В.И.Кравцова
(Географический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова)

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ В ПЕРВОЙ ЧЕТВЕРТИ ХХ1 ВЕКА
(ПО МАТЕРИАЛАМ МЕЖДУНАРОДНОГО СИМПОЗИУМА IGARSS-2002)

Широкая разносторонняя перспективная программа космических исследований нашей планеты была представлена на прошедшем 23-29 июня 2002 г. в Канаде вТоронто Международном симпозиуме по дистанционному зондированию Земли IGARSS-2002, объединенном с 24 Канадским симозиумом по дистанционному зондированию. Ежегодно проводимые симпозиумы IGARSS (International Geoscienses and Remote Sensing Society) - Международного общества дистанционного зондирования в науках о Земле - известны широким охватом всего спектра направлений аэрокосмичеких исследований, высоким техническим уровнем представления их средств и методов, профессиональностью их применения в разных областях изучения Земли.

Основная тема симпозиума - "Интеграция нашего взгляда на планету" охватывающая многостороннее дистанционное изучение антропогенного воздействия на природу Земли ее атмосферу, океаны и континенты, исследование глобальных изменений природной среды, - предусматривает сочетание и объединение информации от разных спутниковых систем наблюдения, вопросы управления этой информацией, включая ее обработку, приведение к виду, удобному для использования, и распределение непосредственным пользователям; интеграция подразумевает также международную кооперацию в космических исследованиях. Как отметил во вступительной речи генеральный председатель симпозиума вице-президент IGARSS Элсворт Ле-Дрю "обещанный ранее действительно интегрированный подход к планетарным наукам становится реальностью и наше сообщество наук о Земле и дистанционного зондирования теперь способно сделать заметный вклад в выполнение обещанного".

Обширные материалы симпозиума, на котором было представлено более 1500 докладов, включены в CD-ROM, содержащий около 4 тыс. страниц текста. 138 секционных тематических заседаний были сконцентрированы по 6 главным темам: новые космические программы и спутниковые системы; электромагнитные проблемы дистанционного зондирования (излучение и его прохождение в разных средах); методы и инструменты аэрокосмических исследований; алгоритмы обработки данных; применение дистанционного зондирования в исследованиях Земли; планетарные процессы и моделирование в науках о Земле; социальные аспекты дистанционного зондирования и образование.

Лейтмотивом конференции было развитие дистанционного зондирования для улучшения жизни на Земле, взгляд вперед, подготовка космических программ будущего, рассчитанных на работу в первой четверти нового века. Пленарное заседание и многие из секционных прошли под девизом "Видение дистанционного зондирования в 2025 г." Симпозиум показал, что несмотря на расширение круга космических дежав, главным образом за счет стран юго-восточной Азии, характерное для рубежа веков, когда около 20 стран стали разрабатывать или запускать в национальных интересах собственные спутники, ведущую роль в исследованиях Земли как планеты в целом играет НАСА - Национальное аэрокосмическое агентство США.

На симпозиуме четко прозвучали несколько положений новой парадигмы НАСА, базовой для выполнения глобальных спутниковых наблюдений Земли как системы в XXI веке:
-наступивший век это новая эра наблюдений; необходимость решения новых задач - исследования Земли как системы и ее изменений требует и новых революционных технических решений;
-использование не отдельных спутников, а их систем, в частности, созвездий малых спутников, обеспечивающих регулярность наблюдений; серии таких спутников должны работать на орбитах, скоординированных таким образом, чтобы каждый последующий спутник вел наблюдение той же территории с необходимым временным интервалом (например, 10 мин.); это полностью решает проблему временного разрешения снимков;
-комбинация данных разных спутников и разных сенсоров, сочленение информации разных спектральных диапазонов от видимого до радиодиапазона;
-широкое использование альтиметрии и развитие на этой основе трехмерного картографирования;
-постоянное наблюдение за химическим и физическим состоянием атмосферы с помощью системы из 5 геостационаров.

Таким образом новая парадигма предусматривает существенные изменения в организации исследований - работу не отдельных спутников, а спутниковых систем и созвездий, переход от наблюдений с помощью отдельных сенсоров к комплексной многосенсорной информации. Этой тенденции соответствуют и развиваемые методы съемок гиперспектральной, многоугловой, сочетание на одном спутнике оптических и радарных наблюдений. Для интеграции столь разносторонней информации развиваются специальные методы обработки смешения, синергизма. Принцип множественности действует здесь во всех его проявлениях.

В видении будущего дистанционного зондирования по этой парадигме не только глобальная сеть космических сенсоров, но и развитая сеть центров первичной обработки материалов, подготовки их для наиболее эффективного использования, и что не менее важно, - развитая система распределения материалов, доведения их до потребителя.

