Спутниковый мониторинг на дальнем востоке как составляющая информационной безопасности в Арктике

Дальний Восток, проводка судов, Арктика

Выступая на пятом международном форуме  «Арктика:  настоящее  и будущее», вице-премьер России Дмитрий Рогозин назвал среди    основных    задач    обеспечение безопасности    людей,    живущих    в экстремальных условиях Арктики, обеспечение информационной безопасности, создание информационно-телекоммуникационных систем     в     Арктическом     регионе

[].              Для безопасности в Арктике имея ввиду современные военные и невоенных угрозы и вызовы исходят из комплексного понимания безопасности, в рамках которого в условиях расширения экономической деятельности особое внимание уделяется невоенным вызовам, связанным с необходимостью обеспечения безопасности судоходства и эколого-техногенной безопасности Северного морского пути [5]. Северный морской путь (СМП) - кратчайший морской путь между европейской частью России и Дальним Востоком. Протяженность его от Карских

Ворот до бухты Провидения - 5600 километров.

ресурсам и новым транспортным возможностям, а также приобретает потенциал для развития международных связей и науки.(Рогозин РТР).

Для отечественной науки основная решаемая задача в Арктике вдоль Северного морского пути — это изучение природных рисков, которые существуют Арктике. Наибольшие риски связаны с ледовыми условиями. Риски также связаны с климатические изменения, загрязнением моря и суши, сейсмические опасностью, оттаиванием вечной мерзлоты. Изучение этих процессов позволяет создавать методы и средства, чтобы прогнозировать возможные природные риски и попытаться управлять ими.

Организационно Северный морской путь делится на Западный сектор Арктики — от Мурманска до Дудинки и Восточный сектор Арктики — от Дудинки до Чукотки. В западной части российской Арктики в целях разработки арктического шельфа и увеличения судоходства по Северному морскому пути реализуется масштабный проект, который называется «Создание новых методов и средств мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в западной арктической зоне Российской Федерации» [ ]. А что же происходит в восточном секторе Арктики на Дальнем Востоке?

Прием и обработка спутниковых данных на Дальнем Востоке

Самая массовая одномоментная информация об огромных территориях – информация с бесплатных метеорологических спутников Земли в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Основной недостаток спутниковых данных в видимом и инфракрасном диапазонах – наличие облачности. Для видимого диапазона еще и полярная ночь. Всепогодную детальную карту льда дает локатор с синтезированной апертурой.

Прием и обработку данных дистанционного зондирования Земли с метеорологических спутников на Дальнем

Востоке ведут несколько учреждений: Дальневосточный Центр Федерального Государственного Бюджетного Учреждения "Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета" (ДЦ ФГБУ "НИЦ "ПЛАНЕТА") в Хабаровске, группа компаний СканЭкс в Магадане, Институт Морской геофизики и Геологи ДВО РАН в Южно_Сахалинске, Института вулканологии и сейсмологии (ИВиС) ДВО РАН в Петропавловске-Камчатском, владивостокский филиал НЦУКС МЧС и Центр коллективного пользования Регионального спутникового мониторинга ДВО РАН в Институте автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН во Владивостоке.

Центр коллективного пользования Регионального спутникового мониторинга ДВО РАН в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН (Спутниковый центр ИАПУ ДВО РАН) почти 30 лет занимается разработкой новых технологий первичной и тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли со спутников. Спутниковый Центр ИАПУ ДВО РАН прошел международную регистрацию как SML/IACP/RAS (Satellite Monitoring Laboratory, Institute of Automation and Control Processes, Russian Academy of Sciences). Его техническую базу составляет четырех-антенный комплекс приёма цифровой информации с метеорологических спутников Земли, передающих на частотах около 1.7Ггц и 8Ггц. Круглосуточно работают службы приема и поставки спутниковой информации.

На сегодняшний день созданы средства и методы автоматического приема, накопления, распределенной обработки и поставки данных через сеть ИНТЕРНЕТ базовых видов информации, принимаемой со спутников NOAA\(AVHRR), Himawari-8, AQUA-TERRA\(MODIS). Реализованы автоматические цепочки обработки данных спутников серии NOAA (температурные и структурные карты поверхности моря, профили температуры и влажности атмосферы), AQUA-TERRA (около 200 параметров морской воды и атмосферы), Himawari-8 (температура воды, облачности, мониторинг морского льда) на основе пакетов AAPP, SeaDAS, RTTOV, MetOffice-1Dvar и собственных программных разработок [6].

