1295

Тема 5. АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА БЕЗОПАСНОСТИ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

5.1. Дистанционное зондирование Земли

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) – процесс сбора информации об объекте, территории или явлении с помощью регистрирующего прибора, обеспечивающего регистрацию в аналоговой или цифровой форме отраженного или собственного электромагнитного излучения участков поверхности в широком спектральном диапазоне.

Методы ДЗЗ основаны на регистрации излучений посредством камер, сканеров, микроволновых приемников, радиолокаторов и других приборов, установленных на летательных аппаратах, не выходящих за пределы тропосферы (самолеты, радиозонды и т.п.), и на спутниках и космических аппаратах. В некоторых случаях к приборам дистанционного мониторинга относятся приборы, установленные в труднодоступных местах Земли или на морских судах, показания приборов передаются в центры наблюдений с помощью методов дальней передачи связи, в том числе через искусственные спутники Земли.

Дистанционным зондированием и эксплуатацией предназначенных для этого космических аппаратов (КА) и наземных средств приема в России занимаются: Российское космическое агентство (РКА), Минобороны, Федеральная служба Роскартографии и Федеральная служба Росгидромета. Гражданские спутники контролируются РКА.

Космическая деятельность России и фундаментальные исследования в этой области направлены на улучшение технического состояния спутниковых систем за счет введения в их состав новых КА для решения широкого спектра социально-экономических задач и использование возможностей ДЗЗ. Спутники, выведенные на околоземные орбиты, представляют возможность наблюдать, отслеживать и изучать планету как целостную систему, включая ее динамичную атмосферу и облик суши, изменяющийся под влиянием природных факторов и деятельности человека.

92

Состав орбитальной группировки спутников обеспечивает широкие возможности в решении задач целевого назначения в интересах национальной безопасности, науки и социально-экономической сферы. Приоритетными направлениями космической деятельности России для обеспечения экологической безопасности являются картография, рациональное землепользование, климатология и прогноз погоды, исследование природных ресурсов, в том числе состояния лесных ресурсов и др. (рис. 5.1).

Оперативная информация в сфере мониторинга чрезвычайных ситуаций, полученная с помощью космических средств наблюдения направлена на их предотвращение и обеспечение работ по ликвидации последствий стихийных бедствий.

К задачам, решаемым средствами дистанционного зондирования для предотвращения чрезвычайных ситуаций и ликвидации их последствий, отнесены:

•мониторинг паводковой обстановки, контроль половодий, ледовой обстановки, наводнений, имеющих разное происхождение (дожди, таяние снега, последствия землетрясений, аварии на гидроэлектростанциях и т.д.);

•обнаружение сбросов загрязняющих веществ в водоемы и моря;

• контроль распространения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, задымленность городов и населенных пунктов в результате лесных, степных и торфяных пожаров;

•выявление сельскохозяйственных зон, подверженных засухе;

•слежение за таянием горных ледников, обнаружение и контроль схода селей, оползней;

•контроль территорий, находящихся в зонах морских приливов

иотливов и сгонно-нагонных явлений;

•контроль территорий, подвергнувшихся землетрясениям;

•обнаружение песчаных и пылевых бурь, контроль их последствий;

•контроль опустынивания территорий (интенсивная деградация почв) из-за засоления почв, ветровой и плоскостной эрозии почвенного покрова, изменения климата;

•контроль интенсивного заболачивания территорий.

На качественные характеристики материалов ДЗЗ оказывают влияние форма, наклонение, высота, период обращения, положение по отношению к Солнцу установленной аппаратуры.

93

Для наблюдений из космоса целесообразнее использовать круговые орбиты, обеспечивающие движение спутника на одинаковом расстоянии от Земли. Наклонение орбиты определяет широтный пояс, охватываемый съемкой. В России для запуска ракет используют полигоны Байконур (опорная орбита 65°), полигон Свободный, космодром Плесецк. По высоте можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит: 100–500 км – орбиты для пилотируемых кораблей и орбитальных станций, 500–2000 км – орбиты для ресурсных и метеорологических спутников, 36 000–40 000 км – орбиты геостационарных спутников, обычно экваториальные. Скорость движения таких спутников равна скорости вращения планеты, поэтому они постоянно находятся над одной ее точкой. На околоземных орбитах спутники движутся со скоростью 11 км/с и один оборот вокруг Земли совершают за 1,5 ч, в сутки – около 16 витков. Для получения снимков при постоянных условиях освещенности используют сол- нечно-синхронные орбиты, что позволяет спутнику появляться над одним и тем же местом в одно и то же время, и условия освещенности зависят только от времени года.

Размещение действующих и планируемых к запуску спутников на геостационарной орбите показано на рис. 5.2.

По данным инженерно-технического центра «СканЭкс» (www.scanex.ru) и материалам информационных агентств и международных конференций число запущенных спутников с аппаратурой съемки Земли из космоса в текущем десятилетии постоянно увеличивается. В 2000–2006 гг. среднегодовое число запущенных спутников с аппаратурой съемки Земли находилось в пределах 10–16 аппаратов,

в2007 г. возросло до 19, в 2008 г. – 21.

