Дистанционое зондирование для наук о Земле:Международный симпозиум IGARSS
В.И. Кравцова (МГУ им. М.В. Ломоносова)
Доктор географических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского университета. Автор 15 книг и более 500 статей по вопросам тематического космического картографирования.
Современное обращение мирового сообщества по дистанционному зондированию к нуждам планеты Земля продемонстрировал очередной симпозиум Международного общества наук о Земле и дистанционного зондирования IGARSS (International Geosciences and Remote Sensing Society), прошедший 21 25 июля 2003 г. в Тулузе (Франция) и организованный традиционным инициатором этих симпозиумов IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engeneers), США и CNES
Национальным космическим агентством Франции. Очень широкая международная представительность симпозиума свидетельствует о вовлечении всего мирового сообщества в космические исследования, в их выполнение или использование материалов, полученных со спутников. В симпозиуме участвовали более 1200 исследователей, представители 56 стран. Наибольшее число участников из США (366), Франции (317) и других европейских стран (Германия 89, Италия 88, Испания 58, Великобритания 52), а также из Китая (99) и Японии (89). Из России было лишь 12 представителей.
Девиз симпозиума «Познание через формы и цвета Земли», как отметил на пленарном заседании председатель оргкомитета симпозиума Д. Массоне, означает, что несмотря на большие достижения в космических исследованиях последнего десятилетия, мы все еще далеки от понимания эволюции нашей планеты, к которому нередко идем окольными сложными путями; форма и цвет возвращают к базовой информации, получаемой дистанционным зондированием геометрии и радиометрии. Такой девиз определил традиционную для симозиумов IGARSS широту тематики. Доклады распределены по шести темам:
спутниковые программы;
инструментарий и технологии;
обработка данных и алгоритмы;
моделирование и процессы в науках о Земле;
применение дистанционного зондирования;
социально-политические аспекты и образование.
Ежедневно в течение недели работали параллельно в 18 залах 36 утренних и вечерних секций устных и интерактивных презентаций. Более 2400 докладов вошли в компакт-диск материалов симпозиума.
Поскольку симпозиум проходил в Европе, на нем не столь сильно, как на предыдущем, Канадском симпозиуме, ощущалась определяющая роль NASA (National Aeronautic and Space Agency, США) в космических исследованиях. Тем не менее основная провозглашенная NASA идея исследования Земли как системы, рассматриваемая в связи с возникшими глобальными экологическими проблемами в качестве основной задачи космических исследований первой четверти XXI в., составляющая зерно долговременной программы ESE (Earth Science Enterprise), разделяется мировым сообществом. Симпозиум показал, в частности, что европейское сообщество вполне осознало необходимость исследования Земли как системы, вписывается в поставленную NASA задачу «понять и защитить нашу планету». Европейское космическое агентство ESA выдвинуло встречную программу «Живая планета», цель которой обеспечить понимание различных процессов в системе Земли с помощью новой генерации спутников и новаторских технологий. Она провозглашает триединую задачу:
развитие новых знаний о Земле,
защита Земли и ее среды,
управление земными процессами.
Для этих целей необходим большой набор определяемых параметров и следовательно разнообразие измерительной аппаратуры; как выразился в своем докладе президент CNES Я. д Эсчата, нужен «коктейль сенсоров».
Другая сторона вопроса переход от измеряемых параметров к характеристикам Земли, в связи с чем первостепенное значение придается моделированию, разработке моделей процессов в атмосфере, океанах, на земной поверхности и их взаимодействия.
Моделирование процессов в науках о Земле
Вопросам моделирования земных процессов была посвящена секция симпозиума «Видение наук о Земле: глобальное понимание комплексности нашей планеты». В связи с заявленной на предыдущем симпозиуме целью обеспечить через четверть века 10-летние прогнозы изменений климата, 1 2-летние прогнозы региональной погоды, полуторагодовые предсказания Эль-Ниньо, часовые предупреждения об извержениях вулканов и землетрясениях,
5-дневные прогнозы путей движения ураганов, получасовые предупреждения о торнадо, разработке моделей процессов, прежде всего в атмосфере и океанах, уделяется первостепенное внимание.
Создана рамочная программа ESMF (Earth System Modelling Framework), ведущую роль в организации и финансировании которой играет NASA и которая предусматривает обмен идеями и сотрудничество разных специалистов в развитии моделей. Специалисты трех центров космических исследований NASA им. Годдарда, Маршалла и Ланглея разработали первую генерацию моделей процессов в атмосфере и океане, позволяющих перейти от месячных к сезонным изменениям погоды, с тем чтобы далее на основе межгодовых сезонных вариаций перейти к исследованию долговременных климатических изменений и их прогнозу [1].