Опыт оперативного мониторинга ледовой обстановки на примере Охотского моря

Охотского море является частью Северного морского пути. Зимняя навигация в Охотском море начинается в конце декабря -начале января. Именно в это время бухты покрываются прочной ледовой коркой. Суда из Приморья, Сахалина и Хабаровского края самостоятельно доходят только до так называемой кромки льда, откуда начинается плотное белое полотно морского льда. В ожидании ледокола в одном месте иногда собираются целые караваны. Для проводки судов во льдах необходима следующая информация, поступающая в режиме реального времени:

• 1. детальные изображения структуры льда с оценкой его толщины и указания полей торосов;

• 2.    оценка скорости движения ледовых полей и зон сжатия льда;

• 3.    прогноз детального изображения льда на заданное время.

Спутниковым центром ИАПУ ДВО РАН lля обеспечения информационной поддержки ледовой проводки судов к порту Магадан с 2010 года ежегодно для администрации морского порта Магадан с 1 января по 31 мая оперативно через FTP–сервер поставляются продукты обработки с радиометра MODIS (AQUA-TERRA). Данные выкладываются на ftp для скачивания в течение часа после их приема.

Опыт Поиска судов в Охотском море 20102011.

Почти ежегодно в сложных ледовых условиях происходят непредвиденные ситуации с судами в Охотском море. В самом конце декабря 2010 в Сахалинском заливе в ледяной плен попало сразу 10 судов, на борту которых в общей сложности находилось более 600 человек. Зимой 2011 года в Охотском море достаточно часто терялись суда. В районе Удской губы Сахалинского залива 6 декабря 2010 года унесло баржу, 7 января в Татарском проливе у Сахалина потерялась рыболовецкая шхуна «Партнер» с экипажем из 14 человек, 11 января 2011 года унесло буксир «Прогресс-2» в районе юго-восточной части Сахалина, а 16 февраля 2011 года западнее Камчатки потерялся траулер «Аметист» вместе с экипажем из 24 человек. Успешный поиск и возращение на базу этих судов был обеспечен благодаря наведению высокоточной спутниковой съемки на основе расчета

возможного дрейфа судов по скорости ветра и скорости течений [7].

Опыт взаимодействия Спутникового центра ИАПУ ДВО РАН с Инженернотехнологическим центром СКАНЭКС, Тихоокеанским океанологическим институтом (ТОИ) ДВО РАН, Тихоокеанским филиалом федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научноисследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ТИНРО) показал, что для успешного поиска и проводки судов в сложных погодных условиях одних только спутниковых данных, даже очень высокого пространственного разрешения, недостаточно. Необходимо делать прогноз возможного местоположения судна за прошедшее время, чтобы навести достаточно дорогую высокоточную спутниковую съемку. Для этого требуется знать скорости поверхностных течений, силу и направление ветра, а также парусность судна. Поэтому необходимо использовать весь комплекс информации – и многолетние наблюдения за течениями и ветрами, и показания дрифтеров, и непосредственные вычисления по временной последовательности спутниковых изображений.

Автоматический расчет основных параметров замерзающих морей

Расчет скоростей течений в море - одна из наиболее актуальных научных и практических задач. В настоящее время наиболее информативным и дающим общую картину является расчёт скоростей с помощью спутникового дистанционного зондирования. Регулярно передаваемые японским метеорологическим агентством для дальневосточного региона декадные карты скоростей поверхностных течений с выделением структурных элементов (вихри, фронты) строятся вручную по данным in situ. Строящиеся в режиме реального времени карты течений по альтиметрическим измерениям часто не соответствуют действительности из-за нерешенности проблемы построения средней многолетней динамической топографии океана. Достоверные карты не получаются также из-за редкости измерений по времени и пространству (периодичность раз в 10 суток с шагом по сетке 1.25 градуса для спутников Jason, например).

