Космический мониторинг земли: вчера, сегодня, завтра

Б.А. Дворкин, кандидат географических наук, главный аналитик компании «Совзонд»
Е.В. Натарова, руководитель отдела маркетинга и рекламы компании «Совзонд»

ВВЕДЕНИЕ

Сверху видно всё! Это часто встречающееся изречение появилось, наверное, с тех пор как человек впервые залез на высокое дерево или взобрался на гору. С тех пор «пролетело» много воздушных шаров, подзорных труб и аэропланов, пока развитие авиационной техники и технологии фотографирования естественным образом не привело к появлению аэрофотосъемки, а с началом эры освоения околоземного космического пространства в конце 1950 — начале 1960 гг. появилась и новая отрасль — дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса. Вслед за этим активно начала разрабатываться и методика дешифрирования снимков. Используемые вначале исключительно в военных целях космические снимки, очень скоро обратили на себя внимание ученых и бизнес-сообщества, как источник очень ценной и полезной информации. Отрасль ДЗЗ стала бурно развиваться, съемочная аппаратура — совершенствоваться, появились новые технологии, в Ñ‚. ч. мультиспектральная и гиперспектральная, радарная (радиолокационная) съемка земной поверхности из космоса. Стали создаваться специальные, в том числе и коммерческие, спутники ДЗЗ.

Революционное развитие компьютерных, космических, информационных технологий в конце XX – начале XXI вв. привели к качественным изменениям в отрасли ДЗЗ: появились космические аппараты (КА) со съемочными системами нового поколения, позволяющие получать снимки со сверхвысоким пространственным разрешением.

МИРОВОЙ РЫНОК ДЗЗ

Сейчас космический мониторинг относится к одной из наиболее успешно и динамично развивающихся инновационных отраслей. Космические снимки и космический мониторинг все активнее используются в самых разных отраслях хозяйства, государственном, региональном и муниципальном планировании и управлении. Необходимость использования данных ДЗЗ для повышения качества управления ни у кого сомнений не вызывает. Космический мониторинг позволяет получать однородную и сравнимую по качеству объективную информацию единовременно для обширных территорий, что практически недостижимо при любых наземных обследованиях.

Помимо традиционной военной и разведывательной сферы, космический мониторинг сегодня используется практически во всех отраслях народного хозяйства, однако по данным исследовательского агентства BCC Research, приоритетными направлениями остаются ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций и сельское хозяйство. Данные ДЗЗ активно используются также в лесном хозяйстве, охране окружающей среды, нефтегазовой сфере, недропользовании, водном хозяйстве, транспорте, связи и телекоммуникациях, муниципальном хозяйстве и т.д.

Основной тенденцией развития дистанционного развития Земли является создание группировок спутников, то есть работа одиночных космических аппаратов уходит в прошлое. К группировкам спутников можно отнести аппараты, которые идентичны или близки по своим характеристикам, которые работают согласованно и имеют общее хранилище данных.

Мировая тенденция такова, что в течение одного года будет производиться полное многократное покрытие сверхвысоко разрешения всего мира. Технологически основные операторы космических систем ДЗЗ к этому уже готовы.

Если еще вчера соотношение потребности в новой съемке и в архивных данных было 80% на 20% , то сегодня 75% приходится на архив и только 25% — это заказ новой съемки, а завтра можно предположить, что новая съемка не будет заказываться вообще. Заказчик будет уверен, что в течение съемочного сезона эта съемка появится в архиве. Это очень важный и существенный момент, который открывает совершенно новые возможности для потребителя и кардинально меняет лицо отрасли ДЗЗ.

Появление новых и расширение существующих группировок для увеличения производительности и сокращения интервала повторной съемки приводит к резкому возрастанию объемов передаваемых данных. Для приема, обработки и хранения огромных массивов информации необходимы новые технические решения. Кроме того, оперативность съемки должна дополняться оперативностью получения данных конечным пользователем и удобством доступа к информации.

