книги / Мониторинг безопасности.-1
.pdf10.ГОСТ Р 22.0.06–95. Источники природных чрезвычайных ситуаций. Поражающие факторы. Номенклатура параметров поражающих воздействий. – М., 1996.
11.ГОСТ Р 22.1.02–95. Мониторинг и прогнозирование. Термины
иопределения. – М., 1995.
12.ГОСТ Р 22.1.01–95. Мониторинг и прогнозирование. Основные положения. – М., 1995.
13.ГОСТ Р 22.1.06–99. Мониторинг и прогнозирование опасных геологических явлений и процессов. Общие требования. – М., 1999.
14.ГОСТ Р 22.1.07–99. Мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических явлений и процессов. Общие требования. – М., 1999.
15.ГОСТ Р 22.1.08–99. Мониторинг и прогнозирование опасных гидрологических явлений и процессов. Общие требования. – М., 1999.
16.Федеральный информационный аналитический центр Росги-
дромета [Электронный ресурс]. – URL: http://www.feerc.obninsk.org/Ru/
Egaskrow.xml.
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
94
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
96
|
|
|
|
|
|
Таблица 5 . 1 |
|
|
Запуски спутников съемки Земли и метеорологических КА (2009 г.) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Космический |
Дата запуска |
Назначение КА |
Страна / |
Носитель / |
Аппаратура, разрешение, |
|
аппарат |
и номер |
оператор |
полигон |
масса КА |
|
|
|
|||||
|
GOSAT Ibuki |
23.1.09 |
ДЗЗ атмосферы |
Япония / JAXA |
H2А-202 / |
2 датчика, 0,5 и 1,5 км, |
|
|
09-02A |
и парниковых газов |
|
Танегасима |
1750 кг |
|
PRISM Hitomi |
23.1.09 |
Образоват. экспери- |
Япония / Универ. |
H2А-202 / |
2 камеры, 30 м, 8,5 кг |
|
|
09-02J |
менты по ДЗЗ |
Токио |
Танегасима |
|
|
NOAA-19 |
6.2.09 |
Метеосъемка |
США / NOAA |
Delta 2 7320 / |
8 датчиков, ОЭС AVHRR, |
|
(N Prime) |
09-05A |
|
|
Ванденберг |
1,1 км, 1440 кг |
|
RISAT-2 |
20.4.09 |
Военные КА |
Индия / МО |
PSLV-CA C12/ |
РСА, <1 м, 300 кг |
|
|
09-19A |
|
|
Шрихарикота |
|
|
Космос-2450 |
25.4.09 |
Военные КА |
Россия / МО |
Союз-У / |
Фотокамера, 6700 кг |
|
Кобальт-М |
09-22А |
|
|
Плесецк |
|
|
Tacsat-3 |
19.5.09 |
Эксперименты по |
США / AFRL |
Minotaur I / |
Гиперспектральная ОЭС, |
|
JWS-D2 |
09-28А |
видовой разведке |
|
Уоллопс |
400 кг |
|
GOES-14 |
6.4.09 |
Метеосъемка с ГСО |
США / NOAA |
Delta 4M / |
2 датчика ДЗЗ, ОЭС, 1 |
|
(-O) |
09-33А |
|
|
Канаверал |
и 4 км, 1800 кг |
|
RazakSat |
14.7.09 |
ДЗЗ высокого |
Малайзия / ATSB |
Falcon-1 / |
ОЭС MAC, 2,5 м (PAN), |
|
|
09-37А |
разрешения |
|
Омелек |
