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

Номер контракта: 14.577.21.0110

Руководитель: Бондур Валерий Григорьевич

Должность: Директор

Организация: федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
антропогенное воздействие, дистанционное зондирование земли, комплексный мониторинг, контактные измерения, космический мониториг, крым, прибрежные акватории, рациональное природопользование, российский шельф, спутниковые данные

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение следующих задач: - разработка новых подходов к комплексному наземно-космическому мониторингу состояния прибрежных акваторий черноморского побережья России, обеспечивающих более высокую оперативность (до 2-3 часов) и достоверность полученных результатов, за счет совместного использования спутниковых данных, полученных в различных участках оптического и радиодиапазонов спектра электромагнитных волн, и данных контактных измерений; - разработка методов 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; - разработка новых методов, основанных на совместном использовании и комплексной обработке разнотипных спутниковых изображений и данных контактных измерений, позволяющих сочетать высокое пространственное разрешение оптических (до 0.5 метра на местности), всепогодность и широкий охват радиолокационных систем (полоса обзора до 500 км), достоверность и надёжность подспутниковых данных и регистрировать большее число значимых параметров водной среды за счет использования различных физических принципов этих методов. - обеспечение 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. Цели проекта: - 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:
Основные планируемые результаты проекта:
- принципы, методические подходы, методы и технологии сбора и комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского шельфа РФ.
- экспериментальный образец региональной системы сбора и обработки космических изображений и контактных данных для оценки антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий (далее – Экспериментальный образец системы мониторинга).
- база данных дистанционных и контактных наблюдений для тестовых участков.
- 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.
Разрабатываемые принципы, методы и технологии сбора и комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных будут обеспечивать:
- 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;
-идентификацию и оценку характеристик загрязнений, как на морской поверхности, так и в толще вод;
- 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;
- формирование информационных продуктов, обеспечивающих качественную и количественную оценку состояния исследуемых акваторий.
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.
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.
Разрабатываемые 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, позволят осуществлять принятие управленческих решений в интересах обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом проекта является экспериментальный образец региональной системы сбора и обработки космических изображений и контактных данных для оценки антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий (Экспериментальный образец системы мониторинга), который будет состоять из следующих составных частей:
- аппаратной части, функционально сопряжённой со средствами приёма космической и наземной информации, представленной автоматизированными рабочими местами предварительной и тематической обработки, объединёнными в локальную сеть, дооснащёнными периферийным оборудованием, вычислительным сервером, сетевым хранилищем данных и др.;
- программной части, представленной разработанным в ходе выполнения проекта специализированным программным обеспечением и комплектом лицензионного программного обеспечения для сбора, обработки и анализа космической и наземной информации.
- информационной части, включающей наборы тестовых данных, примеров, тестовых образцов космических оптических и радиолокационных изображений, данных наземных измерений, информационных продуктов, объединённых в Базу данных дистанционных и контактных наблюдений для тестовых участков.
Новизна выполняемых научных и технологических решений заключается в том, что впервые на системном уровне обеспечивается комплексирование результатов обработки космических и контактных данных о состоянии водной среды, позволяющих регистрировать широкий спектр параметров, необходимых для получения достоверной информации о состоянии прибрежных акваторий шельфовых зон черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров, на различных уровнях детальности.
Для достижения результатов, заявленных в проекте, будут применены и развиты эффективные подходы к обработке пространственных и временных рядов данных, в том числе спектральный анализ космических и контактных данных, текстурный анализ изображений, контролируемая и неконтролируемая классификации, кластеризация, объектно-ориентированное распознавание образов и др.
Поставленные и решаемые комплексные научно-технические задачи, включают в себя как исследования в области наук о Земле, применение известных методов дистанционного зондирования, приёма и обработки спутниковой и контактной информации, так и разработку новых методов наземно-космического мониторинга для оценки загрязнений прибрежных акваторий черноморского побережья Российской Федерации.
Исследование выполняется на высоком научно-техническом уровне и соответствует аналогичным отечественным и зарубежным работам мирового уровня, а в отдельных направлениях, в частности, в области анализа деформаций пространственно-частотных спектров морской поверхности в зонах антропогенных воздействий, выполняемого по космическим оптическим и радиолокационным изображениям высокого разрешения, опережает мировой уровень.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта будут использованы при создании комплексной системы мониторинга прибрежных акваторий Российской Федерации, которая внесет значимый вклад в решение проблем предупреждения, оценки рисков и уменьшения негативных последствий антропогенных и естественных загрязнений морей и океанов.
Результаты проекта 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, а также Минсельхозом России; Росземкадастром; Роснедвижимостью; нефте- и газодобывающими компаниями; судостроительными и транспортными компаниями; институтами и учреждениями Федерального агентства научных организаций ВУЗами и другими образовательными учреждениями; а также международными организациями.
Большинство прибрежных акваторий Черного моря (в том числе Крымского шельфа), загрязнены и находятся под постоянно нарастающей антропогенной нагрузкой (наличие крупных портов, обширных сельскохозяйственных угодий, транспортировка углеводородов, интенсивная рекреационная деятельность, устаревшие очистные системы и др.). При этом существующие методы и технологии не позволяют осуществлять эффективный мониторинг этих акваторий, в связи с чем видны обширные перспективы практического использования результатов проекта.
Результаты выполнения проекта являются актуальными и представляют особый интерес также 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 и др.
В качестве объектов внедрения результатов проекта 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.
Предполагается, что внедрение результатов проекта даст значительный эффект в области обеспечения рационального природопользования, экологической безопасности и приведёт к снижению уровня негативного воздействия природных и антропогенных факторов на состояние прибрежных акваторий черноморского шельфа Российской Федерации, включая Крымский полуостров, а также к улучшению здоровья и условий жизни населения.
Прогнозируется значительное влияние результатов, полученных в рамках проекта, на развитие научно-технических и технологических направлений, связанных с комплексным мониторингом прибрежных акваторий. Кроме этого, результаты проекта в перспективе окажут влияние на Российский рынок геоинформационных технологий и услуг.
Разрабатываемый Экспериментальный образец системы мониторинга позволит расширить рамки международного сотрудничества в области проведения экологического мониторинга морей и океанов на региональном и глобальном уровнях детальности.
Разрабатываемый Экспериментальный образец системы мониторинга, а в последствии, и действующая система мониторинга будут представлять интерес для зарубежных ведомств и организаций, занимающихся исследованиями экологии морей и океанов. В последствии в рамках международного сотрудничества, может быть организован и эффективно использован кластер информационных систем, в составе которого будут использованы научно технологические решения, разработанные в настоящем проекте.