Подчеркивается, что действующая сейчас программа EOS (Earth Oberving System) и другие спутниковые программы начинают поставлять более точные новые данные наблюдений Земли, атмосферы и океана, необходимые для разработки моделей. Топография поверхности океана, по данным альтиметров спутников TOPEX/Poseidon и Jason, информация о приповерхностных ветрах на основе скаттерометрии со спутника
SeaWinds необходимы для прогноза изменений состояния океана и эволюции температур морской поверхности, долговременные наблюдения за которыми обеспечены радиометрами AVHRR/NOAA, MODIS/Terra, Aqua, AMSR/ADEOS-2. Данные об осадках, полученные пассивными микроволновыми радиометрами спутников TRMM (Tropical Rain
Measuring Mission) и GPM (Global Precipitation Mission), используются для моделирования изменений земной поверхности в зависимости от осадков.
Интересный анализ программ глобальных исследований Земли сделан в совместном докладе специалистов США и Великобритании [2]. В нем подчеркивается, что имеется определенный дисбаланс между приоритетами космических программ NASA и международных программ типа Международной геосферо-биосферной программы МГБП (IGBP International Geospere-Biosphere Programme). Программы NASA были сконцентрированы на климатических изменениях, проблеме потепления климата и влияния на него парниковых газов и в течение последнего десятилетия сосредотачивались на динамике углерода, а также на природных катастрофах. Цвет воды океана и концентрация фитопланктона, земные покровы и биомасса растительности рассматривались в первую очередь как поставщики углерода и компоненты углеродного цикла. Международные программы более широко охватывают аспекты влияния всех живых систем на систему Земли. Чтобы прийти к такой полной картине, необходимы определенные шаги и в постановке измерений, и в разработке моделей.
Под влиянием этих программ в «Видении NASA-2030» происходит поворот к исследованию взаимодействия климата-биосферы, влияния климата на экосистемы, первичную продуктивность. В соответствии с инициативой исследования Земли как системы ESE (Earth Science Enterprise) выбраны ключевые параметры наблюдений (их 24) на ближайшее десятилетие, охватывающие не только состав атмосферы, но и изменения земных и морских экосистем. По спутниковой информации создана глобальная база данных с количественной оценкой земных покровов, анализируются сезонные и межгодовые вариации земной продуктивности, выявлен тренд возрастания длительности сезона роста в северном полушарии на широте 400. Разработаны модели биохимических и экологических циклов, использующие дистанционные параметры. Ежедневно поставляются такие глобальные продукты, как карты пожаров по данным MODIS, температур морской поверхности и концентрации хлорофилла в океане по данным Sea-WIFS, MODIS. Европейское сообщество имеет в этом комплексе исследований свои направления, связанные с ролью сельскохозяйственных земель и преобразованных ландшафтов во взаимодействии климата-биосферы проблем, достаточно изученных на локальном уровне, но требующих перехода к глобальному уровню. Это необходимо для ответа на вопрос каким должно быть сельское хозяйство, чтобы обепечить продовольствием население Земли без разрушения природной среды. Для этих целей должны быть созданы прогнозные модели продовольственного обеспечения с учетом влияния климатических изменений на урожаи, а выполнение наблюдений Земли должно идти под флагом устойчивого развития.
Однако высказанные на симпозиуме интересные идеи по моделированию земных процессов редко сопровождались демонстрацией разработанных моделей и результатов моделирования. Немногочисленные, но интересные примеры содержатся в представленных на сопровождавшей симпозиум выставке материалах NASA-CNES по измерениям уровня океана из космоса, используемым для моделирования изменений климата. Прогнозируется к 2100 г. повышение уровня Мирового океана в среднем на 40 см (с точностью 20 см), причем различное в разных районах Земли.
Представлены подготовленные французской метеослужбой Meteo-France интересные глобальные карты изменения зимних и летних температур для периода 2070 2099 гг. по сравнению с 1961 1990 гг., прогнозирующие повышение зимних температур для континентальных районов в умеренных широтах северного полушария на 5 80, а в приполярных арктических даже до 200, а летних температур в умеренных широтах северного полушария на 3 50 и приполярных на 8 120, при относительной их стабильности в южном полушарии. Другая серия карт показывает процентное покрытие ледового покрова морей Арктики в марте 1950 1979 и 2070 2099 гг., при этом прогнозируется резкое уменьшение ледовитости Северного Ледовитого океана (http://www-aviso.cnes.fr).