Дальнейшее развитие национальных систем ДЗЗ также стало спецификой последних лет. Испания, Нигерия, Венесуэла, Перу, ОАЭ, Вьетнам и некоторые другие страны впервые стали операторами собственных спутников ДЗЗ. Созданные при иностран¬ном содействии спутники этих стран массой до 200 кг относятся к эконом-классу и оптимизированы для решения конкретных задач национальных экономик. В ближайшие годы тенденция создания национальных систем ДЗЗ будет охватывать всё новые страны, что способствует дальнейшему развитию индустрии производ-ства космических аппаратов ДЗЗ и рынка пусковых услуг.

В связи с прогрессом в радарных технологиях наблюдается тенденция увели-чения числа спутников с бортовыми радарами с синтезированной апертурой для всепо-годной съемки с высоким и средним пространственным разрешением.
Мировая орбитальная группировка космических аппаратов ДЗЗ на текущий момент насчитывает более 400 единиц.

Ведущие зарубежные операторы спутников ДЗЗ

DigitalGlobe (США) (входит в состав корпорации Maxar Technologies (Канада). Обладает уникальными возможностями для предоставления широкого набора космических снимков и геоинформационных сервисов, являясь оператором спутников ДЗЗ сверхвысокого разрешения WorldView-1 (разрешение — 50 см), WorldView-2 (46 см), WorldView-3 (30 см), WorldView-4 (25 см) и GeoEye-1 (41 см). Ведется работа над созданием спутников для группировки следующего поколения — WorldView Legion. Первый спутник планируется запустить в 2020 г. Группировка WorldView Legion удвоит производительность космической съемки DigitalGlobe с разрешением 30 см и получению мультиспектральных снимков, начиная с 2020 г. В 2019 г. планируется запуск 6 малых спутников Scout.

Planet (США). Один из лидеров по созданию новейшей системы съемки Земли с использованием малых спутников: выполнение ежедневной съемки любого района планеты и доступ к данным для клиентов в течение нескольких часов. Компании принадлежит группировка спутников PlanetScope (более 200 космических аппаратов, ведущих съемку с разрешением 3–4 м), SkySat (13 спутников, ведущих фотосъемку с разрешением 80 см и видеосъемку) и RapidEye (5 спутников, разрешение — 5 м). Компания Planet предложила принципиально новый подход к получению пространственных данных — непрерывное выполнение съемки всей территории Земли большим числом спутников, то есть ежедневный мониторинг. При этом снимки PlanetScope будут индексироваться так же, как Google индексирует данные для поиска в Интернете.

Airbus Defence and Space (Франция — Германия). Оператор оптических спутников высокого и сверхвысокого разрешения SPOT-6,7 и Pleiades-1A.B, радарных спутников нового поколения TerraSAR-X и TanDEM-X. Поставщик спутниковых данных, продуктов на их основе (ЦМР, покрытий, результатов мониторинга и пр.). Для продолжения миссии Pleiades планируется запустить 4 оптических спутника сверхвысокого разрешения в 2020–2021 гг. По сравнению с ныне действующими спутниками будут значительно улучшены технические характеристики, чтобы соответствовать возрастающим требованиям рынка, обеспечивая решения новых задач для бизнеса и аналитики. На 2018 г. запланирован запуск радарного спутника TerraSAR-X New Generation.

e-GEOS (Италия). Оператор одной из наиболее многофункциональных и интересных на сегодняшний день группировки радарных спутников COSMO-SkyMed 1-4.
UrtheCast (Канада). Оператор спутников Deimos-1,2. В 2015 г. компания UrtheСast объявила о планах по созданию первой в мире смешанной коммерческой группировки ДЗЗ OptiSAR. Группировка будет состоять из 8 пар оптических и радарных спутников. Каждая пара будет вести съемку синхронно. В дополнение к группировке OptiSAR в 2018–2020 гг. планируется также разработка и запуск группировки из 8 спутников UrtheDaily, которые будут вести оптическую съемку с разрешением 5 м. Спутники будут находиться на полярной орбите, их производительность составит 145 млн кв км в день, что позволит осуществлять постоянный глобальный мониторинг природных и техногенных изменений.

