Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и создание экспериментального образца биотехнической системы мониторинга шельфовых зон морей западной Арктики и Юга России, в том числе в районе Крымского полуострова на основе спутниковых и контактных данных

Номер контракта: 14.607.21.0059

Руководитель: Матишов Геннадий Григорьевич

Должность: Председатель президиума ЮНЦ РАН

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр Южный научный центр Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биотехническая система, экспериментальный образец, данные дзз, контактные измерения, методы, технологии, мониторинг, шельф, прибрежные воды, баренцево море, азовское море, крымский полуостров, севастополь

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задач, предусмотренных приоритетным направлением развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Рациональное природопользование» и критических технологий «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации чрезвычайных ситуаций», «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», а именно на создание системы наземно-космического мониторинга шельфа морей России для обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы. 2. Целью ПНИ, определенной условиями конкурса и техническим заданием, является разработка и экспериментальная отработка методов и технологий комплексного наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий российского шельфа морей западной Арктики и Юга России, в том числе Крымского полуострова и г. Севастополь для обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения ПНИ должны быть разработаны методы и экспериментальный образец (прототип) биотехнической системы комплексного наземно-космического мониторинга шельфовых зон морей западной Арктики и Юга России, в том числе в районе Крымского полуострова (далее ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым») для:
а) получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежных акваторий морей Российской Федерации с применением:
- биотехнических систем с использованием млекопитающих, моллюсков и ранних стадий онтогенеза (личинок) рыб;
- проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на судах и береговых постах;
- спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на судах и на беспилотных летательных аппаратах;
б) обработки и дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в том числе получаемых с помощью гиперспектральной аппаратуры;
в) контактного и спутникового мониторинга социально-экономических процессов в береговой зоне Баренцева, Белого, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь.
2. Разрабатываемые методы должны быть предназначены для выявления источников антропогенных и естественных загрязнений в рамках комплексного наземно-космического мониторинга:
а) прибрежных акваторий Баренцева и Белого морей путем получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных с применением биотехнических систем с использованием млекопитающих и моллюсков;
б) прибрежных акваторий Азовского и Черного морей, в том числе Крымского полуострова и г. Севастополь путем получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных с применением:
- проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на судах и береговых постах;
- спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на судах и на беспилотных летательных аппаратах;
- биотехнических систем с использованием ранних стадий онтогенеза рыб.
Разрабатываемые методы контактного и спутникового мониторинга социально-экономических процессов должны быть предназначены для выявления негативных процессов в береговой зоне Баренцева, Белого, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь, для обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.
Разрабатываемые методы обработки и дешифрирования данных ДЗЗ, в том числе получаемых с помощью гиперспектральной аппаратуры, должны быть предназначены для выявления источников антропогенных и естественных загрязнений в рамках комплексного наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий Баренцева и Белого морей, по трассе Севморпути, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь, с целью обеспечения экологической безопасности, рационального природопользования и снижения уровня антропогенной нагрузки на морские экосистемы.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом ПНИ является ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым», который должен включать в себя:
а) компоненты для получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных для выявления источников антропогенных и естественных загрязнений с применением:
- биотехнической системы с использованием млекопитающих, оснащенных спутниковой телеметрией и датчиками измерения состояния морской среды;
- технических систем с использованием проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на судах;
- технических систем с использованием проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на береговых постах;
- технических систем с применением спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на судах;
- технических систем с применением спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на беспилотных летательных аппаратах;
- биотехнических систем с использованием моллюсков на береговых постах;
- биотехнических систем с использованием ранних стадий онтогенеза рыб на береговых постах;
б) подсистему для приема, обработки и дешифрирования данных ДЗЗ, в том числе, получаемых с помощью гиперспектральной аппаратуры;
в) подсистему для контактного и спутникового мониторинга социально-экономических процессов в береговой зоне Баренцева, Белого, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь.
Должны быть разработаны:
- технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации разработанных элементов экспериментального образца системы наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий морей российского шельфа с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики;
