Лев Десинов, научный руководитель программы «Ураган», E-mail: mysl@aha.ru
Леонид Ведешин, гл.н.с., Совет РАН по космосу, E-mail: lvedeshin@mail.ru
По мере совершенствования технологий ГИС и методов космических съемок земной поверхности возрастает их взаимная потребность и интеграция. К сожалению, в общем объеме ПО и данных ДЗЗ отечественный вклад, особенно в последние годы, невелик. В результате такого положения дел многие потребители переориентировались на зарубежные программы ДЗЗ. Хотя предлагаемые ими снимки, с точки зрения массового отечественного потребителя, недешевы, но иногда выручает возможность бесплатного (кроме оплаты услуг связи) получения данных с относительно низким разрешением по каналам Интернета.
Впрочем, некоторые шаги в нужном направлении у нас все же делаются. Последний запуск спутника по программе «Ресурс-Ф» состоялся осенью 1999 г. В конце 2000 г. запущен спутник по программе военно-топографической службы страны. 10 декабря 2001 г. беспилотная российская космическая программ ДЗЗ пополнилась космическим аппаратом «Метеор-ЗМ» №1. Сегодня большие надежды возлагаются на новую российскую программу «Монитор», которая разрабатывается в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, и на введение в эксплуатацию космического комплекса оптико-электронного наблюдения «Ресурс-ДК1».
Все это касается российского беспилотного сектора ДЗЗ. Возможности использования новых данных широкой ГИС общественностью пока до конца не ясны, как с точки зрения их доступности, качества, детальности и стоимости, так и возможности заказа оперативной съемки нужной территории.
Что касается пилотируемой космонавтики, то своеобразным символом стало 23 марта 2001 года, когда завершилась 15-летняя история орбитальной станции «Мир», унесшей на дно Тихого океана комплексы аппаратуры ДЗЗ. Частично восполнить образовавшуюся пустоту призвана программа «Ураган» на российском сегменте международной космической станции (МКС).
Программа «Ураган»
Съёмки земной поверхности с борта МКС являются одной из многочисленных программ проводящихся в космосе экспериментов. «Ураган» — это исследование природных ресурсов, мониторинг окружающей среды, изучение и прогнозирование природных и техногенных катастроф. Использование цифровых фотокамер позволяет получать оперативную информацию о состоянии целых регионов или точечных объектов (например, сошедшей на горную дорогу лавине).
По завершении первых 2 лет экспериментов стали очевидны достоинства программы и основные пути наращивания ее результатов. Однако возможности интеграции космических снимков «Урагана» в современные ГИС и спектр их применения в основанных на ГИС проектах, в том числе Службы МЧС для мониторинга катастроф и аварий, еще только предстоит изучить.
Вернемся к МКС. Увидим такую картину: космонавт Валерий Корзун получает радиограмму с просьбой на съемку города Таганрога с информацией о времени прохождения станции над городом, условиях освещенности и др. данными. Помянув добрым словом Дмитрия Караваева, разработчика программы «Сигма», космонавт выводит на экран монитора общую карту Земли, по которой перемещается точка, обозначающая положение МКС.
Космонавт задает виток, на котором ожидается пролет над Таганрогом, и получает необходимую информацию: время прохождения и удаление от города, положение Солнца относительно МКС и объекта съемки, место положения солнечного «зайчика» — блика на Земле. Космонавт моделирует картину наблюдения Таганрога через каждый иллюминатор станции и выбирает подходящий. Затем он подгружает на экран карты местности: мелкомасштабные и очень детальные с обозначением даже небольших населенных пунктов. Если условия для съемки неподходящие, он может узнать время пролета над городом в другие дни или месяцы.
Валерий готовит цифровую камеру Kodak DCS760 и, когда в иллюминаторе реально наплывает ранее смоделированная картина, легко узнает объект съемки. Теперь нужно прицелиться и, задержав дыхание, нажать на спуск.
Вот фрагмент этого снимка (рис. 1). Его разрешение на местности (R) не уступает такому же параметру камер КФА-1000 спутника «Ресурс-Ф1» и сенсора LISS-III индийского спутника IRS-1c. По детальности воспроизведения ландшафта снимки «Урагана» близки лучшим изображениям камер, установленных на спутниках SPOT и Landsat. И здесь «близко не лежит» разрешение сенсора ASTER американского спутника Terra.
Рис. 1. Снимок Таганрога, «Ураган».