21AT (Китай). Оператор коммерческих спутников и поставщик данных. Основные продукты компании — космические снимки различной степени обработки и сервисы на их основе. В октябре 2015 года 21AT объединилась с другой китайской компанией Beijing Space Eye Innovation Technology Company (BSEI).
ANTRIX (Индия). Компания полностью принадлежит правительству Индии и является поставщиком данных с индийских спутников ДЗЗ серии Cartosat.
SI Imaging Services (Республика Корея). Оператор серии оптических и радарных спутников KOMPSAT.

Заметной тенденцией развития ДЗЗ является активная разработка, запуск и эксплуатация малых спутников ДЗЗ. По данным Euroconsult всего несколько компаний (Planet, BlackSky Global и Satellogic S.A. и др.) запустят более 1400 малых спутников к 2025 г.

Разработкой и запуском малых спутников занимаются появившиеся в последние несколько лет компании-стартапы. Развертывание своих группировок эти компании планируют в 2018–2020 гг. Среди наиболее интересных проектов:

Hera Systems (США). Компания работает над созданием группировки из 48 спутников ДЗЗ HOPSat, которые будут обеспечивать глобальную фото- и видеосъемку с разрешением 1 м и выше в режиме времени близком к реальному.

BlackSky Global (США). В планах компании развернуть группировку из 60 малых спутников для обеспечения оперативной повторной съемки любого участка земной поверхности в течение нескольких часов.

OmniEarth (США). Группировка будет состоять из 18 спутников, которые способны охватить съемкой всю поверхность Земли в течение суток.

Capella Space (США). Компания планирует развернуть группировку из 30 радарных (SAR) малых спутников Capella.

Umbra (США). Планирует развернуть группировку из 12 радарных (SAR) миниспутников. Съемка будет проводиться с разрешением 1 м практически в ежечасном режиме.

Satellogic S.A. (Аргентина). Всего планируется запустить 25 микроспутников ÑuSat. Главное назначение группировки — фото- и видео- съемка Земли для коммерческих целей и общественных нужд практически в режиме реального времени.

Earth-i (Великобритания). Компания планирует развернуть группировку спутников ДЗЗ, которые будут вести цветную фото- и видеосъемку высокого разрешения.

Iceye (Финляндия). Компания работает над созданием группировки радарных микроспутников из 6-8 космических аппаратов.

РОССИЙСКАЯ ГРУППИРОВКА СПУТНИКОВ ДЗЗ

Говоря о состоянии отрасли ДЗЗ в России, можно констатировать ряд положительных моментов, которые укладываются в общемировые тенденции.

Формирование современной российской орбитальной группировки ДЗЗ началось в июне 2006 г. запуском первого гражданского КА высокого разрешения «Ресурс-ДК1». Продолжением миссии отечественных спутников стали «Ресурс-П» №1 (2013 г.), «Ресурс-П» №2 (2014 г.), «Ресурс-П» №3 (2016 г.), ведущие съёмку как в панхроматическом (черно-белые снимки), так и в мультиспектральном (цветные снимки) режимах.

В настоящее время в составе российской орбитальной группировки космических аппаратов ДЗЗ насчитывается 9 КА, в том числе:

• 3 КА «Ресурс-П» с аппаратурой наблюдения с разрешением лучше 1 м, широкозахватной мультиспектральной аппаратурой высокого (12 м) и среднего (60 м) и гиперспектральной аппаратурой (30 м).
• 1 КА «Канопус-В» со съемочной аппаратурой с разрешением 2,5 м и спектрозональной камерой с разрешением 12 м;
• 1 КА «Канопус-Ð’-ИК» со съемочной аппаратурой с разрешением 2,5 м и спектрозональной камерой с разрешением 12 м. Дополнительно снабжен многоканальным радиометром среднего и дальнего инфракрасных диапазонов (МСУ-ИК-СРМ) для обнаружения очагов пожаров площадью до 5Ñ…5 м.
• 2 КА гидрометеорологического назначения «Метеор-М» â„– 1 и «Метеор-М» â„– 2 со съемочной аппаратурой с разрешением 50–70 м, шириной полосы съемки 1000 км и глобальным мониторингом территории России в течение 2–3-Ñ… суток;
• 2 КА гидрометеорологического назначения на геостационарной орбите «Электро-Л» с аппаратурой глобального наблюдения Земли каждые 30 минут.

