Применение космического мониторинга для оценки стихийных природных явлений

Введение

Прогноз возникновения и  развития стихийных природных и  техногенных явлений на Земле  приобретает в настоящее время  все большую актуальность. Наиболее распространенными и опасными стихийными природными явлениями являются землетрясения, цунами, извержения вулканов, оползни, наводнения, штормы, засухи.

Ежегодно на Земле от катастрофических землетрясений гибнет в среднем  около 30 тыс. человек. Экономический ущерб от сейсмических катастроф достигает сотни миллиардов долларов США или, в отдельных случаях, до 40 % национального достояния страны. [5]

Прямой ежегодный ущерб  от всех видов чрезвычайных явлений  природы и техногенных катастроф  составляет величину свыше триллиона  долларов США, что на два порядка превышает затраты на создание аэрокосмической системы, обеспечивающей краткосрочный прогноз их возникновения. Предупреждать стихийные явления и техногенные катастрофы, на основе мониторинга их предвестников ослаблять их последствия и быть готовыми к ним — экономически более выгодно, чем реагировать на их последствия.

Аэрокосмические средства наблюдения, обладая возможностью глобального  мониторинга поверхности Земли, атмосферы, околоземного пространства, обеспечивают выявление краткосрочных  предвестников и надежный прогноз  землетрясений, цунами и других глобальных геофизических явлений и оперативную  передачу данных мониторинга практически  в любую точку земного шара. В данной работе рассмотрены особенности применения космического мониторинга для оценки стихийных природных явлений.

 

 

 

 

Глава 1

1. Основное понятие космического мониторинга

Космический мониторинг — мониторинг с помощью космических средств наблюдений.

Космический мониторинг позволяет  оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды  экологических сдвигов, изучать  взаимодействие техногенных систем. [1]

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных  и космических аппаратов, судов  и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все  зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также  от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные  качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления  карт, — это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. [3] Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро‒ и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт. Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже — для лучшей различимости некоторых объектов — ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.

Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, — их большая обзорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи. Очень важное достоинство — повторность съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики. [1]

Составление оперативных  карт — вид использования космических материалов. Для этого проводят быструю автоматическую обработку поступающих дистанционных данных и преобразование их в картографический формат. Наиболее известны оперативные метеорологические карты. В оперативном режиме и даже в реальном масштабе времени можно составлять карты лесных пожаров, наводнений, развития неблагоприятных экологических ситуаций и других опасных природных явлений. Космофотокарты применяют для слежения за созреванием сельскохозяйственных посевов и прогноза урожая, наблюдения за становлением и сходом снежного покрова на обширных пространствах и тому подобными ситуациями, сезонной динамикой морских льдов.

Оперативное слежение и контроль за состоянием окружающей среды и  отдельных ее компонентов по материалам дистанционного зондирования и картам называют аэрокосмическим (или картографо‒аэрокосмическим) мониторингом.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом  или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того - разработку системы  мер по предотвращению опасных последствий  или поддержанию благоприятных  тенденций. Таким образом, оперативное  картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений. [2]

 

 

2.  Развитие современных космических средств мониторинга

Внедрение космических технологий для наблюдения, контроля и предвидения  опасных процессов и явлений  природы в целях предупреждения и ликвидации бедствий началось относительно недавно. Важность этого направления в деле защиты населения и территорий от природных и техногенных чрезвычайных ситуаций нашла свое отражение и в распоряжении Президента Российской Федерации от 23 марта 2000 г . № 86-рп, определившем необходимость и порядок создания в стране системы мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций.[7]

Развитие космических  средств мониторинга Земли дает принципиально новую возможность решения крайне сложной проблемы прогнозирования и предупреждения стихийных природных явлений и техногенных катастроф. Современные космические средства наблюдения, обладая возможностью глобального мониторинга поверхности Земли, атмосферы и околоземного пространства, в совокупности с воздушными и наземными средствами могут в конечном итоге обеспечить выявление краткосрочных предвестников и надежный прогноз землетрясений, цунами и других глобальных геофизических явлений, а также оперативную передачу данных мониторинга практически в любую точку земного шара. Уверенность в этом нам придает достигнутый за последние 5‒7 лет значительный прогресс в понимании процессов, предопределяющих зарождение негативных геофизических явлений, в определении их предвестников. Так, например, российскими учеными выявлены зависимости ряда характеристик ионосферы от состояния тектоники земной коры. Благодаря данным, полученным с использованием спутников Европейской системы дистанционного зондирования Земли (ERS), а также Единой сети глобальной системы позиционирования Южной Калифорнии (SCIGN), достигнуты значительные успехи в понимании физики разломов земной коры, поведения системы разломов, включая перемещение напряжений к соседним разломам, сопровождающее землетрясения. Эффективный краткосрочный (до дней и часов) прогноз возникновения и развития стихийных природных и техногенных бедствий на Земле обеспечивает снижение людских и материальных потерь как минимум на 20% и в настоящее время приобретает все большую актуальность. В НИИ космических систем им. А.А. Максимова - филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» на протяжении более десяти лет разрабатываются и создаются различные системы мониторинга природных и техногенных катастроф и получен ряд убедительных результатов. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) выдала патент на изобретение «Международная аэрокосмическая система мониторинга глобальных геофизических явлений и прогнозирования природных и техногенных катастроф» (МАКСМ) (Патент № 2349513, Бюллетень № 8 от 20 марта 2009 г.). [9]

