УТВЕРЖДАЮ |
Ректор Московского Государственного Университета леса |
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА «ДУБРАВА»
1. Сущность исследуемой проблемы
Действующая «Инструкция по проведению лесоустройства в лесном фонде России» (1994) предусматривает применение космических снимков при решении широкого круга задач, особенно при устройстве малоосвоенных лесов северных и восточных регионов России. За годы, прошедшие с момента издания этой инструкции, существенно возросли как технические возможности съёмочной аппаратуры, так и возможности дешифрирования. Методические разработки отечественных учёных по использованию космической съёмки в лесном хозяйстве не уступают зарубежным, однако в последние годы эти работы, в основном, не выходили за рамки научно-экспериментальных.
Переход к регулярной космической съёмке лесов России со средним и высоким разрешением позволит на новом уровне решать многие из задач лесного хозяйства.
Регулярная экологическая оценка состояния лесов является необходимой компонентой информационного обеспечения при решении задач управления природными ресурсами, охраны окружающей среды и сохранения биологического разнообразия на региональном уровне. Использование методов дистанционного зондирования направлено на повышение объективности и своевременности обновления информации о состоянии лесного покрова и требует разработки эффективных подходов по анализу данных дистанционного зондирования.
Орбитальные средства обладают известными преимуществами по географии обзора, масштабам полей зрения и объёмом получаемой информации, обеспечивают выполнение одного из важнейших требований к методике проведения исследований продуктивности (информативности) лесных экосистем – неразрывность во времени их проведения. Однако в качестве самостоятельного источника знаний космическая информация не принята. К числу факторов, ограничивающих возможности её полномасштабного использования для решения научных задач относятся:
- несовершенство теоретической базы методов дистанционного зондирования лесов, включая методы определения по данным дистанционного зондирования показателей продуктивности (информативности) лесных экосистем. В частности, недостаточно изучена спектральная яркость продуктивных (информативных) территорий и её зависимость от видового состава, возраста фазы развития, а также от погодных условий, времени года и суток;
- отсутствие общегеографических и топографических карт, отражающих современное состояние территории в достаточно крупном для проведения исследования масштабе и с достаточной точностью. Таким образом, современное расположение источников антропогенной нагрузки - например, лесовозных или лесохозяйственных дорог - не может быть достоверно выявлено с использованием только имеющихся картографических материалов;
- низкая оперативность (раз в 10 или более лет) и неравномерное качество составления лесных карт (по результатам лесоустройства), отсутствие достоверных картографических материалов на некоторые категории лесов (леса некоторых сельхозформирований, резервные леса и т. д.), отсутствие или недоступность обобщенных в рамках регионов лесных карт (по некоторым регионам), значительная доля ошибок при выполнении лесоустройства по низшему III разряду (преобладающему в условиях Европейского Севера России). Таким образом, оперативная карта состояния лесов Европейского Севера России достаточно детального масштаба по материалам лесоустройства и государственного учета лесного фонда составлена быть не может;
- наличие на территории земель различной ведомственной принадлежности, сбор и обработка данных по которым ведется различными ведомствами с различной точностью и оперативностью без какого-либо единого картографического анализа состояния земель даже в рамках отдельных регионов. Таким образом, единая картографическая информация по состоянию и хозяйственному использованию земель разных ведомств, собранная на основании общих подходов, отсутствует;
- недостаточная объективность ряда хозяйственных карт, связанная со своеобразными "приписками" - например, отображением хозяйственных объектов (чаще всего дорог), не существующих в действительности или заброшенных и разрушившихся несколько десятилетий назад.
Учитывая особенности пилотируемой космонавтики, к числу указанных факторов следует добавить сдерживающие факторы:
- отсутствие обоснованного состава задач лесного хозяйства, решаемых в полёте экипажами РС МКС, включая получение экспериментальных данных о свойствах малоизученных лесопатологических явлений в лесных экосистемах, таких как появление и массовое размножение лесных вредителей, и выявление болезней, повторяемость засух на юге и юго-востоке России, своевременное обнаружение очагов огня;
- отсутствие разработанных принципов планирования исследований лесных экосистем совместно с РС МКС, совмещённых с авиапатрулированием, устанавливающих, в частности, допустимую несинхронность наблюдений разного уровня при проведении сопряжённого мониторинга лесного хозяйства.
