Современные методы зондирования космоса

Дистанционное зондирование Земли

Технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса — незаменимый инструмент изучения и постоянного мониторинга нашей планеты, помогающий эффективно использовать и управлять ее ресурсами. Современные технологии ДЗЗ находят применение практически во всех сферах нашей жизни.

Сегодня разработанные предприятиями Роскосмоса технологии и методики использования данных ДЗЗ позволяют предложить уникальные решения для обеспечения безопасности, повышения эффективности разведки и добычи природных ресурсов, внедрения новейших практик в сельское хозяйство, предупреждения чрезвычайных ситуаций и устранении их последствий, охраны окружающей среды и контроля над изменением климата.

В настоящее время российская орбитальная группировка дистанционного зондирования Земли состоит из космических аппаратов серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М», «Электро-Л» и «Арктика-М».

Изображения, передаваемые спутниками дистанционного зондирования Земли, находят применение во многих отраслях — сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Космические системы ДЗЗ позволяют за короткое время получить необходимые данные с больших площадей (в том числе труднодоступных и опасных участков).

В 2013 году Роскосмос присоединился к деятельности Международной Хартии по космосу и крупным катастрофам. Для обеспечения его участия в деятельности Международной Хартии был создан специализированный Центр Роскосмоса по взаимодействию с Хартией и МЧС России.

Головной организацией Госкорпорации «Роскосмос» по организации приема, обработки и распространения информации дистанционного зондирования Земли является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) холдинга «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). НЦ ОМЗ выполняет функции наземного комплекса планирования, приема, обработки и распространения космической информации с российских космических аппаратов ДЗЗ.

Обновление топографических карт
Обновление навигационных, дорожных и других специальных карт
Прогноз и контроль развития наводнений, оценка ущерба
Мониторинг сельского хозяйства
Контроль гидротехнических сооружений на каскадах водохранилищ
Реальное местонахождение морских судов
Отслеживание динамики и состояния рубок леса
Природоохранный мониторинг
Оценка ущерба от лесных пожаров
Соблюдение лицензионных соглашений при освоении месторождений полезных ископаемых
Мониторинг разливов нефти и движения нефтяного пятна
Наблюдение за ледовой обстановкой
Контроль несанкционированного строительства
Прогнозы погоды и мониторинг опасных природных явлений
Мониторинг чрезвычайных ситуаций, связанных с природными и техногенными воздействиями
Планирование аварийно-спасательных работ в районах стихийных бедствий и антропогенных катастроф
Мониторинг экосистем и антропогенных объектов (расширение городов, промзон, транспортных магистралей, пересыхающих водоемов и т.п.)
Мониторинг строительства объектов дорожно-транспортной инфраструктуры

«Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 года»
Постановление Правительства РФ № 370 от 10 июня 2005 г. с изменениями от 28.02.2015 № 182 «Об утверждении Положения о планировании космических съемок, приеме, обработке и распространении данных дистанционного зондирования Земли высокого линейного разрешения на местности с космических аппаратов типа «Ресурс-ДК»
Постановление Правительства РФ № 326 от 28 мая 2007 г. «О порядке получения, использования и предоставления геопространственной информации»
Поручение Президента РФ № Пр-619ГС от 13 апреля 2007 г. и поручение Правительства РФ № СИ-ИП-1951 от 24 апреля 2007г. «О разработке и реализации комплекса мер по формированию в РФ системы федеральных, региональных и иных операторов услуг, оказываемых с использованием данных ДЗЗ из космоса»
План реализации этих поручений, утвержденный Руководителем Роскосмоса 11 мая 2007 г. «О реализации комплекса мер по формированию в РФ системы федеральных, региональных и иных операторов услуг, оказываемых с использованием данных ДЗЗ из космоса»
Государственная программа Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013 — 2020 годы» утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 15 апреля 2014 г. № 306
Основы государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу, утвержденных Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. № Пр-906
Федеральный закон от 27 июля 2006 г. N 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» с изменениями и дополнениями от: 27 июля 2010 г., 6 апреля, 21 июля 2011 г., 28 июля 2012 г., 5 апреля, 7 июня, 2 июля, 28 декабря 2013 г., 5 мая 2014 г.

