1295

способности (250–1000 м) и обеспечивают сбор данных в интересах исследований океанов, поверхности Земли, ледового покрытия; изучению атмосферы, облачности, распределения влажности и др.

Наибольшее распространение получили данные 36-канального спектрорадиометра MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), установленного на спутниках «Terra» и «Aqua». Данные с разрешением 250–1000 м применяются для метеопрогнозов, экологического мониторинга, обнаружения пожаров и др. Доступность, оперативность и практическая ценность данных сканеров MODIS способствовали созданию международной сети из около 90 приемных станций.

Вперспективе на базе спектрорадиометра MODIS будет создан новый сканер VIIRS для метеорологических КА NPP и NPOESS с разре-

шением 400–800 м.

Спутники для съемки поверхности океанов. Основные задачи такой съемки – оценка и разработка ресурсов океанов, информационное обеспечение рыбного промысла, экологический мониторинг, борьба с последствиями стихийных бедствий и экологических катастроф. Спутники эксплуатируют страны, ведущие активную экономическую деятельность в океанских акваториях: США (OrbView-2/SeaWiFS), Индия

(IRS-P3/MOS, IRS-P4/OCM), Корея (KompSat-1/OSMI), Тайвань (ROCSat-1) и Китай (HY-1/COCTS и CZI).

Втабл. 5.2 представлена сравнительная характеристика космических систем съемки (www.scanex.ru).

Таблица 5 . 2 Сравнительные характеристики космических систем съемки

101

Съемочная аппаратура ДЗЗ, устанавливаемая на спутнике, может работать в четырех основных диапазонах (ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом), в этих областях спектра земная атмосфера прозрачна для электромагнитных волн. В видимом диапазоне датчики (фотоэлементы, матрицы приборов с зарядовой связью и т.п.) регистрируют отраженное от земных покровов и прошедшее через атмосферу солнечное излучение; в ИК-диапазоне превалирует собственное тепловое излучение поверхности Земли; в микроволновом диапазоне используют собственное излучение планеты либо отраженные сигналы искусственных источников облучения, установленных на борту спутников. На рис. 5.3 представлены возможности сканеров и приборов фиксировать изображение в диапазонах разных длин волн электромаг-

нитного спектра (по данным http://www.krugosvet.ru).

Основными параметрами спутниковых изображений являются:

•ространственное разрешение, которое определяет минимальный размер различимых на снимке объектов;

•возможность съемки в панхроматическом (черно-белом) режиме или с использованием нескольких спектральных зон для формирования цветных изображений в натуральных цветах, которые видит человек, или псевдонатуральных, с использованием каналов в инфракрасном участке спектра;

•размер участка местности, охватываемого снимком.

К настоящему времени накоплено более 100 млн снимков, полностью покрывающих всю поверхность Земли, а для значительной части районов с многократным перекрытием. В США в архивах Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) хранится до 5 млн аэрофотоснимков и около 2 млн изображений, полученных со спутников Landsat.

Многогранные перспективы использования данных ДЗЗ при исследовании атмосферы, суши и океанов и определяются техническим прогрессом не только в области средств и объемов получения искомой информации, но и в процедуре дешифрирования снимков и/или их тематической обработки.

Обработку данных ДЗЗ разделяют на предварительную и тематическую. Под первой понимают набор действий по преобразованию исходной информации, полученной наземной станцией приема, в продукты ДЗЗ стандартных уровней обработки, пригодные для архивации и дальнейшего использования. Предварительная обработка включает

102

в себя радиометрическую калибровку, географическую привязку и геометрическую коррекцию изображений. Под тематической обработкой понимают обработку с целью интерпретации данных ДЗЗ в рамках конкретной задачи с получением тематических информационных продуктов.

Рис. 5.3. Возможности сканеров в разных диапазонах длин волн

Методы тематической обработки ДДЗ, специфичные для многозональной съемки, основаны на операциях с многомерными матрицами. Операциями обработки данных ДЗЗ являются восстановление (коррекция), предварительная обработка, классификация, преобразование изображений, специализированная тематическая обработка и др.

103

Часть данных ДДЗ поступает в цифровом виде, что позволяет непосредственно использовать для их обработки современные компьютерные технологии. Снимки на фотоносителях преобразуются в цифровую растровую форму представления с помощью сканирующих устройств. Цифровое изображение в форме растра представляет матрицу чисел, элемент матрицы (пиксел) отвечает характеристике (отражательной способности, температуре и т.д.) участка местности в определенной зоне электромагнитного спектра, размер участка зависит от разрешения снимка. Данные многозональной съемки в цифровом виде можно рассматривать как многомерную матрицу, в этом случае каждому участку поверхности соответствует наборзначений, называемый вектором характеристик.

