Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и технологий мониторинга состояния импактных районов Арктики по мультиспектральным оптическим и радиолокационным космическим изображениям и данным наземных наблюдений.

Докладчик: Бондур Валерий Григорьевич

Должность: Директор, Директор, Директор, Директор

Цель проекта:
Создание комплекса научно-технических решений для организации мониторинга импактных районов арктической зоны на основе спутниковых и наземных данных в интересах рационального природопользования и обеспечения экологической безопасности северных территорий Российской Федерации.

Основные планируемые результаты проекта:
Краткое описание основных результатов:
В процессе выполнения проекта будут разработаны:
1 Методы мониторинга состояния импактных районов Арктики, основанные на объектно-ориентированном подходе к классификации различных типов космических оптических и радиолокационных изображений.
2 Методика сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики.
3 Технологии космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, включающие процесс сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных.
4 Макет системы космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики, реализующий разработанные методы, методики и технологии.
5 База данных космических изображений и значимых параметров, характеризующих экологическое состояние импактных районов Арктической зоны Российской Федерации, на тестовых территориях, полученных по данным дистанционного зондирования.
6 Предложения и рекомендации по использованию разработанных методов, технологии, базы данных для проведения комплексного космического мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики в интересах рационального природопользования и обеспечения экологической безопасности северных территорий Российской Федерации.
7 Проект технического задания на выполнение ОКР по созданию системы наземно-космического экологического мониторинга состояния импактных районов Арктики.

Основные характеристики планируемых результатов:
1 Разрабатываемые методы мониторинга состояния импактных районов Арктики, будут обеспечивать тематический анализ временных серий космических оптических и радиолокационных изображений северных территорий Российской Федерации, подвергающихся интенсивным антропогенным воздействиям, а также оценку экологического состояния и динамики природной и техногенной среды в импактных районах Арктики.
2 Разрабатываемые методики и технологии мониторинга состояния импактных районов Арктики будут обеспечивать:
- Сбор, в автоматизированном режиме, данных о состоянии импактных районов Арктики с использованием наземных станций приема космической информации, баз данных космической и наземной информации.
- Систематизацию и хранение собранных данных о состоянии импактных районов Арктики и результатов их анализа.
- Предварительную и тематическую обработку временных серий космических и наземных данных для решения задач комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов.
- Комплексного анализа результатов обработки временных серий космических и наземных данных для определения текущего экологического состояния импактных районов и его динамики за последние 10 лет.
Формирования информационных продуктов, получаемых на основе комплексного анализа разнородных космических и наземных данных и их предоставления широкому кругу пользователей на основе веб-интерфейса.
3 Макет системы космического мониторинга будут обеспечивать реализацию функций разработанных методов, технологий и методик сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики.
4 База данных космических изображений и значимых параметров, характеризующих состояние импактных районов Арктики, будут обеспечивать накопление массива экспериментальных данных о состоянии окружающей среды в зонах интенсивного антропогенного воздействия в целях анализа ее временной изменчивости под действием техногенных и природных факторов.
5 Предложения и рекомендации по использованию разработанных методов, технологий, макета системы и базы будут обеспечить рациональное природопользование и экологическую безопасность Арктики.

Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений:
Новизна предлагаемых подходов заключается в разработке и применении методов основанных на использовании объектно-ориентированного подхода к распознаванию зон интенсивных антропогенных воздействий. При этом будут использоваться комплексные информативные признаки, получаемые при обработке космических изображений, и несущие сведения как о спектральных свойствах подстилающей поверхности – энергетическая яркость поверхности, так и текстурных свойствах, форме объектов, взаимосвязи объектов пространственный спектр, текстурные характеристики района. Разрабатываемые методы будут носить локально адаптивный характер и иметь возможность настройки параметров в зависимости от типа импактного района, географо-климатических особенностей, типа используемых космических данных, а также будут интегрированы в новые технологии сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики и Субарктики.
Новизна данных технологий заключаются в: комплексном использовании широкого спектра новых данных дистанционного зондирования, получаемых с различных космических аппаратов, в том числе оптических и радиолокационных данный разного разрешения, которые используются совместно с перспективными космическими системами типа «Арктика»; совместной обработке получаемых данных на основе новых, разработанных методов с привлечением данных подспутниковых измерений, а также в ориентации на использование совместно с перспективными космическими системами типа «Арктика».
Для отработки технических и технологических решений будет создан макет системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, реализующий разработанные методы, технологии, базы данных базирующийся самых современных технических и программных решениях.

Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень:
В настоящее время мировой уровень развития систем мониторинга, основанных на космически данных, определяют, например, следующие системы:
- Американская система EOS (Earth Oserving System), включает в себя развернутую систему космических аппаратов дистанционного зондирования, средств приема и обработки данных, информационных ресурсов предоставляющих информацию о состоянии поверхности суши, и в том числе криосферы [http://modis-land.gsfc.nasa.gov; http://nsidc.org/data/modis/index.html], вод мирового океана [http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/], атмосферы [http://modis-atmos.gsfc.nasa.gov] на основе данных комплекса аппаратуры установленного на спутниках серии EOS, в первую очередь аппаратуры MODIS спутников Aqua, Terra. В системе используются несколько десятков методов, основанных на различных алгоритмах, которые описаны набором документов ATBD (Algorithm theoretical basis document ).
Недостатком системы является невозможность использования данных космических систем не входящих в пул EOS, например радарных спутников, оптических спутников высокого разрешения и др.
- Система мониторинга приполярных участков земной поверхности Polar View Sea-ice была разработана в Датском техническом университете (Technical University of Denmark) и предназначается для обеспечения возможности оперативного мониторинга ледовой обстановки, метеоусловий и состояния водной поверхности [http://www.seaice.dk]. Она не может быть использована для мониторинга экологического состояния северных территорий. Исходной информацией для данной системы служат следующие типы данных: радиолокационных данные спутников, типа ENVISAT и ERS-2, скатеррометров, типа QuickSCAT, СВЧ-радиометров, типа AMSU-B, AMSR-E, метеорологические прогнозы и прогнозы динамики льдов, получаемые National Ice Center (США), NCEP (США), DTU (Дания), met.no (Норвегия), IFREMER (Франция). После поступления вышеперечисленных данных в единый центр, они проходят предварительную обработку и поступают в общедоступный архив [http://www.seaice.dk/].
В системе используются методы определения концентрации льда по микроволновым данным с использованием алгоритмов типа Bootstrap, распознавания типов и характеристик морского льда по космическим радиолокационным изображениям по сигнатурам УЭПР для L, С, X и Ku диапазонов, учитывающие зависимость характеристик отражённого сигнала от угла зондирования.
- Система WELD (Web Enable Landsat Data) геологической службы США, предоставляет информационное обеспечение аэрокосмического мониторинга растительных ресурсов и наземных экосистем континентальной части США и территории штата Аляски на основе архива данных спутников Landsat [http://landsat.usgs.gov/WELD.php]. Для работы используются простые методики анализа вегетационных индексов, алгебраические операции над каналами. Данных по территории российской Арктики в системе нет.
Создаваемый макет системы мониторинга будет лишен ряда недостатков рассмотренных выше систем, в частности, будет обеспечена возможность использования более широкого спектра космических оптических спутников, в том числе высокого разрешения Ресурс-П, WorldView-2, GeoEye-1, среднего Landsat, Метеор-М, низкого Aqua, Terra разрешения и радиолокационных спутников Radarsat, TerraSar-X и др. Кроме того в макете будут использованы новые методы анализа космических изображений, основанные на объектно-ориентированном подходе, позволяющие проводить оценку пространственно-геометрических характеристик импактных участков; оценку степени нарушенности подстилающего покрова импактных районов; оценку динамики изменения импактных районов на основе данных многолетних наблюдений.

Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски:
Для разработки новых эффективных методов мониторинга состояния импактных районов Арктики, основанных на современных подходах к тематическому анализу космических оптических и радиолокационных изображений предлагается использовать объектно-ориентированный подход к распознаванию космических панхроматических, мультиспектральных и радиолокационных изображений, заключающийся в выделении различных объектов путем анализа их пространственных и спектральных характеристик, для чего используются пошаговые операции сегментации изображения на конечное число сходных по пространственным и спектральным признакам сегментов, вычислении информативных атрибутов для каждого сегмента и классификации объектов на основании набора обучающих выборок или решающих правил.
Разработка технологий сбора, обработки и совместного анализа временных серий космических и наземных данных для проведения комплексного мониторинга экологического состояния импактных районов Арктики и Субарктики будет осуществляться в соответствии с общесистемными принципами построения информационных систем. При разработке технологий будет делаться упор на обеспечении функциональной интеграции информационных потоков космических данных, поступающих с различных существующих и перспективных отечественных и зарубежных спутников, оборудованных различными типами аппаратуры ДЗЗ, данных наземных наблюдений, полученных на гидрометеорологических станциях и в научных экспедициях. Технологии должны быть открытыми, обеспечивающими возможность функционального расширения (увеличения количества источников информации и методов ее обработки и др.); модернизируемость технических и программных средств, а также методов мониторинга и обработки данных; простоту перехода эксплуатирующего персонала в процессе модернизации и функционального расширения системы и т.п.
Формирование макета системы космического мониторинга состояния импактных районов Арктики, реализующего разработанные методы и технологии в рамках ПНИ будет осуществляться исходя из следующих положений:
- техническая и программная среда должна быть ориентирована на решение задач проекта и обеспечивать возможность последующего ее использования, корректировки и модернизации;
- должен быть обеспечен определенный «запас прочности» по отдельным, наиболее важным, параметрам компонентов макета, учитывая быстрый процесс старения средств автоматизации;
- должна быть предусмотрена возможность наращивания мощностей макета по мере возникновения новых потребностей, в основном это касается технических средств связи и вычислительных систем;
- выбор основных компонентов макета должен осуществляться с учетом обеспечения открытости всей системы, возможность технической модернизации и наращивания функциональных возможностей;
- применяемые технические средства и программное обеспечение должны реализовывать передовые (перспективные) технологии информационного обмена, обработки данных, информационной безопасности, разработки прикладных систем и т.д. При этом должна обеспечиваться их максимальная совместимость.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Описание областей применения планируемых результатов:
Результаты проведения ПНИ могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ (ОКР), направленных на:
- создание систем мониторинга различных параметров окружающей среды в северных районах России и других арктических держав;
- оценку степени влияния глобального потепления на экосистемы севера России;
- планирование и управление особо охраняемыми природными территориями;
- обеспечение контроля за законностью разработки и использованием месторождений природных ресурсов;
- обеспечение контроля экологической обстановки в районах подверженных интенсивным антропогенным воздействиям;
- обеспечение контроля и ликвидации стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций;
- обеспечение интересов государственной безопасности в арктических приграничных районах Российской Федерации и т.д.

Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования:
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 Российской академии наук; нефте- и газодобывающими компаниями; компаниями по транспортировки нефти, газа и нефтепродуктов; ВУЗами и другими образовательными учреждениями; международными организациями.
В соответствии с Договором о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований №2014-04/01от 21.04.2014 результаты ПНИ будут использованы в деятельности индустриального партнера ЗАО НПО «ИСИНТЕК».
Результаты, разрабатываемые в рамках настоящей ПНИ, относятся к научно-технической продукции, реализуемой потребителю преимущественно в нематериальной форме:
- данные научно-исследовательских отчетов, методические материалы и др.;
- знания, опыт, консультирование в области использования данных ДЗЗ, проектного управления и других научно-технических услуг, связанных с внедрением и сопровождением разработанных решений;
- 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:
- услуги по космическому мониторингу и комплексной обработке космических данных для оценки состояния импактных районов Арктики;
- услуги по сбору статистической информации;
- услуги по подготовке информационных продуктов (например, тематических карт), созданных с применением разработанных методов и технологий на основе космических данных;
- оказание консультационных и образовательных услуг.
Основным рынком, на который будут ориентированы научно-технические результаты, является рынок данных дистанционного зондирования Земли, рынок геоинформационных технологий и услуг. Потенциал этих рынков в России весьма высок, чему есть ряд объективных причин. Прежде всего, огромная территория, некоторое отставание от уровня использования ГИС по сравнению с экономически развитыми странами (США, Германия, Франция и т.д.) и все более широкое вовлечение в рыночные отношения земельных участков, объектов недвижимости, промышленных предприятий и месторождений на арктических территориях.

Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений:
Научно-технические результаты работы, окажут влияние на разработку и развитие новых систем мониторинга Земли, с учетом комплексного использования данных дистанционного зондирования Земли, а также новых геоинформационных технологий и услуг по информационному обеспечению природоохранных мероприятий и рационального природопользования. Обеспечит более широкое и вместе с тем щадящее вовлечение в рыночные отношения земельных участков, объектов недвижимости, промышленных предприятий и месторождений на арктических территориях. Результаты работ могут быть использованы в совместной деятельности,по сохранению природы северных территорий, стран входящих в Арктический совет.

Текущие результаты проекта:
В процессе выполнения первого этапа проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии, патенты, содержащие в том числе научно-информационные источники за период 2009 – 2013 гг.
2. Выполнен патентный поиск в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Проведено обоснование и выбор направления исследований, методы, способы и средства решения поставленных задач
За внебюджедные средства проведены:
- сбор и систематизация архивных данных дистанционного зондирования крупнейших импактных районов российской Арктики;
- проведена предварительная обработка собранных, архивных данных дистанционного зондирования.