Текущие результаты проекта:
1. На основании результатов проведенных теоретических исследований научно-технической проблемы получения и комплексной обработки спутниковых оптических и радиолокационных изображений, а также контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского побережья Российской Федерации, в том числе у Крымского полуострова и г. Севастополь, определены и проанализированы основные возможности, подходы, методы и ограничения для получения и комплексной обработки разнородной спутниковой и контактной информации в интересах решения задач проекта. Проведённые теоретические исследования свидетельствуют о:
а) возможности решения задач проекта при разработке новых методов спутникового и контактного мониторинга поверхностного волнения и приповерхностного слоя, изменение характеристик которых является ключевым индикатором и ретранслятором параметров как поверхностных, так и глубинных негативных процессов в исследуемых акваториях, а также при их использовании совместно с существующими подходами, способами и методами получения и комплексной обработки спутниковых, и контактных данных при условии их дальнейшего развития;
б) необходимости взаимодополняющего использования как методологической, так и ГИС-составляющей комплексной обработки спутниковых оптических и радиолокационных данных, а также контактных данных при мониторинге антропогенных воздействий на шельфовые зоны Черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров
в) необходимости и целесообразности разработки новых методов обработки спутниковых изображений для определения полей распределений характеристик пространственно-частотных спектров волнения и их деформаций под воздействием негативных воздействий в исследуемых акваториях;
г) необходимости реализации механизмов и способов валидации разрабатываемых методов обработки спутниковых оптических и радиолокационных изображений, учитывающих специфику исследуемого региона и доступную научно-исследовательскую инфраструктуру.
2. С использованием результатов проведенных теоретических исследований научно-технической проблемы получения и комплексной обработки спутниковых оптических и радиолокационных изображений, а также контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий, разработан ряд новых принципов, методических подходов и методов для решения задач проекта, а именно:
а) принцип формирования и исследования динамических образов прибрежных акваторий при получении и комплексной обработке различных спутниковых и контактных данных, предполагающий:
- накопление спутниковых и контактных данных в виде временных рядов изображений, проведение их тематической обработки с целью выявления аномалий на водной поверхности и определения значимых параметров водной среды;
- анализ развития во времени характеристик (динамических образов) отдельно взятых участков акваторий для понимания особенностей как естественных процессов, так и антропогенных воздействии в долгосрочной и в краткосрочной перспективах;
- проведение тематической обработки вновь поступающих спутниковых и контактных данных с учётом результатов анализа временных серий изображений, полученных ранее.
б) принцип валидации спутниковых данных с использованием результатов подспутниковых измерений, реализуемый путем экспериментальной проверки адекватности определения значимых характеристик водной среды, регистрируемых по аэрокосмическим изображениям;
в) методы восстановления спектров уклонов и возвышений поверхностного волнения по космическим оптическим изображениям, основанные на построении восстанавливающих операторов, представляющих собой параметризованные пространственно-частотные фильтры, учитывающие линейную и нелинейную составляющие функции модуляции поля яркости взволнованной морской поверхностью;
г) метод прямой оценки пространственных спектров морских волн с помощью решётки волнографов, основанный на применении Вейвлет-преобразования, позволяющего изучать нестационарные явления;
д) метод обработки мульти-поляризационных радиолокационных изображений морской поверхности, основанный на представлении удельной эффективной поверхности рассеяния в виде суммы поляризованного рассеяния, связанного с Брэгговским рассеянием, и неполяризованного, связанного с обрушением волн;
е) методический подход к построению операторов, восстанавливающих спектры уклонов морской поверхности по спектрам спутниковых изображений, основанный на параметризации восстанавливающего оператора, и его построении путем численного моделирования, с использованием степенной функции волнового числа с параметрами, зависящими от волнового азимута;
ж) методический подход, основанный на сопоставлении контактных измерений статистических характеристик мелкомасштабной структуры морской поверхности со спутниковой информацией дисперсионного соотношения, которое описывает зависимость между временными и пространственными частотами волн.