В2009 г. на орбиты выведены 22 спутника, в том числе 18 гражданских, коммерческих и военных аппаратов съемки Земли и 4 метеорологических (табл. 5.1). В обзор включены гражданские, коммерческие и военные спутники ДЗЗ с оптико-электронной и радиолокационной аппаратурой, позволяющей получать изображения с пространственным разрешением от низкого до сверхвысокого.

По пространственному разрешению аппаратура съемки Земли подразделяется на несколько классов: низкого разрешения (от 250 м до 1 км); среднего разрешения (от 10 до 250 м), высокого разрешения (от 1 до 10 м) и сверхвысокого разрешения (менее 1 м).

95

Рассмотрим космические системы ДЗЗ обеспечивающие формирование ресурсов снимков поверхности Земли в видимом и ИКдиапазонах спектра. Как правило, именно эти данные доступны для широкого круга пользователей информации космического мониторинга поверхности планеты.

Спутники среднего разрешения. Рынок изображений среднего разрешения (10–250 м) сформировался в 80-е гг. XX в. на основе информации системы мониторинга природных ресурсов Landsat и стал основным по объему продаж в 1990-е гг. после появления близких по характеристикам спутников ДЗЗ других стран, среди которых SPOT (Франция), IRS-1C,1D (Индия) и «Ресурс-О1». Несмотря на быстрый рост рынка изображений высокого разрешения, материалы съемки среднего разрешения остаются по-прежнему незаменимыми при решении задач контроля районов стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций, разведки полезных ископаемых, лесоводства, сельскохозяйственного и экологического мониторинга и др.

Выделяют две категории КА с аппаратурой среднего разрешения:

1)спутники класса Landsat для обеспечения долгопериодической глобальной съемки (Landsat-5, Landsat-7, SPOT, IRS);

2)КА с аппаратурой радиолокационной съемки (RADARSAT-1, ERS-2, ENVISAT-1). Кроме того, для опробования новых технологий

иметодов ДЗЗ многие страны мира используют экспериментальные мини- и микроспутники с аппаратурой среднего разрешения.

Космические системы ДЗЗ низкого разрешения и метеосисте-

мы. Спутники с широкозахватной аппаратурой низкого разрешения (более 250 м) обеспечивают сбор информации, необходимой для синоптических прогнозов, интегральных оценок характеристик океанской поверхности, состояния растительного покрова, почвы, лесов и ледовой поверхности.

Съемка ведется одновременно в нескольких спектральных каналах, выбор которых определяется спецификой тематического применения данных. Рынок низкодетальных изображений формируется на основе материалов съемки метеоспутников на полярных и геостационарных орбитах. Среди КА с аппаратурой низкого разрешения можно выделить три категории:

1)низкоорбитальные и геостационарные метеоспутники США, России, Китая, Европы, Индии и Японии с аппаратурой обзорной съемки Земли с разрешением 1–8 км;

99

2)спутники глобальной оперативной съемки с широкозахватной аппаратурой низкого разрешения 250–1000 м Terra, Aqua (сканер MODIS), ENVISAT/MERIS, а также КА для съемки растительного покрова Земли (сканеры SPOT/Vegetation, «Метеор»/МСУ-СМ и др.);

3)специализированные КА с многоканальной аппаратурой съемки поверхности океанов США, Индии, Китая и Тайваня.

Низкоорбитальные метеоспутники. Широкое распростране-

ние в мире получили метеоданные американских спутников NOAA, военных КА DMSP (данные доступны через серверы NOAA) и китайского FY-1D. Основная радиометрическая аппаратура метеоспутников создана в 70–80-х гг. XX в. и обеспечивает передачу данных с разрешением 1 и 4 км. Спутники используются для наблюдений за изменением облачности, развитием циклонов, картирования изменений снегового покрова, исследования морских течений и др. Метеорологические спутники широко применяются для обнаружения пожаров по тепловой разности очага пожара и температурного фона подстилающей поверхности.

Российские спутники «Ресурс-О» (серии «Ресурс-О1» и «РесурсО3»), «Метеор» («Метеор-2» и «Метеор-3») и «Океан» ведут съемку низкого и среднего разрешения гидрометеорологического, природноресурсного и океанографического назначения. «Ресурс-О» с 1991 г. ведет цифровую съемку с помощью сканеров МСУ-Э, МСУ-СК и МСУ-С. МСУ-Э являются наиболее распространенным типом сканера для широкого применения с регулярным обновлением без высокого разрешения.

Спутники «Метеор» производят телевизионную съемку в световом диапазоне с разрешением 700–1400 м, ширина полосы 3,1 км.

При переходе на метеоспутники нового поколения NPOESS, «Meтеop», FY-3, «Метеор-М» с аппаратурой повышенной информативности максимальное разрешение улучшится до 250–400 м. США и Европа планируют создать объединенную метеосистему на базе КА

NPOESS и «Meтеop».

Спутники для глобальной оперативной съемки с низким разре-

шением. Спутники для глобальной оперативной съемки с широкозахватными многоспектральными оптикоэлектронными системами занимают промежуточное положение между КА типа Landsat среднего разрешения и метеорологическими КА по пространственной разрешающей

100