5 м (MS), 180 кг |
|
Deimos-1 |
29.7.09 |
ДЗЗ среднего |
Испания / DMI |
Днепр / |
ОЭС, 22 м (MS), 90 кг |
|
|
09-41А |
разрешения |
|
Байконур |
|
|
Dubaisat-1 |
29.7.09 |
ДЗЗ высокого |
ОАЭ / EIAST |
Днепр / |
ОЭС, 2,5 м (PAN) |
|
|
09-41В |
разрешения |
|
Байконур |
и 5 м (MS), 190 кг |
|
UK-DMC-2 |
29.7.09 |
ДЗЗ среднего |
Британия / BNSC, |
Днепр / |
ОЭС, 22 м (MS), 95 кг |
|
|
09-41С |
разрешения |
DMCii |
Байконур |
|
|
Метеор-М №1 |
17.9.09 |
Метеосъемка, ДЗЗ |
Россия / ФКА, |
Союз-2.1б – |
БРЛК Х-диапазона, ОЭС |
|
|
09-49А |
среднего разрешения |
Гидромет |
Фрегат / |
КМСС, МСУ-МР, 60 м, |
97 |
|
|
|
|
Байконур |
120 м, 1 км (MS), 2755 кг |
|
|
|
|
|
|
98
|
|
|
|
|
Окончание табл. 5 . 1 |
|
Космический |
Дата запуска |
Назначение КА |
Страна / |
Носитель / |
|
Аппаратура, разрешение, |
аппарат |
и номер |
оператор |
полигон |
|
масса КА |
|
|
|
|||||
УГАТУСАТ |
17.9.09 |
Образоват. |
Россия / УГАТУ, |
Союз-2.1б – |
|
ОЭС, 50 м (MS), 35 кг |
|
09-49Е |
миниспутник ДЗЗ |
Уфа |
Фрегат / |
|
|
|
|
|
|
Байконур |
|
|
Sumbandila |
17.9.09 |
ДЗЗ высокого |
ЮАР / CSIR, |
Союз-2.1б – |
|
ОЭС, 6,5 м (MS), 60 кг |
ZA-002 |
09-49F |
разрешения |
SunSpace |
Фрегат / |
|
|
|
|
|
|
Байконур |
|
|
Oceansat-2 |
23.9.09 |
ДЗЗ среднего |
Индия / ISRO |
PSLV-C12 / |
2 датчика ДЗЗ, ОЭС 300 м |
|
|
09-51А |
и низкого разрешения |
|
Шрихарикота |
|
(MS), 960 кг |
WorldView-2 |
8.10.09 |
ДЗЗ сверхвысокого |
США / |
Delta 2 7920 / |
ОЭС, 0,46 м (PAN), 1,84 м |
|
|
09-55А |
разрешения |
DigitalGlobe |
Ванденберг |
|
(MS), 2800 кг |
DMSP-5D3 |
18.10.09 |
Метеосъемка |
США / NOAA, |
Atlas V401 / |
7 приборов ДЗЗ, ОЭС OLS |
|
F18 |
09-57А |
|
USAF |
Ванденберг |
|
0,6 и 1км, 1200 кг |
IGS-5A |
28.11.09 |
Оптическая |
Япония / CSISE |
H-2A / |
|
ОЭС, до 0,6 м, 1600 кг |
IGS-O3 |
09-66А |
видовая разведка |
|
Танегасима |
|
|
Yaogan-7 |
9.12.09 |
Военные КА |
Китай / МО |
CZ-2D / |
|
ОЭС, –, 800 кг |
YW-7 |
09-69А |
|
|
Цзюцуань |
|
|
Yaogan-8 |
15.12.09 |
Военные КА |
Китай / МО |
CZ-4С / |
|
ОЭС, –, 1040 кг |
YW-8 |
09-72А |
|
|
Тайюань |
|
|
Helios-IIB |
18.12.09 |
Военные КА |
Франция / МО |
Ariane-5GS / |
2 ОЭС, до 0,35 м, 4200 кг |
|
|
09-73А |
|
|
Куру |
|
|
Обозначения и сокращения:
ОЭС – оптико-электронная система; РСА – радиолокатор с синтезированной апертурой;
PAN – панхроматический режим съемки ОЭС; MS – многоспектральный режим съемки ОЭС.
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