Статья «Секреты и перспективы космической съёмки» опубликована в журнале «Виноград» №1 2012 г. Автор материала — Михаил Зимин, руководитель отдела геодезии и картографии ИТЦ «СКАНЭКС».

Можно ли было ещё в недавнем прошлом представить себе, что снимки Земли из космоса станут такой же обыденностью нашей жизни, как печатные карты? Сначала это казалось фантастикой, потом было глубоко засекречено… И вот теперь мы просто рассчитываем маршрут поездки по карте, основанной на космической съёмке. Что стоит за этой привычной возможностью?

Формирование новых научных взглядов и развитие технологий практически всегда вело к значительным всплескам в развитии тех или иных научных и прикладных областей. Для географических исследований сегодня активно применяются методы дистанционного зондирования Земли.

Под дистанционным зондированием понимают изучение различных удаленных объектов без непосредственного контакта с ними.

Ни для кого не секрет, что, находясь на значимом возвышении относительно прилегающей территории, можно наслаждаться замечательными видами на довольно большие расстояния. Этим во все времена пользовались для строительства городов и поселений, для ведения боевых и оборонительных действий, когда занимали возвышенные, наиболее стратегически важные объекты. Дистанционные методы исследований развивались по мере развития воздухоплавания и активно использовались в военных и гражданских целях.

Воздухоплавание развивалось в направлении создания управляемых воздушных судов: дирижаблей, планеров и самолетов. В 1908–1909 годах были получены первые аэрофотосъёмки, снятые с самолета, созданного братьями Райт.

Первая мировая война, как и все войны в целом, стала значительным катализатором в развитии средств воздухоплавания и фотографирования: актуальная информация о положении и перемещении войск противника стала проводиться с помощью воздушной разведки, где применялись как визуальные методы, так и фотографические. Во время войны было создано несколько специализированных самолетов, нацеленных на работу по разведывательной съёмке. На исходе Второй мировой войны Германия начинает использовать ракеты, что знаменует новый этап развития дистанционного зондирования. 24 октября 1946 года, вскоре после окончания Второй мировой войны, прежде чем первый искусственный спутник Земли (Спутник-1) открыл космическую эру, группа солдат и учёных в пустыне Нью-Мексико осуществила запуск модифицированной немецкой ракеты Фау-2 (V-2). На этой ракете была установлена 35-миллиметровая камера, на которую впервые из космоса была запечатлена наша планета, высота съёмки составила около 100 км.

Далее технологии начинают стремительно развиваться: СССР запускает первый искусственный спутник Земли (Спутник-1, 1957 г.), человек осуществляет первый полёт в космос (Ю. Гагарин, 1961 г.); в течение 60-х США запускает на околоземную орбиту около десятка спутников TIROS, основное предназначение которых — мониторинг метеорологической обстановки. На спутниках устанавливается телевизионная камера, которая с периодичность один раз в сутки позволяет получать информацию о динамике различных слоев атмосферы (схожая система «Метеор» с 1967 г. начинает действовать и в СССР). В США активно наращивается аэрокосмический разведывательный сегмент – выпускаются разведывательные самолеты U-2, осуществляется запуск серии разведывательных спутников CORONA. Как и прежде, основным импульсом в развитии технологий служат гонка вооружений и очень напряженные отношения между СССР и США. Апогеем напряженности можно назвать Карибский кризис, достигший своей кульминации осенью 1962 года. Тогда с помощью разведывательного самолета U-2 были обнаружены работы по строительству пусковых шахт средней дальности. В дальнейшем обе страны регулярно осуществляют запуски пилотируемых космических кораблей (Восток, Восход, Союз, Mercury, Gemini, Apollo), формируют свои собственные орбитальные станции (Салют, Мир, Skylab), запускают фотографические разведывательные спутники, значительно модернизируют методы и технологии получения фотографической съёмки.