Федеральным, региональным и местным органам исполнительной власти для обеспечения государственных нужд материалы космической съёмки первого уровня стандартной обработки (космические изображения, прошедшие радиометрическую и геометрическую коррекцию) предоставляются на безвозмездной основе. В случае необходимости получения указанными органами материалов космической съемки высших уровней стандартной обработки, за услуги по их изготовлению взимается плата в соответствии с утверждённым прейскурантом цен.

Источник

Дистанционное зондирование из космоса

Введение и основные понятия

Дистанционное зондирование Земли (далее — ДЗЗ) открывает невероятные возможности для современных исследователей. Без него мы не смогли бы искать руины инков в сельве перунских Анд. Чтобы лучше объяснить, что это и как мы с этим работаем, давайте сначала определим сам термин «дистанционное зондирование».

Дистанционное зондирование — это метод измерения свойств объектов на земной поверхности, в котором используются данные, полученные с помощью воздушных летательных аппаратов и искусственных спутников Земли [1].

На самом деле есть и более широкие определения, но мы не будем их касаться, так как они не относятся к нашей теме: например, эхолокация морского дна с помощью звуковых волн или рентгеновское исследования пациентов в больнице. В случае со спутниками и самолётами информация об объекте зондирования на регистрирующий сенсор передаётся электромагнитными волнами (далее — ЭМ волны). В процессе ДЗЗ можно выделить семь последовательных шагов:

Схема процесса дистанционного зондирования Земли. Использованы иконки, созданные Freepik, Smashicons и Creaticca Creative Agency для www.flaticon.com

Источник ЭМ энергии (в большинстве случаев это Солнце, однако есть и другие варианты: собственное тепловое излучения Земли или микроволновое излучения, которое испускает сам спутник)
Прохождение ЭМ энергии через атмосферу (пока излучение проходит через среду, оно рассеивается, поглощается и претерпевает другие изменение)
Взаимодействие с объектом зондирования (поглощение или отражение ЭМ волн)
Запись ЭМ энергии датчиком, установленным на платформе (в данном случае — на спутнике)
Передача данных ДЗЗ на приёмную станцию и первичная обработка этих данных
Интерпретация и анализ данных в специальном программном обеспечении
Применение результатов анализа для решения стоящих задач

Для понимания ДЗЗ важно отметить несколько понятий. Во-первых, это диапазон ЭМ излучения, который регистрирует сенсор. Наши с вами глаза способны воспринимать только узкий спектр ЭМ излучения, называемый «видимым», однако датчики, используемые в ДЗЗ, способны регистрировать излучение и других, невидимых нам диапазонов. Это даёт возможность наблюдать «ненаблюдаемое», так как привычные нашим глазам объекты по-разному отражают ЭМ волны разных длин, и соответственно, выглядят совсем иначе.

Часть ЭМ спектра, применяемая в ДЗЗ (УФ, суб-мм и мм волны не используются из-за того, что атмосфера для этих диапазонов непрозрачна).

Во-вторых, все сенсоры делятся на два вида: пассивные и активные. Первые регистрируют естественное излучение, будь то отражённая солнечная радиация (как это делает фотокамера в вашем телефоне) или же собственное тепловое излучение объекта (при термальной съёмке). Вторые же сами освещают цель и регистрируют отражённые волны, как например, при радиолокационной съёмке или при лазерном сканировании.