- несовершенство теоретических знаний о всей совокупности дистанционных признаков, прямо или косвенно индицирующих продукционные процессы в лесной экосистемы;
- основы для разработки рекомендаций экипажам РС МКС по выбору оптимальных условий их обнаружения и регистрации;
- безоблачные условия (необходимые для космической съёмки) в большинстве районов европейского Севера, Сибири и Дальнего Востока с трудом поддаются прогнозу и редко совпадают с конкретным моментом пролета МКС;
Задачи космического эксперимента «Дубрава» ориентированны на получение данных, необходимых для решения основных научно-методических вопросов, определяющих повышение информационного потенциала пилотируемых орбитальных средств, используемого в интересах лесного хозяйства.
2. Краткая история и состояние исследований в настоящее время
В настоящее время дистанционное аэрокосмическое зондирование Земли является единственным способом обеспечения систематичности и глобального получения информации о состоянии лесных экосистем. Опыт реализации отечественных и международных космических проектов «Природа», «Метеор» показывает, что проведение научных исследований по развитию средств и методов наблюдений природной среды и экологического мониторинга лесов с помощью космических платформ, требует привлечения значительных материальных и интеллектуальных ресурсов. Эффективное использование этих ресурсов в научно-прикладных исследованиях обусловлено не только конструктивно сформированной программой исследований, разработкой и изготовлением бортовой научной аппаратуры современного уровня, но и совершенством методик получения и утилизации результатов проводимых исследований.
Регулярную съёмку территории России производят несколько спутников, но это – спутники с низким пространственным разрешением (250 м и более). Для решения основных задач лесного хозяйства столь низкое разрешение неприемлемо (исключение – обнаружение лесных пожаров). Никакие операторы спутников не ведут в настоящее время сплошную съёмку территории России в среднем и высоком разрешении. Такая съёмка осуществляется на заказ, поэтому данные из архивов фрагментарны во времени и в пространстве.
В прошлом относительно регулярную съёмку России со средним разрешением осуществляли американские спутники серии Landsat, однако в 2003 г. последний спутник серии практически вышел из строя. Эффективной заменой Landsat во многих странах (в том числе – в Скандинавии) стали снимки французских спутников серии SPOT, а также снимки индийских спутников IRS. Однако съёмка России с этих спутников также проводится на заказ.
3. Обоснование необходимости проведения эксперимента в условиях космического полёта
Практически все актуальные проблемы лесного сектора требуют для своего решения самой актуальной и объективной информации о лесах. Источников такой информации – крайне мало. Топографические карты обновляются реже, чем раз в 10 лет, и почти не содержат информации о лесах, причём детальные карты масштаба 1:и крупнее до сих пор «закрыты» из-за секретности. Подробная лесоустроительная информация по многим районам страны принципиально устарела. Свежие данные лесоустройства мало доступны потребителям информации – предприятиям лесного бизнеса, местным органам власти, научным и природоохранным организациям. Характерно, что даже органы управления лесами могут испытывать затруднения в получении данных лесоустройства (особенно в электронной форме). В сложившихся обстоятельствах космическая съёмка оказалась самым доступным и востребованным видом информации.
Регулярная экологическая оценка состояния лесов является необходимой компонентой информационного обеспечения при решении задач управления природными ресурсами, охраны окружающей среды и сохранения биологического разнообразия. Использование методов дистанционного зондирования направлено на повышение объективности и своевременности обновления информации о состоянии лесного покрова и требует разработки эффективных подходов по анализу спутниковых данных.
Дистанционное зондирование Земли из космоса позволяют получать масштабные снимки обширных территорий подстилающей поверхности. На таких снимках рельефно отслеживается характерные профили: вырубки лесов, контуры и участки лесных пожаров, очаги поражения лесов насекомыми-вредителями, границы лес-тундра, лес-степь, увлажнённые и сухостойные участки, экологические и антропогенные изменения окружающей среды.
