Космический мониторинг и чрезвычайные ситуации. Спутниковый мониторинг весеннего половодья в реках - Статья

В этой ситуации развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды. Космический мониторинг заключается в непрерывном многократном получении информации о качественных и количественных характеристиках природных и антропогенных объектов и процессов с точной географической привязкой за счет обработки данных, получаемых со спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Космический мониторинг позволяет получать однородную и сравнимую по качеству информацию единовременно для обширных территорий, что практически недостижимо при любых наземных обследованиях. Исходя из этого определения, можно выделить ряд принципиальных требований к космическому мониторингу: возможность наблюдения за большими площадями и протяженными объектами; высокое пространственное разрешение (до 50 см) и точность, в т. ч. без наземных точек привязки; высокая периодичность съемки, оперативность получения исходных и обработанных данных ДЗЗ; возможность построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ) по стереосъемке с космических аппаратов (КА) ДЗЗ; возможность выполнения съемки в большом количестве спектральных каналов; возможность использования материалов космического мониторинга напрямую во всех стандартных ГИС. В текущем десятилетии оперативный космический мониторинг ЧС сформировался как самостоятельное направление космической геоинформатики и продолжает быстро развиваться, чему способствует прогресс в нескольких космических технологиях: •значительное увеличение информативности зондирования геосфер из космоса благодаря появлению разнообразных датчиков (многоспектральных и гиперспектральных оптических, РСА, СВЧ-зондировщиков атмосферы и ионосферы), в том числе с высоким и сверхвысоким пространственным разрешением;По технологии близкое к военным задачам: высокая оперативность планирования операций, доведения решений и информации до исполнительного звена на месте событий.

Содержание

Введение

• Общая характеристика

• Классификация ЧС

• Задачи и возможности космического мониторинга ЧС

• Перспективные направления спутникового мониторинга ЧС

• Космические системы мониторинга ЧС

• Российские космические системы мониторинга ЧС

Заключение

Список литературы

Появление глобальной компьютерной сети Интернет и разработка передовых информационных технологий открыли новый этап развития космического экологического мониторинга. Особенностью нового этапа является широкое использование телекоммуникационной инфраструктуры, а также гипертекстовых и интерактивных информационных технологий, которые чрезвычайно перспективны в дистанционном мониторинге состояния окружающей среды. Актуальной является также проблема интегрирования национальных информационных ресурсов по окружающей среде, создание региональных баз данных и расширение электронных коллекций по результатам космического экологического мониторинга.

Проблема получения адекватной информации о состоянии окружающей среды тесно связана с задачей обеспечения устойчивого развития общества. В этой ситуации развитие технологий наблюдения из космоса, создание инфраструктур спутникового экологического мониторинга наряду с разработкой экологической системы контроля в реальном масштабе времени призваны сыграть ключевую роль в обеспечении безопасности окружающей среды.

Космический мониторинг заключается в непрерывном многократном получении информации о качественных и количественных характеристиках природных и антропогенных объектов и процессов с точной географической привязкой за счет обработки данных, получаемых со спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Космический мониторинг позволяет получать однородную и сравнимую по качеству информацию единовременно для обширных территорий, что практически недостижимо при любых наземных обследованиях. Исходя из этого определения, можно выделить ряд принципиальных требований к космическому мониторингу: возможность наблюдения за большими площадями и протяженными объектами; высокое пространственное разрешение (до 50 см) и точность, в т. ч. без наземных точек привязки; высокая периодичность съемки, оперативность получения исходных и обработанных данных ДЗЗ; возможность построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ) по стереосъемке с космических аппаратов (КА) ДЗЗ; возможность выполнения съемки в большом количестве спектральных каналов; возможность использования материалов космического мониторинга напрямую во всех стандартных ГИС. Есть разные варианты получения данных ДЗЗ при осуществлении космического мониторинга. Среди них наибольшее распространение получили два подхода (назовем их условно первый и второй): первый - заказ через дистрибьютора необходимых данных ДЗЗ у оператора КА; второй - установка собственной станции приема, получение лицензии и прием данных ДЗЗ непосредственно с КА. Рассмотрим, в чем преимущества и недостатки каждого подхода, и попытаемся развеять бытующие заблуждения о том, что второй подход эффективнее и перспективнее первого.

