Тема МОНИТОРИНГ.  Разработка методов и технологий спутникового мониторинга для научных исследований глобальных изменений и обеспечения безопасности

Научные руководители д.т.н. Е.А Лупян, к.т.н. С.А. Барталев.

 

Разработка методик построения и базовых элементов автоматизированных систем сбора, хранения и распространения спутниковых данных. Разработка методик поиска и представления информации в распределенных архивах центров приема и обработки спутниковых данных.

По данному направлению в ИКИ РАН в 2005 году были проведены следующие основные работы:

·       опытная эксплуатация и доработка системы автоматической обработки и архивации данных спутников TERRA и AQUA. Доработанная система была введена в опытную эксплуатацию в центрах приема НИЦ «Планета» (г. Москва), ЗапСибРЦПОД (г Новосибирск), ДВРЦПОД (г, Хабаровск),  ИЛ СО РАН (г. Красноярск) и  ЮНИИТ (г. Ханты-Мансийск). Во всех центрах проведана модернизация систем  автоматической архивации и каталогизации данных, созданы блоки, обеспечивающие представление данных различным системам обработки. Доработки обеспечили, в частности внедрение в центрах системы автоматизированной обработки данных в интересах различных специализированных систем мониторинга (пожары, сельское хозяйство, промысловый флот и др).

·       Разработана система ведения долговременных архивов тематических продуктов, полученных на основе обработки данных прибора MODIS для решения задач, связанных с анализом состояния растительности. Система рассчитана на автоматическое усвоение данных, получаемых из архивов NASA (http://edcimswww.cr.usgs.gov). Создана автоматически пополняющаяся система хранения данных прибора MODIS по всей территории России. Реализован блок автоматической подготовки данных для построения безоблачных композитных изображений за различные периоды времени.

·       В рамках проектов РФФИ № 03-07-90358 и 05-07-08014-офи-а проводились работы по созданию элементов, обеспечивающих работу с разнородными типами данных, хранящихся в распределенных архивах. На основе стандартов OPENGIS и технологии WMS были созданы базовые программные элементы, обеспечивающие динамическую интеграцию результатов обработки спутниковых данных и картографической информации, хранящихся в различных  территориально распределенных архивах.

·       Разработаны базовые принципы и архитектура построения блоков обработки и архивации данных для интегрированной российской спутниковой системы ДЗЗ, вошедшие в эскизный проект системы.

·       Разработаны базовые принципы и архитектура построения системы сбора, обработки и распространения данных для системы дистанционного зондирования Земли из космоса (ДЗЗ) в целях природопользования и охраны окружающей среды. На основе предложенных базовых принципов и архитектуры разработан эскизный и технический проекты системы (проект 2И8-8 МПР России).

·       Создан и введен в опытную эксплуатацию действующий макет автоматизированной системы сбора, обработки и оперативного распространения данных  геостационарных спутников в интересах решения задач гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды.

·       В рамках проекта РФФИ № 04-07-90263-в разработана новая информационная система TerraNorte, направленная на обеспечение доступа широкого круга пользователей к информации о состоянии и динамике наземных экосистем бореального пояса планеты и, прежде всего, экосистем Северной Евразии для проведения фундаментальных исследований в области динамики биосферы и климата. Специально разработанные программные средства системы предназначены для интерактивной выдачи пользователям данных и результатов их обработки в виде таблиц, графиков, электронных карт. Средства визуализации электронных карт демонстрируют спутниковые изображения и карты циркумполярного, субконтинентального, регионального и локального уровней территориального охвата. Аналитические средства web-сайта позволяют наглядно отображать динамику пожаров в наземных экосистемах, площади экосистем в разрезе административных единиц.  Представленные на web-сайте TerraNorte продукты данных и информационные тематические продукты (рис. 1) получены преимущественно на основе использования спутниковых приборов наблюдения Земли в рамках научных проектов, выполняемых Институтом космических исследований РАН совместно с рядом партнерских организаций. Банк данных информационной системы включает характеристику типов земного покрова бореальной зоны, повреждений экосистем пожарами, данные мониторинга сельскохозяйственных угодий и лесных вырубок. Помимо просмотра информационных продуктов в окне интернет-браузера, пользователю предлагается загрузить данные в свой компьютер для самостоятельной дальнейшей обработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Web-интерфейс информационной системы TerraNorte

 

 

 

 

Ведение и поддержка архивов спутниковых данных для научных исследований глобальных изменений и обеспечения экологической безопасности.

В рамках этих работ в 2005 году в ИКИ РАН были выполнены следующие основные работы:

-        продолжалось накопление архивов данных, поступающих со спутников серии NOAA по европейской территории России и Западной Сибири (http://smisdata.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_reg.pl?db=noaa&lang=russian);

-        осуществлялось ведение архивов данных прибора MODIS (спутники TERRA и AQUA) по различным регионам России (http://smisdata.iki.rssi.ru/modis_products/html/catalog_mod_2.shtml?coords=coords).

-        При поддержке Росрыболовства совместно с ФГУП «КЦСМ», Дальневосточным центром сбора и обработки спутниковых данных и НИЦ «Планета» продолжалось накопление информации о состоянии облачности, температуры морской поверхности и ледовой обстановки в районах Баренцева, Белого, Балтийского, Черного, Каспийского, Японского Охотского и  Берингова морей (http://x4n9.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_all_prod.pl?db=center_noaa_products),  полученной по данным приборов AVHRR и MODIS;

-        продолжилось ведение многолетнего архива данных инструмента SPOT-Vegetation на всю территорию Северной Евразии, в виде стандартных продуктов данных S10, представляющих собой композицию наблюдений, выбранных за десятидневный период по критерию максимума NDVI;

-        совместно с ФГУ «Авиалесоохрана», ИСЗФ СО РАН, ЦЭПЛ РАН и различными центрами приема и обработки спутниковых данных накоплен архив информационных продуктов спутникового мониторинга лесных пожаров на территории России в 2005 году (архив будет доступен по адресу http://www.2005.aviales.ru)

-        Продолжено ведение и развитие архивов метеоданных по территории России (http://meteo.infospace.ru/wcarch/html/index.sht). 

