Развитие методологии спутникового мониторинга наземных экосистем: основные результаты последнего десятилетия и перспективные направления исследований

Оглядываясь назад на прошедшее десятилетие, на наш взгляд, нельзя не отметить значительный путь, пройденный методологией спутникового мониторинга наземных экосистем в своем теоретическом развитии, технологической реализации и широком практическом применении. Начало 2000-х годов было отмечено рядом, выполненных коллективами Института космических исследований (ИКИ) и Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов (ЦЭПЛ) Российской академии наук, важных разработок, создавших фундамент и задавших вектор развития методологии спутникового мониторинга наземных экосистем в России на десять последующих лет и, возможно, дальнейший период. Основу этих разработок составили автоматизированные методы обработки спутниковых данных и технологии создания информационных систем мониторинга окружающей среды, обеспечившие принципиально новые тогда для России возможности регулярного получения информации о земном покрове на национальном (субконтинентальном) уровне территориального охвата.
Использование разработанных методов и технологий позволило создать целый ряд конкретных тематических продуктов и специализированных систем спутникового мониторинга наземных экосистем, во многом определивших сегодняшний облик этого научного направления в нашей стране. К числу такого рода тематических продуктов, прежде всего, следует отнести полученную по данным SPOT-Vegetation 2000 года карту наземных экосистем Северной Евразии с пространственным разрешением 1 км, нашедшую широкое использование в научных проектах и интегрированную в большое число действующих до настоящего времени систем мониторинга окружающей среды. Получили принципиально новое развитие в это время и автоматические методы картографирования повреждений растительного покрова пожарами на основе анализа временных рядов данных SPOT-Vegetation, позволившие сформировать многолетнюю базу данных о поврежденных огнем участках не только на территории России, но и всего бореального пояса планеты. К этому же времени была создана и введена в промышленную эксплуатацию, не имеющая до настоящего времени аналогов в нашей стране по уровню своей функциональности, Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Рослесхоза (ИСДМ-Рослесхоз).
Одним из важных организационных моментов развития данного научного направления стало создание в ИКИ РАН в 2002 году Лаборатории методов спутникового мониторинга наземных экосистем со следующими приоритетными задачами:
– разработка методов получения по данным спутниковых наблюдений информации о количественных и качественных характеристиках наземных экосистем, и в первую очередь растительного покрова, в связи с изучением процессов глобальных изменений биосферы и задачами обеспечения устойчивого развития человеческого социума;
– использование спутниковых данных и методов их анализа для мониторинга ключевых индикаторов изменений в наземных экосистемах Евразии с целью оценки и прогноза последствий воздействия на них природных и антропогенных факторов;
– интеграция разрабатываемых методов и получаемых данных в прикладные системы спутникового мониторинга для оценки природных ресурсов и предупреждения опасных природных и антропогенных явлений в наземных экосистемах.
При этом с самого начала рассматриваемого периода к отличительным чертам выполняемых в данном направлении исследований и разработок можно было отнести следующие, во многом взаимосвязанные, особенности:
- высокий уровень автоматизации методов и алгоритмов обработки спутниковых данных, предполагающих минимальное участие человека;
- адаптивность разрабатываемых алгоритмов обработки данных для обеспечения возможности их использования без дополнительной настройки параметров в широком диапазоне условий спутниковых наблюдений;
- возможность эффективного использования разрабатываемых методов (в частности, как следствие вышеуказанных особенностей) на больших территориях, в том числе, национального, континентального и глобального охвата;
- интенсивное использование временных серий данных многоспектральных спутниковых наблюдений и комплексирование данных различного пространственного разрешения (от единиц метров до километров).
Выполненные за прошедшее десятилетие в тесной кооперации ИКИ РАН и ЦЭПЛ РАН научные исследования в области спутникового мониторинга наземных экосистем были, прежде всего, сфокусированы на следующие основные направления:
- разработка комплекса алгоритмов, методов и технологий предварительной обработки спутниковых данных, направленных на фильтрацию влияния мешающих факторов и случайных шумов с целью повышения точности и достоверности результатов их последующего тематического анализа;
- разработка комплекса адаптивных методов и технологий автоматического распознавания типов земной поверхности по спутниковым данным с целью картографирования растительного покрова и выявления изменений наземных экосистем, вызванных различными возмущающими воздействиями;
- создание на основе разработанных методов обработки спутниковых данных уникальных тематических продуктов, отражающих состояние и динамику растительного покрова России;
- разработка методов ассимиляции спутниковых данных в математические модели прогноза динамики растительного покрова и природных пожаров.
Выполненные разработки широко используются в ряде прикладных систем спутникового мониторинга окружающей среды, в частности, таких как:
- Информационный спутниковый сервис мониторинга растительного покрова ВЕГА, разработанный в интересах широкого круга пользователей;
- Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Рослесхоза (ИСДМ-Рослесхоз);
- Система дистанционного мониторинга земель агропромышленного комплекса Минсельхоза (СДМЗ АПК).
Проводимые в настоящее время исследования и разработки сфокусированы на следующие приоритетные направления:
- Дальнейшее развитие методов автоматического распознавания типов земного покрова по спутниковым данным с целью повышения тематической детальности получаемых карт, отражающих состояние и режимы функционирования наземных экосистем;
- Разработка методов спутниковой оценки биофизических характеристик растительного покрова (биомасса, проективное покрытие и др.);
- Повышение пространственной детальности результатов мониторинга экосистем за счет развития автоматизированных методов и технологий обработки данных существующих и перспективных спутниковых систем высокого пространственного разрешения (включая Landsat-TM/ETM+, LCM и Sentinel-2);
- Расширение географического охвата российской системы спутникового мониторинга наземных экосистем на циркумполярный (бореальный пояс планеты) и глобальный уровни.