Виды ДЗЗ: 1 — пассивное; 2 — активное. Использованы иконки, созданные Freepiks и Creaticca Creative Agency для www.flaticon.com

Появление открытых данных ДЗЗ

В Paititi Research мы используем в основном спутниковые данные ДЗЗ, доступные широкому кругу лиц бесплатно либо за разумные деньги. Нам, как независимым исследователям, особенно важно не только качество данных (например, высокое пространственное разрешение), но и финансовая сторона вопроса. Так откуда же взялись эти общедоступные космические снимки, спросите вы? Не будем углубляться далеко в историю, хотя это и интересно — почитайте хотя бы про аэрофотосъёмку с использованием почтовых голубей во времена Первой мировой войны [2]. Вместо этого постараемся перечислить основые вехи:

Начало современному ДЗЗ (с цифровыми снимками, а не с плёночными, а также с высоким пространственным разрешением, в отличие от метеорологических спутнков) положено в 1972 году, когда NASA запустила первый спутник миссии Landsat — тогда он ещё назывался ERTS (Earth Resources Technology Satellite) [3][4]. Это одна из самых успешных программ ДЗЗ — сейчас на орбите находится их новейший спутник Landsat-8. Особенность Landsat была в том, что эти космические аппараты были предназначены в первую очередь именно для исследований Земли в гражданских целях, что в условиях холодной войны было значительным шагом.
Со временем число спутников росло, а качество и разнообразие данных становились всё лучше и больше. Однако ДЗЗ по-прежнему оставалось уделом очень узкой группы специалистов, так как большая часть спутников управлялась американскими или русскими военными и предназначаласть для разведки [5].
После окончания холодной войны напряжение спало, и спутники становились всё более «гражданскими». И вот, в 1999 году случился прорыв — запущен коммерческий спутник ДЗЗ IKONOS [6], который снимал Землю с беспрецедентным на тот момент пространственным разрешением в 1 м. Так как подобная детализация уже позволяла решать частому бизнесу многие свои задачи, это ещё больше подстегнуло развитие ДЗЗ.
В 2001 году выходит первая версия программы Google Earth — большого популяризатора дистанционного зондирования [7]. На самом деле тогда Google Earth ещё называлась по-другому, так как была изначально разработа компанией Keyhole, которую Google приобрёл в 2014.
В 2002 году в открытом доступе публикуются результаты Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) — международной исследовательской работы по созданию глобальной цифровой модели рельефа с высоким разрешением [8].
В 2008 году Американская геологическая служба USGS открыла бесплатный доступ к огромному архиву снимков миссии Landsat [9]. Учёные и специалисты со всего мира стали активно использовать эти данные.
В 2014 году стартовал первый спутник ДЗЗ Европейского космического агенства (ЕКА) по программе Sentinel. Сейчас на орбите их уже несколько, и данные ДЗЗ этих спутников доступны бесплатно [10].
ЕКА вот уже несколько десятилетий держит курс на открытые данные и открытую науку. В результате в 2017 они официально приняли политику открытого доступа к информации и данным ЕКА, чтобы способствовать широкому использованию и развитию результатов своей космической деятельности [11].

На текущий момент мы видим, что уже есть коммерческие компании, которые создают свои ракеты, спутники и другие сопутствующие продукты [12], и даже позволяют себе такие глупости, как запуск автомобиля в космос [13]. Так что сейчас уже очевидно, что не только дистанционное зондирование Земли, но и космос в целом коммерциализировался и вошёл в широкие массы. Чтобы оценить степень освоения человеком околоземного пространства, достаточно взглянуть на эту картинку:

Скриншот с сайта Stuff in Space, показывающий искуственные объекты в околоземном пространстве. Земли в центре не видно, т.к. она окутана космическим мусором. 1) Красный — спутники. Легко можно увидеть два основных пояса, где они сосредоточены: пояс низких околоземных орбит (спутники ДЗЗ) и пояс высоких геостационарных орбит (спутники связи, навигации и метеорологии). 2) Синий — корпуса ракет. 3) Серый — космические мусор.