Возможность быстрого перехода от предварительной обработки и тематического дешифрирования к выполнению операций моделирования и пространственного анализа увеличивается с использованием технических возможностей геоинформационных систем (ГИС). В то же время актуализация данных ГИС определяется оперативностью поступления информации о ДЗЗ.

Таким образом, ДЗЗ является современным и перспективным методом мониторинга опасности природных и техногенных факторов риска для регионов и территорий, а также отдельных государств и биосферы в целом.

5.2.ДЗЗ для оценки состояния лесных ресурсов

имониторинга пожаров

Леса – основной тип растительности России, занимают 45 % ее территории. Лесной фонд Российской Федерации – это почти 1,2 млрд га, что соответствует 22 % всех лесов мира. Площадь лесной части лесного фонда – 876,9 млнга.

В лесном хозяйстве методы дистанционного зондирования используются с целью определения качественных и количественных характеристик лесных массивов, определения типов лесонасаждений и доминирующих пород, оценки запасов, выявления пожаров и оценки последствий их распространения. В перечень задач, решаемых методами ДЗЗ, входят:

1. Инвентаризация и мониторинг лесного фонда:

•определение породного состава лесов;

•разделение лесов на категории по возрасту, степени спелости, запасу древесной массы, биологической продуктивности;

104

• определение высоты лесных массивов

•картографирование лесного фонда.

2. Мониторинг лесопользования:

•контроль лесовосстановительных работ и процессов лесовосстановления;

•экспресс-оценка фактических площадей рубок, появившихся со времени последнего лесоустройства;

•изучение природных условий лесохозяйственной деятельности (выявление плоских пониженных заболоченных участков, бессточных котловин, резких перегибов рельефа и т. п.);

•контроль видов рубок (выборочных, постепенных, сплошных), площадей вырубок, размещения лесовозных дорог, волоков и погрузочных площадок в соответствии с технологической картой разработки лесосеки, выявление недорубов и перерубов;

•выявление существующих незаконных вырубок и гарей;

•разрешение судебных споров, связанных с нарушениями Лесного кодекса РФ.

3. Лесопатологический мониторинг:

•изучение негативных процессов, воздействующих на лесные массивы: влияния вредителей и болезней, иссушения или переувлажнения лесов, приводящих к их деградации и гибели;

•оценка состояния лесных насаждений с хронической формой ослабления деревьев, болезнями, чрезмерной рекреационной нагрузкой и т.п.;

•обнаружение массивов леса, полностью или частично поваленного ураганными ветрами, определение площадей ветровалов.

4. Мониторинг лесных пожаров:

•обнаружение очагов возникновения лесных и торфяных пожаров, прогнозирование развития и продвижения очагов пожара;

•оценка пройденной огнем площади;

•выявление гарей и определение их площадей, определение экономического и экологического ущерба.

Задача оперативного обнаружения и мониторинга очагов пожаров приобретает особую актуальность в связи с большой территорией, занятой лесами. Кроме нанесения ущерба лесному хозяйству, пожары оказывают сильное влияние на экологическую обстановку и могут угрожать жизни людей.

105

Реальные масштабы возгорания лесов России и размеры наносимого огнем ущерба до настоящего времени не установлены. Регулярные наблюдения за лесными пожарами ведутся только в зоне активной охраны лесов, охватывающей 2/3 общей площади лесного фонда. В северных районах Сибири и Дальнего Востока, охватывающих 1/3 лесного фонда страны, учет пожаров и активная борьба с огнем практически отсутствуют. В зоне активной охраны лесов ежегодно регистрируется от 15 до 30 тыс. лесных пожаров на площади от 0,5 до 2,5 млн га.

Своевременное обнаружение очагов пожаров и определение их характеристик – одна из серьезнейших задач. Наиболее распространенный и традиционный способ ее решения в региональном масштабе – организация авиапатрулирования пожароопасных областей, что требует значительных материальных затрат. Из общей активно охраняемой площади в 760 млн га, обслуживаемая авиацией территория охватывает около 725 млн га. При этом около 550 млн га, расположенных в таежной зоне с редкой сетью дорог, отнесены к районам преимущественного применения авиационных средств пожаротушения. Резкое снижение ассигнований, выделяемых на охрану лесов в последние годы, в наибольшей степени отразилось на авиационной охране лесов. Следствием этого стало существенно возросшее число выходящих из-под контроля лесных пожаров, принимающих характер стихийных бедствий.