Классификация ЧС

Все многообразие чрезвычайных ситуаций по характеру происходящих физических явлений можно условно разделить на четыре группы.

Первая группа - это литосферные процессы (землетрясения, вулканы, цунами).

Вторая группа - процессы метеорологические (тайфуны, ураганы, грозы).

Третья группа - группе относятся геолого-географические явления (сели, обвалы, оползни, лавины).

Четвертая группа - это антропогенные процессы (потоки электромагнитного излучения, индустриальные выбросы, пожары, аварии, деградация почв, земель и городской среды обитания).

Предвестниками чрезвычайных ситуаций, обусловленных литосферными процессами, могут служить явления, происходящие в ионосфере, а также изменение рельефа и температуры поверхности Земли. К ионосферным предвестникам сейсмических явлений относятся, например, изменения оптического излучения атомарного кислорода, электрических и магнитных полей, концентрации заряженных частиц в ионосфере. Эти явления могут быть зарегистрированы спутниковыми радиофизическими методами, например по изменению радионавигационных сигналов, прошедших через ионосферу.

Характерными признаками чрезвычайных ситуаций, обусловленных метеорологическими процессами, являются градиенты температурных полей, обуславливающие формирование и перенос воздушных масс, вариации температуры подстилающей поверхности, образование в атмосфере грозовых, спиральных и вихревых структур. Все это хорошо регистрируется при обработке изображений, получаемых с помощью инфракрасной, гиперспектральной и радиометрической аппаратуры метеоспутников.

Имеются предвестники и у геолого-географических чрезвычайных ситуаций. К ним относятся: изменения рельефа земной поверхности, увлажненности породы, плотности, рыхлости, подвижности почвенных и подпочвенных структур, вариации объема снега на склонах гор, изменения уровня вод в реках, озерах, на ледниках, наконец, формирование нависающих геологических структур. Все эти признаки могут регистрироваться в результате обработки данных, полученных с помощью оптико-электронной бортовой аппаратуры в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, а также информации космических радиолокаторов.

К чрезвычайным ситуациям антропогенного характера, оказывающим влияние на состояние окружающей среды, относятся: проливы нефтяных продуктов на суше и в водных акваториях, выбросы газообразных продуктов в атмосферу в результате работы промышленных предприятий, загрязнение атмосферы за счет работы авиационных двигателей и при запусках ракет, техногенное загрязнение сельскохозяйственных угодий, водоемов, городских территорий, мощное радиоизлучение искусственных источников и многие другие факторы. Они хорошо распознаются, в частности, по изменениям отражательной и излучающей способности наблюдаемой поверхности, свойств прохождения радиосигналов через ионосферу. В ряде случаев космические аппараты регистрируют и электромагнитное излучение искусственного происхождения.

Задачи и возможности космического мониторинга ЧС

Оперативный космический мониторинг природных и техногенных чрезвычайных ситуаций (ЧС) и катастроф в последние годы стал важнейшим и обязательным компонентом информационного обеспечения национальных служб реагирования на ЧС развитых государств. Для России с огромными пространствами оперативное применение космической информации является особенно актуальным.

На основе космической информации могут быть решены следующие задачи мониторинга ЧС: •наблюдения за состоянием окружающей среды;

•диагностика гидрометеорологических рисков (опасных природных явлений и процессов);

•оценка безопасности территорий и опасных производственных объектов;

•прогнозирование природных, природно-техногенных и социально-биологических ЧС;

•обнаружение, оценка масштаба и ущерба от ЧС;

•планирование и оценка эффективности предпринимаемых мер по ликвидации последствий ЧС.

Ежедневно получаемая космическая информация широко применяется для информационного обеспечения аудита и прогнозных моделей безопасности территорий и опасных производственных объектов. При этом используются современные ГИС-технологии, позволяющие объединить разнородную информацию с космическими данными. Это позволяет автоматизировать расчеты риска возникновения ЧС (пожары, засухи, наводнения и пр.). Возможности космических средств мониторинга зон ЧС из космоса определяются оперативностью съемки, пространственным разрешением наблюдаемых объектов, доступностью снимков. Исходя из наиболее значимой характеристики - пространственного разрешения, спутниковая аппаратура съемки Земли делится на датчики низкого (более 250 м), среднего и высокого (1 м, 250 м) и сверхвысокого пространственного разрешения (1 м и менее).

