Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и создание экспериментального образца системы мониторинга антропогенных воздействий на шельфовые зоны черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров, на основе спутниковых и контактных данных

Докладчик: Бондур Валерий Григорьевич

Должность: Директор, академик РАН, доктор технических наук

Цель проекта:
1.1 В настоящее время одними из наиболее актуальных проблем в области рационального природопользования являются проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды. Важное место среди них занимают анализ текущего состояния морских акваторий для оценки их загрязнений и поиск путей предотвращения, прежде всего, антропогенных воздействий на шельфовые зоны. Интенсивное освоение Российского шельфа Черного моря, включая шельф Крымского полуострова быстрый рост приморских городов, курортных объектов, сельскохозяйственная деятельность на побережье способствуют росту антропогенного воздействия на экосистемы прибрежных акваторий. Наиболее сильные антропогенные влияния эти акватории испытывают от береговых источников – объектов хозяйственной рекреационной деятельности. С развитием спутниковых и контактных систем мониторинга открылись широкие возможности для экспериментальных исследований морских акваторий в масштабах от десятков сантиметров до сотен и тысяч километров. Однако огромные потоки данных, поступающих с многоспектральной оптической и радиолокационной аппаратуры дистанционного зондирования, а также с аппаратуры для контактных измерений характеристик водной среды, крайне затрудняют получение полезной оперативной информации о состоянии морской поверхности и ее загрязнениях. Преодолеть указанные трудности помогут разработки, проводимые в настоящем ПНИ. 1.2 Целями реализуемого проекта являются: -разработка и экспериментальная отработка методов и технологий комплексного наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий российского шельфа, в том числе Крымского полуострова и г. Севастополь, для обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы. -исследование и разработка научно-технологических решений, направленных на создание экспериментального образца региональной системы сбора и обработки космических и наземных данных для мониторинга антропогенных и природных воздействий на акватории черноморского побережья Российской Федерации, в том числе у Крымского полуострова и г. Севастополь, в интересах предотвращения их загрязнения.

Основные планируемые результаты проекта:
2.1 В ходе выполнения ПНИ будут получены следующие основные результаты.
2.1.1 Принципы, методические подходы, методы и технологии сбора и комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского шельфа РФ.
2.1.2 Экспериментальный образец региональной системы сбора и обработки космических изображений и контактных данных для оценки антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий черноморского шельфа РФ.
2.1.3 База данных дистанционных и контактных наблюдений для тестовых участков.
2.1.4 Обоснованные рекомендации по обеспечению рационального природопользования, экологической безопасности и снижению уровня негативного воздействия природных и антропогенных факторов на состояние прибрежных акваторий черноморского шельфа РФ, в том числе у Крымского полуострова.