Новые спутники недавно запущенные и разрабатываемые
Спутникам, обепечивающим получение информации, необходимой для исследования системы Земля и моделирования процессов на ней, посвящено 33 сессии симпозиума. Это и недавно запущенные спутники ENVISAT, SPOT-5, Aqua, Jason, ADEOS-2, и разрабатываемые сутники. Из числа разрабатываемых для картографических целей особый интерес представляет японский ALOS для детальной стереосъемки и топографического картографирования, которому были посвящены специальные сессии симпозиума.
ALOS (Advanced Land Observing Satellite), разрабатываемый с 1994 г. и планируемый к запуску в 2004 г., оснащен панхроматической оптико-электронной системой для получения стереоскопических изображений и детального картографирования PRISM (Panchromatic Remote Sensing Instrument for Stereomapping). Три объектива направлены один в надир и два вперед и назад по трассе с отклонением от надира 230.
Разрешение снимков 2,5 м. Охват снимков триплета 35 км, а при выполнении съемки только в надир 70 км. Базисное отношение B/H=1. Одновременно с разработкой съемочной системы проводится анализ модельных снимков и выполняется их обработка. Предусматривается возможность совмещения триплета снимков с точностью до 1 пиксела.
Выполняется анализ изображения в скользящем окне 5х5 пикселов с использованием метода эпиполярных линий. Разработан алгоритм «Triplet
matching», по существу предусматривающий измерение параллаксов. Обеспечивается точность определения высот 2,3 м, что соответствует требованиям топографического картографирования в масштабе 1:25 000 [3]. Для оценки модельных снимков осуществляется их сопоставление со снимками, полученными со спутника IKONOS. Особенности обработки снимков и точность результатов определения высот зависят от высотного уровня территории, различаясь для зон 0 2000 м и 2000 5000 м [4]. ALOS оснащен также 4-зональным радиометром видимого и ближнего инфракрасного диапазона AVNIR-2 (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer) с разрешением 10 м, охватом 70 км и радиолокационной многополяризационной многоугловой системой PALSAR (Phased Array type L-band Syntetic Aperture Radar) с разрешением при разных режимах работы 10 100 м и охватом 70 300 км.
В числе других разрабатываемых спутников, представленных на симпозиуме Cryosat для мониторинга топографии поверхности ледниковых щитов и толщины льда, SMOS для измерения влажности почв и солености океанов, CALIPSO и COSMO-PLEIADES для определения параметров атмосферы по вертикальному профилю, метеорологические MEТOP, NPOESS, NPP, альтиметрические для продолжения измерений высоты поверхности океана, GOCE для исследования поля гравитации и циркуляции вод океана, ADM для получения вертикальных профилей скорости ветра, новые спутники радиолокационной съемки RADARSAT-2, характеризующийся разнообразием режимов съемки с разрешением до 2 м, TerraSAR, многополяризационный, с разрешением до 1 м, обеспечивающий благодаря 5-метровой антенне возможность однопроходной инфтерферометрии; микро- и мини-спутники.
Подготавливаемые спутниковые программы отражают развитие новых методов съемки конвергентной вдольмаршрутной сканерной стереосъемки с обеспечением высокой метрики, гиперспектральной съемки, многочастотной многополяризационной и интерферометрической радиолокационной съемки с переменным охватом и разрешением, вдольмаршрутной однопроходной интерферометрической съемки, пассивной микроволновой съемки повышенного разрешения, лидарного зондирования.
Проведен анализ и подведены своеобразные исторические итоги работы спутников первого поколения 25-летняя годовщина запуска первого океанологического спутника Seasat, 30-летие работы спутников Landsat. Большое внимание уделено семейству спутников SPOT и в особенности их новой генерации спутника SPOT-5, начальные результаты работы которого были впервые представлены на симпозиуме. Его достижения разрешение 5 м с возможностью программного увеличения его до 2,5 м (по патенту CNES) и конвергентная вдольмаршрутная стереосъемка, обеспечивающие, как показала оценка точности работы систем, определение высот с ошибкой 2,5 м и, следовательно, крупномасштабное топографическое картографирование. При этом разработаны методы автоматического разделения по высоте земной поверхности от полога деревьев и крыш зданий.
