Оценка возможности применения высокоорбитальных космических систем для мониторинга лесных пожаров и контроля синоптической обстановки

Возможности общепланетарного обзора с борта космических аппаратов (КА) создали условия для получения качественно новых данных о состоянии окружающей среды и контроля негативных воздействий человеческой деятельности. Полученная информация о глобальном состоянии окружающей среды составляет в развитых странах основу процесса принятия решений, ведущих к совершенствованию управления ресурсами и средой.
В России экономические трудности и сокращение финансирования космической отрасли практически лишили потребителей возможности получать необходимую информацию с российских космических систем. Существующие космические аппараты исчерпывают свой ресурс, и потребители вынуждены обращаться к зарубежным поставщикам данных. Одним из выходов из такой ситуации в сложившемся положении дел представляется использование ресурсов систем, создающихся по заказам Министерства обороны. Применение действующей космической системы 47Ц6 может обеспечить решение ряда задач по оценке пожарной и метеорологической обстановки в интересах различных ведомств (в первую очередь – МЧС, Росгидромет) при незначительнoм дополнительном финансировании по сравнению с затратами на запуск природноресурсных аппаратов. Космическая система 47Ц6 и разрабатываемая система 14К032, обладающие отличающимися от других систем параметрами бортовой аппаратуры и орбитальным построением, могут использоваться в интересах обеспечения потребителей новыми оперативными глобальными данными для решения задач мониторинга окружающей среды, являясь их единственным источником при отсутствии доступа к зарубежным данным космической съемки.
ИК-аппаратура системы 47Ц6, работающая в средней ИК-области спектра, может использоваться в задачах обнаружения лесных пожаров. Предварительная оценка энергетических характеристик очага лесного пожара для различных схем наблюдения и их анализ показали, что решение задачи обнаружения ОЛП возможно с высокоорбитальных КА при использовании спектрального диапазона, включающего правое крыло полосы 2,7 мкм. Получаемые изображения позволяют различать географические элементы и могут быть привязаны к карте по реперным объектам. На рис.1 представлен фрагмент изображения, полученного с помощью бортовой аппаратуры КА системы 47Ц6 на картографической основе пакета ArcView.




Рис. 1. Фрагмент трансформированного изображения системы 47Ц6, положенного на картографическую основу. Изображение от 05.09.2001, время 08h23ў(Московское)

Пробная обработка отдельных фрагментов изображений позволила выделить на изображениях, полученных системой 47Ц6 от 05.09.01 области с предполагаемыми очагами лесных пожаров. На рис. 2 представлены разновременные изображения системы 47Ц6. Выделенные фрагменты показывают области с предполагаемыми очагами пожаров.













а












б
Рис. 2. Разновременные изображения системы 47Ц6 на 05.09.2001г.,
время регистрации 08:23 (а) и 17:01 (б))

Пороговая обработка выделенных фрагментов, в основе которой лежит анализ пространственной динамики полей яркости на разновременных изображениях системы 47Ц6, позволяет сделать предварительное заключение о том, что сигналы от крупных лесных пожаров существенно превышают пороговую облученность входного зрачка бортовой аппаратуры даже при сложных условиях пригоризонтного наблюдения. На рис.3 представлены результаты пороговой обработки.


Исходное изображение Порог 1 Порог 2 Порог 3

Рис. 3. Пороговая обработка системных изображений с выделением очагов пожаров.

ИК-аппаратура систем 47Ц6 и 14К032 позволяет по уровню излучения отличать облака от подстилающей поверхности и выделять облака различных ярусов. Результаты расчета интегральной яркости облаков разных ярусов показали, что различные типы облачности достаточно четко разделяются между собой на фоне подстилающей поверхности. Используя разновременные изображения одного и того же района можно достаточно точно определить такие метеопараметры как:
- количество слоев облачности;
- типы и формы облачности;
- балл облачности для каждого слоя;
- высоту верхней и нижней границы облаков каждого слоя;
- скорость и направление ветра на высоте нижней и верхней границы облачности;
- линейные размеры структурных составляющих облаков.
Примеры разновременных изображений облачности, полученных системой глобального контроля, представлены на рисунке 4. Этот рисунок демонстрирует возможности использования ИК-каналов 47Ц6 для мониторинга облачных образований по пространственным и энергетическим параметрам. Видимые изменения облачных полей на снимках с течением времени позволяют определять параметры синоптической ситуации для решения задач метеорологии. На рис. 4 изображена кучевообразная облачность с большой горизонтальной и вертикальной протяженностью. Почти черный цвет облаков указывает, что это ледяные облака с высотой верхней границы выше 6 км. С течением времени цвет облаков меняется, изменяются также пространственные характеристики.


Рис. 4. Изображения различных типов облачности в спектральном диапазоне с правым крылом полосы поглощения, GMT – время наблюдения по Гринвичу

Пространственные и яркостные изменения облачного поля в зависимости от условий освещения отображают процесс движения облачных масс в горизонтальном и вертикальном направлениях, что позволяет осуществлять прогноз динамики облачности. На изображениях видны изменения облачного поля в зависимости от времени наблюдения, что предоставляет возможность определить пространственные параметры облачного поля, скорость и азимут движения облачных элементов. По градациям серого цвета отображения облачности можно судить об изменении яркости облачных образований, а, следовательно, об их вертикальных профилях. По разновременным снимкам определяются азимут и скорость движения облачного фронта и, следовательно, азимут и скорость ветра на высоте его верхней границы.
Вертикальная и горизонтальная динамика облаков демонстрируется на рис. 5, где приведены изображения развивающейся кучевой облачности, полученные с интервалом 30 мин. Область роста облака выделена в левом нижнем углу кадра. Такие временные представления изображений широко используется в метеорологии.

0
Рис. 5. Рост кучево-дождевого облака (выделенный фрагмент) через каждые 30 мин.
Изображения облачных полей при изменении времени наблюдения на снимках позволяют проследить динамику и сделать предварительный прогноз развития облачных масс, что позволит, выявить и проследить развитие облачных формирований - атмосферных вихрей, циклонов и отдельных облачных полей.
Благодаря сочетанию разных каналов в средней ИК - области спектра возможна более точная идентификация различных типов облачности. На рис. 6 представлены двухспектральные изображения, синхронизированные по времени съемки.


а

б
Рис. 6. Изображения, полученные в спектральных диапазонах с центром полосы поглощения (а) и с правым крылом полосы поглощения (б)

Таким образом, действующая система 47Ц6 и перспективная система 14К032 по своим возможностям соответствуют требованиям, предъявляемым в области глобального мониторинга окружающей среды, и могут использоваться для обнаружения лесных пожаров и контроля синоптической обстановки.