Перспективные направления спутникового мониторинга ЧС

В текущем десятилетии оперативный космический мониторинг ЧС сформировался как самостоятельное направление космической геоинформатики и продолжает быстро развиваться, чему способствует прогресс в нескольких космических технологиях: •значительное увеличение информативности зондирования геосфер из космоса благодаря появлению разнообразных датчиков (многоспектральных и гиперспектральных оптических, РСА, СВЧ-зондировщиков атмосферы и ионосферы), в том числе с высоким и сверхвысоким пространственным разрешением;

•радикальное сокращение времени реакции системы с суток до нескольких часов, благодаря применению принципов децентрализации и прямого приема информации, а также развитию сетевых и геопортальных вебтехнологий;

•увеличение оперативности и надежности съемки вне зависимости от освещенности и метеоусловий благодаря объединению ресурсов различных спутниковых систем ДЗЗ, в том числе оптических и радарных.

Пространственное разрешение современных оптикоэлектронных систем коммерческих спутников достигло величин менее 0.5 м, а коммерческих радаров - 1 м. Высокодетальные спутниковые изображения позволяют получать точные оценки степени разрушения объектов не только при стихийных бедствиях, но и после техногенных аварий и катастроф, характеризующихся сравнительно небольшими площадями и зонами поражения.

Время реакции современных высокодетальных систем ДЗЗ сократилось с суток до часов, что позволяет использовать их на самой ранней стадии развития ЧС. Время программирования современных спутников ДЗЗ составляет 4-6 часов (вместо 1-2 суток у КА ДЗЗ первых поколений). Общее время реакции системы сократилось до 6-12 часов. При этом диаграмма времени космического мониторинга ЧС подразделяется на несколько этапов (рис. 1): •время принятия решения (от ЧС до принятия решения на съемку);

•время программирования (от заказа съемки до непосредственно съемки);

•время обработки (от съемки до генерации продукта);

•время доведения (от генерации продукта до получения продукта заказчиком);

•оперативность изображений (от съемки до получения продукта заказчиком);

•общее время реакции системы (от заказа съемки до получения продукта заказчиком).

Рис. 1

Космические системы мониторинга ЧС

Специализированные Многоцелевые

Национальные системы Международные системы Национальные системы Международные системы

• «2 1» (2 КА с ОЭА 1 КА с РСА) • «4 4» Китай Великобритания Китай Нигения Турция США Франция Германия • Int. Charter Space&Major Disaster • UN SPIDER • ESA GMES

• DMG (6 микро КА) • Landsat-5/7 • Quikbird • WORLDVIEW • Ikonos • GEIEYE • Radarsat-1/2 (Канада) • TERRASAR-X • SAR-Lupe • RE • SPOT-4/5 • Pleiades • Helios

Рис. 2 Космические системы мониторинга ЧС

Впервые специализированная система мониторинга ЧС создана группой стран во главе с Великобританией (международная система Disaster Monitoring Constellation, DMC), вторая - национальная, создается в Китае (система первого этапа «2 1»). В рамках международной системы мониторинга ЧС DMC объединены ресурсы нескольких серийных миниспутников, разработанных британскойкомпанией SSTL по контрактам с Алжиром, Великобританией, Нигерией, Турцией и Китаем. В 2002-2009 гг. на типовые солнечно-синхронные орбиты высотой 686 км были выведены 7 миниспутников двух поколений: Alsat-1, Bilsat, Nigeriasat-1, UK-DMC, Beijing-1, UK-DMC-2 и Deimos-1. Несмотря на официальное наименование системы, миниспутники DMC предназначены в основном для съемки в интересах национальных операторов. Но все страны - члены DMC предоставляют ежесуточно 5% ресурсов спутников для съемки ЧС, кроме того, часть свободных ресурсов используется в коммерческих целях, для чего создан консорциум DMCII. Все миниспутники массой 120-160 кг оснащены многокамерными линзовыми мультиспектральными оптическими системами с широкой полосой захвата. Уникальными особенностями спутников системы DMC являются: •получение изображений в трех спектральных каналах (зеленый, красный, ближний ИК), которые совпадают с каналами спутников LANDSAT;

•возможность ежесуточного обзора любого района Земли;

•съемка с широкой полосой захвата размером 600 км;

•субпиксельная точность геопривязки ортоизображений продуктов уровня L1T (СКО менее 25 м).