Космические снимки — не просто картинки

Многие из работали с космическими снимками в онлайн картах или программах наподобие Google Earth. Однако то, что вы там можете увидеть — это лишь вершина айсберга данных ДЗЗ. Суть в том, что изображения в онлайн картах имеют уменьшенное спектральное, радиометрическое и часто пространственное разрешение. Космические снимки, а вернее данные ДЗЗ, позволяют измерять разные характеристики целей:

длины
площади
объёмы и высоты (например, если по стереоснимкам построить цифровую модель местности)
химический состав (по мультиспектральным снимкам можно, например, выявить тип растения или горной породы)

Взгляните на иллюстрации ниже, чтобы понять, о чём идёт речь:

Фрагмент территории националького парка Ману (Перу):

Скришот из программы Google Earth, показывающий территорию в естественных цветах. Данные Landsat/Copernicus.
Псевдоцветной композит (ВИД+БИК), полученный из данных спутника Sentinel-2. Copernicus Sentinel data 2016.
Псевдоцветной композит из разных поляризаций L-диапазона, полученный радаром с синтезированной апертурой (HH – красный, HV – зелёный, VV – синий). Данные любезно представленны NASA/JPL-Caltech.
Термальный снимок. Данные Landsat-8, любезно представленные Геологической службой США.
Снимок в коротковолновом ИК диапазоне. Данные Landsat-8, любезно представленные Геологической службой США.

Фрагмент территории националького парка Ману (Перу) в крупном масштабе:

Скришот из программы Google Earth, на котором очевидно низкое пространственное разрешение данных. Landsat/Copernicus.
Снимок со спутника WorldView-2, данные компании DigitalGlobe.

Применение ДЗЗ в археологии

С запуском американцами первого спутника программы Landsat в 1972 г началась новая эпоха ДЗЗ для археологии [14, стр.1]. На сегодняшний день продукты ДЗЗ из космоса, доступные для широкого потребителя, позволяют:

Экономить, так как не требуются дорогостоящие наземные изыскания или аэросъёмка (на сегодняшний день накоплены огромные архивы данных ДЗЗ, стоимость доступа к которым относительно низкая)
Изучать труднодоступные территории (для спутника всё равно, снимать промышленный центр или удалённые районы Амазонки)
Получать снимки обширных районов (широкие полосы захвата спутников позволяют в короткий срок отснять тысячи квадратных километров)
Получать снимки Земли вне зависимости от погоды при использовании спутников, оснащённых радаром с синтезированной апертурой (РСА)
Получать высокодетальные снимки, сопоставимые по характеристикам с аэросъёмкой
Выявлять скрытые феномены в ландшафте с помощью спектрального анализа, 3d-моделирования и свойств некоторых диапазонов ЭМ-волн проникать под покров листвы и почвы

Конечно, спутниковое ДЗЗ — это не панацея. Оно должно интегрироваться в геоинформационные системы (ГИС) совместно с другими методами исследований, включая воздушные и наземные. Так, при поиске археологических объектов, спрятанных под густым покровом леса особенно эффективно проявил себя лидар — лазерный сканер, являющийся активным инструментом ДЗЗ, работающий в видимом и БИК-диапазонах, и устанавливаемый на самолёт или дрон. РСА-спутники, которые также являются активными инструментами ДЗЗ, могут с помощью микроволн зондировать подстилающую поверхность в густом тропическом лесу [17]. С помощью лидара археологи обнаружили легендарный «Белый город» (La Ciudad Blanca) в густом лесу на юго-востоке Гондураса [15]. Недавно были открыты десятки тысяч построек майя в джунглях Гватемалы — это тоже результат применения этого устройства [16]. Недостатки лазерного сканирования заключены в большой стоимости его применения, малой площади покрытия и зависимости от погодных условий. Оно подходит только для работ детального масштаба, когда район поиска максимально сужен.

В книге «Remote Sensing in Archaeology» (Wiseman; El-Baz, 2007) хорошо описано комплексное применение различных данных ДЗЗ и ГИС при исследовании Петенского бассейна Гватемалы — района цивилизации майа, большая часть которого покрыта густыми лесами [14, cтр.137-160 и стр.263-282]. Почитайте статью «Проверяя наши способности», где вы можете узнать, как конкретно мы использует ДЗЗ для поиска Пайтити.

Источники открытых данных

Наш проект во многом зависит от общедоступных снимков ДЗЗ, и мы сами являемся апологетами открытости науки, данных и инструментов для их обработки. Ниже предоставляем вам список основных источников бесплатных данных и инструментов, которыми мы пользуемся:

Источник