Данные томских учёных используют коллеги в мире
Оперативно обнаружить лесной пожар, пылевую бурю, наводнение, осуществить прогноз погоды и даже определить качество травы – все это сегодня можно сделать, используя космические данные, получаемые с помощью спутников дистанционного зондирования Земли. Главное – грамотно их расшифровать. Ученые из Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН умеют это делать.
В ИОА СО РАН более трех десятилетий развиваются исследования, связанные с использованием спутниковых данных для изучения и мониторинга характеристик атмосферы и земной поверхности. Во второй половине 1980-х годов академик Владимир Зуев обратился к академическому руководству с предложением приобрести станцию приема информации с метеорологических спутников Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA). На выделенные средства станцию приема спутниковой информации поставила московская фирма «СканЭкс», и с 1987 г. институт принимает спутниковые данные, обрабатывает их и применяет на практике. В 2011 г. ИОА СО РАН получил более совершенную станцию приема спутниковых данных Orbital Systems, Model 2.4 XLB, которую установили в институте специалисты из США.
Сибирский подход
В настоящее время на орбитах вокруг Земли несут вахту сотни спутников, на которых размещены пассивные и активные (в их состав входят источники подсветки объектов наблюдения) приборы-зондировщики, в том числе работающие в оптическом диапазоне длин волн. Приборами низкого пространственного разрешения оснащены, как правило, метеорологические спутники, они позволяют осуществлять прогноз погоды. Приборы среднего и высокого разрешения используются, например, для оценки состава и состояния растительности в интересах сельского хозяйства, для определения состава воды, ее солености, загрязненности и т.п. Анализ спутниковых данных осуществляется автоматически с помощью специального программного обеспечения. Работы по созданию и совершенствованию алгоритмов обработки спутниковых данных интенсивно ведутся в NASA.
Подход сибирских ученых отличается от зарубежного тем, что при формировании изображения учитывается многократное рассеяние света, отражение от соседних участков поверхности и другие оптические эффекты. Это комплексная задача: во-первых, по спутниковым измерениям создается модель атмосферы; во-вторых, формулируется задача теории переноса излучения и выделяется фоновое излучение. В результате работы алгоритмов коррекции данных получаются изображения земной поверхности, не искаженные атмосферой.
Что покажут космические снимки?
Старший научный сотрудник лаборатории распространения оптических сигналов (ЛРОС) кандидат физ.-мат. наук Михаил Тарасенков рассказал о ряде задач, которые можно решать с использованием космических снимков:
– Данные космического мониторинга необходимы для составления прогноза погоды, восстановления высотных профилей температуры атмосферы, определения температуры поверхности Земли, направления и скорости ветра на различных высотах. Спутниковая информация необходима для создания и совершенствования математических моделей атмосферы, использующихся для прогнозирования погоды. По данным о температуре земной поверхности можно определить очаги лесных пожаров. Наш институт на протяжении десятка лет активно взаимодействовал с Томской базой авиационной охраны лесов. В настоящее время мы обновляем наше программное обеспечение, чтобы получать информацию с большего количества спутников для раннего обнаружения лесных пожаров и наводнений.
В интересах сельского хозяйства
Создание программно-информационных средств атмосферной коррекции космических изображений дает еще один важный результат: мониторинг состояния сельскохозяйственных культур, занимающих обширные территории. Каждому фрагменту земной поверхности соответствуют определенные значения коэффициента отражения, в зависимости от длины световой волны. Определить степень хорошего и плохого состояния растительности можно, сравнивая значения коэффициентов отражения в красном и инфракрасном диапазонах длин волн. Соотношения между этими значениями называют вегетативными индексами, и они используются для оценки состояния растительности. Если на спутниковых изображениях растительности мы наблюдаем низкий уровень отражения в красном диапазоне и очень высокий – в инфракрасном, это значит, что растительность на этом участке – живая. Если наоборот, высокий коэффициент отражения в красном цвете и низкий – в инфракрасном, то растительность находится не в лучшем состоянии.
Мы адресовали вопрос руководителю ЛРОС доктору физ.-мат. наук Владимиру Белову: может ли ИОА СО РАН помогать сельскому хозяйству Томской области, используя в своей работе спутниковую информацию?
– Считаю, что да, но в сотрудничестве с учеными-биологами. Наша задача – осуществить атмосферную коррекцию спутниковых изображений, а биологов, совместно с нами – создать соответствующее программное обеспечение и произвести его проверку на основе наземных измерений на опытных сельхозполигонах нашего региона. Здесь нужна координирующая роль областной администрации для объединения усилий ученых, инженеров в академических институтах, вузах Томска и действующих сельскохозяйственных структур. Мы готовы предложить вариант такой областной программы.
Широкие перспективы
С 2017 года в Институте оптики атмосферы СО РАН создается специальное программное обеспечение для коррекции изображений земной поверхности, получаемых со спутниковых систем дистанционного зондирования по заказу АО «Российские космические системы». В прошлом году разработаны программные средства атмосферной коррекции в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах для произвольных оптико-геометрических ситуаций и характеристик земной поверхности. С использованием созданных в институте алгоритмов осуществляется тематическая обработка изображений, получаемых с российских спутников Ресурс-П и Метеор-М и американских Terra и Aqua.
Перспективы развития космического мониторинга земной поверхности и атмосферы – самые широкие. Главное преимущество спутниковой информации состоит в ее глобальном характере и в оперативности получения. В недалеком будущем увеличится количество инструментов на орбите Земли, повысится пространственное разрешение спутниковых изображений, возрастет количество каналов формирования изображений. Планируется запуск гиперспектральных приборов и множества малогабаритных спутников, лавинно увеличится объем информации и частота ее обновления.
Татьяна ДЫМОКУРОВА
Фото предоставлено сотрудниками ИОА СО РАН