Осознав серьезность глобальных экологических проблем и потенциал космических методов для непредвзятой объективной оценки состояния здоровья планеты, НАСА с 1980-х годов разрабатывало, с привлечением других организаций США и других стран, долгосрочную программу Mission to Planet Earth - Миссия к планете Земля. Для ее реализации создается система наблюдений Земли EOS - Earth Observing System, включающая серию специально разработанных и привлеченных к выполнению программы спутников, запуски которых начаты с 1998 г.

Рассчитанная на 25 лет программа ставит главной задачей исследование глобальных изменений. По этой программе работают спутники:

- EOS-AM (Terra, выполняющий с 1998 г. с помощью систем ASTER и MODIS гиперспектральную, системы MISR многоугловую и др. виды съемок для исследований суши, океанов и атмосферы, Aqua, работающий с 2002 г., также оснащенный аппаратурой MODIS и др.);

- EOS-PM - спутники вечернего наблюдения с 6-летним сроком работы с запуском в 2000, 2006, 2012 гг., оснащенные системой MODIS и другими для широкого спектра наблюдений облачности, осадков, радиационных выбросов, температуры поверхности и продуктивности океанов, морских льдов, снежного покрова;

- EOS-LaserAlt (EOS Laser Altimetry Satellite) - 2 спутника с 3-летним сроком работы в 2002 и 2008 гг. для лазерного профилирования поверхности Земли, ледниковых щитов и верхнего слоя облаков;

- EOS-Chem (EOS Chemistry Mission) - для исследования химии атмосферы, содержания водяного пара, озона, парниковых газов в тропосфере и нижней атмосфере в 2002-2008 гг.;

-EOS-Aura - для изучения химического состава нижней атмосферы, стратосферного озона, оценки качества воздуха.

В программу EOS включены и традиционные съемки земной поверхности со спутника Landsat-7. Исследования по программе EOS предусмотрены также на японских спутниках - работающем с 1997 г. TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), ведущем наблюдения за осадками и испарением в тропических районах, и планируемом ADEOS-2 (Advanced Earth Observing Satellite) для съемки земной поверхности и изучения океанов, на французском спутнике Jason-1, выполняющем с 2000 г. альтиметрические исследования топографии поверхности океана. Задачи этой программы частично должен выполнять и российский ресурсно-метеорологический спутник Метеор 3М-1; предусмотрено участие в ней и наблюдений с Международной космической станции Альфа.

Для реализации задач программы EOS в НАСА создано предприятие по наукам о Земле ESE (Earth Science Enterprise), цель которого революционизировать наше понимание системы Земля и возможности прогноза изменений климата и природной среды через новую парадигму наблюдений и анализа данных о Земле, плдучившую наименование Earth Scienses Vision.

В основу ESE положены следующие принципы:
-фундаментальная разработка прогнозных моделей (включая климат, погоду, перенос загрязнений, биологические процессы и др.) на кратковременной и долговременной основе;
-развитие современной системы мониторинга Земли создание умной всемирной сети наземных и космических сенсоров для обеспечения наблюдений опасных явлений в глобальном масштабе в реальном режиме времени и длительного наблюдения для научных исследований;
-расширение для этой цели партнерства НАСА с организациями внутри страны и международного сотрудничества для фундаментальных исследований и мониторинга Земли по новым технологиям и на основе новых продуктов.

Важнейшая задача предприятия ESE перейти от фиксации изменений в природной среде, от изучения изменений и катастроф после того, как они произошли, к их предвидению. Ставится задача реализовать к 2025 г. 10-летние прогнозы климата, 15-20-месячные предупреждения об Эль-Ниньо, 12-месячные предсказания осадков на региональном уровне, 5-дневные прогнозы пути движения ураганов с точностью 30 км, 1-часовые предупреждения об извержениях вулканов и землетрясениях, 30-минутные предупреждения о торнадо.

Помимо спутников по программе EOS, специальные заседания секций симпозиума были посвящены работе запущенных в последние годы спутников ENVISAT, EO-1, RADARSAT-1 и др., разработке проектируемых спутников ALOS, CRYOSAT, GCOM, RADARSAT-2, Adeos-2, CloudSAT, CRYSYS, SciSAT, NPOESS, а также малых космических аппаратов, программам подготовки планируемых космических экспериментов, включая моделирование изображений, которые предполагается получать в будущем, отработку методов работы с ними, в том числе на основе наземных исследований.

При такой сложной многосенсорной информации, которая поступает сейчас по программе EOS и другим программам, учитывая постоянный непрекращающийся поток этой информации, особое внимание уделяется системам первичной обработки и распределения информации. Так, в гидрометеорологической службе США NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) создана информациолнная служба NESDIS (National Environmental Satellite, Data and Information Service), включающая 4 центра общий архив данных SAA, геофизический NGDC, климатический NCDC, океанографический NODC, входящие в мировую систему центров данных WDCS. Наиболее развитая тематическая сеть центров хранения и обработки информации НАСА обслуживает программу EOS.