С конца 60-х годов прошлого столетия в стратегические космические программы США и СССР начинают включать работы по изучению геолого-географических особенностей территорий для нужд народного хозяйства. Основной целью этих программ является оценка и совершенствование методов космической съемки, а также обработки полученной информации. Помимо классических (фотографических) методов получения изображений, начинают активно развиваться методы сканерной съёмки, где фиксация изображения происходит не за счёт светочувствительного покрытия пленки, а за счет оптико-электронного устройства, что в значительной степени определяет будущее дистанционного зондирования.

Запущенный 23 июля 1972 года спутник Landsat 1 стал настоящим прорывом в области дистанционного зондирования Земли. Это первый спутник, чьей основной задачей были оценка и мониторинг природных ресурсов. Установленная на нем оптико-электронная камера (MSS) позволяла получать снимки в четырёх спектральных диапазонах с пространственным разрешением 80 метров. Последующие спутники этой серии (Landsat 1-7) de facto были и есть эталон качества и производительности ресурсных космических снимков (спутники Landsat 5 и Landsat 7 до сих пор трудятся на орбитах).

В дальнейшем начинает формироваться совершенно самостоятельный аэрокосмический сегмент дистанционного зондирования, работающий на внутреннюю экономику различных стран. Наряду с СССР и США с середины 80-х годов свои ресурсные космические программы открывают Индия и Франция, к началу XXI века многие крупные страны и содружества запускают свои собственные программы дистанционного зондирования, что определяется высоким спросом на подобную информацию.

К началу XXI века, благодаря значимому технологическому прорыву в области информационных технологии, произошедшему в середине 90-х, сформировалось коммерческое направление развития космической съёмки, где требования рынка сыграли важнейшую роль. Cверхвысокодетальные космические снимки, которые могли быть получены раньше только с разведывательных спутников, стали доступны после запуска коммерческого спутника IKONOS (сентябрь 1999 г.). Технические характеристики съемочной системы практически не уступали характеристикам разведывательных систем, а в некоторых параметрах и превосходили их.

Рассуждая о развитии методов дистанционного зондирования, нельзя не упомянуть о развитии методов регистрации изображений: фотографирование, сканирование, радиолокация и др. Упомянем лишь основные вехи развития фотографических методов.

Человеческое зрение способно воспринимать информацию только в видимой части электромагнитного спектра. В отличие от человеческого зрения современные съёмочные системы позволяют видеть окружающую нас действительность совершенно по-особому.

Сегодня основная «борьба» в области совершенствования средств фотографирования ведётся в направлении улучшения свойств снимков: пространственное разрешение, охват снимаемой территории, периодичность съёмки одной и той же точки местности, использование большего числа спектральных каналов, но заметим, что совершенная во всех отношениях камера — это далеко не всё. Также должен быть хороший канал связи со спутником, необходимый для передачи данных, стабильная платформа спутника для обеспечения постоянства свойств получаемых снимков. На сегодняшний момент технические средства дистанционного зондирования представляют собой некое компромиссное решение, в котором должны быть учтены многие факторы: размер спутника, свойства съёмочной системы, системы жизнеобеспечения спутника, средства связи и резервного копирования и т.д.

Несмотря на то, что в изложенном материале сделан акцент именно на космическую съёмку, не стоит забывать и про аэросъёмку. Развитие малой авиации, создание беспилотных комплексов, доступность информационных и технических средств даже на бытовом уровне (радиоуправляемые модели, миниатюрные цифровые камеры, персональные навигаторы и др.), весьма позитивно влияют на формирование сегмента дистанционного зондирования, нацеленного на локальный характер исследований. По аналогии с «космосом» бизнес-сообщество чутко реагирует на запросы общества и создает довольно интересные решения, направленные на использование авиационных средств дистанционного зондирования для решения различных прикладных задач.

Здесь, конечно, нельзя не вспомнить о несовершенстве нашего российского законодательства, которое жёстко регулирует космическую деятельность и лицензирует многие направления работ, связанные с тематикой дистанционного зондирования и смежными дисциплинами. Но это совсем другая история, которая, несмотря на всю свою консервативность, начинает потихоньку меняться в правильном направлении.