- рекомендации по обеспечению экологической безопасности и снижению уровня негативного воздействия природных и антропогенных факторов на состояние прибрежных акваторий морей западной Арктики, Азовского и Черного морей, в том числе Крымского полуострова, г. Севастополь, а также на здоровье и жизнедеятельность населения;
- проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Создание портативного флуориметра на основе мощных светодиодов для определения в морской воде концентрации хлорофилла, РОВ и растворенного кислорода в составе стационарных комплексов мониторинга прибрежных вод».
2. В рамках выполнения проекта предусмотрено создание новых технических решений в области разработки биотехнических систем наземно-космического мониторинга шельфа российских морей. Инновационным подходом является их объединение с техническими решениями, в основу которых положены апробированные отечественные разработки, в биотехническую систему комплексного наземно-космического мониторинга шельфовых зон морей западной Арктики и Юга России, учитывающую региональную специфику и разрабатываемую для конкретных ландшафтно-климатических условий.
3. В области наземно-космического мониторинга морских экосистем Россия отстает от мирового сообщества, прежде всего из-за недостаточных инвестиций в эти сферы науки и технологий.
Проведенные патентные исследования показали, что компоненты разрабатываемой системы не только соответствуют мировому уровню, но также имеют ряд кардинальных отличий и преимуществ, что позволит сформировать из них относительно недорогую систему наземно-космического мониторинга прибрежных вод российского шельфа, отдельные элементы которой будут сопоставимы по качеству и надежности с аналогичными зарубежными образцами.
4. Заявленные результаты будут достигнуты с помощью разработки технологий получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных с применением различных биотехнических и технических систем на основе использования отечественных идей и наработок.
Риски получения запланированных результатов связаны с возможным уменьшением финансирования относительно запланированного, возможными ограничениями в области передачи-получения данных с зарубежных спутников.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Полученные при выполнении проекта экспериментальные методы и технологии контактных подспутниковых наблюдений могут стать научной основой создания новых технологий мониторинга состояния окружающей среды с применением данных дистанционного зондирования Земли из космоса.
2. К возможным потребителям результатов выполнения проекта относятся федеральные, региональные и частные организации, ответственные за мониторинг состояния окружающей среды. Ими могут быть использованы запланированные к разработке рекомендации по обеспечению рационального природопользования, экологической безопасности и снижению уровня негативного воздействия природных и антропогенных факторов на состояние прибрежных акваторий Баренцева, Белого, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь, а также на здоровье и жизнедеятельность населения.
На основе ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым» могут быть созданы региональные (или межрегиональные) системы наземно-космического мониторинга прибрежных вод российского шельфа.
Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации элементов ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым» с учетом технологических возможностей и особенностей Индустриального партнера, которые будут сформулированы в рамках проекта, а также запланированный к разработке проект ТЗ на проведение ОКР будут способствовать коммерциализации результатов выполнения проекта.
3. Результаты, планируемые к получению в рамках проекта, способны, на наш взгляд, сдвинуть с мертвой точки развитие региональных систем наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий.
4. В рамках международного сотрудничества разработанный экспериментальный образец БСНКМ «Север-Юг-Крым» может быть интегрирован в международные проекты по наблюдениям за состоянием морей и Мирового океана.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе выполнения проекта достигнуты следующие основные результаты.
Выполнен аналитический обзор и патентные исследования.
Разработаны методы получения, накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных с применением:
-биотехнических систем с использованием млекопитающих, моллюсков и ранних стадий онтогенеза рыб;
- проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на судах и береговых постах;
- спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на судах и беспилотных летательных аппаратах.
Разработаны основные принципы и подходы к созданию биотехнической системы наземно-космического мониторинга «Север-Юг-Крым».
За счет средств внебюджетного финансирования, в том числе средств Индустриального партнера, выполнены экспедиционные (береговые и на судах) исследования на шельфе рассматриваемых морей, получены контактные данные значимых параметров состояния водной среды для разработки методов обработки и дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли, полученные в ходе экспедиционных (береговые и на судах) исследований в Азовском и Черном морях, изготовлена плавучая платформа для получения контактных данных, формируемых при мониторинге прибрежной зоны Азовского моря, организована и проведена конференция «Керченский пролив: безопасность коммуникаций в XXI веке» (1-3 октября 2014 г., г. Ростов-на-Дону).
В соответствии с планом-графиком исполнения обязательств по проекту в 2015 году выполнялись работы второго и третьего этапов проекта, и были достигнуты следующие результаты.
Разработаны экспериментальные образцы всех компонентов ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым», а именно:
- биотехнической системы с использованием млекопитающих, оснащенных спутниковой телеметрией и датчиками измерения состояния морской среды (компонент «БСМ»);
- технических систем с использованием проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на судах (компонент «ФКС»);
- технических систем с использованием проточных и портативных флуориметрических комплексов, установленных на береговых постах (компонент «ФКБ»);