Большой интерес представляли и материалы по программе Landsat, не только раскрывшие технологическую и экономико-политическую историю его миссий, но и включавшие долговременный проект продолжения программы. В 30-летней истории программы Landsat выделены несколько периодов [5]: 1972 1979 гг. экспериментального, 1979 1984 гг. операционного, 1984 1999 гг. коммерческого использования (когда права на материалы со спутников Landsat-4, 5 на основе законодательного акта частично были переданы фирмам EOSAT и Space Imaging). С 1999 г. по новому законодательному акту управление им вновь передано государственным организациям NASA и USGS, и в качестве основной задачи спутника Landsat-7 выдвинута глобальная съемка в научных целях. Несмотря на возникшие после четырехлетней работы, в середине мая 2003 г., проблемы со сканирующей съемочной системой, уже в начале июня того же года был запущен корректор линий сканирования с расчетом обеспечения потребителей информацией на прежнем уровне. К сожалению, в сентябрьских сообщениях дается информация о невозможности коррекции снимков. Долговременный план получения снимков Landsat-7 предусматривал «автоматизированную стратегию» минимизации облачного покрова и записи наиболее ценных снимков для улучшения качества архива [6]. К январю 2003 г. (после запуска в апреле 1999 г.) в архивы США получено 300 тыс. снимков и еще 300 тыс. передано на приемные станции во всем мире. Группа тематической оценки снимков отмечает их особую ценность для понимания годового цикла развития природных и хозяйственных процессов на Земле; достигнута цель иметь продолжительные сезонные глобальные данные высокого разрешения для миллионов научных и практических пользователей. Два выпуска журнала Remote Sensing of Environment (vol. 78, Oct. 2001) посвящены оценке этих снимков. В долговременной программе получения данных с ресурсных спутников США основное внимание уделяется вместо спутников, инструментария, организации наземного приема именно качеству данных, их спецификации. Сформулированы определенные требования к продолжению потока данных LDCM (Land Data Сontinuity Mission). NASA считает оптимальным ежедневное получение отобранных 250 снимков для обеспечения сезонного глобального покрытия.
Предполагается для преемственности в основном сохранить спектральные каналы ТМ, к которым будут добавлены два новых канала голубой для исследований береговой зоны и средний инфракрасный (c разрешением 120 м) для определения перистых облаков циррусов. Тепловой инфракрасный канал будет снят (как требующий значительного усложнения аппаратуры и в связи с обеспечением информации этого типа другими системами, например MODIS). Ширина зон скорректирована с учетом полос поглощения в атмосфере (например, ближний инфракрасный канал ТМ 760 900 нм заменен на 845 885 нм, чтобы избежать полосы поглощения водяного пара 815 830 нм). Предполагается сохранить пространственное разрешение 30, 15 (Pan) и 120 м (SWIR), но снимок в любой зоне можно будет привести в результате синергизма (смешения) к 15-метровому разрешению. Обеспечивается приведение снимков для потребителя к уровню L1, что предусматривает радиометрическую и геометрическую коррекцию с переводом в картографическую проекцию с точностью 65 м, при возможности взаимного совмещения зон 30-метрового разрешения с точностью 4,5 м. Данные должны поставляться в национальный архив NSLRSDA (National Satellite Land Remote Sensing Data Archive) через полгода. Предусматривается и другой тип данных AADP (Active Archive Data Packages), поставляемых за 24 ч (90%) или 36 ч (100%) [5].
Методы обработки снимков, новые программные средства
В связи с появлением новых видов съемки и типов снимков большое внимание уделяется методам их обработки. Разносторонние исследования связаны с обработкой радиолокационных снимков. Они направлены на устранение многочисленных искажений. Исследовано влияние на интерферограмму различных факторов состояния атмосферы, инструментальных шумов, топографии поверхности, ее деформаций. Для работы с гиперспектральными снимками используется полный арсенал методов классификации многозональных изображений неконтролируемой и контролируемой классифации, в том числе методом максимального правдоподобия, известные программы типа ISODATA, алгоритмы по принципу нейронных сетей. Предложено дерево решения на основе разных методов классификации [7]. Для прикладного пользователя разработаны упрощенные программные средства, например, широко используется программный пакет ENVI, в частности, его новый модуль FLAASH, позволяющий выполнять быстрый анализ спектрального гиперкуба с коррекцией данных за влияние атмосферы, полос поглощения водяного пара и других компонентов (http://www ResearchSystems.com/
envi/flaash). Таким образом можно корректировать изображения, получаемые AVIRIS, HyMap, Hyperion и многими другими гиперспектральными системами.
