационных целях.

Результаты проведенных  экспертами исследований наглядно свидетельствуют  о том, что, хотя программы ДЗЗ  могут с качественной точки зрения обеспечить достижение ряда целевых  показателей экологического мониторинга, она не отвечает существующим количественным требованиям в той степени, в  какой им удовлетворяют другие применяемые  аналитические и химические методы. Механизмы программ ДЗЗ широко используются на оперативном уровне при решении  соответствующих задач применительно  к экосистемам суши (т.е. земным экосистемам). В свою очередь полученные с помощью  спутников базы данных о земном покрове  и землепользовании могут использоваться в качестве входных данных для  информационных систем и моделей  окружающей среды, в результате чего механизмы программ ДЗЗ косвенным  образом могут применяться при  решении задач, связанных не только с экосистемами суши.

Ниже указываются тематические вопросы, при решении которых, по мнению экспертов рабочей группы, механизмы программ ДЗЗ могут  использоваться на оперативном уровне в целях представления отчетности (перечисляются в порядке уменьшения объема опыта, накопленного до настоящего времени в соответствующих областях):

• изменение земного покрова и структуры землепользования: целевые показатели в области составления карт и их обновления в среднем масштабе;
• состояние и жизнестойкость растительности: идентификация и последующие меры;
• биотопы: их делимитация и обнаружение изменений;
• городская среда: оценка ее качества и последствия ее пространственного расширения;
• нефтяные разливы: составление их подробной картины, однако их последующее отслеживание по-прежнему осуществляется не на постоянной основе;
• наводнения: наблюдение в квазиреальном масштабе времени, оценка воздействия и, в ограниченной степени, анализ риска;
• моря и внутренние воды с точки зрения показателей загрязнения: составление карт общего распределения загрязнителей для крупных районов и их обновление;
• лесные пожары: анализ риска, определение характеристик и оценка их воздействия, что при широкомасштабных пожарах обходится дешевле;
• перенос загрязнителей воздуха: содействие в организации мер реагирования и в проведении подробной оценки состояния загрязнения и степени нагрузки на среду.

2.1Мониторинг гидрометеорологических процессов

Исторически развитие методов  ДЗЗ из космоса способствовало в  первую очередь развитию новых теоретических  представлений о глобальных процессах  и явлениях, происходящих в оболочках  планеты — атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере. Поэтому  не случайно, что наиболее распространенные системы дистанционного зондирования Земли из космоса — системы  метеорологического назначения . Отсутствие метеорологического направления в приведенном выше списке объясняется тем, что оно находится в компетенции Международной метеорологической организации, а не ЕАОС.

Метеорологи одними из первых оценили возможности спутникового зондирования. Начиная с 60-х годов прошлого века функционирование метеорологических КА позволяет развивать и совершенствовать методы обработки и интерпретации данных спутниковых наблюдений в интересах метеорологии.

В России ведущей организацией по эксплуатации и развитию национальных космических систем наблюдения Земли  гидрометеорологического (Метеор-М, Электро). океанографического (Океан) и природно-ресурсного (Ресурс) назначения, а также по приему и обработке данных с зарубежных спутников серий NOAA, EOS (Terra, Aqua), METEOSAT, GOES, MTS AT и других является ГУ «Научно-исследовательский центр «Планета.Центр осуществляет оперативное управление и научно-методическое руководство наземным комплексом приема н обработки спутниковой информации Росгидромета, включающим в себя три региональных центра: ГУ «НИЦ «Планета» (п. Обнинск Москва Долгопрудный), ЗапСиб РЦПОД (г. Новосибирск) и ДВ РЦПОД (г. Хабаровск), а также сеть стационарных и мобильных автономных пунктов (около 70) приема информации в России, Антарктиде и на морских судах (п. 1.4). Зоны приема региональных центров обеспечивают получение спутниковой информации по всей территории России и Европы .

Центр ежесуточно принимает  и обрабатывает более 50 Гбайт спутниковых  данных и выпускает свыше 80 наименований информационной продукции для обеспечения  потребителей федерального, регионального  и локального уровней — органов  исполнительной власти, организаций  Росгидромета, МО РФ, МЧС, МПР, РАН. других министерств и ведомств. Ежесуточно спутниковой информационной продукцией оперативно обеспечивается более 200 потребителей.

ГУ «НИЦ «Планета» участвует  в основных национальных и международных  программах, связанных с использованием данных дистанционного зондирования Земли: оперативная гидрометеорология, экология, глобальные климатические исследования и мониторинг глобальных изменений, контроль стихийных бедствий и др. Центр имеет многолетний опыт реализации прикладных проектов (в том числе международных, с участием ведущих зарубежных организации) по созданию территориальных и проблемно-ориентированных информационных систем с использованием спутниковых данных.

Впечатляет перечень информационной продукции, получаемой в НИЦ «Планета» на основе данных оперативных спутников:

• карты облачности;
• карты нефаналгоа и прогноза эволюции облачных образований;
• карты метеорологических параметров:
• обзорные карты снежного и ледового покровов;
• средняя интенсивность и тип осадков;
• максимальная интенсивность осадков;
• фазы осадков;
• водозапас облаков;
• интенсивности гроз;
• максимальная скорость восходящих движений;
• температура поверхности суши;
• максимальная высота кучево-дождевой облачности;
• возможный диаметр града:
• карты температуры водной поверхности морей и океанов;
• карты снежного покрова;
• карты траектории движения тропических циклонов;
• карты пожарной обстановки;
• карты наводнений.

В Центре также выполняются  проекты по космическому мониторингу  загрязнения морских акваторий, земель в районах нефтедобычи, контролю процессов опустынивания и др. В соответствии с руководящим документом Госгадромега в НИЦ «Планета» находится на хранении и регулярно пополняется государственный архив данных природно-ресурсных и океанографических КА, содержащий информацию с 1979 года по настоящее время. С 1991 года раздел Госфонда НИЦ «Планета» содержит данные в цифровой форме на специальных магнитных носителях высокой плотности, к которым имеется машинный доступ. Суммарный объем цифрового архива НИЦ «Планета» превышает 3 000 Гбайт.

В начале 90-х годов с  распространением в СССР персональных компьютеров (ПК) возникла задача перехода с аналоговых станций приема и  обработки метеорологических спутниковых данных с использованием фотохимических процессов к цифровым станциям с регистрацией и обработкой на ПК В первую очередь, необходимо было заменить существующие электронно-механические устройства управления антеннами на компьютеры с повышением точности наведения. Важнейшей задачей была задача перехода на регистрацию данных в цифровом виде. Описанный ниже аппаратно- программный комплекс, разработанный в Западно-Сибирском региональном центре приема и обработки спутниковых данных Росгидромета (Западно-Сибирский РЦПОД, г. Новосибирск) явился одним из первых в СССР автоматизированных рабочих мест для приема и обработки данных с метеорологических КА на базе ПК, используемых в оперативном режиме. Описание комплекса интересно с точки зрения истории развития методов ДЗЗ, которые прогрессируют в мире быстрыми темпами.