Данные, получаемые по программе EOS, поступают в информационную систему данных EOSDIS (EOS Data and Information System) и после начального этапа предварительной обработки распределяются в тематические центры обработки данных, выполняющие их подготовку для применения в разных областях исследований.

EOSDIS использует разветвленную сеть из 8 отраслевых тематических центров данных, называемых DAAC (Distributed Active Archive Centres), большинство из которых существовали и раньше, но в связи с этой программой получили дополнительные функции:
- ASF (Alaska SAR Facility) DAAC - специализируется на подготовке радиолокационных данных SAR для исследования полярных областей, морских льдов, геофизических процессов;
- GES (GSFC Earth Sciences) DAAC - курирует исследования верхней атмосферы, динамических процессов в атмосфере, глобальных осадков, цвета вод океана, биосферы Земли;
- GHRC (Global Hydrology Resource Center) - обеспечивает исследования гидрологического цикла, опасных погодных явлений, конвекции воздуха, освещенности;
- LaRC (Langley Research Centre) DAAC - готовит данные по химии тропосферы, аэрозолям, радиационному балансу, облачности;
- LP (Land Processes) DAAC - специализация этого центра - данные о температурах земной поверхности, эвапотранспирации, исходная информация для классификации земных покровов;
- NSIDC (Natonal Snow and Ice Data Centre) DAAC - данные по снегу, всем видам льдов, криосфере, климату;
- ORNL (Oak Ridge National Laboratory) DAAC - данные для изучения экологически важных процессов в окружающей среде, динамика биохимических процессов;
- PO (Physical Oceanography) DAAC данные по океаническим процессам, взаимодействию атмосферы и океана;
- SE (Socioeconomic) DAAC - воздействие на природную среду, кадастровые данные, социальные индикаторы развития, данные о населении.

По опыту взаимодействия автора с одним из этих центров - Национальным центром данных по снегу и льду NSIDC - центр регулярно оповещает потенциальных пользователей о поступлении новых материалов съемок и изготовлении на их основе промежуточной тематической продукции в виде фотокарт снежного покрова, морских льдов, ледниковых покровов, подготовленных по данным съемки в разных диапазонах, в традиционной и электронной формах за разные временные интервалы, используя для такого оповещения регулярно издаваемую газету «NSIDS News» и сайты в Интернете. Особенно важна такая деятельность с внедрением гиперспектральной съемки, например, выпоненной системой MODIS, когда пользователь в большинстве случаев имеет дело не с "сырыми" материалами съемки, а с результатами их первичной обработки в форме разнообразных видов продукции, главным образом фотокарт различных индексов - вегетационного, листового покрытия, фотосинтетически активной радиации и т.п.

Помимо программы EOS специальные заседания симпозиума были посвящены совершенствованию съемочных систем программы Landsat на основе специального запуска спутника EO-1, разработке японского картографического спутника ALOS и ресурсно-океанологического ADEOS-2, канадской спутниковой системы изучения криосферы Земли CRYOSAT, метеорологических полярно-орбитальных спутников NPOESS, создаваемых на основе опыта военно-метеорологических спутников США, совершенствованию систем обработки материалов радиолокационной съемки с действующих спутников ENVISAT, Radarsat-1 и рарабатываемого Radarsat-2 и многим другим спутниковым системам.

Важнейший блок симпозиума составили заседания по инструментам и методам съемки, методам и алгоритмам обработки данных. Особенно значим первый опыт обработки материалов гиперспектральных съемок - нового шага в дистанционном зондировании, накопление и обмен опытом интерферометрической обработки материалов радиолокационной съемки, 3-мерной обработки радарных данных.

Области применения дистанционного зондирования, как уже указывалось, были представлены необычайно широко. Рассматривавшиеся на 37 тематических заседаниях, они охватили мониторинг атмосферы, химии атмосферы, аэрозолей, пограничных слоев в атмосфере, облачности и осадков, исследования климата и криосферы, снега и льда, Гренландского и Антарктического ледниковых щитов, морских льдов, взаимодействия атмосферы и океана, биохимии океана, процессов на поверхности океана и подповерхностных процессов, океанических волн и ветров, литторали и коралловых рифов, экологии береговых зон, геологических процессов; они были посвящены изучению движений земной коры и прогнозу землетрясений, мониторингу вулканов, картографированию минеральных ресурсов, контролю состояния действующих и заброшенных шахт, изучению водных ресурсов, влажности почв, сельскохозяйственному мониторингу, классификации лесов и мониторингу лесных пожаров, контролю воздействия на леса насекомых-вредителей, исследованию аридных и семиаридных земель, применению дистанционного зондирования для изучения роста городов, в археологии, в военном деле, для предупреждения об опасных природных явлениях, для исследований Земли как планеты.

