Планы по реализации космической программы Казахстан связывает с активным внедрением технологий дистанционного зондирования Земли

Казахстан, с чьей земли берет историю покорение человеком далеких пространств, до недавнего времени не предпринимал активных действий для того, чтобы стать полноправной космической державой, но оставался на второстепенных позициях арендодателя. Однако с недавнего времени ситуация изменилась: начиная с 2002 года обсуждались перспективы участия Казахстана в космической деятельности на Байконуре, а несколько позже была принята госпрограмма развития космической деятельности, поставившая целью укрепление национальной и информационной безопасности, содействие социально-экономическому и научно-техническому развитию страны путем эффективного использования космических технологий. Несмотря на то, что дорога в космос оказалась не такой уж гладкой — достаточно вспомнить эпопею первого казахстанского спутника KazSat — республика намерена продолжить освоение космических технологий, в частности, в сфере дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Об этом шла речь в ходе состоявшейся в Алматы конференции, посвященной обсуждению основных тенденций развития технологий ДЗЗ.

Новые тенденции на орбите

Согласно оценкам специалистов, в настоящее время отрасль дистанционного зондирования Земли относится к числу наиболее успешно и динамично развивающихся сфер информационного общества. Научно-технические достижения последних лет в деле создания и развития космических систем, технологий обработки, хранения, интерпретации и использования получаемых данных способствовали расширению круга и масштаба задач, решаемых с помощью ДЗЗ. Выросло и число потребителей этих данных, они используются не только в производственных и научных целях, но и в повседневной жизни. «Не будет преувеличением сказать, что в космосе сегодня ведется гонка за сегмент ДЗЗ. Если раньше на протяжении года запускали семь аппаратов этого класса, то сегодня — порядка 18–20,  и большинство из них обладает уникальными характеристиками, ведь государства, выходящие на рынок космических технологий, стремятся представить нечто новое, чего не было прежде. При этом значительная часть новых аппаратов имеет коммерческое назначение, их данные широко доступны», — комментирует ситуацию в сегменте ДЗЗ Михаил Болсуновский, заместитель генерального директора российской компании «Совзонд», одного из лидеров на рынке поставки данных ДЗЗ.

По словам г-на Болсуновского, наряду с резким увеличением числа космических аппаратов ДЗЗ на орбите и с развитием национальных программ ДЗЗ, систем получения, обработки и предоставления данных потребителям среди основных тенденций развития отрасли можно выделить улучшение основных характеристик аппаратуры ДЗЗ и качества данных; появление космических аппаратов ДЗЗ сверхвысокого разрешения нового поколения и радарных космических аппаратов ДЗЗ сверхвысокого разрешения; увеличение скоростей передачи данных; сокращение времени поставки данных потребителю посредством развития концепции «виртуальных станций»; широкое использование сетевых технологий и возможностей интернета. Темпы запуска спутников сверхвысокого разрешения нового поколения растут год от года: в 2005 году, согласно данным, озвученным г-ном Болсуновским, на орбиту было выведено 4 таких аппарата, год спустя — вдвое больше, в 2007 году — 13, а в будущем году, по прогнозам, состоится запуск 18 спутников сверхвысокого разрешения нового поколения. В сегменте дистанционного зондирования Земли уверенно себя чувствуют «старички» — США, Франция, Канада, Россия, Индия, но заявляют о себе и новые игроки, в частности, Таиланд и Вьетнам. Однако если новые игроки находятся в начале своего пути к покорению сегмента ДЗЗ, то державы, давно утвердившиеся в данной отрасли, выводят на орбиту спутники сверхвысокого разрешения, различающиеся в зависимости от специализации национальных программ.

Впереди планеты всей

В США, например, при серьезной государственной поддержке формируется новая система ДЗЗ, основу которой составят спутники сверхвысокого разрешения нового поколения. С одной стороны, сделана ставка на конкуренцию двух основных игроков рынка ДЗЗ — компаний DigitalGlobe (одного из лидеров отрасли дистанционного зондирования) и GeoEye; вместе с тем, каждая из компаний разрабатывает аппараты, характеристики которых в значительной степени дополняют друг друга, при этом каждый из них обладает уникальными характеристиками и возможностями. Впрочем, спутники сверхвысокого разрешения нового поколения имеют и важную общую характеристику — их отличает высокая производительность съемки. В 2007 году состоялся запуск космического аппарата WorldView-1, расчетный период эксплуатации спутника оценивается в 7 лет, однако практика показывает, что фактический срок работы спутников сверхвысокого разрешения примерно в полтора раза превышает период, оговоренный проектом. В сентябре нынешнего года был запущен спутник GeoEye-1, обладающий беспрецедентным пространственным разрешением, но несколько уступающий спутникам WorldView в маневренности, а на июль 2009 года запланирован запуск космического аппарата WorldView-2, для которого предусмотрено усиление мультиспектральных возможностей за счет увеличения числа спектральных каналов со стандартных четырех до восьми. Что касается появления новых сервисов, обеспечивающих разным категориям пользователей доступ к данным ДЗЗ, то, по словам г-на Болсуновского, следует упомянуть предложенный компанией DigitalGlobe сервис ImageConnect, позволяющий загрузить космические изображения со спутников QuickBird и WorldView-1 в программную среду пользователя непосредственно из архива компании DigitalGlobe.

