В 2022 г. ИКИ РАН совместно с ЦЭПЛ РАН и СФУ на основе спутниковых данных дистанционного зондирования, выборочных наземных наблюдений и моделей получены оценки запасов углерода лесов России в 2001–2021 гг. В 2021 г. растительная биомасса лесов содержала 55,8×10⁹ т С, при доле запаса углерода в фитомассе деревьев — 73,7 %, напочвенного покрова – 11,3 %, мортмассы – 15,0 %. Анализ временного ряда данных о запасе углерода в растительной биомассе лесов позволил установить, что его величина за исследуемый период выросла на 7,8 % при средней скорости нарастания 210,5×10⁶ т С год^– 1 (рисунок 1). Полученная карта (рисунок 2) позволяет выделить территории с положительной и отрицательной динамикой углерода в лесах, где его снижение преимущественно связано с нарушениями деструктивными факторами (рубки, пожары и др.).

Рисунок 1 — Динамика запаса углерода в растительной биомассе лесов России

Рисунок 2 — Изменение запаса углерода в растительной биомассе лесов России, 2001–2021 гг.

Технология контроля данных сельскохозяйственной микропереписи 2021 года об использовании сельскохозяйственных угодий на основе средств спутникового мониторинга

ИКИ РАН и ООО «ИКИЗ» по заказу Росстата создали и внедрили технологию контроля данных сельскохозяйственной микропереписи 2021 г. (далее — СХМП) об использовании с/х угодий на основе средств спутникового мониторинга (далее — Технология). Разработанная Технология позволила в максимально автоматизированном режиме провести обработку спутниковых данных для получение информацию о с/х землях и их использование в 2021 г. и её сравнение с данными СХМП, для оценки достоверности полученной статистической информации. Технология активно использовалась на этапе подведения итогов СХМП в 2022 г. на территории всех с/х регионов России. Опыт применения Технологии показал, что она позволяет повысить достоверность статистической информации о состоянии и использование с/х земель и может в дальнейшем использоваться при проведении сельскохозяйственных переписей и ежегодных федеральных статистических наблюдений (сборе текущей сельскохозяйственной статистики).

При создании и внедрении Технологии были использованы решения по организации распределённой работы со сверхбольшими архивами спутниковых данных и результатами их обработки разработанные в рамках темы «Космос-Д» (госрегистрация № 122042500019-6) и методов обработки и анализа спутниковых данных, позволяющих оценивать различные характеристики с/х земель, которые развиваются в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8).

Рисунок 1 — Примеры районов в европейской части России с выявленными расхождениями между данными СХМП и данными спутниковых наблюдений (слева) и сравнение площади пашни и посевной площади (в районах Российской Федерации с площадью анализируемой категорий земель >50 тыс. га) по данным СХМП и данным спутниковых наблюдений (справа)

2021 год

Создание методов оперативной оценки состояния озимых сельскохозяйственных культур на основе данных спутниковых наблюдений

Основной задачей созданных методов является проведение оперативной оценки состояния посевов озимых сельскохозяйственных культур на территории Российской Федерации на основе данных спутниковых наблюдений, метеорологической и статистической информации. Актуальность задачи определяется, с одной стороны, необходимостью заблаговременного получения объективной информации о посевах для принятия обоснованных управленческих решений в сфере агропромышленного комплекса (АПК) различными организациями и ведомствами, с другой — возможностью получения соответствующих сведений благодаря накопленному в Центре коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» уникальных многолетних архивов данных спутниковых дистанционных наблюдений дистанционного зондирования, метеорологических и статистических данных по территории России и сопредельных государств. Основой разработанных методов являются созданные в ИКИ РАН технологии регулярного, вплоть до ежедневного, построения безоблачных композитов и формирования на основе многолетних наблюдений региональных временных портретов (норм развития) сельскохозяйственных культур (рисунок 1).

Рисунок 1 — Пример карты. Разница максимальных значений NDVI озимых, достигнутых к 26 й неделе 2021 г. (28 июня – 4 июля), и среднемноголетних максимумов (характеристика хорошо коррелирует с урожайностью)

Разработанные методы уже сегодня достаточно эффективно используются в различных информационных системах для получения оперативных данных и оценок развития и гибели озимых культур.