В использовании спутниковых данных усиливаются количественные подходы, выход на моделирование процессов, прогнозные аспекты. Много прикладных работ, в том числе наземных исследований, нацелено на установление связей между получаемой со спутников информацией и биогеофизическими характеристиками объектов исследования. Например, результаты тщательных современно оборудованных исследований влажности почв на полях в Нидерландах с учетом осадков и температур сопоставлены с синхронными регулярными материалами съемки в радиодиапазоне со спутников ERS-1, ERS-2, ENVISAT для получения количественных зависимостей. Наземные природоведческие работы выполняются и для обоснования разрабатываемых съемочных систем с использованием модельных изображений. Например, Европейским космическим агентством проведен комплекс работ с участием ряда стран - Германии, Франции, Италии, Испании, Голландии - в связи с разработкой спутника SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), планируемого на 2006 г., для исследования влажности почв, солености океана, морских льдов методами микроволновой радиометрической поляризационной съемки в L-диапазоне.

Из традиционных для дистанционного зондирования работ с картографическим выходом следует отметить большой проект по созданию карты лесов Канады масштаба 1:250 000, рассчитанный на несколько лет, базирующийся на сочетании материалов съемки с метеоспутников (AVHRR) и, главным образом, со спутника Landsat-7. Карта будет характеризовать породный состав насаждений, биомассу растительности по состоянию на 2000 г. Ретроспективно планируется составление такой карты и на 1990 г. (по материалам спутника Landsat-5) для исследования изменений лесов.

При столь широком охвате вопросов, связанных с космическими исследованиями, организаторы симпозиума уделили внимание также и вопросам образования в области дистанционного зондирования. Это связано с озабоченностью тем, что при быстром, интенсивном и продуктивном развитии новых методов съемки и получении огромных материалов, вопросы их применения все же отстают, и необходимо воспитание иного мышления нового поколения, которое должно чувствовать себя хозяином планеты, ответственным за ее состояние, должно хотеть и уметь использовать мощный арсенал средств, поставляемых современным и перспективным дистанционным зондированием. НАСА имеет специальную образовательную программу, создано специальное подразделение "НАСА - школьный класс будущего". Университетская ассоциация космических исследований США выполняет программу образования в колледжах и университетах США в области наук о Земле, нацеленную на восприятие Земли как системы и осозание роли людей в судьбе планеты. Ассоциация основала журнал JESSE (Journal of Earth System Science Education) - Образование в науках о системе Земля.

Развернутая НАСА программа космических исследований в первой четверти XXI века требует революционных решений во многих научных и технических областях, а для ее реализации необходимо партнерство, как национальное так и международное, а также коммерчесое партнерство. Нужны долговременные соглашения для выполнения крупных проектов; объединение усилий разных стран в космических программах становится традиционным, Достаточно указать на прочное сотрудническво американского и японского космических агентств NASA и NASDA (японская разработка съемочной системы ASTER для спутника Terra; работа по прогамме EOS японского спутника TRMM для исследования тропических лесов); объединение 14 европейских стран и Канады в разработке спутников ERS, Envisat; участие в разработке спутника SPOT помимо Франции также Бельгии и Швеции. На симпозиуме подчеркивалось, что такая совместная работа сулит и экономическую, и социальную эффективность в глобальном масштабе.

На этом фоне приходится с болью осознавать потерю лидирующих позиций России в космических исследованиях, равно как и слабую информированность российского потребителя космической информации о состоянии дел, быстро развивающихся новых технологиях съемки и методах обработки информации. Минимальным было и участие российских представителей в симпозиуме IGARSS-2002. На нем были представлены доклады практически всех стран, имеющих отношение к космическим исследованиям, преобладающая часть докладов сделана специалистами США, Канады и Японии. Из России участвовало всего несколько ученых - разработки по лазерной альтиметрии представлены Томскими специалистами, по обработке радиолокционных снимков - Алтайским унверситетом и Красноярским ИЛИД, по исследованию загрязнения вод в прибрежных зонах Санкт-Петербургским ВНИИКАМ, разработки в области аэрокосмического образования и развития его современных Интернет-технологий - Московским университетом и ИКИ РАН. Несомненно, что более широкое участие российских специалистов способствовало бы более интенсивному использованию мировых достижений в виде стремительно развивающихся технологий космических исследований и потока новых поступающих материалов.


Участие в симпозиуме и подготовка обзора обеспечены грантами INTAS INFEO 00-089 и РФФИ 02-07-90092.