Во Франции основным оператором ДЗЗ является компания Spot Image, которая еще в начале 1980-х годов сформировала и запустила группировку спутников SPOT1 — SPOT4, а несколько лет тому назад вывела на орбиту космический аппарат SPOT5. В отношении данных со спутников этой серии компания-разработчик делает ставку на создание и реализацию продуктов с добавленной стоимостью на основе обработки исходных данных, а именно на цифровую модель местности, цифровую модель рельефа, картографические продукты Spot View и Spot Maps. Кроме того, Spot Image владеет эксклюзивными правами по распространению данных с корейского спутника Kompsat-2 и с тайваньского спутника Formosat-2. К слову, последний аппарат, по словам г-на Болсуновского, в свое время произвел революцию в области ДЗЗ. До запуска Formosat-2 данные дистанционного зондирования Земли можно было получать лишь с периодичностью в 3–5 суток. Благодаря особенностям орбиты, траектории движения, маневренности и ряду технических параметров Formosat-2 появилась возможность ежедневного мониторинга практически всей поверхности суши. С нынешнего года компания Spot Image предлагает сервис My Formosat, посредством которого заказчик может самостоятельно планировать новую съемку заданной территории, отслеживать ее выполнение, анализировать и загружать отобранные снимки на свой компьютер в течение 24 часов с момента выполнения съемки.

Программу формирования на орбите группировки радарных космических аппаратов ДЗЗ нового поколения Cosmo-SkyMed реализует итальянская компания Telespazio — как отметил г-н Болсуновский, формирование группировок космических аппаратов вообще является одной из актуальных тенденций отрасли. Предполагается, что итальянская компания сформирует группировку в составе четырех спутников, которые позволят осуществлять съемку с разрешением лучше 1 метра в Х-диапазоне. В настоящее время на орбите находятся два аппарата Cosmo-SkyMed, запуск еще двух предполагается осуществить до конца нынешнего года. Над развитием национальной системы ДЗЗ активно работает Япония. На орбите находится космический аппарат ДЗЗ ALOS, владельцем которого является Японское космическое агентство JAXA, а оператором — Центр дистанционного зондирования Земли Японии. Создатели этого уникального аппарата объединили в единую систему три типа целевой аппаратуры, каждый из которых обладает своими характеристиками: радар L-диапазона PALSAR, комплекс топографического назначения PRISM и систему природоресурсного назначения AVNIR-2. Реализация еще одного уникального проекта, отметил г-н Болсуновский, началась с запуском в августе нынешнего года группировки из пяти мини-спутников RapidEye, владельцем которой является немецкая компания RapidEye AG. Съемка земной поверхности ведется в пяти каналах, в том числе в уникальном «длинноволновом красном», оптимально подходящем, например, для наблюдения за состоянием растительного покрова. Данная особенность в совокупности с маневренностью, высоким пространственным разрешением, большой площадью съемки и возможностью ее ежедневного повтора делают возможным использование данных, полученных с RapidEye, в сельском и лесном хозяйстве.

«Плюсы» космического размаха

Сегодня шаги по развитию сегмента ДЗЗ предпринимают даже те страны, которые до сих пор не входили в мировую космическую элиту, и для этого имеются веские причины. В странах СНГ собственные программы дистанционного зондирования Земли наряду с такой признанной космической державой, как Россия, развивают Украина, Белоруссия и Казахстан. В частности, в Казахстане в рамках госпрограммы по развитию космической деятельности создается Национальная система космического мониторинга территории республики, призванная с помощью спутниковых данных обеспечить госструктуры оперативной информацией о состоянии окружающей среды и использовании природных ресурсов.