2.2 Основные характеристики планируемых результатов.
2.2.1 Разрабатываемые принципы, методы и технологии сбора и комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных будут обеспечивать:
2.2.1.1 дистанционную и контактную регистрацию параметров морской поверхности и приповерхностного слоя, в том числе для обнаружения внутренних волн на шельфах и их поверхностных проявлений, спектральных особенностей короткопериодных внутренних волн, аномалий гидрооптических параметров, характеризующих негативные воздействия на водную среду и источники антропогенных и естественных загрязнений;
2.2.1.2 идентификацию и оценку характеристик загрязнений, как на морской поверхности, так и в толще вод;
2.2.1.3 идентификацию и оценку параметров внутренних волн, фронтов в структуре вод, особенностей циркуляции, а также их поверхностных проявлений на черноморском шельфе Российской Федерации, в том числе на шельфе Крымского полуострова и г. Севастополь;
2.2.1.4 формирование Информационных продуктов, характеризующих значимые параметры морской среды.
2.2.2 Разрабатываемый Экспериментальный образец системы мониторинга будет обеспечивать сбор и обработку космических и наземных данных для мониторинга антропогенных и природных воздействий на акватории черноморского побережья Российской Федерации, в том числе у Крымского полуострова и г. Севастополь, в интересах предотвращения их загрязнения, а также проверку и отработку предлагаемых в ПНИ принципов, методических подходов, методов и технологий.
2.2.3 Формируемые Информационные продукты будут обеспечивать оценку состояния исследуемых акваторий и принятие управленческих решений в интересах экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.
2.2.4 Формируемая База данных дистанционных и контактных наблюдений для тестовых участков будет обеспечивать структурированное хранение данных натурных наземных и космических наблюдений и результатов их обработки, полученных в ходе проведения экспериментальных исследований.
2.2.5 Разрабатываемая технология сбора различных спутниковых и контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского шельфа Российской Федерации, в том числе шельфа Крымского полуострова и г. Севастополь, будет предусматривать:
-сбор дистанционных данных, полученных со следующих типов космической аппаратуры:
--оптической панхроматической аппаратуры высокого разрешения;
--оптической многоспектральной аппаратуры высокого разрешения;
--оптической многоспектральной аппаратуры среднего разрешения, работающей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра электромагнитных волн;
--оптической многоспектральной аппаратуры низкого разрешения, работающей в видимом и инфракрасном диапазонах спектра электромагнитных волн;
--радиолокационной аппаратуры, работающей в X-диапазоне;
--радиолокационной аппаратуры, работающей в С-диапазоне;
--аппаратуры для СВЧ-радиометрии.
-использование глобальных баз данных дистанционных и контактных наблюдений, типа NOAA National Data Buoy Center;
-получение и систематизацию архивной и актуальной спутниковой и наземной информации с учётом климатических и физико-географических особенностей региона, охватывающего черноморский шельф Российской Федерации, в том числе шельф Крымского полуострова и г. Севастополь.
2.2.6 Разрабатываемая технология комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского шельфа Российской Федерации, в том числе шельфа Крымского полуострова и г. Севастополь, будет использовать как вновь разработанные, так и существующие методы анализа и интерпретации различных классов информативных признаков спутниковых изображений и контактных данных, в том числе:
-методы анализа спектральных, пространственно-спектральных и текстурных информативных признаков спутниковых данных, включая метод дистанционной пространственно-частотной спектрометрии;
-методы анализа статистических характеристик мелкомасштабной структуры морской поверхности, исследуемой дистанционными и контактными способами;
-метод радиолокации морской поверхности на двух поляризациях, выполняемой со стационарной океанографической платформы;
-методы видеосъемки и стереосъёмки морской поверхности, выполняемой со стационарной океанографической платформы;
-методы лазерного зондирования, выполняемого со стационарной океанографической платформы.
2.2.7 Разрабатываемая технология комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского шельфа Российской Федерации, в том числе шельфа Крымского полуострова и г. Севастополь, будет обеспечивать получение не менее чем 10-ти типов информационных продуктов, количественно характеризующих значимые параметры водной среды и уровни антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий.
2.2.8 Формируемые Информационные продукты будут:
-представляться в виде временных рядов данных (временное разрешение должно составлять от 2 часов до 1 года);
-являться площадными продуктами (не точечными);
-иметь географическую привязку;
-соответствовать локальному и региональному уровням пространственного охвата и детализации;
-иметь линейную разрешающую способность на местности не хуже 10 метров, а пространственный охват не менее 100 км2.

2.3 Новизна предлагаемых исследований обусловлена следующими факторами:
- разработкой новых подходов к комплексному наземно-космическому мониторингу состояния прибрежных черноморских акваторий шельфовых зон морей России, обеспечивающих более высокую оперативность (до 2-3 часов) и достоверность полученных результатов, за счет совместного использования данных, полученных в различных участках оптического и радиодиапазонов спектра электромагнитных волн, и данных контактных измерений;
- разработкой методов спектрального анализа космических оптических и радиолокационных изображений, а также результатов контактных измерений, позволяющих определять значимые характеристики прибрежных акваторий и исследовать различные процессы, происходящие на морской поверхности и в толще воды для выявления негативных воздействий на водную среду шельфовых зон с учетом случайного характера морского волнения при съемке в любых погодных условиях;
- разработкой новых методов, основанных на совместном использовании и комплексной обработке разнотипных спутниковых изображений и данных контактных измерений, позволяющих сочетать высокое пространственное разрешение оптических (до 1 метра на местности), всепогодность и широкий охват (полоса обзора до 500 км) радиолокационных систем, достоверность и надёжность подспутниковых данных и регистрировать большее число значимых параметров водной среды за счет использования различных физических принципов этих методов;
- комплексированием результатов обработки космических данных, полученных в разных спектральных диапазонах с различным пространственным разрешением, обеспечивающих регистрацию широкого спектра параметров водной среды, для получения наиболее достоверной информации о состоянии прибрежных акваторий шельфовых зон Черного моря на различных уровнях детальности;
- обеспечением регистрации более широкого набора значимых параметров водной среды с пространственным разрешением до 1 метра и увеличением частоты измерений до нескольких раз в сутки за счёт комплексного использования разнотипных разнодиапазонных космических данных и данных контактных измерений.