В этой связи возникает необходимость привлечения всех доступных средств оперативного обнаружения пожаров на ранней стадии их развития, что объясняет возрастающую роль в этом спутниковых систем дистанционного зондирования Земли. Космический мониторинг имеет ряд преимуществ по сравнению с авиаразведкой: высокую оперативность, большую площадь охвата земной поверхности и меньшие операционные расходы. На охраняемой территории спутниковые данные служат дополнением к традиционным методам обнаружения, а на неохраняемой – единственным средством мониторинга и оценки последствий лесных пожаров.

Методы детектирования пожаров базируются на анализе температур яркости в отдельных спектральных каналах. Ключевой признак поисковогоявления есть локальное повышение температуры в месте возгорания.

Обнаружение пожаров на снимках Земли из космоса возможно благодаря значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 10–25 °С) и очага пожара (300–900 °С), что приводит к разнице в тепловом излучении этих объектов в тысячи раз. Эта осо-

106

бенность позволяет, при съемке тепловой аппаратурой с пространственным разрешением 1 км, обнаружить очаг пожара площадью 100 м2 или зону тления площадью 900 м2. Оперативное обнаружение очагов возгорания такой площади позволяет принять своевременные меры к их ликвидации.

Присутствие очага горения в видимом спектре определяется по наличию основного дешифровочного признака лесных пожаров – дымовому шлейфу. По форме на снимке очаг напоминает конус светлосерого цвета. Следует помнить, что перистая и слоистая облачность по своей структуре и яркости может напоминать дымовые шлейфы лесных пожаров. Поэтому те части снимков видимого спектра, где предварительно обнаружен лесной пожар, просматриваются в инфракрасном диапазоне спектра. В этом случае шлейфы дыма от лесных пожаров практически не просматриваются.

Космические аппараты, которые позволяют детектировать очаги пожара, представлены в табл. 5.3.

Таблица 5 . 3

Типы и обзорность метеорологических спутников, обеспечивающих мониторинг лесных пожаров

Установленный комплекс в Центре космического мониторинга (Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск) позволяет получать информацию в режиме реального времени на территории всей Восточной Сибири и Дальнего Востока для обработки данных по всей территории. В результате многолетней работы по разработке и созданию многоуровневой информационной системы пространственновременного мониторинга состояния окружающей среды к настоящему моменту в Центре космического мониторинга создана система оперативного обнаружения лесных пожаров. Впервые в РФ на примере данной системы показана возможность использования данных метеорологических ИСЗ серии NOAA для оперативного обнаружения пожаров в бореальных лесах Сибири. Площади пожаров при обнаружении из космоса составляют 0,1 га и более.

107

Для целей оперативного пожарного мониторинга наибольшее применение находит информация со спутников NOAA (радиометр AVHRR с пространственным разрешением 1100 м и) и EOS (спутники Terra и Aqua с установленным на них радиометром MODIS с пространственным разрешением 250, 500, 1000 м). Каждая из этих спутниковых систем позволяет осуществлять оперативный контроль обширных территорий с получением данных не реже 6 раз в сутки (спутники серии NOAA) и 4–6 раз в сутки (спутники серии EOS).

Алгоритм автоматического определения очагов пожаров реализован в программном обеспечении, поставляемом ИТЦ «СканЭкс»

ScanViewer (для спутников серии NOAA) и ScanEx MODIS Processor (для спутников серии EOS).

Оба источника информации используются для целей мониторинга лесных пожаров во многих странах (Бразилия, Канада, Финляндия). В США данные, получаемые с обеих систем, использовались во время катастрофических пожаров 2000 г. в штатах Монтана и Айдахо. В Финляндии разработана и отлажена национальная автоматическая программа приема, обработки и рассылки сообщений об обнаруженных лесных пожарах на места.

ВРФ для проведения оперативного космического мониторинга

винтересах служб охраны лесов от пожаров создана ведомственная сеть станций МПР России с центрами приема спутниковых данных

вгг. Москве, Екатеринбурге, Иркутске, Якутске, Южно-Сахалинске и Геленджике. В интересах центральной базы авиационной охраны лесов «Авиалесоохрана» работают центры на базе Института космических исследований РАН (Москва) и Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск). В интересах МЧС создан Центр приема и обработки космической информации в г. Москве и развернуты лаборатории приема спутниковых данных в гг. Красноярске, Владивостоке, Анадыре.