Интерес к сегменту дистанционного зондирования не случаен, ведь круг отраслей хозяйственной деятельности, для которых данные ДЗЗ могут сослужить хорошую службу, за последнее время заметно расширился. Метод дистанционного зондирования используют для сбора и записи информации о морском дне, атмосфере Земли, Солнечной системе. Что касается более «прикладного» применения таких методов, то, например, для обновления данных по городской застройке традиционно использовались аэрофотоснимки, но космическая съемка имеет ряд преимуществ перед традиционными методами. Аэрофотосъемка не позволяет оперативно обновлять полученные данные, что отчасти обусловлено необходимостью согласования съемки с местными административными органами. Между тем облик современных городов меняется очень быстро, и все перемены необходимо оперативно отразить в картах и специализированных базах данных. Технические же возможности космической съемки позволяют проводить мониторинг больших территорий с высокой степенью детализации, соответствующей необходимости частотой получения снимков, многовариантностью данных. Немаловажен и фактор экономии: аэрофотосъемка территории площадью в 1 кв. км в среднем обходится в $2000, тогда как стоимость космических снимков высокого разрешения в среднем составляет $25 за ту же единицу площади. При этом, отмечает генеральный директор ТОО «DigitalORB» Владимир Смирнов, трудозатраты на обработку нескольких десятков кадров аэрофотосъемки заметно выше, чем на обработку одного-двух кадров космического снимка. Данные дистанционного зондирования Земли с успехом используются при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов транспортной инфраструктуры, трубопроводов, линий электропередачи и телекоммуникационных линий, для выбора оптимальных маршрутов прокладки автомобильных и железных дорог, для организации недропользования.

В ходе конференции опытом практического применения результатов дистанционного зондирования Земли для повышения эффективности социально-экономического развития регионов России поделились специалисты Федерального государственного унитарного предприятия «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения». В рамках целевой программы «Использование результатов космической деятельности и современных геоинформационных технологий в целях ускорения социально-экономического развития и повышения конкурентоспособности Калужской области» в этом регионе России создается интегрированная региональная информационная система, одним из основных структурных элементов которой является региональный центр космического мониторинга. Последний, в свою очередь, собирает данные информационных систем авиалесоохраны, космического мониторинга АПК, экологического мониторинга, системы приема, обработки, хранения и распространения спутниковых данных. На основе собранной информации формируются заявки на получение потребителями данных дистанционного зондирования, отслеживается обстановка и делаются прогнозы для аграрного сектора, ведется мониторинг критически важных объектов.

Казахстан: начало пути

Если говорить о внедрении технологий дистанционного зондирования Земли в Казахстане, то за последние 10 лет в республике разработаны технологии в области тематического дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли. В республике создается сеть референцных станций, посредством которой будет обеспечена единая временная геодезическая основа точных и высокоточных глобальных навигационных систем, определение координат отдельных пунктов в заданной системе координат на всей территории страны. В Казахстане ранее были установлены одиночные базовые станции. На сегодняшний день РГКП «Астанатопография» установило три референцных станции и создало сеть между ними; сеть предназначается для определения координат с помощью GPS по Астане и Акмолинской области. В структуру сети референцных станций входит базирующийся в Астане вычислительный центр, в функции которого входит сбор и архивация данных сети, предоставление информации пользователям.

В настоящее время одним из наиболее активных потребителей новых разработок является Министерство сельского хозяйства. По словам специалиста АО «Национальный центр космических исследований и технологий» Надии Муратовой, перечень задач в сфере мониторинга сельского хозяйства включает мониторинг снежного покрова и оценку весеннего запаса влаги в почве, оценку посевных площадей и контроль севооборота, дистанционную диагностику состояния посевов яровых культур и прогноз урожайности, отслеживание динамики уборочных работ. «Космический мониторинг по всем ключевым направлениям ведется во всех зерносеющих регионах, для сельского хозяйства, ряда других областей технологии космического мониторинга разрабатываются, в Кызылординской области проводится оперативный космический мониторинг рисовых посевов. В северных регионах особенности расположения полей позволяют полномасштабно использовать оптические возможности спутниковых систем среднего разрешения, но в этом случае много помех, особенно на протяжении вегетационного сезона, создавала облачность. Нередко бывает, что на всей большой территории Северного Казахстана сложно было найти безоблачные фрагменты. Отчасти эту проблему удалось решить после того, как к решению задачи мониторинга мы подключили еще одну спутниковую систему с более высокой разрешающей способностью. Увеличилась точность определения площадей — если раньше мы оперировали ошибкой в пределах 5%, то сейчас она сведена к 2%. Для части областей Казахстана созданы соответствующие геоинформационные системы, которые позволяют вести историю полей. Еще одна важная задача связана с мониторингом площадей черных паров, которые имеют большое значение для накопления питательных веществ и борьбы с сорняками. Кроме того, эта работа необходима нам для дальнейшего прогноза урожайности», — рассказала г-жа Муратова.