Методика комплексного анализа спутниковых и метеорологических данных для оценки загрязнения морской поверхности в результате аварийных разливов нефти

Многолетний опыт работ ИКИ РАН и ИО РАН позволил, на основе анализа нескольких десятков тысяч спутниковых радиолокационных изображений, реализовать методику визуального анализа, с большой достоверностью выявляющую области нефтяных загрязнений морской поверхности. Пример применения совместного анализа радиолокационных и оптических спутниковых изображений, а также метеорологических данных для оценки загрязнения акватории северо-восточной части Чёрного моря, где 7 августа 2021 г. произошёл выброс нефти при заправке танкера Minerva Symphony на морском терминале ВПУ-1 АО «Каспийский трубопроводный консорциум» (АО «КТК-Р»), приведён на рисунке 1.

Рисунок 1 — Смещение нефтяного пятна и циклонического вихря с 7 по 8 августа 2021 г. По серии радиолокационных (РЛИ) и оптических спутниковых изображений: жёлтый контур — нефтяное пятно в районе аварии, выявленное на РЛИ от 7 августа в 15:27 UTC (площадь не менее 0,21 км2); зелёные точки — контур циклонического вихря, выявленного на РЛИ от 7 августа в 03:33 UTC; голубой контур — проявление циклонического вихря на изображении MODIS Aqua от 8 августа в 10:25 UTC. Контуры наложены на РЛИ от 8 августа в 15:20 UTC (площадь нефтяного пятна 83 км2)

Реализованная методика закладывает технологическую основу для создания остро необходимой системы постоянно действующего комплексного спутникового мониторинга нефтяных загрязнений акватории северо-восточной части Черного моря, особенно прибрежной акватории между Анапой и Геленджиком, являющейся зоной повышенного экологического риска.

2020 год

Решение задачи ежегодного мониторинга объёма древесной биомассы лесов России на основе данных дистанционного зондирования из космоса

Институтом космических исследований РАН и Центром по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН разработаны новые научные подходы, а также уникальный комплекс методов и технологий, позволяющие на основе спутниковых данных дистанционного зондирования Земли осуществлять ежегодный мониторинг объёма древесной биомассы в лесах России. Исследования выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда на проведение исследований на базе Лабораторий мирового уровня (проект «Космическая научная обсерватория мониторинга углерода лесов России», руководитель — д-р техн. наук, проф. Барталев С.А.).

Технологической основой для разработки стал центр Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг». В проекте использовалась предоставляемая им инфраструктура работы с данными. В рамках центра также проводились работы по расширению возможностей распределённой работы с данными, получаемыми в рамках проекта. Для этого, в частности, развивалась специализированная система «Вега-Лес» (http://forest.geosmis.ru/), ориентированная на изучение и научный мониторинг лесов России.

Применение комплекса разработанных методов, технологий и инфраструктуры работы с данными, предоставляемыми ЦКП «ИКИ-Мониторинг», впервые позволило получить временной ряд ежегодных оценок объёма древесной биомассы лесов России за период с 2005 по 2017 годы с пространственным разрешением 230 м (рисунок 8.1.1).

Сформированный уникальный набор данных позволил выявить (рисунок 8.2.2) наличие выраженного тренда нарастания объёмов древесной биомассы лесов страны, включая живые деревья и сухостой в насаждениях, в диапазоне значений от 112,1·109 куб. м до 117,1·109 куб. м, при среднегодовом приросте объёма около 314,5·106 куб. м в год.

Рисунок 8.1.1 — Карта объёма древесной биомассы в лесах России в 2017 году Рисунок 8.2.2 — Динамика объёма
в лесах России в 2017 году древесной биомассы в лесах России

Полученные результаты не имеют аналогов и открывают возможность решения важнейшей государственной задачи объективной ежегодной оценки поглощаемого лесами России атмосферного углерода, не обеспечиваемую ни одним из других существующих в настоящее время методов. С принятием Парижского соглашения по климату острота проблемы объективности, полноты и точности учёта углеродного бюджета лесов приобретает чрезвычайную важность. Объем древесной биомассы и породный состав лесов относятся к числу важнейших их характеристик, непосредственно определяющих содержание в них углерода. Данные о динамике объёма древесной биомассы лесов позволяют оценивать количество поглощаемого ими из атмосферы углекислого газа.

