Средства авиационного базирования

Рис.2 Схема получения информации авиационными средствами

Воздушный экологический мониторинг может быть реализован на основе серийно выпускаемых пилотируемых и беспилотных авиационных комплексов. Наиболее подходящие для решения различных задач мониторинга территории являются самолет Су-24МР, вертолет Ми-24Р, многоцелевой беспилотный вертолетный комплекс МБВК-137, а также летающие лаборатории на базе самолетов ТУ-154М, ТУ-134, АН-24 и АН-12 которые оснащены аппаратурой дистанционного зондирования Земли.

Съемка земли с самолета

Широкое применение в области дистанционного зондирования земли в последнее время нашли минивертолеты коптеры, (также в зависимости от числа винтов популярны названия: квадро-, тетро-, мульти- и гексакоптеры).

Коптер представляет собой радиоуправляемую летающую платформу с 3, 4, 6, 8, 12 бесколлекторными двигателями с пропеллерами. В полете платформа занимает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз а так же поворачиваться вокруг своей оси. Все действия совершаются путем изменения тяги на каждом моторе. Скорость их горизонтального движения может составлять от 20 до более 50 километров в час что позволяет проводить недорогую по эксплуатационным затратам съемку на расстояниях до 50 киллометров..

Создание миникоптеров началось скорее всего в Германии 8-9 лет назад. Сегодня практически во всех технически развитых странах существуют альтернативные разработки по данной тематике, от самых примитивных (из джойстика от приставки) до очень сложных в техническом исполнении.

Миникоптер

Миникоптер (видеосъемка)

Четырехпропеллерный минивертолет (Квадрокоптер)

Миникоптер (ночной полет)

Космические средства получения информации

Рис.3 Схема получения информации космическими средствами

Для получения данных дистанционного зондирования (ДДЗ) могут использоваться разные космические аппараты - ракеты, пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, автоматические искусственные спутники Земли и другие космические аппараты.

Тип орбиты зависит от ее высоты и ориентации относительно поверхности Земли, а также от направления движения спутника по орбите.

Если орбита спутника расположена в экваториальной плоскости на высоте около 36000 км, а направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то положение такого спутника относительно земной поверхности будет постоянным. Такие спутники называют геостационарными; они идеально подходят для метеорологических наблюдений и обеспечения связи. И так Геостационарные спутникипостоянно обеспечивают обзор одной и той же части планеты, сохраняя неизменное положение относительно определенной точки на экваторе.

Субполярные орбиты, у которых остается постоянным угол между плоскостью орбиты и направлением на Солнце, называют солнечно-синхронными. Спутники, выведенные на такие орбиты, используют для периодической сезонной съемки объектов при одинаковых условиях освещения, соответствующих одному и тому же местному времени. Спутники на солнечно-синхронных орбитах используют, в основном, для картографирования территорий, так же они незаменимы при решении многих задач мониторинга окружающей среды.

Погода со спутника

Рассмотрим некоторые современные спутники, которые собирают информационные данные для мониторинга состояния окружающей среды.

В 1999 г. был выведен на орбиту спутник EOS AM-1, который носит название Terra. Это первый спутник программы EOS (Earth Observing System — «Глобальный мониторинг поверхности Земли») в рамках программы «Инициатива изучения планеты Земля» (Earth Science Enterprise), проводимой НАСА.

СпутникEOS AM-1

TERRA имеет солнечно-синхронную орбиту с периодом обращения 16 дней (на одно и то же место съемки возвращается через 16 дней) и летает на той же орбите, что и Landsat-7, но на 30 минут позже. Высота орбиты 705 км над экватором, облет вокруг земли за 98,9 минут. Это значит, что траектория орбиты пересекает экватор 233 раза за 16 дней.

Расчетный срок пребывания на орбите составляет 6–7 лет.

На спутнике Terra установлены 2 прибора, представляющие особый интерес для мониторинга окружающей среды.

Радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) - совместная разработка НАСА и японского Министерства торговли и промышленности. Радиометр состоит из 3 отдельных телескопических систем и позволяет проводить съемку земной поверхности в 14 спектральных диапазонах - от видимого до дальнего инфракрасного - с разрешением от 15 до 90 м.

На спутнике Terra установлен также спектрорадиометр MODIS (the Moderate Resolution Imaging Spectrometer), обеспечивающий съемку Земли в 36 спектральных каналах с пространственным разрешением 250 м (2 канала), 500 м (5 каналов) и 1000 м (29 каналов).