Не секрет, что актуальными для сельского хозяйства северных регионов Казахстана проблемами являются высокий уровень засоренности зерновых культур, болезни, нашествие вредителей. Как считают ученые, эти факторы могут обусловить снижение урожая на 30–40%  по сравнению с прогнозными данными. В Центре космических исследований и технологий разработана методика, позволяющая оценивать не процент засоренности полей, а ее степень, и отслеживать динамику изменения засоренности, например, в результате применения гербицидов, прогнозировать погодные условия, при которых увеличивается вероятность развития грибковых заболеваний. Не менее важно отслеживать состояние снежного покрова. «На севере, в основных зерносеющих регионах земледелие ведется не на поливных землях, и потому накопление влаги в почве во многом определяет будущий урожай. Анализируя состояние снежного покрова, мы косвенно определяем, какой запас влаги будет в том или другом году. Данные, полученные, например, в 2007 и 2008 годах, показали совершенно разную картину: в 2007 году снежный покров сошел довольно поздно, и запас влаги в почве оказался достаточным, а в нынешнем году сложилось критическое положение, и мы смогли прогнозировать засуху. Сейчас перед аграрным сектором стоит задача введения в оборот всех бросовых полей. В рамках работы по данному направлению мы подготовили карты всех основных зерносеющих регионов, где отмечены и бросовые поля», — констатировала г-жа Муратова.

Не меньшую пользу космические технологии могут сослужить в процессе подготовки и проведения посевной и уборочной кампаний. Так, космический мониторинг погодных условий позволяет определить оптимальные сроки посевной, благодаря чему в свою очередь можно добиться трехкратного увеличения урожайности. Данные технологии могут быть широко востребованы в Казахстане с его огромной территорией и различными для северных, южных, западных и восточных регионов погодными условиями.

Данные дистанционного зондирования Земли широко использовались в ходе реализации осуществляемого Всемирным банком и Глобальным экологическим фондом проекта по управлению засушливыми землями в Шетском районе Карагандинской области. На примере экосистемы района изучалась технология расчета величины углекислого газа, поглощенного растительным и почвенным покровом. Специалисты составили для проектной территории карты типов подстилающей поверхности и землепользования, провели оценку состояния и продуктивности надземной части растительного покрова, изучили зависимость объема зеленой биомассы от погодных условий в вегетационный период, составили карты сезонной продуктивности пастбищ.

Использование космического мониторинга позволяет оперативно получать информацию об обстановке по линии МЧС. В первую очередь это касается пожаров, ведь до того, как стало возможным использование результатов космического мониторинга, о реальных масштабах этих стихийных бедствиях на малозаселенных территориях органы ЧС зачастую просто не имели информации. В Казахстане систему космического мониторинга чрезвычайных ситуаций в 2001 году начал развивать Институт космических исследований. С 2002 года ведется оперативный космический мониторинг пожаров, в 2003 году начато наблюдение за паводковой обстановкой в ряде областей. На сегодняшний день, отмечают специалисты института, система космического мониторинга ЧС работает в Западно-Казахстанской, Восточно-Казахстанской и Карагандинской областях, где ведется наблюдение за пожарами и паводками, в Актюбинской области осуществляется мониторинг пожаров, а в Кызылординской области ведется наблюдение за паводками и состоянием Шардаринского водохранилища.

Регулярный космический мониторинг пожаров проводится в период с мая по октябрь. Два раза в сутки в органы ЧС передаются оперативные данные по результатам обработки снимков Terra MODIS — карты очагов пожаров, таблицы с указанием их координат, расстояние до ближайшего населенного пункта. Примерно раз в неделю высылаются карты-маски пострадавших от пожара площадей с указанием старых и новых гарей, таблицы, в которых указывается величина таких площадей по районам и по областям в целом. Оперативные данные с координатами очагов возгорания поступают в областные управления МЧС. По словам специалистов Института космических исследований, данные мониторинга пожаров позволяют не только оперативно принять меры для ликвидации очага, но и помогают найти виновников крупных возгораний; кроме того, эти данные фигурируют в официальных отчетах, представляемых на областных и республиканском уровнях. Руководящие структуры областей ежегодно принимают постановления об использовании результатов космического мониторинга пожаров, а местные органы ЧС разработали схему использования результатов этого мониторинга, определили порядок доведения информации до пожарных подразделений.

