4.1.5 Развитие информационной системы Terra-Norte для работы с данными дистанционного мониторинга и результатами их обработки для решения задач исследования экосистем на территории Северной Евразии.

Развитие систем технологий удаленной работы с данными позволило в последние годы начать создание принципиально новых интерфейсов которые обеспечивают возможность работы со спутниковыми данными и результатами их обработки. Стало возможным создание не только интерфейсов, обеспечивающих возможности представление (просмотра данных), но и проведение их анализа.

Поэтому в ИКИ РАН на основе информационной системы Terra-Norte различных архивов спутниковых данных и результатов их обработки в 2011 году был создан новый спутниковый сервис ВЕГА, основная задача которого является предоставления специалистам, ведущим работу в области исследования и мониторинга различных растительных экосистем, удобных инструментов, позволяющих проводить анализ спутниковых данных.

Следует отметить, что бурное развитие в последние десятилетия дистанционных, в первую очередь спутниковых, методов наблюдений открыло новые возможности для организации оперативного и объективного мониторинга растительности. В настоящее время работает достаточно большое количество спутников, на борту которых установлена разнообразная аппаратура, которая достаточно эффективно может  использоваться для мониторинга сельскохозяйственных земель и состояния посевов. Используя возможности существующих систем уже сегодня возможно построение дистанционных систем мониторинга, которые позволяют обеспечить объективную оперативную оценку состояния растительности как на уровне страны или крупных регионов, так и на уровне отдельных участков (объектов).

При этом в настоящее время имеются спутниковые системы обеспечивающие:
 

1. Достаточное пространственное разрешение для проведения анализа посевов на уровне отдельных полей;
    
2. Оценку на основе многоспектральных наблюдений различных вегетационных индексов, характеризующих состояние растительности;
    
3. Проведение достаточно частых наблюдений (раз в день или раз в несколько дней), необходимых для контроля динамики развития растений и их реакции на воздействие неблагоприятных факторов.
    
4. Достаточно длинные ряды наблюдений, необходимые, например, для выявления различных аномалий в развитие растительности на основе сравнения данных различных вегетационных сезонов.

Анализ доступных в настоящий момент спутниковых данных показывает, что для организации оперативного мониторинга растительности в наибольшей степени подходит информация,  поступающая от приборов MODIS установленных на спутниках TERRA и AQUA. MODIS позволяет получать информацию в нескольких спектральных каналах, на основе которых можно рассчитывать вегетационные индексы; пространственное разрешение данных (250 м) позволяет получать информацию о состоянии растительности на уровне отдельных полей практически во всех основных сельскохозяйственных регионах России; данные MODIS могут быть получены ежедневно и доступны в настоящее время за последние 10 лет и распространяются свободно почти в режиме близком к режиму реального времени. В сочетании со свободно распространяемыми данными со спутников серии LANDSAT, а также данными различных коммерческих спутниковых систем (например, RapidEye) данные MODIS могут служить хорошей основой для мониторинга растительности на всей территории Северной Евразии.

Особое значение при построении систем дистанционного мониторинга приобретает возможность организации полностью автоматизированной обработки спутниковых данных. Она позволяет получать однородную, максимально объективную информацию, независящую от субъективного мнения отдельных специалистов, позволяет минимизировать расходы на эксплуатацию систем мониторинга, а также облегчает их практическое использование пользователями. Такие технологии последние годы активно создаются и развиваются в ИКИ РАН. Они, в частности, позволили создать и постоянно актуализировать архив спутниковых наблюдений на территорию России за период с 2000 по настоящее время.

Следует отметить, что сегодня в мире действует большое число систем спутниковых систем ДЗЗ (на начало 2011 года на орбите находилось более 100 аппаратов ДЗЗ), но лишь немногие из них обеспечивают постоянное, бесперебойное наблюдение и предоставление хорошо калиброванной устойчивой информации. Кроме того, при организации постоянного мониторинга необходимо получение достаточно большого количества данных, поэтому нужно учитывать стоимость данных и пытаться максимально ориентироваться на данные, которые либо распространяются бесплатно, либо имеют низкую стоимость. Системами, которые в настоящее время полностью удовлетворяют данным условиям, безусловно являются MODIS (http://modis.gsfc.nasa.gov/) и LANDSAT (http://landsat.gsfc.nasa.gov/). Информация, полученная этими системами, позволяет обеспечивать частые наблюдения больших территорий. При этом данные MODIS хотя и имеют достаточно низкое пространственное разрешение (250 м) ежедневно обновляются по всей территории России, а статистика получения данных LANDSAT (разрешение 28 м) показывает, что за вегетационный сезон, практически по любой территории сельскохозяйственных регионов России удается получить не менее 3-4 безоблачных снимка. Комбинирование анализа таких данных позволяет нам с одной стороны иметь фактически непрерывный ряд наблюдений за состоянием растительного покрова, который необходим для интегральных оценок состояния растительности как в различных регионах, так и на отдельных полях, а с другой стороны эпизодическую детальную информацию, которая обеспечивает возможность выделения границ отдельных полей и структуры растительного покрова на них.