Области применения ДДЗ, полученных со спутника TERRA:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:100 000.

• Создание цифровых моделей рельефа с точностью 15-20 метров по высоте.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.

• Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, потенциальная оценка их нефтегазоносности.

• Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.

• Лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

• Сельскохозяйственное картографирование, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.

• Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.

• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Практическое использование американской системы изучения природных ресурсов Земли Landsat начато в 1972 г. с запуска космического аппарата Landsat-1.

В 1999 г. был успешно выведен на орбиту очередной спутник этой серии Landsat-7 - совместный проект Геологической службы США (USGS), NASA и NOAA.

СпутникLandsat-7

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.2 градусов), высота спутника 705 км, период обращения вокруг Земли 16 дней (233 орбиты).

Основной аппаратурой Landsat - 7 является усовершенствованный многоспектральный оптико-механический сканирующий радиометр ЕТМ+ (Enhanced Thematic Mapper Plus). Радиометр ETM+ рассчитан на получение изображений поверхности Земли в восьми участках видимого и инфракрасного диапазонов спектра.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника LANDSAT:

10. Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:200 000.

11. Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации.

12. Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газпотенциальная оценка их нефтегазоносности.

13. Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые.

14. Мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

15. Сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности.

16. Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования.

17. Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т.п.

Спутниковая фотографияLandsat-7 (Токио)

Канадский космический аппарат RADARSAT-1 (Radar Satellite) запущен в 1995 году на солнечно-синхронную орбиту высотой 798 километров и наклонением 98,6°. Выполняет съемку поверхности Земли с помощью радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой (РСА). Расчетный срок пребывания на орбите определялся в 7 лет, однако аппарат продолжает успешно работать.

СпутникRADARSAT-1

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat:

• Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.

• Создание и обновление карт и планов, вплоть до масштаба 1:50000.

• Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.

• Мониторинг быстроразвивающихся экологических процессов (распространение нефтяных загрязнений, вредителей и болезней леса и т.д.).

• Сельскохозяйственный, лесохозяйственный мониторинг – обновление карт, контроль использования земель, оценка урожайности сельскохозяйственных угодий, контроль незаконных вырубок и т.д.

• Отслеживание ледовой и снеговой обстановки.

• Геологоразведка.

• Контроль нелегального рыболовства.

• Мониторинг северных и приполярных территорий.

Космический аппарат нового поколения RADARSAT-2, запущен в декабре 2007 г. с космодрома Байконур на солнечно-синхронную орбиту с высотой 798 км и наклонением 98.6º, с периодом обращения 100,7 минут. Спутник оснащен радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, обладающим, как и спутник Radarsat-1, уникальными возможностями изменения ширины полосы съемки и пространственного разрешения. Расчетный срок пребывания на орбите – не менее 7 лет.

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Radarsat-2:

• Создание и обновление топографических и специальных карт, вплоть до масштаба 1:25 000.

• Создание высокоточных ЦМР и ЦММ (3-6 м по высоте).

• Всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами.

• Оценка состояния ледников, запасов воды.

• Мониторинг акваторий (распространение нефтяных загрязнений, приливные явления, мониторинг судов, отслеживание ледовой обстановки и т.д.).

• Картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство.

• Картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов.

Индийская система дистанционного зондирования IRS (Indian Remote Sensing Satellite System) - первая национальная система, специально предназначенная для изучения природных ресурсов Земли, и составная часть национальной системы управления природными ресурсами Индии NNRMS (National Natural Resources Management System).

Космическая система дистанционного зондирования Земли IRS представлена спутниками IRS-1B (функционирует с 1991 г.), IRS-1C (с 1995 г.), IRS-P3 (с 1996 г.), IRS-1D (с 1997 г.) и IRS-P4 (Oceansat) (с 1999 г.), IRS-P6 (с 2003 г.).

Спутник Indian Remote Sensing Satellite System

Области применения ДДЗ, полученных со спутников IRS:

• Мониторинг состояния окружающей среды в прибрежной зоне, полоса поглощения хлорофилла.

• Дешифрирование зеленой растительности; разделение почв и горных пород.

• Полоса поглощения хлорофилла различных видов растений.

• Определение границ водных поверхностей.

• Картографирование растительного покрова.