При обработке снимков разного типа на одну и ту же территорию обычным стало применение методов смешения изображений, их синергизма, используемого и для искусственного повышения разрешения многозональных снимков в результате их соединения с более детальными панхроматическими, и для взаимного дополнения снимков в оптическом и радиодиапазоне. Это в полной мере соответствует идее о необходимости иметь на борту спутника «коктейль сенсоров».
Множество программных продуктов было представлено на сопровождавшей симпозиум выставке, например, разработанный немецкой фирмой Definiens Imaging, получивший европейский приз Виннера и оцениваемый как революционный пакет обработки изображений e Cognition (http://www.definiens-imaging.com). В нем комбинируются принципы человеческого познания с возможностями компьютера. По отзывам пользователей, это более умная, точная и эффективная по сравнению с предыдущими технология с решениями по образцу визуального дешифрирования, основывающаяся больше на соотношениях между объектами, чем на свойствах отдельных пикселов. Программа делает значительный шаг к автоматизации процесса дешифрирования. Ее отличают уникальный объектно-ориентированный подход, моделирование человеческого распознавания, в частности, оперирование не с отдельными пикселами, а с объектами, обращение не только к спектральной информации (цифровым значениям яркости пикселов), но и к признакам, используемым при визуальном дешифрировании (цвет, форма, размер, текстура, рисунок и контекст). Предусмотрены определение уровня средств автоматизирванной или интерактивной классификации, возможность анализа даже текстурированных или низкоконтрастных данных, адаптация разрешения изображений к специфике данных или решаемых задач, быстрая и легкая автоматизированная классификация, прозрачная неопределенная (fuzzy) классификация, возможность соединения разносортных данных и разных типов геопространственных данных, легкий экспорт результатов в интегрируемые или обновляемые базы данных ГИС.
Новые виды геовидеопродукции
При поступлении со спутников изображений, теперь столь сложных, как гиперспектральные или многочастотные многополяризационные радиолокационные снимки, потребителю удобней иметь дело не с сырой информацией, а с преобразованной в соответствии со стоящими перед ним задачами. Например, только по данным гиперспектральной съемки системой MODIS в центрах хранения и распространения информации США, выполняющих также их первичную обработку, в 2001 2002 гг. изготовлялось 38 видов геопродукции глобальных фотокарт температур морской поверхности, концентрации хлорофилла, вегетационного и листового индекса, фотосинтетически активной радиации и т. п. На симпозиуме докладывалось о создании новых видов таких геоизображений.
Так, по снимкам MODIS 500-метрового разрешения с помощью алгоритма VCF (Vegetation Continious Field) создаются новые типы глобальных фотокарт, отражающих процентное соотношение древесной растительности, низкорослой растительности (кустарниковой, кустарничковой, травянистой) и лишенных растительности поверхностей [8]. Они изготовляются для переломных фенологических моментов. Используются семь каналов съемки MODIS. В качестве обучающего массива данных служат 200 снимков ТМ/Landsat, классифицированных по растительности и приведенных от разрешения 30 м к 500 м. Обобщенные спектральные образы растительности позволяют действовать в глобальном масштабе.
Устанавливается соответствие между процентным соотношением разных типов покровов на тестовых участках и спектральными характеристиками по данным MODIS. В результате, например, получают глобальные карты лесов с выделением территорий, где леса составляют 10, 50 и 90% площади (т. е. с разной лесистостью). Это помогает на единой основе согласовывать данные инвентаризации лесов FAO, получаемые из разнообразных источников. Открывается путь глобального мониторинга распространения лесов и стандартизации лесной статистики.
Регулярное выполнение в последнее десятилетие радиолокационной съемки обеспечило возможность создания по этим снимкам фотокарт обширной территории. На прошлом симпозиуме была представлена радиолокационная фотокарта Антарктиды. Теперь выполняется сочленение материалов и на другие континенты. Например, для картографирования болот бореальной зоны Северной Америки использовались летние и зимние фотокарты, смонтированные из взаимодополняющих друг друга снимков ERS-2 (полоса частот С, VV-поляризация) и JERS-1 (полоса частот L, HH-поляризация). Разрешение мозаики снимков 100 м, но возможен локальный просмотр изображений с разрешением 12,5 м [9]. Для Евразии начата подготовка такой фотокарты из 284 снимков JERS с целью изучения глобальных изменений растительности в комплексе с картой земных покровов GLC (Global Land Cover), составленной по данным Vegetation/SPOT [10].