Система DMC c 2005 г. входит в Хартию «Космос и Глобальные Бедствия» и будет пополняться новыми спутниками. В 2008 г. впервые в истории Китая на орбиту выведены два спутника, специально спроектированые для целей оперативной съемки районов катастроф, мониторинга окружающей среды и прогнозирования ЧС. Разработка космической системы мониторинга ЧС (получила наименование Small Satellite Constellation for Environment and Disaster Monitoring and Forecasting, SSCEDMF) началась в 2000 г. по совместному проекту государственного агентства охраны окружающей среды и госкомитета по защите от катастроф (аналог МЧС) Китая. Система получила также неофициальное обозначение «4 4», потому что она будет состоять из 4 спутников с оптической аппаратурой и 4 спутников с радарами, что обеспечит возможность съемки любого района Земли каждые 12 часов. Система первого этапа под названием «2 1» состоит из двух уже запущенных оптических спутников HJ-1A/B и радиолокационного спутника HJ-1C, который будет выведен на орбиту в 2010 г. Миниспутники HJ-1A и HJ-1B (Huan Jing - «Хуаньцзин», «Окружающая среда») массой по 500 кг оснащены типовыми оптическими сканерными системами для съемки с пространственным разрешением 30 м в полосе захвата 700 км в четырех спектральных зонах (3 канала видимого спектра и один - ближнего ИК). Кроме того, на спутнике HJ-1A впервые в китайской практике установлена гиперспектральная оптическая камера, которая позволяет получать изображения в 115 узких спектральных зонах видимого и ближнего ИК участков спектра (ширина 5 нм, диапазон 0.45-0.95 мкм) с пространственным разрешением 100 м в полосе захвата 50 км.

Миниспутник HJ-1В оснащен также оптическим сканером для съемки в четырех участках ИК спектра (ближний, коротковолновый, средневолновый и тепловой) с пространственным разрешением 150 м и 300 м (тепловой канал) в полосе захвата 720 км. Аппаратура съемки в ИК диапазоне позволяет в дневное и ночное время определять характеристики очагов пожаров, выявлять зоны повышенной тектонической активности и районы загрязнения акваторий. Оба миниспутника размещены на рабочей солнечно-синхронной орбите высотой 650 км и имеют срок активного существования 3 года.

Российские космические системы мониторинга ЧС

В состав отечественной системы космического мониторинга Земли входят орбитальный и наземный сегменты, а также коммуникационная инфраструктура. Наземный сегмент состоит из сетей станций наблюдения, интегрированных баз данных, средств моделирования и принятия решения, опирающихся на результаты тематической обработки данных ДЗЗ.

Для оперативного решения задач МЧС с помощью космических средств мониторинга Земли создана ведомственная «Система космического мониторинга ЧС» (СКМ ЧС), объединяющая элементы наземной инфраструктуры и коммуникации. В настоящее время в состав СКМ входят центры приема и обработки космической информации в Москве, Вологде, Красноярске и Владивостоке. В основе СКМ ЧС лежат принципы открытой сетецентрической архитектуры, универсальности и поэтапного наращивания возможностей. В интересах мониторинга ЧС используются в основном ресурсы спутников ДЗЗ ведущих мировых операторов RADARSAT-1 (Канада), ENVISAT (ESA), EROS A/B (Израиль), SPOT 4/5 (Франция), IRS-P5/P6 (Индия), Terra/Aqua (США), а также отечественного высокодетального спутника «Ресурс-ДК1». Возможности спутникового мониторинга ЧС в России могут быть расширены после начала эксплуатации нового метеоспутника «Метеор-М» №1, оснащенного комплектом сканеров среднего пространственного разрешения КМСС. В планах Роскосмоса - запуски новых КА с аппаратурой съемки Земли, в том числе специализированного миниспутника для мониторинга ЧС «Канопус-В» №1. В рамках функционирующей единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС) космическая информация наиболее активно применяется при установленном факте ЧС в целях оценки и снижения ущерба, а также при ликвидации последствий ЧС.