Говоря о дне сегодняшнем, думаю, можно опустить вопросы, связанные с техническими характеристиками аппаратов и камер, которые сейчас трудятся на околоземных орбитах. Хотя они достойны отдельного разговора. В целом нам вполне понятно направление технического прогресса — «быстрей-выше-сильней», а в остальном принципы работы этих систем остались прежними.

Ознакомимся с основными свойствами космоснимков. Космические летательные аппараты ведут съёмку земной поверхности с околоземных орбит. В большинстве своём это круговые наклонные орбиты (97-99°), основное свойство которых заключается в возможности съёмки Земли с практически неизменным параметром солнечной освещенности. В зависимости от высоты орбиты спутника меняются многие свойства снимков. По мере удаления от Земли растёт охват снимаемой территории, а следовательно, и периодичность съёмки одной и той же территории на земной поверхности, но «негативным» эффектом увеличения высоты орбиты является уменьшение пространственного разрешения снимка. Большинство современных спутников дистанционного зондирования работает на орбитах высотой 450–1400 км. В зависимости от зон спектра, в которых ведется съёмка, используют различные методы её регистрации. Различаются пассивные методы съёмки, при которых камерами регистрируется отраженная от земной поверхности энергия Солнца или собственное (тепловое) излучение Земли. А также активные методы съёмки (радиолокационные снимки), при которых изображение формируется на основе разницы посланного и полученного сигнала со спутника. Отметим, что радиолокационные снимки позволяют получать изображения земной поверхности вне зависимости от времени суток, условий освещенности территории и наличия облачного покрова или других атмосферных явлений. Ввиду того, что съёмка может вестись одновременно в разных зонах спектра, есть возможность получать цветные синтезированные изображения земной поверхности.

Отдельно стоит упомянуть тему, проходящую через «шпионские» фильмы, о якобы существовании суперспутников, которые могут буквально все. В реальности на сегодняшний момент развития технологий мы не можем читать газет из космоса или даже номерных знаков автомобилей, а тем более вести видео наблюдение за объектами. Максимум, что возможно, — разглядеть отдельно стоящего человека, но для этого должно быть соблюдено слишком много условий, да и сам человек будет выглядеть примерно как точка.

Основными достоинствами материалов дистанционного зондирования являются достоверность информации, оперативность получения (почти в режиме реального времени), высокая степень автоматизации процессов обработки и автоматизированного дешифрирования, многовариантность данных.

Сегодня использование материалов дистанционного зондирования можно встретить практически повсеместно. Это создание и обновление государственных топографических и тематических карт: почвенных, геологических, геоботанических и др., это мониторинг территорий в различных его проявлениях (экологический, чрезвычайные ситуации, динамика строительства, приграничные районы и т.д.), это экспертиза при поиске, наблюдении и контроле объектов на поверхности Земли и многое другое.

Рассмотрим лишь частные случаи использования космической информации. Мониторинг чрезвычайных ситуаций для нашей огромной страны особенно актуален: всепогодный, круглосуточный, круглогодичный мониторинг состояния территории России ведется на основе комплексирования возможностей различных спутников дистанционного зондирования. Благодаря этому удается достигнуть значительных успехов как при принятии превентивных мер, так и при борьбе со стихией и её последствиями. Сотрудники МЧС активно используют технологии космической съемки не только в рамках нашей страны, но и при работе зарубежном.

Особое значение для нашей страны имеет наблюдение за ходом половодья и паводков на реках, а также мониторинг пожарной обстановки.

Использование данных дистанционного зондирования в целях мониторинга состояния лесного покрова является актуальнейшим направлением ведения лесного хозяйства, реализованным на сегодняшний момент, на государственном уровне. Подобная информация служит основой для ведения лесного хозяйства, сертификации и развития систем коммерческого пользования, мониторинга незаконных рубок, ЧС, научных и экологических изысканий и т.д.