Согласно планам ГК «Роскосмос», к 2025 г. российская группировка будет включать в себя не менее 20 спутников.
Уже сегодня есть положительные примеры использования отечественных данных ДЗЗ со спутников сверхвысокого разрешения «Ресурс-П» (рис. 1). Продукты, создаваемые на основе этих данных, по качеству и оперативности получения приближаются к лучшим иностранным аналогам.

К примеру, в настоящее время проводится серия экспериментов, направленных на изучение характеристик продуктов, получаемых путем обработки данных с КА «Ресурс-П», с позиции их возможного применения для решения различных прикладных отраслевых задач.

Учитывая, что нынешний год объявлен в России годом экологии, компания «Совзонд» (один из ведущих российских интеграторов в области геоинформационных технологий и аэрокосмического мониторинга) провела оценку применимости данных КА «Ресурс-П» для выявления свалок, оценки состояния полигонов и других скоплений твердых бытовых отходов (ТБО). Эксперименты проводились на модельном участке площадью 10 тыс. кв. км на территории Воронежской области. Эксперимент показал, что с помощью данных с КА «Ресурс-П», можно выявлять свалки ТБО, вплоть до сравнительно небольших по площади (0,01 га; рис. 2). Сервисы по оперативному и точному выявлению свалок ТБО на основе данных КА «Ресурс-П» могут быть интересны как природоохранным организациям, так и департаментам природопользования, природных ресурсов, охраны окружающей среды, экологии и земельных ресурсов муниципальных образований, субъектов РФ.

Другой эксперимент был направлен на исследование возможности использования разновременных снимков с КА «Ресурс-П» для выявления изменений на земной поверхности. Дешифрирование и анализ снимков тестового участка в Воронежской области проводился с использованием специального программного обеспечения, требующего минимальной ручной обработки — в основном, все процессы автоматизированы, используются обучающие алгоритмы и т.д. Космический мониторинг позволяет выявлять детальные изменения во времени объектов, например при жилищном и промышленном строительстве. Анализ снимков позволил определить, что больше всего изменений на тестируемом участке произошло в сфере жилой застройки. Использование информации о границах кадастровых участков позволило установить нарушения типа использования земель, например, полигон бытовых отходов частично «захватил» земли сельскохозяйственного назначения.

Проведенные исследования показали перспективность использования снимков с КА «Ресурс-П» и для регулярного мониторинга лесного фонда нашей страны. Высокое разрешение снимков и частая повторяемость съемки позволяют эффективно контролировать огромные площади лесов России для выявления большинства воздействий и негативных процессов в лесах: вырубки, ветровалы, территории, пройденные пожарами, погибшие насаждения и т.д.

Основным преимуществом использования снимков КА «Ресурс-П» является дешевизна, скорость получения и наличие у российских компаний технологических потоков их обработки и интерпретации. Доступ к этим данным с отечественных космических аппаратов для российских компаний не осложняется существующей ситуацией с международными санкциями, а ценообразование лишено составляющей курса валют. Кроме того следует отметить, что для обработки данных с российских спутников отечественные компании разрабатывают программное обеспечение, которое вполне выдерживает конкуренцию с зарубежными аналогами. Следует отметить, что введение санкций оказало существенное влияние на возможность использования зарубежного программного обеспечения. Многие крупные заказчики лишились возможности использовать такие популярные приложения для создания ГИС и обработки данных ДЗЗ как ArcGIS, ENVI и др. Однако на отрасли эти ограничения сказались в том числе в положительном ключе: стали более активно вестись разработки российского программного обеспечения для работы с данными ДЗЗ, способного заменить зарубежные аналоги.

