КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Раннее появление космических технологий наблюдения за Землей объясняется
значимостью дистанционного зондирования для жизни общества. До наступления
космической эры (начало которой традиционно датируется 1957 годом) человечество не
имело глобального представления о мире, в котором живет.
А.С. Киран Кумар, заместитель директора, направление разработки сенсоров SAC, Индийская организация
космический исследований
kiran@sac.isro.gov.in
Космические наблюдения дают нам полное, глобальное представление о Земле
практически в любой момент времени (самые последние наблюдения). Систематический
сбор и анализ огромного количества данных в течение последних пятидесяти лет
позволили нам заново открыть для себя планету Земля. В настоящее время данные
наблюдений, поставляемые космическими сенсорами, находят применение во многих
областях: мониторинг окружающей среды, навигация, составление прогнозов погоды,
коммуникация и пр.
Более полное и всестороннее наблюдение за нашей планетой и представление о ней
расширит возможности и средства достижения устойчивого развития во всем мире и
продвинет решение конкретных задач социально-экономической сферы:
 Сокращение людских и имущественных потерь при стихийных бедствиях и
техногенных катастрофах.
 Характеристика факторов окружающей среды, отрицательно влияющих на
здоровье и благополучие человека.
 Повышение качества управления энергоресурсами.
 Характеристика, оценка, прогноз, снижение рисков и адаптация к изменчивости и
изменениям климата.
 Повышение качества управления водными ресурсами на основе более детального
исследования водооборота.
 Повышение качества метеоданных, прогнозирования и предупреждения
метеоситуаций.
 Повышение качества управления и защиты наземных, береговых и морских
экосистем.
 Поддержание устойчивого развития сельского хозяйства и борьба с
опустыниванием.
 Характеристика, мониторинг и охрана биоразнообразия.
Наличие разнообразных средств выведения микро- и макро-спутников на низкую и
геосинхронную околоземную орбиту определило возможности создания сенсоров для
ведения различных видов наблюдения за поверхностью Земли.
Для решения различных задач разрабатывались сенсоры с более высоким
пространственным, спектральным, радиометрическим и временным разрешением. Также
были разработаны новые средства формирования изображений, например, радар с
синтезированной апертурой (SAR), лидар с синтезированной апертурой (SAIL),
интерферометрические системы формирования изображений и пр. В настоящее время в
дистанционном зондировании применяются оптические и ИК-сенсоры: формирователи
изображений субметрового разрешения, гиперспектральные сенсоры, широкополосные
сенсоры с высоким временным разрешением.
Такие сенсоры поставляют снимки более высокого пространственного,
спектрального и временного разрешения для любого региона земного шара. Эти данные
применяются для решения широкого круга задач.
Создание 2D- и 3D-карт любого масштаба: спрос на качественные карты
существует во многих областях: региональное развитие, градостроительство и планировка
городских и сельских населенных пунктов с дорожной сетью и железной дорогой,
парками и лесопарками, системой водоснабжения и пр.
Описание земного покрова: космические снимки незаменимы в управлении
сельским и лесным хозяйством, в градостроительстве.
Наблюдение за внутренними водоемами, открытыми морями и зонами
избыточного увлажнения: обеспечение чистоты водных территорий, являясь одной из
самых актуальных проблем, должно стать одним из приоритетных направлений
деятельности.
Установка
аппаратуры
связи:
например,
перед
установкой
телекоммуникационной и телевизионной радиорелейной аппаратуры необходимо изучить
в комплексе топографию местности, заселенность территории и плотности населения.
Сельское хозяйство и управление: по снимкам посевов прогнозируется
урожайность (оценивается состояние посевов), принимаются решения о необходимости
внесения удобрений, полива или обработки химикатами.
Управление рисками чрезвычайных ситуаций, анализ изменений и пр.
РАЗВИТИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Landsat-1 с сенсором NOAA-A на борту был выведен на орбиту в 1972 году и стал
первым спутником, ведущим систематическую съемку поверхности Земли. Он проложил
путь усовершенствованным моделям с более высоким пространственным и спектральным
разрешением. Появление семейства пяти спутников SPOT, последний из которых был
запущен в 2002 году, способствовало развитию коммерческого рынка космических
снимков Земли. В семействе десяти спутников IRS первый спутник IRS-1A был запущен в
1988 году и вел съемку с пространственным разрешением 72м, у спутника IRS-1C
разрешение улучшилось до 5м (в период 1995-1999 до запуска IKONOS снимки IRS-1C
были снимками самого высокого разрешения, доступными для гражданских
пользователей), а у спутника TES (Technology Experiments Satellite), запуск которого
состоялся в 2001 году, разрешение повысилось уже до 1м. Затем был запущен спутник
Cartosat-1, первый спутник, ведущий стерео съемку с разрешением 2.5м.
Усовершенствованная модель – Cartosat-2 с пространственным разрешением выше 1м –
была выведена на орбиту в январе 2007 года.
Таким образом, геометрическое разрешение постоянно улучшалось, например, со
100м у первого спутника NOAA-A до 10м у спутника NOAA-K; с 10м у спутника SPOT 1,
запущенного в 1986 году, до 2.5м у спутника SPOT 5, выведенного на орбиту недавно; с
72м у спутника IRS 1A, запущенного в 1988 году, до <1м у Cartosat-2, запущенного в
январе 2007 года.
За последние 7-8 лет было запущено несколько спутников с разрешением до 0.6м,
но с более узкой зоной обзора, чем у SPOT или Landsat.
Финансирование некоторых спутников, например, IKONOS и QuickBird с
разрешением 1м и 06м, осуществлялось исключительно частными компаниями.
Значимым событием современного этапа стала разработка недорогих микроспутников с увеличенной полезной нагрузкой для решения разнообразных задач в области
дистанционного зондирования. Благодаря низкой стоимости аппаратов на орбиту в виде
созвездия можно выводить несколько микро-спутников (идентичных или разных), что
существенно расширяет функциональные возможности системы. Компания Surrey Satellite
Technology Ltd (SSTL) при Университете Саррея (Соединенное Королевство) разработала
и запустила серию микроспутников с увеличенной полезной нагрузкой для ведения
наблюдения за Землей. Спутниковая система RapidEye, запуск которой планируется в
ближайшем будущем, объединит пять идентичных спутников дистанционного
зондирования, которые за день смогут отснять всю земную поверхность.
Съемка в видимой и инфракрасной области электромагнитного спектра зависит от
погодных условий, такая съемка не возможна в условиях облачности. Подобных
ограничений не возникает при съемке в СВЧ-спектре, её можно вести в любую погоду.
Но для этого необходимы Активные Сенсоры с собственным источником
электромагнитной энергии для освещения сцены. Итогом развития данной технологии в
течение последних нескольких десятилетий стали снимки с пространственным
разрешением в несколько метров. Снимки высокого разрешения поставляют спутники,
оборудованные радарами с синтезированной апертурой (SAR) для съемки в Х-диапазоне.
Первым спутником SAR, ведущим съемку с разрешением 25м, стал спутник SeaSat,
выведенный на орбиту в 1978 году. Наиболее известные спутники с полезной нагрузкой
SAR – ERS (30м), RADARSAT-1 (25-100м), RADARSAT-2 (2-100м), JERS (18м). Недавно
в рамках программы наблюдения за Землей Итальянского космического агентства (ASI),
генеральным подрядчиком в которой выступила компания Alania Spazio (Finmeccanica),
был осуществлен запуск созвездия малых спутников Cosmo-Skymed для наблюдения за
Средиземноморским регионом. Созвездие объединяет четыре спутника SAR с высокой
периодичностью съемки и пространственным разрешением 1-100м.
Индия разрабатывает спутник RISAT (Radar Imaging Satellite) для ведения съемки с
разрешением 3-50м в зависимости от режима. Рабочие режимы спутника - Spotlight,
ScanSAR и Stripmap.