Проблемы хранения и распространения данных
Беспрецедентный объем и большое разнообразие накопленных и постоянно поступающих спутниковых данных и изготовляемых геоинформационных продуктов поставили серьезную проблему их хранения и распространения широкому кругу пользователей. Поучительный пример ее решения продемонстрирован NASA при выполнении долговременной программы EOS. В последние два десятилетия в США предпринят переход от разрозненных специализированных массивов данных в различных организациях к единой системе данных о Земле. В прошлом кроме поступления данных исследователям-участникам спутниковой программы также использовался централизованный подход, когда для серии спутников или определенных программ создавались центры первичной обработки, архивирования и распределения. Однако оба подхода не предусмаривали использование данных другими исследователями, широким сообществом до окончания программы. Развивались лишь относительно небольшие изолированные и не интероперабельные системы данных.
При выполнении программы EOS NASA приняло более открытую политику, поставив цель обеспечить после периода проверки спутниковой системы доступность данных пользователям тематических групп EOS и вне них. Разработана система подготовки «стандартных продуктов данных» (геоинформационных продуктов) по алгоритмам, прошедшим проверку и отбор потребителями. Создана система ESDIS (Earth Science Data and Information System), объединяющая группу центров DAAC (Distributed Active Archive Centers) (в 2002 г. их было восемь) в соответствии с разнообразием дисциплин, охватываемых программой EOS. По концепции NASA центры должны иметь опыт научной работы с данными, которыми они управляют. Поэтому они созданы в основном на базе ранее существовавших научных организаций и отраслевых архивов данных.
Потребовалась тесная кооперация таких центров. К 2003 г. архивы DAAC содержали 1500 баз данных. Ежедневно в них добавлялось 4 террабит новых данных. Обслуживалось 2 млн пользователей в год, ежедневно распределялось 2 террабит данных. В целом в стране работает около 80 организаций, обеспечивающих перевод данных, полученных на станциях приема, из их сырого состояния в продукты, используемые научным сообществом (архивы NASA и USGS, региональные центры дистанционных исследований, центры DAAC). Они обрабатывают, распространяют и архивируют данные спутников Landsat-7, Terra, Aqua, Jason-1, ADEOS-2, ICESat, SAGE-3, ACRIMSat, SORGE. Как перспектива на будущее рассматривается создание системы построения знаний KBS (Knowledge Building System) и управляемых архивов Intellegent Archives [11].
В этой связи представляет интерес разработка компьютеризированных порталов для пользователей и библиотек геопространственных данных. Такой портал предоставляет пользователю возможность выбора изображений на интересующую территорию от различных сенсоров и трансформирования их в формат, наиболее удобный для пользователя. В перспективе предусматривается также возможность использования компьютерных ресурсов для получения дополнительных продуктов. Один из первых вариантов такого портала разработан для библиотеки геопространственных данных Университета Миссисипи [12].
Применение данных дистанционного зондирования
Привлекательную черту симпозиумов IGARSS составляет сочетание, вернее, тесное взаимопроникновение новых технических возможностей дистанционного зондирования и всеохватывающего круга областей его применения. В перечне тем сипозиума 39 таких областей, относящихся к исследованиям атмосферы (облачности и осадков, аэрозолей, взаимодействия атмосферы с океаном, климата), океана (поверхностных и подповерхностных процессов, волнения и ветров, солености, мониторинга загрязнений, морских льдов, береговой зоны), земной поверхности (геологических процессов, движения земной коры, землетрясений, вулканов, минеральных ресурсов, ледников и ледниковых щитов, снежного покрова, гидрографии, водных ресурсов, наводнений, влажности почв, биофизических свойств почв и растительности, земных покровов, классификации лесов, мониторинга лесных пожаров, сельского хозяйства, городского планирования, природных и техногенных катастроф), планетарных исследований и изучения важнейших регионов (например, Средиземноморского бассейна, аридных и семиаридных территорий), использованию дистанционных методов в картографии и топографии, военном деле, археологии.