К концу 2018 г. ГК «Роскосмос» обещает обеспечить регулярное покрытие мультиспектральными данными ДЗЗ первоочередных районов и приоритетных зон России. После 2020 г. будет обеспечено покрытие всей России, а позже и всей планеты. Разрешение данных составит менее одного метра, получить съемку и сопровождающую информацию по нужному объекту можно будет в течение суток. Планируется, что покрытие мира ортотрансформированными снимками с разрешением 1,5 м будет обновляться ежегодно, а с разрешением 3,5 м — еженедельно.

ЗАВТРАШНИЙ ДЕНЬ ДЗЗ

Аналитики компаний NSR и Euroconsult сообщают: в 2016 г. объем глобального рынка ДЗЗ составлял 2,75 млрд долл., а к 2026 г. достигнет величины 8,5 млрд долл, то есть покажет более чем трехкратный рост за 10 лет. Таким образом, рынок ДЗЗ — один из самых динамично растущих и перспективных рынков в области информационных технологий.

Однозначно можно сказать, что во всем мире продолжит расти спрос на данные ДЗЗ, продукты и сервисы на их основе. Космические аппараты ДЗЗ уже сегодня выполняют съемку в различных спектральных каналах и с различным разрешением, с высокой точностью, периодичностью и производительностью. Тактико-технические характеристики будут продолжать совершенствоваться, появится возможность получать данные по любому району Земли в любое время.

Одна из заметных тенденций, которая будет только усиливаться с течением времени, — колоссальное увеличение объемов получаемых данных за единицу времени, которые необходимо в оперативном режиме обработать и проанализировать для принятия эффективных управленческих решений. Современные реалии рынка пространственных данных и геоаналитики таковы, что заказчикам больше не нужны просто данные, в том числе и космические снимки, как «вещь в себе» — отсняли, сложили на сервер, забыли за ненадобностью (вдумайтесь, менее 1% данных, полученных со спутников ДЗЗ, когда-либо находят своих клиентов!), полетели снимать дальше. Сегодняшний вектор развития инструментов и технологий отрасли геоинформатики направлен на агрегирование информации из разных источников в центрах хранения и обработки, с предоставлением заказчикам доступа к тематическим инструментам и готовым сервисам на базе имеющихся больших данных (BigData), а также готовых решений, полученных в результате анализа данных ДЗЗ. Всем нужна возможность работать с данными в своих геоинформационных системах и приложениях, что приводит к снижению затрат на приобретение данных, их хранение, обработку и в конечном итоге общую стоимость получения информации, необходимой для принятия стратегических решений.

«Клиенту — сервисы и аналитика вместо снимков!» — вот девиз области ДЗЗ на ближайшее десятилетие. Созданием геосервисов очень активно занимаются такие гиганты как Google и Apple.

Крупные российские компании, в том числе государственные, также присоединяются к этой тенденции. ГК «Роскосмос» в 2017 г. начала работу над проектом «Цифровая Земля», базирующимся на новых геоинформационных сервисах. Сплошное покрытие и сервисы на основе данных ДЗЗ ориентированы на всех потребителей, среди которых федеральные и региональные органы исполнительной власти, крупный и средний бизнес и массовый потребитель. Планируется создание новых геоинформационных сервисов, которыми могут пользоваться не только государственные организации и коммерческие компании, но и любые пользователи. Эффективность работы госструктур и бизнеса может быть серьезно повышена. Сервисы обеспечат оперативное управление и контроль в сельском и лесном хозяйстве, развитии инфраструктуры, строительстве, в экологии, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и др.

В мире и в России польза и возможности применения геоинформационных технологий и аэрокосмического мониторинга начали осознаваться новыми, нетрадиционными для сферы ДЗЗ заказчиками и сферами, где раньше подобные решения не использовались, например, это банки, страховые компании, ритейл, FMCG и др.

Сегодня можно констатировать, что прошло то время, когда космический мониторинг был чем-то далеким, недоступным и непонятным. И именно сфера ДЗЗ сделала и продолжает делать традиционно далекий космос по-настоящему близким, нужным и понятным государству, бизнесу, гражданину.