Двадцать лет назад только три страны: СССР, США и Франция - управляли
несколькими спутниками наблюдения за Землей. В настоящее время более двадцати стран
запустили 60 платформ, оборудованных сенсорами наблюдения за Землей.
Кроме того, что улучшается разрешение и размер изображений, увеличивается
объем данных, передаваемых со спутников на наземные станции. Несмотря на
усовершенствование алгоритма сжатия объем передаваемых данных ограничен.
Стоит отметить, что размер бортового запоминающего устройства заметно
увеличился, но благодаря усовершенствованным микросхемам памяти потребляемая
мощность существенно сократилась.
Также, благодаря усовершенствованию антенн и передатчиков на борту спутников
и приемников на наземных станциях количество наземных станций, принимающих
данные дистанционного зондирования, сократилось, несмотря на увеличение скорости
передачи информации.
ТЕНДЕНЦИИ В ОБЛАСТИ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Геометрическое разрешение: в 1986 году разрешение улучшилось со 100м у
спутника NOAA, запущенного в 1972 году, до 10м (SPOT-1). В 1975 году разрешение
улучшилось до 5.6м (IRS 1C).
В 1999 году разрешение достигло показателя 1м (IKONOS). Затем у спутника
QuickBird компании Digital Globe оно уже составляло 0.61м. В настоящее время
разрабатываются спутники с разрешением 0.2-0.5м, однако никто не заявляет о создании
электронной системы формирования изображений с разрешением 0.1м.
В таблице 1 указаны спутники разных стран с разрешением 1м и выше, уже
действующие на орбите или планируемые к запуску.
Скорость передачи и сжатие данных: улучшение пространственного разрешения
ведет к существенному увеличению скорости передачи данных, а поскольку ширина
спектра наиболее востребованного в настоящее время канала Х ограничена, то
необходимо использовать сжатие и другие методы уменьшения объема данных.
Так как при съемке в сверхвысоком разрешении отображаемые территории
невелики, спутники легко маневрируют для получения точечных изображений (spot
images) нужной территории. Это также означает, что больше нет необходимости вести
непрерывную съемку, а время, затрачиваемое на маневр, можно эффективно использовать
для уменьшения скорости передачи данных за счет сжатия и отсроченной передачи.
Кроме того, благодаря отсроченной передаче можно было бы сжимать данные,
проанализировав весь кадр, и значительно сократить скорость передачи данных.
Таблица 1:
Спутник
Страна
Разрешение (м)
ОПТИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ
IKONOS-2
США
1.0
QuickBird-2
США
0.6
OrbView-3
США
1.0
QuickBird-X
США
0.25
IKONOS-X
США
0.25
OrbView-X
США
0.25
EROS-A1
Израиль
1.8
EROS-B1
Израиль
0.5
EROS-B2
Израиль
0.5
EROS-B3
Израиль
0.5
EROS-B4
Израиль
0.5
IRS TES
Индия
1.0
IRS Cartosat-2
Индия
1.0
Helios-1A
Франция 1.0
Helios-1B
Франция 1.0
Pleiades-1
Франция 0.7
Pleiades-2
Франция 0.7
Helios-2A
Франция <1
Helios-2B
Франция <1
IGS-01
Япония
1.0
IGS-02
Япония
1.0
Resurs DK-1
Россия
0.4
Resurs DK-2
Россия
0.4
Resurs DK-3
Россия
0.4
KOMPSAT-2
Корея
1.0
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СПУТНИКИ
TerraSAR-X
Германия 1.0
TerraSAR-L
Германия 1.0
SAR-Lupe-1
Германия 1.0
SAR-Lupe-2
Германия 1.0
COSMO-Skymed-1 Италия
1.0
COSMO-Skymed-2 Италия
1.0
COSMO-Skymed-3 Италия
1.0
IGS-R1
Япония
1.0
IGS-R2
Япония
от 1 до 3
US
США
от 1 до 3
Resurs DK-2
Россия
1.0
Resurs DK-3
Россия
1.0
RISAT
Индия
3.0
Расширенные
возможности
бортовой
обработки позволяют извлекать конкретную
информацию, а не передавать все данные. В
ближайший сеанс передачи можно пересылать
только обработанные данные, а собранные
данные в полном объеме для подробного
исследования – позже.