Необходимость решения задач КЭ «Дубрава» в условиях космического полёта обусловлена также особенностями объектов исследований в лесном хозяйстве.
Переход к регулярной космической съёмке лесов России со средним и высоким разрешением позволит на новом уровне решать многие из задач лесного хозяйства. Среди них:
- контроль за процессами лесозаготовок (включая нелегальных рубок);
- оценка последствий лесных пожаров;
- лесопатологический мониторинг;
- инвентаризация лесного фонда, сертификация лесных участков;
- оценка лесовозобновления.
Эффективность управления лесами в значительной степени определяется наличием достаточно развитой информационной базы о состоянии и динамике лесного фонда, его экологическом и ресурсном, включая биоразнообразие, потенциале, а также знаний основных роста и развития насаждений.
Необходимым условием повышения полноты и достоверности этих данных, а также осуществления оперативного контроля за состоянием лесного фонда, является создание национальной системы космического мониторинга лесов. Огромные размеры лесных территорий, различная степень ее хозяйственного освоения исключает возможность создания такой системы без широкого использования аэрокосмических методов слежения за лесами. Проводимая в России конверсия космической и оборонной промышленности в сочетании с широким международным сотрудничеством, создает необходимые предпосылки для успешного решения этой проблемы.
4. Описание эксперимента
4.1.1 Порядок проведения
Планирование эксперимента осуществляется в соответствии с программой КЭ «Дубрава» с учётом планов работы ГОГУ. На основе заданий Программы эксперимента его постановщикам формируется заявка, поступающая в ЦУП-М не менее чем за 7 дней до проведения эксперимента. До экипажа требования заявки доводится специальной радиограммой в установленные ГОГУ сроки. В радиограмму включается все необходимые экипажу данные по конкретному сеансу наблюдений и съёмок (территории, задачи наблюдений, применяемая аппаратура, режим съёмки, бортовая документация, циклограмма эксперимента, особые требования и т. д.).
Эксперимент проводится по этапу (июнь 2010 - июль 2015г.) отработка данных визуально-инструментальных наблюдений продуктивных (информативных) территорий лесных экосистем экипажами РС МКС и направлен на решение задач эксперимента.
Основными из таких задач являются:
1. Диагностика патологии лесов и оперативная оценка площадей повреждённых лесных насаждений.
2. Определения отработки автоматизированных методов и оценки площадей лесонасаждений, пострадавших в результате пожара.
3. Определения отработки автоматизированных методов и оценки площадей лесонасаждений, повреждённых в результате антропогенных воздействий и неблагоприятной экологической ситуации.
4. Определения отработки автоматизированных методов и оценки площадей лесных территорий, повреждённых вредителями и болезнями.
5. Определения отработки автоматизированных методов и оценки границ вырубки лесонасаждений.
На основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных в процессе проведения КЭ «Дубрава», разрабатываются способы практического решения задач информационного обеспечения экипажами РС МКС для лесного хозяйства.
Проведение эксперимента завершается выпуском итогового научного отчёта.
4.1.2 Принципиальные требованиям к условиям проведения КЭ
4.1.2.1 Требования к условиям проведения орбитального полёта:
- ориентация МКС – орбитальная с осями X и Y в плоскости орбиты;
- высота орбиты – в диапазоне значений между коррекциями её поднятий.
4.1.2.2 Требования к положению трасс полёта МКС:
В период реализации КЭ «Дубрава» трассы полёта МКС должны проходить по наиболее перспективным территориям лесных экосистем. К числу таковых в первую очередь относятся:
- территории – технологических систем, где возможно прогнозирование поведения пожаров и их последствий, что в свою очередь позволяет осуществить планирование мероприятий в рамках определённых территорий и периода лесопожарного сезона по предупреждению возгорания лесных участков и устранение последствий пожаров;
- территории Российской Федерации по уровню требуемой степени хозяйственного освоения территорий;
- территории проведения регулярной экологической оценки состояния лесов для информационного обеспечения при решении задач управления природными ресурсами, охраны окружающей среды и сохранения биологического разнообразия на региональном уровне;
- территории санитарного состояния лесопарков России - в июле-августе, т. е. после появления в лесном пологе деревьев свежего сухостоя текущего года;
- территории интенсивной (незаконной) рубки леса России, пролегающих по трассе полета МКС, т. к. на снимках, сделанных из космоса, можно увидеть все светлые пятна вырубки лесов в районе.