В сельском хозяйстве космосъёмка используется при оценке урожайности, мониторинге состояния земель, формировании экономических решений по управлению и стимулированию фермерских хозяйств.

Совеременная группировка спутников дистанционного зондирования довольно велика, но всё же не покрывает всех потребностей государства и бизнеса по качеству и количеству космической информации. Развитие новых систем неизбежно. Основная задача – это обеспечение непрерывного, разностороннего мониторинга Земли.

Сегодня можно смело говорить о формировании среды не только профессионального, но и социального использования космической съёмки, нацеленного на широкий круг людей.

Особое внимание стоит обратить на формирование общедоступной пространственной информации, формируемой в сети интернет. Это так называемые геопорталы. Геопортал в качестве основы использует пространственную модель нашей планеты, которая может быть представлена как в виде карты, так и в виде снимков. Информация, которая наносится на эту модель, дает возможность увидеть соотношения между различными объектами и сформировать комплексное представление об интересующей территории.

Примерами таких систем могут быть общеизвестные ресурсы Google Earth и Google Maps, а также отечественные, активно развивающиеся системы Яндекс.Карты и Kosmosnimki.ru. На сегодняшний момент подобные системы тесно интегрируются с другими системами в сети интернет. Они позволяют пользователям поместить на карту свои заметки и примечания, связанные с этим местом, искать оптимальные маршруты проезда, исходя из времени в пути и расстояния. Последние тенденции развития этих систем связаны с созданием эффекта присутствия пользователя: за счет использования панорамных фотографий и трехмерных моделей различных объектов достигается максимальная реалистичность картинки рассматриваемой территории.

Отечественные «Космоснимки» сейчас занимаются организацией онлайн-сервисов в реальном времени (близком к реальному времени). Например, летом 2010 года создан публичный сервис «Космоснимки — Пожары» (fires.kosmosnimki.ru), где ежедневно обновляется спутниковая, аналитическая и сопутствующая информация о пожарной обстановке в России. Тематические геопорталы являются следующим большим шагом в развитии дистанционного зондирования Земли.

Инженерно-технологический Центр (ИТЦ) «СКАНЭКС» входит в группу «Проект поддерживают» портала ГИС-Ассоциации

Инженерно-технологический Центр (ИТЦ) «СКАНЭКС» (www.scanex.ru) предоставляет интегрированные решения на рынке ДЗЗ:
— прием на сеть собственных станций УниСкан™ и распространение (http://catalog.scanex.ru ) данных Terra/MODIS, Aqua/MODIS, IRS-1D, Resourcesat-1 (IRS-P6), Cartosat-1 (IRS-P5), Cartosat-2, SPOT 2, SPOT 4, SPOT 5, Formosat-2, EROS A, EROS B, RADARSAT-1, ENVISAT-1;
— распространение данных Landsat 4/5/7, ASTER, TerraSAR-X, IKONOS, GeoEye-1, QuickBird, WorldView-1/2, ALOS,
— разработка и поставка универсальных аппаратно-программных комплексовАлиса-СК™ (L-диапазон) для приема метеоданных NOAA, MetOp, FengYun и УниСкан™ (X-диапазон) для приема и обработки данных с разрешением до 0.7 м (www.scanex.ru/ru/stations);
— разработка и поставка программ обработки изображений Земли из космоса ScanMagic®, ScanEx Image Processor®, ScanEx SPOT Processor®, ScanEx SAR Processor®, ScanEx ENVISAT ASAR Processor® (www.scanex.ru/ru/software);
— создание геопорталов с использованием изображений Земли из космоса (www.kosmosnimki.ru);
— выполнение тематических проектов с использованием данных ДЗЗ;
— предоставление оперативного доступа к данным датчиков MODIS через Интернет (http://eostation.scanex.ru );
— реализация некоммерческих проектов по популяризации использования спутниковых снимков Земли в образовании, экологии, туризме и др. (www.transparentworld.ru).