Размеры спутников
Вес первого спутника наблюдения за
Землей, NOAA, составлял около 2 тонн. С
улучшением разрешения зона охвата стала
меньше, и стали необходимы маневренные
спутники, получающие точечные изображения.
Для обеспечения необходимой маневренности
потребовалось уменьшить размеры спутников.
Примерами
таких
спутников
являются
IKONOS, QuickBird, EROS, Cartosat-2. Однако
в этом случае стремление и дальше улучшать
разрешение ведет к противоречию: для
получения снимков высокого разрешения
требуется оптика большого диаметра, а это
означает существенное увеличение размера и
массы полезной нагрузки, и, следовательно,
самого
спутника,
что
снижает
его
маневренность.
На орбите действует несколько мини- и
макро-спутников (вес 100-120кг) с хорошими
рабочими характеристиками. Микро-спутники,
ведущие съемку Земли, запускают более 10
лет, но их рабочие характеристики, если
говорить
о
качестве
снимков
и
производительности, довольно ограничены.
Вероятно,
новое
поколение
усовершенствованных микро-спутников будет
поставлять снимки, пригодные как для
научных исследований, так и для решения
практических задач. На характер использования микро-спутников, ведущих съемку
высокого разрешения, может заметно повлиять значительное снижение их стоимости.
Микро-спутники можно было бы использовать на очень низких высотах (100км) для
получения изображений сверхвысокого разрешения 0.1-0.2м. Короткий срок эксплуатации
таких спутников на очень низких орбитах компенсировался бы их низкой стоимостью.
Снимок или информация?
Конечный пользователь, как правило, заинтересован в получении не самого
снимка, а информации, содержащейся в нем. В будущем появятся новые
усовершенствованные способы извлечения информации из снимков, учитывающие
потребности разных пользователей и использующие банки данных для сравнения двух
изображений, например, с целью выявления произошедших изменений.
Увеличение числа спутников на низких околоземных орбитах было бы
экономически выгодно, в том плане, что сократилось бы время получения изображений.
Экономическую выгоду также может принести уменьшение размеров спутников и, как
следствие, их стоимости.
GEO-платформы
Спутники с геостационарной орбитой ведут непрерывное наблюдение за большими
районами Земли. Они поставляют полезные данные, на основе которых также решается
вопрос о необходимости съемки конкретного района в сверхвысоком разрешении. В
будущем съемочный процесс в условиях облачности будет оптимизирован за счет
использования метеорологических данных.
Активные или пассивные методы съемки: для получения снимков с разрешением
до <0.1м всё чаще применяются оптические сенсоры, ведущие съемку в сверхвысоких
частотах. Наличие недорогих микро-спутников содействовало бы более широкому
применению активных методов формирования изображений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В последние три десятилетия отмечается неуклонное развитие технологий
космической съемки высокого разрешения с улучшением разрешения на один порядок раз
в 13 лет. Благодаря усовершенствованию электронных приборов и технологии создания
недорогих микро-спутников ситуация в области дистанционного зондирования может
существенно измениться: на низких околоземных орбитах появятся спутники, ведущие
съемку в высоком разрешении. Спутники, объединенные в созвездия для решения одной
задачи и оснащенные активными системами формирования изображений, будут
поставлять снимки высокого разрешения.
Предполагается вывести на околоземную орбиту созвездие спутников, работающих
как одна система. Увеличившиеся объемы поставляемых данных и информации позволят
лицам, принимающим решения, виртуально, с расстояния, наблюдать за любым регионом
мира в любой момент времени.
Для наиболее развитых стран снимки высокого разрешения большинства районов
земного шара, полученные в любых погодных условиях, будут доступны ежедневно.
Кроме того, существенное развитие получит съемка в большем количестве волновых
каналов, например, инфракрасном, видимом, сверхвысокочастотном, с различной
поляризацией и в узких каналах видимого спектра (суперспектральный или
гиперспектральный).