-        совместно с НИЦ «Планета» осуществлялась поддержка системы архивации продуктов, полученных в результате обработки спутниковых данных;

-        совместно с НИЦ «Планета» и ЗапСибРЦПОД осуществлялось ведение архивов и системы доступа к данным прибора МСУ-Е (http://smis.iki.rssi.ru/dataserv/rus_ms/meteor_tlm.htm).

-        Создан архив данных радиолокационных изображений, получаемых со спутников ERS и ENVISAT  по прибрежным районам Черного моря.

 

Мониторинг индикаторов изменений климата и устойчивого развития бореальных экосистем.  Разработка предложений по организации системы мониторинга бореальных экосистем.

В рамках данного направления в 2005 году выполнен целый цикл работ (см. список публикаций),  наиболее важными из них следует считать следующие:

·       Продолжение  исследования возможностей использования спутниковых данных Landsat-TM , ETM+ MODIS-Terra/Aqua и MERIS-Envisat  для выявления вырубок в лесах таежной зоны, а также нацеленных на выявление изменений в лесных экосистемах, связанных с активной хозяйственной деятельностью.

·       Проведен комплекс научных исследований и разработок, позволивших развить метод картографирования повреждений растительности пожарами по спутниковым данным и распространить его использование на глобальный уровень, охватывающий всю бореальную зону планеты (Северная Евразия и Северная Америка). Создана оперативная полностью автоматическая технология выявления и картографирования повреждений растительного покрова пожарами на основе совместного использования данных наблюдений спутниковых инструментов SPOT-Vegetation и Terra/Aqua-MODIS. Высокая эффективность метода и достоверность получаемых им результатов была подтверждена в ходе валидации, включавшей в себя использование репрезентативной выборки спутниковых данных  высокого разрешения Landsat-ETM+ и Метеор-3М/МСУ-Э, самолетных и наземных обследований, сравнения с данными Terra/Aqua-MODIS. Использование разработанного метода впервые позволило сформировать базу данных о повреждениях растительного покрова на всей территории бореальной зоны планеты за период 2000-2004 годов (рис. 2). Дополнение базы данных результатами мониторинга повреждений растительности огнем в 2005 году планируется в первом квартале 2006 года.  Этим положено начало формированию  базы многолетних данных о глобальном воздействии пожаров на бореальные экосистемы, необходимой для моделирования взаимодействия наземных экосистем и изменяющегося климата планеты. Также проведены исследования по разработке метода оценки степени повреждений лесных экосистем пожарами, направленного, в том числе, на обеспечение возможности получения количественных данных о погибших в результате воздействия огня лесах. Дальнейшие планируемые исследования в данном направлении связаны с глобальной количественной оценкой степени повреждений бореальных экосистем планеты пожарами, количественной оценкой изменения продукционных характеристик наземных экосистем и объемов эмиссий углекислого газа в атмосферу  в результате воздействия огня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Повреждения бореальных экосистем пожарами в 2000-2004 годах по данным спутникового инструмента SPOT-Vegetation

 

Разработка научно-методических основ и элементов для построения систем мониторинга ресурсов и опасных явлений.

В рамках данного направления были выполнены следующие основные работы:

 

Развитие методов и технологий  спутникового мониторинга районов сельскохозяйственной деятельности.

В разрабатываемой в ИКИ РАН системе мониторинга сельскохозяйственных земель одним из основных источников спутниковых данных являются данные среднего разрешения (250 м) прибора MODIS со спутников Terra и Aqua. Главными задачами мониторинга являются определение посевных площадей различных культур, площади занятой чистым паром. С этой целью были разработаны методы первичной обработки спутниковых данных, включающие в себя маскирование пикселов, непригодных для анализа, в том числе из-за влияния снежного и облачного покровов, а также построения очищенных от влияния указанных факторов композитных изображений. Построенные композитные изображения имеют значительно меньший объем по сравнению с исходными данными и позволяют упростить дальнейшие этапы обработки.

Тематическая обработка спутниковых данных основана на анализе временных рядов вегетационных индексов, таких как нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI и менее зависимый от яркости почвенного покрова перпендикулярный вегетационный индекс PVI. Разработанные методы позволяют проводить детектирование чистого пара, а детектирование озимых культур – после прекращения осеннего периода вегетации, а также посевов подсолнечника (рис. 3). Получены карты посевов озимых культур,  подсолнечника и чистого пара на территории Ростовской области и Краснодарского края за период 2001-2004 годов. Проведено сравнение полученных результатов с данными полевых исследований и с данными государственной статистики. Исследуются возможности расширения разработанных алгоритмов на территорию основных сельскохозяйственных регионов России. Разрабатываются методы построения карты используемых пахотных земель. Планируется в течение 2006 года разработка новой карты пахотных земель на всю территорию России, необходимой для проведения фундаментальных исследований по оценке влияния факторов социально-экономического развития на изменение биосферы и климата.

 

 

 

 

 

Рис.3. Примеры кривых сезонной динамики вегетационного индекса PVI для различных культур. Кривые построены по данным наблюдений MODIS и фактическим данным об использовании сельскохозяйственных полей.