Некоторые вопросы космического мониторинга чрезвычайных ситуаций

0

А. В. Абросимов, Б. А. Дворкин, Ю. И. Кантемиров

Данные о мониторинге зон стихийных бедствий и об организации спасательных и восстановительных работ являются все более востребованными для информационного обеспечения современного усложняющегося с каждым днем мира.

Использование данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) существенно повышает эффективность в районах чрезвычайных ситуаций (ЧС):

  • создание наиболее точной, актуальной и наглядной электронной геопространственной основы на оперативный район и место локализации ЧС;
  • комплексный прогноз возникновения ЧС;
  • оперативный поиск места локализации ЧС, оперативный мониторинг развития ЧС на всех стадиях;
  • выявление по оптической съемке и радиолокационной интерферометрии локальных ЧС: оползней, осыпей, обвалов, лавин, просадок, пучений, эрозий, а также связанных с этим разрывов трубопроводов и железных дорог, обрушений зданий;
  • краткосрочные прогнозы и моделирование развивающейся ЧС (моделирование затоплений, лесных пожаров и др.);
  • создание ряда разномасштабных ситуационных схем от региона в целом (населенные пункты, дороги, орография, гидрография) до конкретного города (улицы, крупные здания, реки, рельеф) в виде векторных электронных карт для наложения на снимки в целях планирования операций, анализа ситуации и загрузки в мобильные терминалы;
  • точное картографирование последствий ЧС с получением векторных электронных слоев разрушенных жилых и общественных зданий, промышленных строений, сооружений, коммуникаций;
  • определение всех видов ущерба;
  • построение трехмерных моделей потенциально опасных объектов, объектов жизнеобеспечения населения по космической стереосъемке.

Обозначим отдельно задачи, которые успешно решаются методами и технологиями космического мониторинга в зонах катастрофических стихийных бедствий, таких, как землетрясения и извержения вулканов:

  • определение изменений, в том числе и в автоматическом режиме, произошедших в природном и антропогенном ландшафте в результате разрушительного землетрясения;
  • создание цифровой модели рельефа (ЦМР) и изучение смещений поверхности Земли, вызванных землетрясением;
  • выявление с высокой точностью вертикальных и горизонтальных подвижек земной поверхности по радарным данным ДЗЗ;
  • осуществление разведки для проведения спасательно-восстановительных работ;
  • рациональное использование человеческих и технических ресурсов при спасательно- восстановительных работах;
  • выявление предвестников и оценка масштабов извержений;
  • наблюдение за изменением морфологии кратеров вулканов;
  • создание ЦМР и изучение изменений ландшафта, вызванных вулканической деятельностью;
  • оценка и подсчет ущерба.

По степени пригодности космических снимков для информационного обеспечения ЧС последние можно разбить на следующие классы:

Никак не выявляются на космических снимках (прогнозирование, поиск, мониторинг, последствия):

  • крушения и аварии на метрополитене;
  • выбросы патогенных микроорганизмов;
  • эпидемии, отравления;
  • эпизоотии.

На космических снимках фиксируются только последствия, в редких случаях — источник:

  • аварии с выбросом аварийно-химически опасных веществ (АХОВ);
  • выбросы метана, CO2 и т. п.;
  • аварии на АЭС, реакторах, хранилищах;
  • опасные метеорологические явления.

Часто возникают, малые по размерам, четко локализуемые, для них космический мониторинг неэффективен:

  • автомобильные аварии (кроме самых крупных);
  • пожары в зданиях, сооружениях;
  • аварии на коммунальных сетях.

По космическим снимкам можно выполнять полный комплекс работ (поиск, мониторинг, оценка ущерба, в некоторых случаях — прогноз):

  • крушения и аварии грузовых поездов, судов; авиа- и космические катастрофы; аварии на нефтепроводах, буровых платформах; выбросы на нефтяных и газовых месторождениях;
  • внезапное обрушение зданий, сооружений; аварии на электростанциях, энергосетях, очистных сооружениях; гидродинамические аварии;
  • извержения вулканов, землетрясения, оползни, обвалы, осыпи, карстовые процессы, абразия, эрозия, курумы, сход лавин, цунами, нагоны, льдообразование, повышение и понижение уровня воды, природные пожары, поражение лесов и посевов вредителями и болезнями, крупные террористические акты.

Исходя из опыта реализации проектов, компания «Совзонд» предлагает следующую технологию обеспечения системы управления в кризисных ситуациях данными ДЗЗ:

  1. Архивная космическая съемка для создания базовой пространственной основы территории.

Ортокорректированная бесшовная цветная мозаика с пространственным разрешением 2,5 м должна соответствовать по точности карте масштаба 1:25 000 для всей территории, кроме городов, а также районов особого интереса. Для городов и районов особого интереса мозаика по точности должна соответствовать карте масштаба 1:10 000.