Достоинства этого кадра с R около 5 м можно оценить в сравнении с изображением IKONOS с R=1м на тот же район (рис. 2). Снята территория 16х11 км. Если требуется, космонавт выполнит маршрутную съемку с перекрытием кадров или отснимет площадь города с окрестностями, ведь цифровая камера позволяет делать серию снимков без задержки на перемотку пленки, с выдержкой 1/1000 и даже 1/16000 секунды. Фокусное расстояние объектива можно менять и получить, например, снимки на площадь 32х22 км с R=10м, 64х44 км с R=20м и т.д. А можно сделать обзорный кадр с горизонтом Земли.
Рис. 2. Фрагмент панхроматического изображения IKONOS на район Таганрога.
Посмотрим, к примеру, на извержение вулкана Этна на Сицилии. Сначала космонавт фотографирует вулкан целиком, приближаясь к нему со стороны Европы, чтобы показать общую картину извержения (рис. 3). А затем, во время пролета точно над кальдерой, фотографирует ее с максимальным разрешением, чтобы ученые смогли увидеть все детали события (рис. 4). Даже если плотная облачность закроет Сицилию, вершина конуса, как правило, доступна для съемки с орбиты, ведь облака «займут эшелон» 1500- 2000 м, а вулкан намного выше этого уровня.
Рис. 3. Извержение Этны.
Рис. 4. Кальдера вулкана Этна.
Имеется большой перечень задач ДЗЗ, когда требуется не плановая (точно вниз) съёмка природного или техногенного объекта, а перспективная, т.е. под углом. Например, нефтяные плёнки лучше фотографировать под углом в солнечном блике или в тот момент, когда светило расположено за станцией. Рассмотрим пример.
Сарезское озеро в горах Памира (рис. 5). Оно возникло после обрушения части склона Северо-Аличурского хребта. Обвал перегородил долину реки Мургаб плотиной высотой более 500 м. В результате образовалось водохранилище с объёмом воды более 16 куб. км. Это весьма опасный объект. Ведь в случае нового обвала и прорыва плотины страшная катастрофа в виде водного селя прокатится по долине реки Бартанг и далее по реке Пяндж до головных сооружений Каракумского канала.
Рис. 5. Сарезское озеро, Памир.
Сегодня следить за горным обрамлением можно только из космоса, ведь здесь нет постов наблюдения, а стоимость одного вертолётного рейса из Душанбе — около 7 тыс. долл.
Для оценки реального состояния опасного склона его нужно сфотографировать со стороны противоположного склона, т.е. под большим углом к вертикали. Да к тому же тогда, когда исследуемый склон освещён, а не в тени. ЦУП моделирует ситуацию, а космонавт делает снимок точно в расчётное время и, повторно, в свободное время в аналогичных условиях. Рис. 5 иллюстрирует точное выполнение задания. Здесь полное ощущение съёмки с вертолёта. Но это космический снимок!
Появление цифровой съемки позволяет реализовать многие преимущества, которые даёт пилотируемый полёт. Сегодня с борта МКС российские космонавты выполняют точную прицельную съёмку объектов земной поверхности, выбирая наиболее удачные условия для работы.
И самое главное — снятые ими изображения становятся важнейшим звеном в космическом мониторинге природной среды. Уже получены сотни снимков, которые заставляют и удивляться, и по-новому увидеть разные уголки планеты. Вотодин из таких снимков — ледник Упсала в Андах, стекающий с Южного Патагонского ледникового плато в озеро Сан-Архентино (рис. 6). На снимке зафиксирован один из процессов формирования лика Земли: наступая и отступая, ледник шлифует скалы. Серия таких кадров показывает, как ледник то выдвигается в акваторию озера, то отдаёт озеру «куски» шириной около 3 км, длиной до 5 км и толщиной до 200 м, распадающиеся на айсберги.
Рис. 6. Ледник Упсала, Анды.
Это лирический взгляд на ледник, а сугубо практический состоит в том, что нет в природе Земли более удачных объектов, чем ледники, для оценки изменения климата на планете. Всего на 0,6? потеплело на Земле за 100 последних лет. Но многие ледники чутко отреагировали и отступили в глубину горных ущелий. Остаётся только тарировать горный склон, как столбик жидкости в термометре, чтобы узнать об изменении климата в этой долине. А если поступить аналогично в сотне долин в разных районах мира, можно судить об общей картине изменения температуры. Именно такой проект выполняют учёные Института географии РАН.
Отснятая площадь 16х11 км конечно мала, но ведь именно так фотографируют со спутников Quick-Bird II (16х16 км) и IKONOS (11×11 км), где R составляет, соответственно, 0,61м и 1м.