• Идентификация природных ресурсов.

• Глобальное картографирование растительного покрова и.т.д.

Французская космическая система изучения природных ресурсов Земли SPOT (Systeme Probatoire d'Observation de la Terre) активно функционирует с 1986 г. Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту (98.7 градусов), высота спутника 822 км, периодичность появления над объектом для широты России - 3 суток. Космический аппарат SPOT-5 был запущен в мае 2002 года. Расчетный срок пребывания на орбите составляет не менее 5 лет.

Геометрическое разрешение данных SPOT при панхроматической съемке - 10 м, при многозональной - 20 м. Кроме высокого геометрического разрешения этих цифровых съемок есть возможность получения стереопар для получения информации о рельефе. Точность определения рельефа местности по снимкам с КА SPOT в основном соответствует, требованиям к топографической карте масштаба 1:50000.

Система преимущественно используется для получения информации дистанционного зондирования, необходимой для решения задач картографирования, землепользования, сельского и лесного хозяйства, планирования градостроительства, для составления цифровых карт местности и контроля за изменениями состояния окружающей среды.

Спутник SPOT 5

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Spot 5:

• Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:25 000.

• Создание цифровых моделей рельефа с точностью 5-10 метров по высоте.

• Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.

• Мониторинг экологического состояния территорий в районах добычи, переработки, транспортировки нефти и газа, других полезных ископаемых.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования муниципальных районов и субъектов федерации.

• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация лесов. Регулярный контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов.

• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов, оценка засоренности, выявление вредителей и болезней сельхозкультур, прогнозирование урожайности.

• Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров и т.п.

Американская метеорологическая система на базе полярно-орбитальных космических аппаратов серии NOAA используется Национальным управлением по исследованию океана и атмосферы (NOAA) при решении задач, связанных с прогнозированием погоды, а также для получения информации дистанционного зондирования в интересах сельского и лесного хозяйства, климатологии и океанографии, мониторинга состояния окружающей среды, при изучении околоземного космического пространства, озонового слоя и содержания аэрозолей в атмосфере, при исследованиях снежного и ледового покровов Земли, для выявления пожаров, измерения вегетационного

индекса. Кроме того, на спутниках этой серии устанавливается аппаратура сбора данных с наземных метеорологических платформ, а также оборудование приема сигналов бедствия в рамках системы Kocnac/SARSAT (система поиска и спасения). Первые метеорологические космические аппараты по программе NOAA, известные также под наименованием TIROS (Television and Infrared Observation Satellite).

Спутник имеет солнечно-синхронную орбиту, высота орбиты спутника 833 км.

Спутник NOAA

Система европейских КА ERS (European Remote Sensing Satellite) Европейского космического агентства. Первый космический аппарат ERS-1 был запущен в 1991 г., на солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 785 км и наклонением 98,5⁰, второй спутник - ERS-2,  ставший преемником и конструктивным аналогом ERS-1, был выведен на такую же орбиту в апреле 1995 года. Расчетный срок пребывания на орбите спутника ERS-1 определялся в 3 года, однако аппарат продолжал успешно работать до 10 марта 2000 года, что позволило ESA в течение почти 5 лет эксплуатировать спутниковую группировку, обеспечивавшую удвоенную частоту съемки поверхности Земли. Срок пребывания на орбите ERS-2 определялся в 2 года, однако, несмотря на мелкие неисправности, он успешно проработал до июня 2003 года. С тех пор, в связи с поломкой записывающего устройства, съемка ведется только в пределах доступности наземных станций ESA.

Спутник ERS 2

Области применения ДДЗ, полученных со спутников ERS-1, 2:

• Создание ЦМР и ЦММ с точностью 5-10м по высоте.

• Создание и обновление топографических карт и планов, вплоть до масштаба 1:200 000.

• Отслеживание ледовой и снеговой обстановки в приполярных районах.

• Наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток.

• Сельское хозяйство – создание карт посевных площадей, оценка урожайности, состояния посевов, контроль использования земель.

• Лесное хозяйство – создание карт породного состава лесов, состояния насаждений, незаконных вырубок и т.д.

• Изучение сантиметровых подвижек земной поверхности с применением интерферометрических методов (в рамках проекта ERS Tandem).

С 1979 г. в Советском Союзе, а затем в России существует система дистанционного зондирования Земли (ДДЗ), получившая название "Ресурс".