В настоящее время для работы с информацией, полученной на основе систем MODIS и LANDSAT, в ИКИ РАН разработан специализированный спутниковый сервис «ВЕГА» (VEGetation Analysis – Анализ вегетации). Сервис обеспечивает возможность работы с архивами данных, накопленных за период с 2000 года по настоящее время.  При этом организовано автоматическое пополнение информации, что обеспечивает возможность пользователям сервиса получать как архивные, так и оперативные данные.

Сервис обеспечивает возможность работы со следующей информацией:
 

• очищенные безоблачные композитные изображения вегетационных индексов
• различная картографическая информация о состоянии растительности;
• осредненные в разрезе административных районов с учетом масок различных типов растительности вегетационные индексы;
• данные о «нормальном» ходе вегетационных индексов для различных типов растительности, полученные на основе анализа данных многолетних наблюдений;
• информация об отклонении хода вегетационных индексов от «нормы»;
• цветосентезированные изображения LANDSAT.

Информацию о временном поведении вегетационных индексов и их отклонениях от среднего можно получить как в отдельных точках, так и осредненную по субъектам, административным районам или отдельным полям (произвольно заданным контурам). Особое внимание в сервисе ВЕГА уделяется именно возможности анализа временных серий вегетационных индексов (ВИ).

Доступ к спутниковому сервису ВЕГА организован через специализированный сайт http://vega.smislab.ru/.

В настоящее время сервис позволяет анализировать как состояние посевов сельскохозяйственных культур, так и естественную растительность. Анализ может быть осуществлен как для отдельной точки, так и для любого заданного пользователем полигона. Информация может быть также представлена в обобщенном виде, на уровне административных районов для любого региона России. Информация о состоянии растительности на сайте обновляется еженедельно.

Сервис ориентирован в основном на специалистов, работающих в области сельского и лесного хозяйства. Его задача - обеспечение возможности контроля текущего состояния растительности на интересующем специалиста объекте (с/х полях, участках пастбищ, сенокосов, лесных рубках, лесных кварталах и т.п.). При этом пользователи сервиса сами могут задать (очертить) объект и производить анализ имеющихся для него данных.

Пользователю предоставляется доступ к WEB-интерфейсу, который позволяет выбрать информацию по интересующему его полю (полигону), административному району или региону в целом. Пользователь имеет возможность найти интересующий его объект на данных LANDSAT, оконтурить его и занести в базу данных. При этом будут рассчитаны и также помещены в БД осредненные по полю временные серии ВИ.

Для выбранных полей пользователь может получить следующую информацию:
 

• Временной ход вегетационного индекса NDVI (показатель состояния посевов) в пределах выбранных объектов в течение вегетационного периода за 2000 – 2011 года.
• Информацию о развитии растительности в конкретной точке в различные годы (рис.4.1.5.1).
• Временной ход различных метеопараметров

Пользователь может также получить перечисленные виды информации, осредненные по региону в целом или по административным районам, или же по отдельному объекту. Можно также получить информацию, осредненную по землям, занятым различными типами растительности.

Рис.4.1.5.1. Пример кривых для различных типов возделываемых культур в разные годы на одном поле

Специализированные Web-интерфейсы, в частности, позволяют:

• Проводить сравнение различных перечисленных текущих параметров с данными предыдущих сезонов (на выбор пользователя) или со средними многолетними значениями.
• Проводить сравнение состояния растительности в пространстве (например, на соседних полях  или участках леса).
• Анализировать информацию в графическом виде или в виде картограмм.
• Оперативно получать «тревожные сигналы» с указанием территорий, на которых актуальное значение указанных выше параметров существенно отклоняется от среднегодовых (в том числе с учетом сдвига сезона вегетации)

Сервис может быть использован для решения, например, следующих задач связанных с мониторингом сельскохозяйственных земель:

• построения кривых «нормального» развития основных культур в регионе, что позволит распознавать не только озимые и яровые группы культур, но и все основные культуры по отдельности;
• построение прогнозных оценок урожайности на уровне отдельных полей (при наличии у пользователей статистической информации об их урожайности за последние 10 лет); 
• Оценка эффективной продуктивности отдельных полей
• Оценка степени неоднородности почвенного покрова
• Оценку состояния лесов и степени повреждения лесов
• Оценку динамики лесов
• Оценку хода лесовосстановления на гарях и рубках.

Особо следует отметить, что сервис «ВЕГА» может быть полезен не только с чисто научной точки зрения, но и для решения различных прикладных задач, для которых необходимо получение объективной, независимой информации о состоянии посевов в различных регионах и на отдельных полях. Так, например, он может использоваться различными ведомствами и организациями, заинтересованными в контроле состояния сельскохозяйственных земель и посевов. В том числе: Министерством сельского хозяйства, региональными органами, осуществляющими контроль и регулирование сельскохозяйственного производства, землепользователями и землевладельцами, страховыми компаниями, банками

В настоящее время сервис Вега начал использоваться в различных научных проектах и программах, выполняемых в ИКИ РАН. Ведется также активная разработка функциональности сервиса и расширения возможностей анализа предоставляемых им данных.