Перспективными планами предусмотрено дальнейшее развитие отечественной системы космического мониторинга Земли, включая орбитальный и наземный сегменты, совершенствование СКМ ЧС, наземных комплексов обработки, моделирования и принятия решения. космический спутниковый чрезвычайная

Космическая съемка для мониторинга, ликвидации и снижения рисков ЧС - сложное направление работы. По технологии близкое к военным задачам: высокая оперативность планирования операций, доведения решений и информации до исполнительного звена на месте событий. По наукоемкости космические технологии для информационного обеспечения оперативных служб реагирования на ЧС сходны с самыми современными методами прогнозирования, моделирования, отображения информации. Кроме того, велика моральная ответственность за адекватность и результативность подходов как перед страной, так и международной общественностью.

• Авакян А.Б., Полюшкин. Науки о земле, № 7. Наводнения. М.: Знание, 1989г.

• Архипкин О.П., Спивак Л.Ф., Сагатдинова Г.Н. Пятилетний опыт оперативного космического мониторинга пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сб. научн. статей. М.: ООО «Азбука-2000», 2007г.

• Воробьев Ю.Л., Локтионов Н.И., Фалеев М.И., Шахраманьян М.А., Шойгу С.К., Шолох В.П. катастрофы и человек. Книга 1. - М.: Издательство АСТ-ЛТД, 1997г.

• Дрознин В.А., Шиндеров Б.Л. Опыт интерпретации геотермальной и инфракрасной съемок // Вулканология и сейсмология, 1992. № 4. С. 63-69.

• Нежиховский Р.А, Наводнения на реках и озерах. Л.: Гидрометеоиздат, 1988г.

• Карвер К.Р., Элаши Ш., Улаби Ф.Т. Дистанционное зондирование из космоса в СВЧ-диапазоне. ТИИЭР, №6, 1985г.

• Кондранин Т.В., Козодеров В.В., Топчиев А.Г., Головко В.А., Косолапов В.С. Информационное обеспечение задач оценки состояния природно-техногенной сферы с использованием данных космического и локального мониторинга. Сб. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», вып.3, т.1. М., изд. ООО «Азбука-2000», 2006г.

• Кудашев Е.Б. Электронная библиотека спутниковых данных: доступ к коллекциям экологического мониторинга //Космическая наука и технология, 2003г.

• Кудашев Е.Б., Балашов А.Д. Интеграция электронной библиотеки спутниковых данных в международную систему космической информации //Труды Пятой Всероссийской научной конференции «Электронные библиотеки‘03». - С.-Петербург: Изд-во СПБ университета, 2003г.

• Природные опасности России. //Под редакцией В.И. Осипова, К. Шойгу. М.: Издательская фирма "КРУК", 2001г.

• Шулейкин В.В. Расчет развития, движения и затухания тропических ураганов и главных волн, создаваемых ураганами / В.В. Шулейкин. - Л., 1978г.

• Ярошевич М.И. Тропический циклон как элемент системы океан-атмосфера / М.И. Ярошевич, Л.Х. Ингель // Доклады Академии наук. - 2004г.

• http://www.ntsomz.ru./. Научный центр оперативного мониторинга Земли.

• http://www.aerocosmos.info/issledovaniya.html. Научный центр аэрокосмического мониторинга.

• http://www.dataplus.ru/ARCREV/Number_34/5_OPMON.html. Оперативный спутниковый мониторинг состояния окружающей среды.

• http://onznews.wdcb.ru/news10/info_101101.HTMHYPERLINK "http://onznews.wdcb.ru/news10/info_101101.html"l. Вестник ОНЗ РАН.

Размещено на .ru