Международной аэрокосмической  системы мониторинга глобальных явлений в интересах краткосрочного прогнозирования природных и  техногенных катастроф является насущной и актуальной задачей. Назначение и структура построения МАКСМ создается с целью обеспечения глобального оперативного и краткосрочного прогноза стихийных бедствий и техногенных катастроф в интересах снижения опасности и негативных последствий для населения и экономического потенциала стран мира на основе создания единого научно‒технического и информационного пространства в области мониторинга состояния литосферы, атмосферы и ионосферы Земли. В основе создания МАКСМ лежит эффективное развитие и совместное использование аэрокосмического потенциала, передовых технологий мониторинга и методов обработки информации ведущих стран мира.

Назначение МАКСМ — глобальный аэрокосмический мониторинг земной поверхности, атмосферы и околоземного пространства с передачей данных наблюдений в наземные центры управления в кризисных ситуациях в квазиреальном масштабе времени в интересах решения задач прогнозирования и предупреждения о стихийных бедствиях и техногенных катастрофах. Кроме того, система позволит производить высокоточное определение координат местоположения объектов, в том числе в интересах повышения эффективности эвакуационных мероприятий, связанных с перевозками, а также обеспечить дистанционное обучение специалистов как по мониторингу, так и по любым другим направлениям человеческой деятельности.[4] МАКСМ обеспечивает решение следующих задач:

‒ наблюдение поверхности Земли, атмосферы и ионосферы с использованием аппаратуры видимого и теплового диапазонов, низко- и высокочастотных волновых комплексов, плазменных комплексов, комплексов мониторинга энергетических частиц, магнитометров, масс-анализаторов, спектрометров;

‒ сбор получаемой информации на борту космических аппаратов (КА) и ее регистрация;

‒ передача получаемых данных мониторинга на наземные станции приема космической информации в режиме получения данных и с задержкой при накоплении данных в бортовом запоминающем устройстве КА;

‒ первичная обработка данных космической информации на наземных станциях приема и передача данных мониторинга в глобальные (международные) и национальные центры управления в кризисных ситуациях;

‒ сбор, обработка данных мониторинга для решения задач глобального оперативного и краткосрочного прогноза стихийных бедствий, а также ее хранение и отображение в международных центрах управления в кризисных ситуациях;

‒ оперативное доведение необходимой информации до государственных органов управления стран - участников проекта, а также ООН в интересах снижения опасности и негативных последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф для населения и экономического потенциала стран мира;

‒ обеспечение потребителей навигационной информацией, получаемой космическими навигационными системами, в интересах решения широкого круга социально-экономических задач, в том числе и информационное и телекоммуникационное обеспечение;

‒ дистанционное обучение специалистов по мониторингу и прогнозу стихийных бедствий, а также в других областях науки и техники с использованием передовых космических и информационных технологий.

Предварительные результаты работы по созданию «Международной аэрокосмической системы глобального мониторинга (МАКСМ) обсуждались на рабочем совещании созданного в ходе работы кипрского Симпозиума общественного комитета по продвижению проекта МАКСМ и группы международных экспертов в Риге (Латвия) в июле 2010 года. [8]

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2

2.1. Применение космического мониторинга для оценки стихийных природных явлений

Совместное использование  данных разных космических систем позволяет  обеспечить практически непрерывный  мониторинг окружающей среды и земной поверхности, получение всесторонних оценок состояния природных объектов и явлений, контроль чрезвычайных ситуаций и т.п.