4.1.2.3 Требования к выбору времени проведения КЭ:
- сроки проведения эксперимента на этапе реализации программы, должны быть приближены к развитию продуктивных процессов;
- время визуально-инструментальных наблюдений лесных экосистем необходимо подбирать, когда поглощающее и искажающие влияние атмосферы минимально;
- при работе в видимом диапазоне выбирается светлое время суток, при возвышении угла Солнца над горизонтом° (при возможности большой прозрачности);
- время проведения фотосъёмочных работ не должно совпадать со временем появления физических явлений (высокой влажности, облачности и высокой аэрозльности атмосферы), снижающих эффективность фоторегистрации лесных экосистем из космоса.
4.1.3 Технические особенности используемой аппаратуры
Бортовая аппаратура РС МКС: цифровой ФА NIKON D2X с объективами для съёмки фокусным расстоянием от 28 до 800 мм. и флыш-картами Compact Flash 2GB; цифровая видеокамера HDV (камкордер SONY HVR-Z1J) с широкоугольной насадкой и адаптером для установки камкордера на кронштейн; фотоспектральная система (ФСС) с комплектом принадлежностей; бортовой компьютер с БНО «Сигма», обеспечивающая экипаж РС МКС необходимой баллистико-навигационной информацией текущего и прогностического характера; средства радиоканала передачи цифровых фотоизображений по линии «РС МКС-ЦУП».
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Новизна предлагаемого эксперимента обусловлена тем, что в процессе реализации его программы предполагается решения ряда проблем, ограничивающих до настоящего времени возможность полномасштабного использования информационного потенциала пилотируемых орбитальных комплексов применительно к запросам лесного хозяйства.
К числу таких проблем относятся проблемы координатной привязки результатов наклонного фотографирования безориентирных лесных территорий, отработка формата и способов передачи экипажами РС МКС оперативных данных о положении продуктивных (информативных) территорий, обнаруживаемых из космоса по косвенным признакам, определение оптимальных условий орбитального полёта, обеспечивающих, уверенную идентификацию и фоторегистрацию территорий высокой продуктивности (информативности).
В рамках эксперимента «Дубрава» ставится задача создания систем мониторинга лесов, включая определение структуры насаждений, выявление крупномасштабных изменений в лесах в результате воздействия пожаров, вырубок и других возмущающих факторов, оценку индикаторов состояния лесной растительности. Как комплексная задача разработка методики региональной оценки экологического состояния лесов требует проведения многодисциплинарных исследований в области физических аспектов дистанционного зондирования, алгоритмов анализа спутниковых данных, методов пространственного моделирования и ГИС-технологий. При этом выбор объектов и режимов мониторинга лесов, а также набора измеряемых параметров, обеспечивает возможность их прямого или опосредованного использования для оценки индикаторов состояния лесных экосистем и их реакций на факторы негативного воздействия.
Применительно к цели КЭ «Дубрава» фотоинформация, получаемая с борта РС МКС, обладает более высокими потребительскими свойствами по сравнению с сопоставимыми данными отечественных и зарубежных исследований.
Неудовлетворительная атмосферная коррекция – одно из главных препятствий для широкого и успешного использования спутниковых данных о цвете лесов. Процессы рассеяния и поглощения света в атмосфере вносят искажения в спектральные и пространственные детали оптических изображений, описываемые такими характеристиками, как индикатриса рассеяния, альбедо и оптическая толщина атмосферы.
6. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
Основным ожидаемым результатом реализации программы эксперимента «Дубрава» является научно обоснованная и экспериментально отработанная в натурных условиях «Отработка методов измерения, регистрации и тематической обработки изображений лесов с борта орбитальной станции». Практическое применение программы будет экономически эффективным и может быть полезным применительно к направлениям лесного хозяйства России в новых геополитических условиях.