- технических систем с применением спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на судах (компонент «СВИС»);
- технических систем с применением спектрометров восходящего излучения от морской поверхности, установленных на беспилотных летательных аппаратах – БПЛА (компонент «СВИБПЛА»);
- биотехнических систем с использованием моллюсков на береговых постах (компонент «БСМол»);
- биотехнических систем с использованием ранних стадий онтогенеза рыб на береговых постах (компонент «БСРыб»);
- подсистемы для приема, обработки и дешифрирования данных ДЗЗ, в том числе получаемых с помощью гиперспектральной аппаратуры (компонент «ОДДЗЗ»);
- подсистемы для контактного и спутникового мониторинга социально-экономических процессов в береговой зоне Баренцева, Белого, Азовского и Черного морей, в том числе в районе Крымского полуострова и г. Севастополь (компонент «МСЭП»).
Разработана Программа и методики экспериментальных исследований ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым» в части следующих компонентов: «БСМ», «ФКС», «ФКБ», «СВИС», «СВИБПЛА».
Выполнены все этапы экспериментальной проверки компонента «БСМ» ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым»: отлов млекопитающих, крепление датчиков спутниковой телеметрии и датчиков для измерения параметров среды на млекопитающих (мечение), выпуск млекопитающих в среду обитания, тестирование геопортала для наблюдения за млекопитающими, наблюдение за млекопитающими, оснащенными датчиками спутниковой телеметрии и датчиками для измерения параметров среды, через геопортал.
Выполнены все этапы экспериментальной проверки компонентов «ФКС» и «ФКБ» ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым» в части следующих методов:
- получения с помощью разработанных флуориметрических комплексов контактных измерений таких параметров среды как флуоресценция хлорофилла, растворенного органического вещества и других значимых параметров состояния водной среды для выявления источников антропогенных и естественных загрязнений (на научно-исследовательском судне «Денеб» для «ФКС» и береговых постах для «ФКБ»);
- накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных, получаемых в рамках этих компонентов;
- получения контактных данных для разработки и проверки методов дешифрирования спутниковых снимков (в акваториях Азовского и Черного морей на научно-исследовательском судне «Денеб» для «ФКС» и на береговых постах Азовского и Черного морей для «ФКБ»);
Выполнено два первых этапа экспериментальной проверки компонентов «СВИС» и «СВИБПЛА» ЭО БСНКМ «Север-Юг-Крым» в части следующих методов:
- получения с помощью спектрометра восходящего излучения, установленного на научно-исследовательском судне «Денеб» и плавучей платформе (для «СВИС») и на борту БПЛА (для «СВИБПЛА»), контактных измерений таких параметров среды как флуоресценция хлорофилла, растворенного органического вещества и других значимых параметров состояния водной среды для выявления источников антропогенных и естественных загрязнений;
- накопления, передачи и комплексной обработки контактных данных, получаемых в рамках этих компонентов.
Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 для выявления программных и других решений для отнесения их к охраноспособным объектам интеллектуальной собственности и обоснования целесообразности их правовой охраны.
По результатам исследований и разработок проекта в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных «Сеть науки» (WEB of Science), опубликовано пять научных статей.
1. Чепыженко А.А., Чепыженко А.И., Кушнир В.М. Структура вод Керченского пролива по данным контактных измерений и космических съемок // Океанология. 2015. Том 55. №1. С. 1-19.
2. Патракеева О.Ю. О системно-динамическом инструментарии для поддержки принятия решений по управлению экономической системой // Доклады академии наук. 2015. Т. 462. №6.
3. Матишов Г.Г. Случаи экстремальной адвекции соленых вод в дельту Дона и льда в Керченский пролив // Доклады академии наук. 2015. Т. 465. №.1. С. 99-103.
4. Матишов Г.Г., Степаньян О.В., Григоренко К.С., Харьковский В.М., Поважный В.В., Польшин В.В., Сойер В.Г. Морские исследования Южного научного центра РАН на научно-исследовательских судах «Денеб» и «Профессор Панов» в 2013 г. // Океанология. 2015. Т. 55. №5. С. 861-865.
5. Matishov et al. Trends in hydrological and ice conditions in the Large Marine Ecosystems of the Russian Arctic during periods of climate change/Environmental Development (Special Issue, Elsevier)
Исполнителем проекта – Шавыкиным А.А. подготовлена диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук по специальности 25.00.28 – «океанология». Тема диссертации: «Эколого-океанологическое сопровождение освоения нефтегазовых месторождений арктического шельфа (на примере Баренцева моря)». При выполнении проекта использованы следующие результаты диссертации – метод непрерывной регистрации флуоресценции хлорофилла и растворенного органического вещества для выявления пространственно-временной изменчивости этих значимых параметров морской среды, построенный на его основе алгоритм коррекции дешифрированных снимков концентрации хлорофилла «а» в Азовском море.
За счет средств внебюджетного финансирования, в том числе средств Индустриального партнера, были осуществлены экспедиционные (береговые и на судах) исследования на шельфе рассматриваемых морей для получения контактных данных значимых параметров состояния водной среды для разработки методов обработки и дешифрирования данных ДЗЗ, для популяризации результатов проекта организована и проведена секция «Контактный и спутниковый мониторинг социально-экономических проблем в береговой зоне» в рамках международной конференции «Большие морские экосистемы полярных регионов и южных морей в период климатических изменений», 28-29 октября 2015 г., сделаны доклады на международной научной конференции «Арктическое морское природопользование в XXI веке – современный баланс научных традиций и инноваций (к 80-летию ММБИ КНЦ РАН)», 1-3 апреля 2015 г., VIII Всероссийской конференции «Геоинформационные технологии и космический мониторинг», 6-11 сентября 2015 г.