Мониторинг степных пожаров проводился и в рамках проекта по управлению засушливыми землями в Шетском районе Карагандинской области. Именно обработка спутниковых данных за период с 2001 по 2008 год позволила сделать вывод о том, что степные пожары являются важным фактором, определяющим объем растительной массы. В отдельные годы пожары охватывали очень большие площади, так, в 2002 году огонь охватывал около 30% территории проекта, а это обусловило выброс около 1,3 млн. тонн углекислого газа.

В регионах, где существует большая вероятность формирования паводков, проводится космический мониторинг этих природных явлений. Оперативные карты-маски территорий, подвергшихся затоплению, также передаются в органы ЧС, при необходимости специалисты могут выполнять мониторинг динамики заполнения водной поверхности водохранилищ. Как отмечают сотрудники Института космических исследований, в последние годы из-за регулярного затопления территорий в нижнем течении Сырдарьи складывается сложная обстановка в Кызылординской области, дополнительную угрозу создает риск переполнения Шардаринского водохранилища, поэтому регулярное отслеживание обстановки в регионе, оценка динамики заполнения Шардары на сегодняшний день признаны одним из ключевых направлений космического мониторинга в области ЧС. Впрочем, если в случае с пожарами результаты мониторинга позволяют начать оперативную работу по ликвидации чрезвычайного происшествия, то использование результатов мониторинга паводков носит главным образом информационный характер, дает материал для сравнения паводковой обстановки в разные годы.

Специалисты отмечают, что и для космического мониторинга паводков, так же, как и для мониторинга сельхозугодий, серьезную проблему представляет высокая облачность в период наблюдений. Особенно в Западном Казахстане. Выходом из положения могло бы стать использование радарных данных, однако применение этих технологий ограничивает ряд субъективных и объективных трудностей, в частности, высокая стоимость такой съемки, сложность оперативного заказа, а также большой временной интервал между повторными съемками. Одним из актуальных как для органов ЧС, так и для властей региона направлений развития технологий космического мониторинга ученым представляется использование данных дистанционного зондирования для моделирования возможных опасных ситуаций — прорывов плотин, размывов берега, для оценки вероятности проникновения пожаров. В 2007 и 2008 годах подобную работу для водных объектов ЗКО казахстанские специалисты выполняли в сотрудничестве с российскими коллегами. Оценка риска возникновения чрезвычайных ситуаций имеет ценность не только с точки зрения возможных прогнозов и своевременного принятия защитных мер, но может оказаться полезной при проектировании и строительстве промышленных предприятий, магистральных газопроводов, ЛЭП. В дальнейшем, полагают в Институте космических исследований, система мониторинга в области чрезвычайных ситуаций будет развиваться как в сторону расширения числа охваченных им областей, так и в плане возможного создания региональных и республиканского центров. Появление последних позволит расширить спектр решаемых задач, включив в него, например, контроль за деформацией земной поверхности под воздействием антропогенных факторов. Такие данные очень актуальны в связи с тем, что в республике ведется интенсивная добыча полезных ископаемых.

Сельское хозяйство и область ЧС — лишь две составляющие широкого круга задач, в решении которых можно рассчитывать на помощь космических технологий. По мнению г-на Смирнова, значение новых методов чрезвычайно велико для области геологоразведки, ведь сегодня поиск богатых полезными ископаемыми структур проводится методами, предполагающими использование буровых работ, а это требует значительных материальных затрат. Между тем проведение исследований с применением информации ДЗЗ, дешифрование космических снимков и сравнение полученных результатов с имеющимися материалами могло бы позволить сократить объем буровых работ. Не менее продуктивным было бы использование полученных данных для учета и анализа состояния природных ресурсов, тем более что за последние два десятка лет уровень госконтроля в этой сфере заметно снизился. В транспортной отрасли грамотное применение данных космических снимков позволяет не только определить оптимальные маршруты прокладки автомобильных и железнодорожных магистралей, но и выявить, например, участки дорожного покрытия, больше других нуждающиеся в ремонте. А в сфере городского хозяйства, например, использование методов дистанционного зондирования Земли позволяет получить информацию об участках незарегистрированной застройки или самозахваченных землях.

Достоинства космического мониторинга и его преимущества перед многими другими методами оценки, прогноза, обработки данных, очевидны. Ответ на вопрос о том, будет ли расширена орбита их применения, зависит от многих факторов, в том числе от готовности инвестировать в их развитие и внедрение, от активности спроса, уровня подготовки кадров.