В Спутниковом центре ИАПУ ДВО РАН для автоматического расчета скоростей перемещений объектов на море в качестве базового метода используется расчет априорной точности аналога метода максимума кросс-корреляции [1, 2]

Высокая точность и надежность алгоритма расчета скоростей дрейфа позволили его применять для расчета характеристик сжатия льда [3].

В Спутниковом центре ДВО РАН благодаря адаптации и внедрению пакета программ IMAPP для обработки данных радиометров MODIS, AMSR-E, AIRS и AMSU создан рабочий вариант алгоритма расчета концентрации льда [4].

Мониторинг биопараметров водной среды входит в перечень приоритетных задач многих международных проектов. Например, в европейскую программу «Глобальный мониторинг для целей охраны окружающей среды и безопасности» (GMES), в проекты Группы наблюдения Земли (GEO) - разделы WA-07-P2 (Global Water Quality Monitoring) и WA-07-P3 (Satellite Water Measurements), в проект международной программы ООН -UNEP\NOWPAP\CEARAC (программа ООН по охране окружающей среды в Северо-Западной части Тихого океана), а также международный проект NEAR-GOOS (North-East Asia Regional -Global Ocean Observing System) – региональную подсистему глобальной системы наблюдения за океаном (Global Ocean Observation System (GOOS)).

ЦКП Регионального спутникового мониторинга окружающей среды ДВО РАН участвует в последних двух программах. Используемая технология спутникового мониторинга за биопараметрами воды базируется на обработке данных, получаемых радиометром MODIS с полярно-орбитальных спутников TERRA и AQUA. За основу для построения требуемой системы был взят пакет программ SeaDAS. Пакет SeaDAS, разработанный в NASA (Goddard Space Flight Center), является многофункциональным пакетом для обработки, отображения, анализа моря [6].

Стратегия развития

Ключевым показателем качества любого мониторинга является его достоверность. Необходимо, чтобы алгоритмы расчета тематических карт, строящиеся по спутниковым данным, были верифицированы. Для верификации результатов спутникового мониторинга с целью создания региональных методик оценки параметров моря и суши по спутниковой информации необходимы экспедиционные измерения ключевых параметров среды.

В прикладной области основной целью является информационное и инструментальное обеспечение хозяйственных и исследовательских потребностей. Области применения – океанология, экология, чрезвычайные ситуации, метеорология, кадастр, рациональное природопользование и

управление территориями.

С научной точки зрения предполагается следующее. Создание технологий построения в режиме реального времени трехмерных полей температуры и влажности атмосферы для усвоения информации в моделях прогноза погоды. Развитие методик расчета скоростей течений, дрейфа льда, приводного ветра, ежедневных не зависящих от облачности композиционных карт температуры поверхности океана, карт синоптических объектов моря и прогноза их положения. Создание технологий мониторинга загрязнения окружающей среды и чрезвычайных ситуаций – пожаров, наводнений, извержений вулканов, переноса пепла и пыли, загрязнений морских акваторий нефтепродуктами, вредоносного цветения водорослей. Для решения этих задач необходимы данные со спутников высокого пространственного разрешения.

Заключение

Сегодня основные усилия в области спутникового информационного обеспечения идут в направлении развития технологий обработки и поставки спутниковой информации с требуемыми параметрами (пространственное, временное, спектральное разрешение) съемки. Для эффективного применения возможностей спутникового мониторинга на Дальнем Востоке и в восточном секторе Арктики, необходимо обеспечить три составляющие:

Наличие спутниковых данных с требуемым пространственным и временным разрешением.

Наличие специалистов и технологий извлечения из данных ДЗЗ полезной информации.

Наличие развитых информационно – коммуникационных ресурсов.

Это позволит решать научные и практические задачи, как на море, так и на суше:

• 1.    ледокольное обеспечение судоходства;

• 2.    проведение работ по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов на трассах;

• 3.    проводка судов по Северному морскому пути;

• 4.    взаимодействие с аварийноспасательными службами федеральных органов исполнительной власти и иностранных государств при проведении работ (операций)

по    предотвращению    и    ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на трассах.

Решение этих задач укрепит национальные интересы России в арктическом регионе, обеспечит разведку залежей природных    ресурсов    на    шельфе, сопровождение морских маршрутов, а также экологический мониторинг.