Система "Ресурс" состоит из трех взаимно дополняющих систем: одной фотографической ("Ресурс-Ф") и двух, ориентированных на наблюдение суши и океана ("Ресурс-0" и "Океан-0").

Наряду со спутниками оперативного ДЗЗ типа "Ресурс-0" и "Океан-0" в настоящее время эксплуатируются космические системы оперативного наблюдения Земли, в которые входят геостационарный метеорологический КА "Электро" (международное обозначение - GOMS) и низкоорбитальные КА метеонаблюдения типа "Метеор".

С 2002 гг. орбитальная группировка КА оперативного наблюдения поверхности Земли включает два КА "Ресурс-О1" (№3 и №4), два КА "Океан-О1" (№7 и №8), один КА "Метеор-3" (№5) и один КА "Электро-Л".

Российские космические аппараты серии «Ресурс-О» оснащаются аппаратурой высокого и среднего разрешения, обеспечивающей съемку поверхности Земли в нескольких спектральных диапазонах.

Бортовой информационный комплекс космического аппарата серии «Ресурс-О1» предназначен для получения, формирования, уплотнения и передачи на наземные пункты приема информации дистанционного зондирования, полученной в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Для этого используются сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК.

Фотографические данные получают также со спутников серии «Ресурс-Ф», оснащенных фотографическими камерами КФА-1000, КФА-3000, МК-4 и КАТЭ-200.

Космический аппарат Ресурс-ДК был запущен в июне 2006 года. Спутник входит в состав оперативного космического комплекса детального оптико-электронного наблюдения земной поверхности, создаваемого Государственным научно-производственным ракетно-космическим центром «ЦСКБ-Прогресс».

В зависимости от целевого применения спутник может эксплуатироваться на околокруговых или эллиптических рабочих орбитах с наклонениями 64,8°; 64,9°; 70,0°; 70,4°. Рабочая орбита спутника - эллиптическая и составляет 350 - 604 км. Спутник позволяет получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме (один канал) и в трех узких спектральных диапазонах с разрешением 2-3 м в мультиспектральном режиме. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 3 лет.

Спутник Ресурс-ДК

Снимок города спутником Ресурс-ДК

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Ресурс-ДК:

• Создание и обновление топографических и специальных карт и планов вплоть до масштаба 1:5 000.

• Инвентаризация и контроль строительства объектов инфраструктуры транспортировки и добычи нефти и газа.

• Выполнение лесоустроительных работ, инвентаризация и оценка состояния лесов.

• Инвентаризация сельскохозяйственных угодий, создание планов землепользования, точное земледелие.

• Обновление топографической подосновы для разработки проектов генеральных планов перспективного развития городов, схем территориального планирования муниципальных районов.

• Инвентаризация и мониторинг состояния транспортных, энергетических, информационных коммуникаций.

• Широкий круг задач в области охраны окружающей среды.

Космический аппарат Монитор-Э был запущен в августе 2005 года с помощью ракетно-космического комплекса легкого класса «Рокот» с космодрома Плесецк. Спутник является разработкой Государственного космического научно-производственного центра им. М.В. Хруничева. КА Монитор-Э был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 540 км и проходит над одной и той же точкой земной поверхности каждые 4-6 суток. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 5 лет.

Спутник Монитор-Э

Области применения ДДЗ, полученных со спутника Монитор-Э:

• Создание и обновление карт и планов масштаба 1: 50 000;

• Землепользование, составление кадастров земельных ресурсов;

• Контроль состояния лесов, сельскохозяйственных культур, прогноз урожайности;

• Составление геологических карт и поиск полезных ископаемых;

• Контроль мелиорации и орошения;

• Экологический мониторинг;

• Контроль чрезвычайных ситуаций;

• Решение прикладных задач.

Российский спутник «Комета» специально разработан для информационного обеспечения создания топографической продукции. Основное предназначение КА «Комета» состоит в информационном обеспечении именно создания топографических карт местности (масштаба 1:50000 с точностью 10 м по высоте и 15 м в плане), требуемый уровень которого достигается благодаря синхронно работающему комплексу следующей аппаратуры: обзорного фотоаппарата ТК-350, фотоаппарата КВР-1000, лазерного высотомера, системы звездных датчиков, аппаратуры позиционирования.

Как правило, спутники «Комета» запускаются на короткие сроки - около одного месяца.

Спутник «Комета»