В Федеральном космическом  агентстве России (Роскосмосе) прием, обработку, каталогизацию, архивацию  и распространение данных дистанционного зондирования Земли и продукции, создаваемой на их основе, обеспечивает Научный центр оперативного мониторинга  Земли (НЦ ОМЗ). Здесь принимается  и обрабатывается информация со следующих  российских и зарубежных спутников: Метеор-3М №1 - аппаратура МСУ-Э, Terra - аппаратура MODIS, NOAA - аппаратура AVHRR, ERS-2 - радиолокатор с синтезированной  апертурой. В соответствии с ближайшими планами Роскосмоса НЦ ОМЗ поручена эксплуатация уже запущенного совместного  российско-украинского КА «Сич-1», а  также планируемых к запуску  российских КА «Монитор-Э» и «Ресурс-ДК». [8]

Наземный комплекс приема и обработки космической видеоинформации, созданный в НЦ ОМЗ, функционирует  на основе разработанных в центре методик и технологий, предусматривающих  поэтапную обработку массивов поступающих  спутниковых данных. В качестве базового программного обеспечения для уточнения  координатной привязки космических  снимков и преобразования их в  выбранную картографическую проекцию, интерпретации и тематической обработки  снимков, картографического представления  результатов применяются такие  программы, как ERDAS IMAGINE и ArcView GIS.

Рассмотрим несколько  примеров применения космического мониторинга  Научным центром оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ).[6]

 

Наводнения

В настоящее время наводнения — одно из самых разрушительных стихийных бедствий, представляющих угрозу не только природным и хозяйственным объектам, но и населению. Для России такое бедствие может возникнуть во время весенних пойменных разливов на реках от снеготаяния или во время сильных летних ливней. Для предотвращения тяжелых последствий этого явления необходима оперативная оценка обстановки на пойменных территориях крупных рек страны. Традиционные методы сбора информации о наводнениях не отвечают современным требованиям и не позволяют оперативно принимать управляющие решения по предупреждению наводнений и ликвидации их последствий. Своевременное получение необходимой информации может обеспечить использование данных космической съемки, которая позволяет получить интересующую информацию в краткие сроки и обеспечить охват территорий, пострадавших от наводнений.[7]

Реализация разработанной  в НЦ ОМЗ технологической схемы  космического мониторинга наводнений с привлечением средств ERDAS IMAGINE и ArcView GIS и использованием данных разного  разрешения с российских и зарубежных космических аппаратов даёт возможность  получать оценки состояния территорий на всех этапах наблюдений: при прогнозе наводнений, во время и после прохождения  паводка. Комплексное использование  этих данных позволяет оценивать  процесс наводнений на глобальном, региональном, локальном (бассейн реки) и детальном уровнях. Разработанная  технология позволяет решать следующие  задачи: вычисление степени затопления пойм; подсчёт затопленных площадей; оценка последствий затоплений и нанесенного ущерба; изучение динамики наводнений.

Наиболее важными регионами  регулярного сезонного мониторинга  для оценки паводковой ситуации являются Волго-Ахтубинская пойма, верховья Северной Двины, Окский бассейн и  др.

В настоящее время основными  источниками информации являются данные, получаемые в результате запланированного цикла съемок с российских КА «Метеор-М» №1 и «Ресурс-ДК». [10] Примеры съёмок представлены на рисунках 1-2 (Приложение).

 

Лесные  пожары

Лесные пожары — низовые, верховые, подпочвенные и др. – представляют собой опасные стихийные бедствия, приносящие огромный ущерб и создающие угрозу для людей, находящихся вблизи районов возникновения и распространения пожаров. При верховом пожаре происходит горение деревьев снизу доверху, при низовом пожаре горят сухая трава, мох, лишайник, кустарник. При почвенных лесных пожарах, возникающих, как правило, вследствие низовых пожаров, происходит горение торфа и торфяных почв на глубине их залегания. Возникновение и распространение лесных пожаров зависят от климатических условий, скорости ветра, рельефа местности и других условий. По площади горения различают отдельные, массовые, сплошные пожары и огненные штормы.

Для мониторинга лесных пожаров  используются данные высокого разрешения, получаемые аппаратурой МСУ-Э (КА «МЕТЕОР-М» №1), которые позволяют оценить размеры бедствия в более крупном масштабе. Эти данные обеспечивают мониторинг локального уровня с детализацией картины горения и более точным определением площади выгоревших участков леса, что очень важно на этапе оценки последствий лесных пожаров. Материалы съемки, получаемой с КА «Метеор-М» №1, оперативно предоставляются специальным службам, прежде всего, в МЧС. [10]Примеры на рисунках 3-4.

 

Землетрясения

Землетрясения, возникающие от подземных толчков и колебаний земной поверхности вследствие тектонических процессов, являются наиболее опасными и разрушительными стихийными бедствиями. Образующаяся при этом энергия распространяется от очага землетрясения в виде сейсмических волн, воздействие которых на здания приводит к их повреждению или разрушению.