2.4 Исследование выполняется на высоком научно-техническом уровне и соответствует аналогичным отечественным и зарубежным работам мирового уровня. В отдельных направлениях, в частности, в направлении анализа пространственно-частотных характеристик морской поверхности прибрежных акваторий, выполняемое исследование опережает мировой уровень.

2.5 Учитывая сложность, обширность и многофакторность негативных воздействий на прибрежные акватории Черного моря, в том у числе Крымского полуострова и в районе г. Севастополь, можно утверждать, что одним из наиболее эффективных способов решения задач, решаемых в настоящем ПНИ, является совместное использование спутниковых и контактных методов. Космические средства дистанционного зондирования обладают большой обзорностью, позволяя оперативно получать непрерывную информацию о широком спектре значимых параметров водной среды прибрежных акваторий Черного моря, и в то же время, отличаются относительной дешевизной по сравнению с проведением контактных измерений на обширных акваториях. При этом, контактные измерения остаются необходимыми и позволяют проводить валидацию данных спутниковых наблюдений.
Возможные ограничения и риски при проведением ПНИ связаны с тем, что большую часть космических данных необходимо получать с зарубежных спутников. Однако, в настоящее время Россия наращивает свою орбитальную группировку спутников дистанционного зондирования Земли, и возможные риски и ограничения, связанные с использованием зарубежных данных будут снижаться. Кроме того, в настоящее время усиливается мировая конкуренция на рынке данных дистанционного зондирования, что также делает маловероятным отсутствие в будущем доступа России к космическим данным, получаемым операторами из других стран.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
3.1 Результаты проведения ПНИ могут быть использованы в следующих областях:
- создание систем мониторинга различных параметров окружающей среды в морских и прибрежных районах России и сопредельных государств;
- оценку степени влияния локального и глобального загрязнения прибрежных акваторий на морские экосистемы;
- планирование и управление хозяйственной деятельностью в прибрежных акваториях;
- обеспечение контроля за судовой обстановкой в прибрежной, пограничной зоне;
- обеспечение контроля экологической обстановки в районах подверженных интенсивным антропогенным воздействиям;
- обеспечение контроля и ликвидации стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций;
- обеспечение интересов государственной безопасности в прибрежных районах Российской Федерации и т.д.

3.2 Результаты, разрабатываемые в рамках настоящей ПНИ, относятся к научно-технической продукции, реализуемой потребителю преимущественно в нематериальной форме:
а) Данные научно-исследовательских отчетов, методические материалы и др.;
б) Знания, опыт, консультирование в области использования данных ДЗЗ, проектного управления и других научно-технических услуг, связанных с внедрением и сопровождением разработанных решений;
в) Результаты обработки и анализа космических и наземных данных.
Результаты разработок планируется внедрять, в первую очередь, в управляющие и регулирующие органы власти на различных уровнях от федеральных агентств до администраций отдельных населенных пунктов, а также на отдельных предприятиях.
В нашем случае в качестве объектов внедрения будут предлагаться:
а) услуги по космическому мониторингу и комплексной обработке космических данных для оценки состояния прибрежных акваторий;
б) услуги по сбору статистической информации;
в) услуги по подготовке информационных продуктов (например, тематических карт), созданных с применением разработанных методов и технологий на основе космических И подспутниковых данных;
г) оказание консультационных и образовательных услуг.
Результаты ПНИ могут быть востребованы: Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации, Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Министерством транспорта Российской Федерации; Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, силовыми ведомствами, а также Минсельхозом России; Росземкадастром; Роснедвижимостью; институтами и учреждениями Федерального агентства научных организаций; нефте- и газодобывающими компаниями; судостроительными и транспортными компаниями; ВУЗами и другими образовательными учреждениями; международными организациями.
Результаты выполнения предлагаемого проекта являются актуальными и представляют особый интерес для ряда организаций Крыма и г. Севастополь, в частности, потребителями результатов будут: Морское отделение гидрометеорологического института в г. Севастополе, Институт Биологии южных морей, Филиал МГУ имени М.В. Ломоносова в г. Севастополе, Севастопольский национальный технический университет, природоохранные организации региона.