Примечательные черты исследований по применению дистанционного зондирования составляют быстрое реагирование на новые технологии, активная разработка методик применения новых видов информации. В исследованиях атмосферы большое значение придается лазерному зондированию, открывающему возможность вертикального профилирования различных параметров, разных типов облаков, аэрозолей; при этом пространственное разрешение измерений увеличивается от 80 км в тропосфере до 1 5 км у земной поверхности. Многие аспекты исследований океана связаны с использованием спутниковой альтиметрии изменение высоты поверхности океана используеся для изучения динамических процессов, определения сезонных флуктуаций и многолетних трендов изменения уровня Мирового океана, прогнозирования Эль-Ниньо и цунами. Альтиметрические измерения со спутников TOPEX/Poseidon, Jason позволили судить о колебаниях уровня моря в течение года с точностью до 0,5 мм. Выявлен подъем уровня Мирового океана с 1993 г. на 2,5 мм/г., при регулярных сезонных флуктуациях уровня и неравномерном подъеме по земному шару. Сейсмические исследования обогатились возможностью точной фиксации сдвигов земной коры при землетрясениях в результате применения инфтерферометрической обработки радиолокационных снимков. Сложный метод интерферометрической обработки был быстро освоен и применяется при гляциологических исследованиях (можно определять, например, скорость движения льда в ледниковых щитах, а также в сейсмически опасных зонах, районах вулканизма). Например, мониторинг извержений вулкана Окмок на Аляске потребовал анализа 60 интерферограмм за разные периоды [13], а при анализе землетрясений на Тайване в 1996 2000 гг. использовалось 78 интерферограмм [14]. В геологических исследованиях гиперспектральная съемка открыла дополнительные возможности определения минералогического состава пород. Исследование земных покровов, растительности, опирающееся на оперативное картографирование вегетационного индекса, получило в связи с многолетним накоплением такой информации возможность ее обобщения в виде глобальных карт земных покровов, позволило извлечь уроки из опыта их создания.
Как новый шаг в этой работе, в добавление к ранее составленной в связи с программой IGBP глобальной карте земных покровов, по данным AVHRR/NOAA за 1992 1993 гг., создана новая карта по материалам
Vegetation/SPOT-4 за 1999 2000 гг., известная как GLC-2000
(Global Land Cover). Она составлена в международной кооперации при координации EC JRC Международного исследовательского центра Европейской комиссии. При ее создании постарались учесть недостатки первой карты, на которой точность классификации не позволяла использовать ее для картометрических определений в субконтинентальном масштабе. Для улучшения результатов принята стратегия распределенного составления при большем числе участников. Исходный материал для карты ежедневная глобальная мозаика поставлялась Центром обработки Vegetation Европейской комиссии и партнерам во Франции, Бельгии, Швеции, Италии. 10-дневные карты NDVI трансформировались по специальным программам в «независимый от почв» растительный покров.
Данные были перекомбинированы в сезонные многоспектральные продукты с использованием для разных районов различных методов с учетом региональных особенностей. За основу была принята классификация земных покровов FAO с выделением 22 классов; для регионов можно было использовать более детальную легенду. В большинстве случаев использовалась неконтролируемая классификация с ручным объединением кластеров в значимые категории земных покровов. Каждая региональная карта была оснащена локальной детальной легендой, затем они были объединены в глобальное покрытие с использованем упрощенной легенды из 22 классов. К марту 2003 г., т. е. через два года работы,
GLC-2000 стала доступной пользователям. Карта проверена региональными экспертами путем сравнения с другой информацией. Для обеспечения достоверности количественных оценок по карте, для статистически значимого числа выбранных контрольных участков выполняется оценка на основе ее сравнения с результатами классификации по снимкам высокого разрешения [15].
Кроме GLC-2000, EC JRC по тем же материалам съемки Vegetatiоn создана глобальная карта гарей 2000 г. GBA-2000 (Global Burned Area), реализующая инвентаризацию выгоревших в течение 2001 г. областей для различных типов растительности. В этой работе участвовали UNEP, исследовательские институты шести стран. Для трансформирования ежедневных материалов съемки Vegetation в карту гарей использовалось семь алгоритмов. В процессе работы изготовлялись месячные карты с разрешением 1 км и статистические материалы по типам растительности и по областям 0,5х10. Окончательная версия карты была готова к концу 2002 г. Оказалось, что из 3,5 млн км2 гарей 2000 г. 60% приходится на Африку. Четко выделяются периоды активности пожаров декабрь февраль и июль сентябрь. 81% пожаров приходится на лиственные леса и кустарники, 16% на травы и сельскохозяйственные земли, 1,5% на хвойные и смешанные леса и 1,2% на широколиственные леса. Работу по картографированию гарей предполагается продолжить в течение еще четырех лет.