Оперативную и актуальную информацию о природных пожарах предоставляют следующие сайты:

•http://www.nffc.aviales.ru/rus/main.sht – Информационная система дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз). Блок мониторинга пожарной опасности;

•http://www.geol.irk.ru/ – оперативные данные по пожарам Сибирского и Дальневосточного регионов по данным MODIS представляет сайт Байкальского РИКЦ (Иркутск);

108

•http://nffc.infospace.ru/ – Институт космических исследований Российской академии наук. Оперативные данные по пожарам. Сервер Центральной базы авиационной охраны лесов «Авиалесоохрана». Текущая информация по данным спутников серии NOAA;

•http://fire.iszf.irk.ru/ – спутниковый мониторинг лесных пожаров в Восточной Сибири. Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск;

•http://www.scanex.ru/ru/monitoring/default.asp?submenu=forestry&i d=fire_monitoring – оперативное обнаружение лесных пожаров по дан-

ным MODIS;

•http://www.scanex.ru/ru/monitoring/default.asp?submenu=forestry&id= fire_detection – мониторинг лесных пожаров иоценка площадей гарей;

•http:// www@fire.nad.ru – лесные пожары;

•http://meteovlab.meteorf.ru – Всемирная метеорологическая организация, региональный учебный центр ВМО в России и др.

5.3. ДЗЗ для оценки нефтезагрязнения акваторий морей

иокеанов и почвогрунтов территорий нефтедобычи

Кчислу факторов, представляющих наиболее существенную угрозу экологическому состоянию земель и акваторий, относятся аварийные разливы нефти и нефтепродуктов, происходящие в процессе их добычи, хранения и транспортировки. Указанные обстоятельства определяют актуальность задачи оперативного поиска, прогноза распространения и локализации нефтезагрязнений на воде и суше. Особое место в системе поиска разливов нефти и нефтепродуктов занимает плановый и оперативный космический мониторинг аварийных и потенциально опасных объектов, который является наиболее эффективным методом контроля больших по площади, удаленных и труднодоступных территорий.

ДЗЗ представляет новые возможности для оперативного мониторинга разливов нефти в морских акваториях. Физическое свой-

ство нефти покрывать тонкой пленкой большие акватории при сравнительно небольших разливах приводит к тому, что незначительная утечка имеет негативные последствия в масштабах региона.

Крупнейшие нефтеразливы прошлого века, такие как крушение танкеров «Эксон Валдиз», «Эрика», «Престиж», катастрофа в Керченском проливе в 2007 г., авария на нефтяной платформе в Мексиканском заливе в 2010 г., необратимо преобразовали экосистемы в региональном масштабе, и ущерб от них оценивался в миллиарды долларов.

109

В основном нефтезагрязнения расположены в зонах пролегания судоходных трасс и объектов инфраструктуры добычи и транспортировки нефти. Основными причинами загрязнения Мирового океана нефтью являются аварии на нефтяных танкерах и загрязнения, связанные с ее транспортировкой и несанкционированными выбросами кораблей (балластные воды, протекания машинного отделения и др.).

Поиск и прогноз распространения нефтезагрязнений осуществляется по данным космической съемки со спутников ENVISAT (Европейское космическое агентство) и RADARSAT-1 (Канада), а в перспективе до 2020 г. – TerraSAR-X, COSMO, RADARSAT-2 и др. с многофунк-

циональными поляриметрическими радиолокаторами. Снимки, полученные с КА, покрывают области шириной до 500 км и обладают достаточным разрешением для локализации разливов.

Радарные снимки являются наиболее подходящим средством для решения задачи мониторинга нефтяных загрязнений акваторий морей и океана благодаря всепогодности съемки и независимости от уровня освещенности. Разлившееся на поверхности воды нефтяное пятно формирует пленку и, вследствие присущих им физических характеристик, выглядят темными пятнами на окружающей их более яркой поверхности на радарном снимке.

При слабом ветре 0 и 2–3 м/с водная поверхность выглядит темной на радиолокационных изображениях. В этом случае темные нефтяные пленки сливаются с темным фоном океана и определение загрязнений затруднено.

Скорость ветра от 3 до 9–11 м/с в большей степени подходит для определения нефтяных загрязнений, нефтяные пленки (слики) выделяются темными пятнами на светлой поверхности воды. При большей силе ветра детектирование загрязнений затрудняется из-за исчезновения изображений и смешивания нефтепродуктов с верхнимслоем воды.

Несмотря на то, что возможности радиолокационной съемки зависят от силы ветра, получаемая информация о пространственном распределении нефтяных пленок позволяет выявлять источники загрязнений, отслеживать эволюцию и дрейф нефтяных пятен по временной серии снимков.

На радиолокационных изображениях нефтяные разливы характеризуются геометрией формы пятен, краями (гладкая граница с большим градиентом, чем у сликов природного происхождения), размером.

110