3. На основании системной интеграции результатов проведённых теоретических исследований и разработанных принципов, методических основ и методов разработаны технологии сбора и 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, которые позволяют получить 10 типов информационных продуктов, обеспечивающих оценку состояния исследуемых акваторий на локальном и региональном уровне детальности и принятие управленческих решений в интересах обеспечения экологической безопасности рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.
4. Проведен 2-й этап подбора и предоставления архивных космических изображений для выбранных участков черноморского побережья Российской Федерации, в том числе в районе Крымского полуострова. Получено 38 архивных космических радиолокационных изображений на выбранные тестовые участки исследуемых акваторий. Эти изображения дополняют результаты 1-ого этапа работ, в ходе которой были получены 29 радиолокационных сцен. Общее количество архивных изображений составило 67 шт.
5. Предложен способ определения загрязнения морской поверхности, основанный на одной из ключевых идей проекта – анализе деформаций пространственно-частотных спектров поверхностного волнения исследуемых акваторий и их сопоставлении с различными типами поверхностных и глубинных негативных воздействий путем расчёта индекса загрязнения участков с использованием взаимных корреляционных функций, вычисляемых по изображениям эталонных и исследуемых участков водной поверхности. Подана заявка на изобретение «Способ определения загрязнения морской поверхности» (Уведомление о поступлении заявки от 24.04.2015 № 2015115570, входящий № 024285).
6. Разработана программа и методики экспериментальных исследований по отработке принципов, методических подходов, методов и технологий сбора и 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.
7. В соответствии с разработанной программой и методиками проведены экспериментальные исследования по отработке принципов, методических подходов, методов и технологий сбора и 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. В результате проведенных экспериментальных исследований систематизированы и обработаны данные, полученные на трех тестовых участках («Севастополь», «Кацивели», «Геленджик») с использованием более чем 20 типов аппаратуры, включая космические оптические панхроматические и многоспектральные системы, космические радиолокаторы с синтезированной апертурой, акустические измерители скоростей течений, CTD-датчики, термокосы, датчики мутности, микроструктурные зонды и др.
С использованием разработанных в ходе выполнения проекта принципов, методических подходов, методов и технологий в процессе натурных экспериментов на тестовых участках «Севастополь» и «Геленджик» обнаружены как поверхностные, так и глубинные проявления загрязнений прибрежных акваторий, локализованных в районах расположения заглубленных сбросовых устройств. При этом выявлена высокая степень соответствия результатов обработки данных дистанционного зондирования и контактных наблюдений. Получены временные серии карт ареалов загрязнений, позволяющие проследить динамику их распространения на исследуемых участках. Обнаружены места повреждения заглубленных сбросовых устройств, приводящие к возникновению загрязнений вблизи берега.
8. В результате проведения экспериментальных исследований подтверждена эффективность предлагаемых в проекте научно-технических решений, получены информационные продукты, характеризующие уровни антропогенных воздействий на выбранных тестовых участках прибрежных акваторий черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров.
9. Разработана программа и методики экспериментальных исследований по оценке антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий на тестовых участках черноморского шельфа Российской Федерации, в том числе шельфа Крымского полуострова и г. Севастополь, в районах расположения глубинных стоков.
10. Выполнены требования по достижению значений показателей результативности предоставления субсидии (индикаторы), в том числе: по результатам проекта представлено 3 публикации в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus и в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science); подана заявка на получение патента по результатам исследований; принималось участие в мероприятиях (конференциях, семинарах), на которых осуществлялась демонстрация и популяризация результатов проекта; средний возраст участников проекта составил 42.7 г. (доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта составила 50%); объем привлеченных внебюджетных средств в 2015 году составил 6,608101 млн. рублей.