Мозаика выступает в качестве базовой пространственной основы, используется в целях совмещения в единообразном географическом пространстве всех видов данных ДЗЗ, получаемых в ходе мониторинга, а также всей прочей информации, имеющей пространственную компоненту.

Для создания мозаики масштаба 1:25 000 предлагается использовать космические снимки со следующими характеристиками:

  • пространственное разрешение — не ниже 2,5 м;
  • панхроматические (черно-белые) снимки;
  • материалы космической съемки должны быть обеспечены метаданными и моделью ориентирования в виде коэффициентов рационального многочлена (RPC), обеспечивающей геопозиционирование снимков с точностью не ниже 12 м (СКО) на местности без использования опорной наземной информации;
  • точность геопозиционирования ортотрансформированных изображений без использования опорной наземной информации — не ниже 12 м на местности.

Под эти требования подходят космические снимки со спутников WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3, GeoEye-1, Pleiades-1A, 1B и других космических аппаратов сверхвысокого разрешения.

  1. Оперативная съемка высокого разрешения.

Выполняется для решения следующих задач:

  • оперативный мониторинг крупных наводнений, связанных с паводками на реках, нагонной и штормовой деятельностью моря;
  • оперативный мониторинг масштабных лесных пожаров, установление направлений распространения, площадей и опасности пожаров; выявление лесов, погибших в результате ветровалов;
  • оперативный мониторинг стихийных бедствий сельскохозяйственного характера: последствий засух, воздействий ураганов, катастрофического распространения вредителей посевов;
  • оперативный мониторинг масштабных катастрофических эндогенных и экзогенных рельефообразующих процессов (сели, землетрясения и т. д.).

Мониторинг выполняется с применением космических снимков со спутников, имеющих возможность практически ежедневной съемки. Под эти требования на сегодняшний день подходят космические снимки группировки RapidEye, перспективной группировки мини-спутников SkySat и некоторые другие.

  1. Оперативная съемка сверхвысокого разрешения.

Выполняется в случае необходимости срочного отслеживания локальных процессов или детального, выборочного наблюдения за объектами и явлениями:

  • детальный оперативный мониторинг подтопления социально-промышленных объектов в ходе наводнений, связанных с паводками на реках, нагонной и штормовой деятельностью моря;
  • детальный оперативный мониторинг катастрофических экзогенных рельефообразующих процессов (сели, оползни, обвалы, осыпи, береговые процессы);
  • детальный оперативный мониторинг разрушений строений и сооружений в результате воздействия катастрофических процессов (ураганы, штормовые ветра, сели, оползни, обвалы, осыпи, береговые процессы).

Для решения этих задач подходят в основном космические аппараты сверхвысокого разрешения: WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3, GeoEye-1, Pleiades-1A, 1B, а также российский спутник «Ресурс-П».

  1. Оперативная радарная съемка по запросам.

Радарная съемка практически не зависит от погоды и наличия солнечного света. Кроме того, она позволяет с высокой точностью Данные дистанционного зондирования 23 GEOMATICS №4’2014 выявлять вертикальные и горизонтальные подвижки земной поверхности. Эти и другие особенности радарных космических аппаратов (COSMO-SkyMed 1-4, RADARSAT-2, TerraSAR-X, TanDEM-X и др.) позволяют успешно использовать полученные данные для решения задач мониторинга ЧС.

Радарные снимки позволяют:

  • проводить наблюдение за смещениями и деформациями земной поверхности с миллиметровой точностью (дифференциальная интерферометрическая обработка), в том числе выявлять оползни;
  • проводить мониторинг состояния зданий и сооружений;
  • изучать последствия землетрясений;
  • осуществлять оперативный мониторинг ледовой обстановки и судоходства;
  • проводить мониторинг загрязнения прибрежных акваторий морей нефтепродуктами в результате слива топлива с судов;
  • выявлять вырубки и ветровалы;
  • оперативно оценивать ущерб от чрезвычайных ситуаций.

В некоторых случаях для уточнения деталей и получения сверхоперативной информации о ситуации в районе ЧС космическую съемку эффективно дополняет аэрофотосъемка с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). БПЛА используются для проведения поисково-спасательных работ, разведки и наблюдения и т. д.

При установке соответствующего съемочного оборудования аэрофотосъемка с БПЛА позволяет получать цифровые снимки сверхвысокого пространственного разрешения (до 2–4 см) в различных спектральных диапазонах.