3.3 Прогнозируется значительное влияние планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, связанных с комплексным мониторингом прибрежных акваторий. Кроме этого, результаты выполнения проекта в перспективе окажут влияние на Российский рынок геоинформационных технологий и услуг. Именно этот сектор рынка является целевым для коммерциализации результатов настоящего ПНИ.

Текущие результаты проекта:
На данном (первом) этапе выполнения проекта достигнуты результаты по четырём направлениям, предусмотренным пунктами содержания выполняемых работ и мероприятий в Плане-графике исполнения обязательств (ПГ).
Выполняемый аналитический обзор (пункт 1.1 ПГ) показывает, что проблематика ПНИ достаточно хорошо исследована только в некоторых аспектах.
Хорошо развито направление сбора и обработки наземных (контактных) данных измерений значимых параметров водной среды на некоторых участках прибрежных акваторий шельфовых зон черноморского побережья Российской Федерации, например это видно из публикации [Bondur V.G. Satellite monitoring and mathematical modelling of deep runoff turbulent jets in coastal water areas // in book Waste Water - Evaluation and Management, ISBN 978-953-307-233-3, InTech, Croatia, 2011, pp. 155-180; Yurovskaya M. V., Dulov V. A., Chapron B. and Kudryavtsev V. N. «Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography» // Journal of geophysical research 2013, 118, 9].
Кроме того, имеются ряд публикаций и научных результатов по сбору и обработке данных космической съёмки прибрежных акваторий шельфовых зон черноморского побережья Российской Федерации, например, публикация [Бочарова Т.Ю., Лаврова О.Ю. Наблюдение атмосферных и океанических вихревых структур в прибрежной зоне Чёрного моря с помощью спутниковой радиолокации. с. 104-114. // В сборнике научных статей «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (10-12 ноября 2003 года)», М.: Полиграф сервис, 2003, 520 с.]
В то же время, выполняемый аналитический обзор (пункт 1.1 ПГ) показывает, что наиболее неисследованным и, вместе с этим, перспективным является основное выбранное направление ПНИ – комплексная обработка данных наземных и космических измерений и построение региональных систем мониторинга состояния прибрежных акваторий. В этой области можно отметить публикацию [Бондур В.Г., Воробьев В.Е., Гребенюк Ю.В., Сабинин К.Д., Серебряный А.Н. Исследования полей течений и загрязнений прибрежных вод на Геленджикском шельфе Черного моря с использованием космических данных // Исследование Земли из космоса. 2012. №4. С.3–12+4 цв. вклейки]. Исследование, описанное в этой публикации, может быть эффективно развито в рамках настоящих ПНИ.
Проведён выбор и обоснование направления исследований (пункт 1.2 ПГ) в части разработки вариантов проведения экспериментальных исследований ПНИ и вариантов построения Экспериментального образца системы мониторинга. В частности, рассмотрены и проанализированы варианты организации автоматизированных рабочих мест Экспериментального образца системы мониторинга на базе серверной архитектуры и на базе использования отдельных персональных компьютеров (ПК). Результаты проведённого исследования показывают, что наиболее эффективным решением будет использование отдельных ПК с современными характеристиками производительности.
В части разработки архитектуры Экспериментального образца системы мониторинга (пункт 1.3 ПГ) получены предварительные варианты обобщённой блок-схемы Экспериментального образца системы мониторинга, производится анализ полученных вариантов и выбор наиболее эффективного из них. На текущем этапе работ предполагается, что работа Экспериментального образца системы мониторинга будет обеспечиваться тремя подсистемами, а именно:
- подсистемой сбора и обработки данных космических наблюдений;
- подсистемой сбора и обработки данных наземных наблюдений;
- центральной информационно-аналитической подсистемой.
Кроме этого проведён выбор участков, на которые будут предоставляться космические изображения за внебюджетные средства. Выполняются работы по подбору и предоставлению архивных космических изображений для выбранных участков черноморского побережья Российской Федерации, в том числе в районе Крымского полуострова (пункт 1.4 ПГ).