Кроме этого, ожидается попутное получение документальной информации о наблюдаемых из космоса динамических, оптических, метеорологических и других явлений в лесной экосистеме, характеризующих текущее состояние природной среды и представляющих интерес для соответствующих научных и образовательных проектов.
Многоотраслевой характер ожидаемых результатов предлагаемого КЭ открывает возможность их использования по направлениям научной и практической деятельности. К числу таковых, в первую очередь, относятся направления, обеспечивающие: - дальнейшее накопление знаний о природной среде и специфике её наблюдений из космоса; - географическое и, в частности, разработку программно-математического обеспечения специальной подготовки космонавтов; - обоснование технических требований по разработке аппаратуры дистанционного зондирования лесов; - создание имитаторов внешней визуальной обстановки для космических тренажёров; - издания научно-популярной литературы, освещающей достижения и информационные возможности аэрокосмических методов исследования лесных экосистем.
7. Обоснование технической возможности создания экспериментального оборудования с заданными характеристиками
Пилотируемая космонавтика с её возможностью оперативной проверки новых идей, отработки методов наблюдений и испытаний аппаратуры в натурных условиях открывают широкие перспективы для решения проблемы повышения роли фундаментальных исследований и их оптимального сочетания с прикладными разработками в области дистанционного зондирования лесных экосистем.
Современный этап развития методов дистанционного зондирования лесных экосистем характеризуется переходом к практическому использованию накопленного опыта для разработки систем производственного назначения. Концептуальной основой такого перехода служит идея системных исследований Земли с использованием крупных интегрированных космических систем ДЗЗ по всей полосе электромагнитного излучения, базирующихся на различных орбитальных платформах, включая ПКК.
Примером реализации этой концепции служит создание комплекса научной аппаратуры для исследовательского модуля «Природа», введённого в состав орбитальной станции «Мир» в 1966 году и отличающегося продуманным сочетанием средств активного и пассивного зондирования, работающих в широком диапазоне ЭВМ – от радио – до ультрафиолетовых. Результаты его лётно-конструкторских испытаний в составе ДОС - убедительное свидетельство возможности создания всех необходимых технических предпосылок для обеспечения РС МКС бортовой аппаратурой измерения, показателей продуктивности (информативности) лесов, регистрации цветовых и яркостных контрастов.
Результаты визуально-инструментальных наблюдений (ВИН) лесов из космоса, особенно внеплановых, нередко являются основой при выборе условий и объектов космической съёмки. Данные ВИН и в дальнейшем будут играть роль феноменологической основы и опорной информации для интерпретации результатов измерений, выполняемых спутниковыми средствами, а также для построения адекватных моделей некоторых процессов. В связи с этим необходима разработка, изготовление и включение в состав бортовой научной аппаратуры РС МКС специализированных портативных ручных инструментов, таких как ФСС (фотоспектральная система), расширяющих возможности зрительного анализатора космонавта по наблюдению лесных участков (спектрометров, яркомеров, анализаторов и т. п.).
Многие из указанных приборов были созданы и успешно использовались экипажами отечественных ДОС «Салют», «Мир». Современный высокий уровень развития элементной базы и технологии космического приборостроения в сочетании с накопленным опытом открывает широкие технические возможности создания более совершенных образцов такого оборудования для РС МКС.
Отечественный опыт эксплуатации ПКК позволяет также считать отработанными технологии передачи телевивизионной информации о подстилающей поверхности в мониторингом режиме, выполнения операций по дооснащению бортового аппаратного комплекса новыми средствами, текущему техническому обслуживанию, ремонту или замене действующего оборудования силами экипажа ПКК.
Таким образом, опыт оснащения отечественных ПКК научной аппаратурой, отечественный и зарубежный опыт космического приборостроения свидетельствует о том, что создание и применение экспериментального оборудования для решения актуальных задач экипажами РС МКС технически возможно. Определяющим условием реализации таких возможностей являются объём и сроки целевого финансирования соответствующих проектов.
Зав. кафедрой «Автоматизации и управления»,
к. т.н., профессор