Данное оборудование позволяет решать следующие задачи:

  • автоматизированное получение ортофотопланов с пространственным разрешением до нескольких сантиметров;
  • создание фотореалистичных цифровых 3D-моделей местности;
  • мониторинг ЧС и их последствий, контроль за ходом аварийно-восстановительных работ, поиск пострадавших;
  • анализ и оценка динамики изменений местности;
  • производственно-экологический мониторинг;
  • дистанционный мониторинг нефтегазопроводов, ЛЭП, железных и автомобильных дорог, лесных массивов и сельскохозяйственных угодий;
  • тепловизионная съемка.

ПРИМЕРЫ СЕРВИСОВ КОСМИЧЕСКОГО РАДАРНОГО МОНИТОРИНГА

Компания «Совзонд» эффективно применяет технологии космического радарного мониторинга. Приведем примеры реализованных технологий использования радарных снимков для мониторинга ледовой обстановки и нефтеразливов в Каспийском море.

Сервис космического радарного мониторинга ледовой обстановки в Каспийском море.

Съемка акватории Каспийского моря с радарных спутников COSMO-SkyMed-1-4 может выполняться ежедневно. Результаты съемки могут быть поставлены заказчику через защищенный интерфейс веб-ГИС и через ftp-протокол в течение одних суток после съемки.

По результатам каждой съемки генерируется карта ледовой обстановки, соответствующая стандартам Всемирной метеорологической организации (WMO). Элементами данной карты являются стамухи и торосы, а также припайный лед (если они есть на снимке и если их размеры на местности позволяют их обнаружить с данным пространственным разрешением).

Анализируется трещинообразование льда, в том числе выявляются свежие и старые трещины, а также типы льда по интенсивности трещиноватости. С момента начала таяния на участке наблюдается граница таяния «вода–лед». По результатам каждой съемки поставляется краткий технический текстовый отчет.

Все вышеперечисленные продукты поставляются заказчику в течение 1–3 рабочих дней после выполнения съемки. Результаты поставляются через защищенный веб-интерфейс (веб-портал), где они могут быть наглядно отображены и сопоставлены без специализированного программного обеспечения — только средствами интернет-браузера. Сами радарные снимки и отчеты поставляются посредством электронной почты и ftp.

Ниже показан пример карты ледовой обстановки на территорию севера Каспийского моря (рис. 1). Аналогичная карта (или в 3–20 раз детальнее в зависимости от выбранного режима съемки) поставляется в рамках сервиса мониторинга ледовой обстановки. Реальный состав слоев карты определяется конкретной территорией и периодом съемок (рис. 2).

ris_1_web
Рис. 1. Карта ледовой обстановки на территорию севера Каспийского моря, рассчитанная по данным радарных съемок со спутников COSMO-SkyMed-1-4 в 2012 г. Данная карта была рассчитана по данным региональных съемок с разрешением 100 м. В рамках сервиса мониторинга ледовой обстановки возможны съемки более детального разрешения — 3 или 30 м

 

ris_2_web
Рис. 2. Типовая легенда карты ледовой обстановки (не все элементы могут быть обнаружены и оценены во всех случаях)

 

Пример краткого технического отчета к карте ледовой обстановки.

Исходная съемка — COSMO-SkyMed от 20.03.2012 г. Припайный лед вблизи побережья в настоящий момент находится на стадии начала оттаивания, он все еще достаточно прочный. Далее от побережья находятся массивы смерзшегося монолитного, частично наслоенного и местами характеризующегося грядовой торосистостью льда.

В юго-западной части карты за пределами массива смерзшегося сплошного льда наблюдается участок открытой воды, затем участок сильно разреженного льда и далее участок сплоченного льда шириной 10–40 км. В юго-восточной части карты преобладает смерзшийся сплошной лед, осложненный трещинами и небольшими каналами. В центре карты, в районе месторождения им. Сатпаева, преобладает смерзшийся монолитный лед с грядами торосов и отдельными стамухами.

Сервис космического радарного мониторинга нефтеразливов в Каспийском море.

Съемка акватории Каспийского моря с радарных спутников COSMO-SkyMed-1–4 может выполняться ежедневно. Результаты съемок могут быть поставлены заказчику через защищенный интерфейс веб-ГИС и через ftp-протокол в течение 1–2 суток после съемки.

По результатам каждой съемки генерируется векторный слой нефтеразливов, каждому из которых присваивается ряд атрибутов. Исходные снимки поставляются заказчику через ftp-протокол, а результаты сервиса — через защищенный веб-интерфейс.

