Оценка возможностей и перспектив космической инфракрасной диагностики техносферы

Шухостанов В.К, Цыбанов А.Г. Отделение «Диагностика и безопасность техносферы» РАЕН, Москва, Ведешин Л.А. Президиум РАН, Москва, Егоров В.В.Институт космических исследований РАН, Москва e-mail: v-p@diatech.ru, тел.: 254-70-32

Актуальность задач космической диагностики техносферы связана с участившимися в последние годы техногенными катастрофами и влиянием их последствий на глобальную и региональную экологию. В этой связи целесообразно оценить возможности средств дистанционного инфракрасного (ИК) зондирования для диагностики состояния объектов техносферы, таких как магистральные и производственные трубопроводы; хранилища углеводородного сырья, а также жидких и твердых отходов; железные и шоссейные дороги, дамбы, плотины и др. Задачи космической диагностики техносферы включают: проведение предпроектных исследований будущих трасс и площадей, выделяемых под строительство объектов техносферы; контроль хода строительства объектов; контроль состояния объектов техносферы; контроль состояния природных систем в зоне расположения объектов техносферы.

Для решения этих задач целесообразно использовать бортовые ИК-сенсоры преимущественно космического базирования. Развитие космических технологий позволяет перейти от авиационной инфракрасной диагностики на космическую инфракрасную диагностику высокого пространственного разрешения.

Современные космические ИК-сенсоры имеют пространственное разрешение порядка десятков сантиметров и температурную чувствительность в сотые и десятые доли градуса. Такая точность позволяет с помощью получаемой ими информации обнаруживать, идентифицировать и оценивать состояние большинства объектов техносферы и окружающей их среды. Это заключение подтверждают, в частности, результаты расчетов требуемых значений температурных контрастов объектов для заданных величин вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги. Значения этих контрастов находятся в пределах 1,5-2.5 K, что соответствует реальным величинам. Кроме того, практическим подтверждением возможности решения широкого круга задач техносферы являются материалы тематической обработки космических снимков ИК-диапазона, на которых, например, уверенно обнаруживаются и идентифицируются протяженные линейные объекты, например, магистральные трубопроводы.

Космические снимки, используемые нами для проведения ИК-диагностики, по пространственному разрешению можно условно разделить на две группы. К среднему пространственному разрешению мы относим космические снимки, полученные с таких космических систем, как Aster, Landsat-7, Earth Observing-1. Они характеризуются большим количеством каналов и широким спектральным диапазоном. К высокому пространственному разрешению относятся снимки с таких систем, как Ikonos-2, QuickBird-2, OrbView-3, Spot-5. В ИК-диагностике целесообразно использовать одновременно обе группы космических снимков.

Естественной «преградой» для ИК-излучения является атмосфера. Но существуют так называемые «окна прозрачности» атмосферы (рис. 1). Сейчас исследованы и используются окна прозрачности №№ 1-3, причем их эффективность для ИК-диагностики повышается с ростом номера канала. В то же время терагерцовый диапазон, примыкающий к ИК-излучению, мало изучен и представляется перспективным для диагностики целого ряда объектов техносферы.

Рис. 1. Условная схема прозрачности земной атмосферы.

Приведем некоторые примеры проделанных нами работ по ИК-диагностике. Космические снимки обрабатывались и анализировались в среде ERDAS IMAGINE.

Рис. 2. ИК-трассодиагностика магистрального нефтепровода.

Оценочная ИК-трассодиагностика магистрального нефтепровода проводилась на основе данных Landsat-7 (рис. 2). Анализ результатов показал хорошую выявляемость трассы в ИК-каналах в сравнении с оптическими каналами (см. таблицу).

Использование космических снимков высокого пространственного разрешения в ИК-диагностике дает хорошие и точные результаты. На основе снимков QuickBird удается выявлять следы фрагментов подземных трубопроводов (рис. 3). ИК-канал космического снимка Ikonos позволил провести диагностику внешнего состояния, оценку формы и размеров узлов и элементов открытых трубопроводных комплексов (рис. 4).

Рис. 3. Выявление подземных участков трубопроводов в ИК-канале QuickBird.

Рис. 4. Диагностика узлов и элементов открытых трубопроводных комплексов в ИК-канале.

В тепловом канале космического снимка Landsat-7, синтезированного с QuickBird, удалось выявить некоторые тепловые аномалии (рис. 5а), а инфракрасный синтезированный канал №4 хорошо выделяет техносферу из природной среды (рис. 5б).

   
Рис. 5. ИК-диагностика резервуарного парка на базе данных Landsat-7, синтезированных с QuickBird.

В целом для решения задач диагностики объектов техносферы целесообразно проводить одновременное их наблюдение с помощью ИК-сенсоров и радаров с синтезированной апертурой (РСА) высокого пространственного разрешения, что позволит поднять уровень надежности практически до 100%.