В программе «Ураган» используются несколько цифровых фотоаппаратов фирм Kodak и Nikon. Основной пока является Kodak Proffessional DCS760 (описание см. на сайте Kodak). Это 6-ти мегапиксельная камера с матрицей 3032х2008 и размером файла до 18 Мб. Аппарат снабжен набором объективов линейки Nikon, фокусное расстояние от 50 до 800 мм. Съемка ведется с высоты 380-390 км с углом визирования от 0? до 90?. Если предполагается использовать снимок в ГИС-проекте, угол визирования не превышает 20?, т.е. объект может находиться в полосе обзора около 300 км. Когда требуется простое знание о состоянии объекта (например, вулкана), полоса обзора близка к 3000 км.
Основная трудность при съемке — получение резкого изображения без «смаза». Сегодня это достигается опытом работы космонавта, который должен в момент съемки удерживать центральную точку сюжета в средней части кадра, фактически обеспечивая компенсацию «бега Земли». В дальнейшем предполагается применять и гиростабилизирующие платформы (типа PAV30 компании LH System) отечественной или зарубежной разработки.
Обычно снимки передаются на Землю в формате TIFF, в случае необходимости получения оперативных данных используется формат JPEG. В экстренных случаях снимок можно передать по электронной почте. Например, 11 сентября 2001 года на компьютере Института географии снимок Манхеттена оказался спустя 1 час 40 мин после падения первой башни Торгового Центра. Сейчас принимаются меры к созданию российской радиолинии с достаточно высокой пропускной способностью.
К концу 2003 г. на российском сегменте МКС появится 14-мегапиксельная камера, которая обеспечит R около 3 м, что сравнимо с лучшими снимками SPOT-5 после их специальной обработки. Да и площадь фотографируемой территории станет заметно больше.
Космические снимки «Урагана» обладают очень хорошим цветовым качеством. Их главными недостатками пока являются отсутствие многозональности и радиометрической калибровки, что крайне желательно в ГИС-проектах. Однако проведенная в Совинформспутнике синхронизация панхроматического изображения порта города Пальма-де-Мальорка (R лучше 1 м) и цветного снимка «Урагана» при съемке под углом 20о к надиру, дала отличный результат. Характеристики этого синтезированного изображения намного превышают качество аналогичных продуктов при использовании снимков КВР-1000 и МК-4, например, широко известного снимка Москвы.
С марта 2003 г. в проекте «Ураган» начата конвергентная съёмка, при которой космонавт, ведя съемку с интервалом 3-5 секунд, отслеживает одну и ту же точку прицеливания за несколько сотен километров до подлёта к объекту, в надире и удаляясь от него.
Кроме того, российский сегмент МКС предполагается оснастить сенсором, ведущим зондирование в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах спектра. По аналогии с «Миром», эта аппаратура может быть установлена на поворотной платформе и будет управляться с Земли. Реализация этого проекта зависит только от финансирования. Вот почему «Ураган» ищет кооперации с организациями, готовыми вложить деньги в этот проект.
Закономерен вопрос о цене снимков «Урагана». Ответ прост: такой цены не существует. Эти снимки не продаются. Они находятся вне поля чистого бизнеса. Съёмка выполняется для получения важной научной информации и сведений об экологических бедствиях, для привлечения внимания органов государственной и региональной власти к потенциально опасным объектам и для мониторинга последствий катастроф.
Сегодня «Ураган» взывает обратить внимание на развёртывающуюся драму в северной части Каспийского моря, куда поступают потоки нефтяных загрязнений с промыслов Казахстана. И на огромные порции вреднейших минеральных солей, переносимых пыльными бурями с новообразованной суши бывшего дна Аральского моря на территорию Южного Урала.
«Ураган» опровергает официальную версию о причинах катастрофы в Геналдонской долине Северной Осетии, показывая те признаки подвижки ледника Колка, которые в будущем должны быть известны службам мониторинга с целью предотвращения гибели людей и материальных потерь.
«Ураган» предупреждает о происходящей с лета 2002 г. медленной подвижке одного из самых крупных памирских ледников – Русского географического общества, которая несёт угрозу жителям долин рек Ванч и Пяндж и российским пограничникам, охраняющим границу между Таджикистаном и Афганистаном.
Эти и другие важнейшие аспекты должны исследоваться в рамках ГИС-проектов, поэтому постановщики «Урагана» нуждаются в сотрудничестве с профессиональным ГИС-сообществом, в том числе с частными фирмами.
Сегодня особенно актуально изучение реальных возможностей интеграции снимков «Урагана» в проекты производственной сферы.
Необходима дискуссия, основанная на конкретном опыте наземно-авиакосмического мониторинга специалистов ГИС с использованием цифровых цветных снимков, получаемых с пилотируемой космической платформы. Очевидно, что в критической ситуации, сложившейся в отечественной системы ДЗЗ, космические снимки программы «Ураган» должны найти своё место в ГИС.