Основные особенности сервиса:

  • нефтеразливы на водной поверхности обнаруживаются круглосуточно, независимо от погодных условий;
  • обнаруживаются нефтеразливы различного размера и возраста;
  • могут быть обнаружены нефтяные пленки линейными размерами 50–100 м и более;
  • данные по обнаруженным нефтеразливам могут поставляться заказчику через защищенный веб-интерфейс круглосуточно, каждый день, круглый год (рис. 3);
  • максимально возможная временная частота спутниковых съемок одного и того же участка — до двух раз в сутки;
  • для региона Каспийского моря информация о нефтеразливах становится доступной через веб-интерфейс в течение суток после съемки.
ris_3_web
Рис. 3. Пример веб-интерфейса поставки сервиса мониторинга нефтеразливов. Внизу — «квик-лук» снимка на картографической подложке с отображением выявленных на этом снимке нефтеразливов. Слева — список снимков, выполненных в рамках сервиса. При выборе конкретного снимка отображаются данные о нем и список обнаруженных нефтеразливов. При выборе конкретного нефтеразлива отображается отчет по этому нефтеразливу

 

Содержание отчета по каждому выявленному нефтеразливу:

  • географические координаты;
  • дата и время обнаружения;
  • пространственная ориентация;
  • размеры (периметр, площадь) и форма;
  • скорость ветра в районе нефтеразлива, определенная по данным метеорологических спутников и по самому радарному снимку;
  • данные по волнению морской поверхности в районе нефтеразлива, определенные по данным метеорологических спутников и по самому радарному снимку;
  • скорость течения в районе нефтеразлива;
  • температура поверхности воды в районе нефтеразлива;
  • степень достоверности нефтеразлива;
  • в случае предоставления заказчиком данных систем автоматической идентификации судов информация о возможном судне — источнике нефтеразлива (за счет корреляции нефтеразлива с маршрутами судов).

МОНИТОРИНГ НАВОДНЕНИЯ

В ряду задач мониторинга ЧС, решаемых с применением космических технологий, важное место занимает мониторинг наводнений.

Приведем перечень задач наблюдения за районами наводнений, успешно решаемых методами космического мониторинга, в том числе радарного, и автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования Земли:

  1. Картографирование затопленных территорий и площадей максимального затопления.
  2. Установление конкретных участков и подсчет площадей населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, лесного фонда, подвергшихся подтоплению в ходе паводка/ половодья.
  3. Установление конкретных участков и подсчет длины коммуникаций (дороги, линии электропередачи, трубопроводы и т. п.), подвергшихся подтоплению в ходе паводка/ половодья.
  4. Установление конкретных объектов и подсчет общего количества объектов каждого типа, подвергшихся подтоплению в ходе паводка/половодья:
    • жилые частные и многоэтажные дома;
    • садово-дачные участки, дачные постройки;
    • фермы, животноводческие комплексы;
    • промышленные, сельскохозяйственные, социально-культурные строения;
    • места хранения удобрений и химических отходов, скотомогильники, прочие опасные объекты.
  1. Установление конкретных объектов и подсчет длины дамб, заграждений, отводных каналов, других гидротехнических сооружений:
  • оперативно воздвигаемых, реконструируемых, улучшаемых в ходе оперативной борьбы с паводком/половодьем;
  • разрушенных, смытых в процессе паводка/ половодья.
  1. Установление ущерба для подтопленных площадей после схода воды:
  • для населенных пунктов, промышленных, сельскохозяйственных, социально-культурных объектов (заиление, замусоривание территории, смыв твердых покрытий, полное или частичное разрушение строений, сооружений);
  • для сельскохозяйственных угодий (гибель посевов, заиление, смыв почвенного слоя, эрозия на полях);
  • для лесного фонда (гибель леса в результате вымокания).

Компания «Совзонд» приняла участие в информационном обеспечении ликвидации последствий катастрофического наводнения в Краснодарском крае, произошедшего в 2012 г. Были предоставлены данные космической съемки для определения границ затопления территорий, проведения восстановительных работ, определения безопасных площадок для строительства нового жилья пострадавшим.

Сразу после поступления первых сообщений о катастрофическом наводнении в Краснодарском крае была оперативно заказана всепогодная радарная съемка пострадавшей территории со спутниковой группировки COSMO-SkyMed-1-4 на 8 июля 2012 г. (рис. 4).

ris_4_web
Рис. 4. Цветной радарный композит на г. Крымск

 

Для получения информации о ситуации до наводнения были дополнительно заказаны архивные снимки COSMOSkyMed от 25 июня и 4 июля 2012 г. Область перекрытия архивной и новой съемки была проанализирована на предмет обнаружения подтоплений и разрушений. 9 июля 2012 г. была проведена съемка со спутника сверхвысокого разрешения QuickBird. Полученный безоблачный снимок территории был срочно передан в администрацию Краснодарского края. Снимки, полученные в оперативном режиме для оценки ущерба и координации усилий по ликвидации последствий стихийного бедствия, компания «Совзонд» предоставила администрации Краснодарского края безвозмездно.

В заключение отметим, что перечисленные задачи и приведенные примеры не исчерпывают все возможности космического мониторинга ЧС. В частности, за рамками нашего обзора остался космический мониторинг лесных пожаров — это тема отдельной статьи.