Кроме глобальных, выполняются и крупные региональные проекты по картографированию растительности, например, создается карта болот бореальной зоны Северной Америки по радиолокационным снимкам [9].
Как и на предыдущих симпозиумах, на IGARSS-03 работала секция по образованию в области дистанционного зондирования в науках о Земле. Доклад о выполнении в США одного из проектов инициированной NASA программы ESE (Earth Scienses Education) сопровождался выступлениями группы школьников по использованию снимков в учебной и внешкольной работе. Большой интерес вызвало сообщение о налаженном в технической школе одного из городков Франции приеме снимков с метеорологических спутников и их использовании в обучении [16]. Кроме технических, здесь подчеривались педагогические аспекты такой работы междисциплинарное использование получаемых снимков, сближение интересов школьников разного возраста. Этот опыт, несомненно, представляет интерес для выполняемых в инициативном плане, например с помощью СканЭкс, экспериментах по приему снимков в школах на локальные станции приема изображений и их использованию в обучении (Гершензон О.Н., Константинова Г.Х., Смирнова Е.В. Использование изображений Земли из космоса, принимаемых станцией «Лиана», в школьном образовании (кн.: для учителя). М.: Прозрачный Мир. Книга находится в издании. Прим. авт.).
Симпозиум был хорошо дополнен техническими визитами в аэрокосмические предприятия, которыми славится Тулуза авиационный гигант Airbus; Alcatel Space один из мировых лидеров разработки космических систем и оборудования спутников; Astrium главную европейскую компанию и один из мировых лидеров разработки спутников наблюдения Земли, навигационных и военных спутниковых систем, Intespace центр тестирования космических систем.
Симпозиум продемонстрировал бурное развитие новых технологий дистанционного зондирования Земли, вовлечение в космические исследования всего мирового сообщества и нацеленность этих исследований на сохранение и защиту нашего земного дома.
Список литературы
1. Schubert S., Rienecker M., Mlynczak M. еt al. Ocean and atmosphere: predicting monthly to seasonal climate variability and the oceanic and atmospheric causes and effects // Proceedings of IGARSS-2003.
2. Peterson D.L., Curran P.J., Mlynzcak M., Miller R. The biospere: a decadal vision // Там же.
3. Takaku J., Futamura M., Goto A. et al. High resolution DEM generation from ALOS PRISM data triplet image algorithm evaluation // Там же.
4. Tadono T., Shimada M., Matsuoka M. et al. Preliminary study for evaluating geometric accurasy of ALOS/PRISM // Там же.
5. Irons J.R., Speciale N.J., McCuistion J.D et al. Data specifications for the Landsat Data Continuity Mission // Там же.
6. Williams D., Irons J., Goward S., Masek J. The first four years of the Landsat-7 mission: a review // Там же.
7. Gomez-Chova L., Calpe J., Soria E. et al. Semi-supervised classification method for hyperspectral remote sensing images // Там же.
8. Hansen M.C., DeFries R.S., Townshend J.R.G. et al. Development of 500 meter vegetation continuous field maps using MODIS data // Там же.
9. Moghaddam M., McDonald K. Mapping wetlands of the North American boreal zone from satellite radar imagery // Там же.
10. De Grandy, Rauste G.Y., Achard F., Mollicone D. The GBFM radar mosaic of the Eurasian taiga: a groundwork for the bio-physical characterisation of an ecosystem with relevance to global change studies // Там же.
11. Ramapriyan H.K. NASA s Earth Science Data Systems past, present and future // Там же.
12. O Hara C., King R. A computational mapping engine portal for accessing geolibraries // Там же.
13. Lu Z. Study of Okmok volcano with INSAR // Там же.
14. Pathier E., Fruneau B., Deffontaines B., Angelier J. Contributions of INSAR to study active tectonics of Taiwan // Там же.
15. Bartholome E., Belward A.S., Achard F. et al. Use of data from VEGETATION instrument for global environmental monitoring: some lessons from the GLC 2000 and the GBA 2000 projects // Там же.
16. Beaudoin L., Imbert M., Jumelet A. et al. Receiving images directly from meteorological satellites in an engineer s school: technical and pedagogical aspects // Там же. См. также: Каталог Организаций: - МГУ им. М.В. Ломоносова* Каталог Оборудования: - Landsat-7
RSS
Реклама