Имевшиеся до настоящего времени оценки углеродного бюджета лесов России отличаются крайне высокой степенью неопределённости, источником которой является, прежде всего, недостаток достоверной и актуальной информации о лесах. Разработанные методы и полученные на их основе результаты позволят кардинально снизить уровень этой неопределённости.

Создание и апробация технологии контроля данных сельскохозяйственной микропереписи об использовании сельскохозяйственных угодий на основе средств спутникового мониторинга

В 2020 году ИКИ РАН и ООО «ИКИЗ» совместно с партнёрами по заказу Росстата РФ создали и провели апробацию технологии контроля данных сельскохозяйственной микропереписи об использовании с/х угодий на основе средств спутникового мониторинга (далее Технология).

Технология позволяет в максимально автоматизированном режиме проводить анализ спутниковых данных по территории сельскохозяйственных регионов страны, получать информацию о площадях, занятых различными типами с.-х. угодий, и проводить её сравнение с результатами с.-х. переписей и текущей статистикой для повышения достоверности получаемой информации. Проведённая в 2020 году апробация технологии показала её работоспособность и готовность для использования при проведении сельскохозяйственной микропереписи 2021 года. Расположение районов апробации на европейской территории страны и пример получаемой с использованием технологии информации о сельскохозяйственных землях приведены на рисунке 8.2.1.

Рисунок 8.2.1 — Расположение районов апробации технологии на европейской территории России (слева) и восстановленные на основе спутниковых данных типы с.-х. угодий в Харабалинском районе Астраханской области (справа)

Также была создана техническая инфраструктура для использования технологии, ориентированная на возможности ЦКП «ИКИ-Мониторинг» (http://ckp.geosmis.ru/).
При создании Технологии использованы решения по организации распределённой работы со сверхбольшими архивами спутниковых данных, которые были разработаны в 2019–2020 годах в рамках темы «Космос-Д» (госрегистрация № 0024-2019-0014) и методов обработки и анализа спутниковых данных, позволяющих оценивать различные характеристики с.-х. земель, которые развивались в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 01.20.0.2.00164) в 2017–2020 годах.

В настоящее время технология готова к использованию в 2021–2022 годах при проведении и подведении итогов с.-х. микропереписи 2021 года. В дальнейшем она может быть доработана и использована для контроля статистической отчётности о состоянии и использовании с/х земель.

2019 год

Создание и внедрение «Единого геоинформационного хранилища пространственных данных» ОАО «РЖД»

Для создания информационных систем дистанционного мониторинга в ИКИ РАН были разработаны и успешно внедряются и развиваются технологии UNISAT и GEOSMIS, обеспечивающие ведение распределённых, сверхбольших архивов спутниковых данных и построение веб-интерфейсов для онлайн-анализа и обработки этих данных соответственно.

В 2018–2019 годах АО «НИИАС» совместно с ИКИ РАН и АО «Транспутьстрой» по заказу ОАО «Российские железные дороги» создал и ввел в промышленную эксплуатацию платформу «Единое геоинформационное хранилище пространственных данных» (далее, ЕГХ ПД) для обеспечения автоматизированной работы с данными ДЗЗ, основанную на этих технологиях (рисунок 8.1.1).

Платформа реализует инфраструктурные решения по информационному обеспечению служб ОАО «РЖД» инструментами для работы с данными спутникового дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), включая метеорологические данные, данные о пожарах, информацию о типах поверхности Земли, и результатами их обработки путем организации автоматизированного получения, хранения, обработки данных и публикации полученных результатов. В платформе реализованы специализированные инструменты по анализу данных, включая работу с моделями, а также средства, обеспечивающие интеграцию данных смежных систем.
Для обеспечения ЕГХ ПД оперативными и архивными спутниковыми данными в ИКИ РАН создана подсистема, предоставляющая данные на основе сервисной модели.

Рисунок 8.1.1 — Интерфейс ЕГХ ПД для работы с картографической информацией по спутниковым данным

2018 год

Разработка технологий автоматизированной работы с данными спутниковых наблюдений для решения задач дистанционного мониторинга сельскохозяйственных земель и посевов на больших территориях

В настоящее время в ИКИ РАН создана технология автоматизированной работы с данными спутниковых наблюдений, позволяющая решать различные задачи мониторинга сельскохозяйственных земель и посевов. В том числе проводить картографирование сельскохозяйственных земель, контролировать их используемость, оперативно оценивать состояние посевов и т.д. Важно, что данная технология позволяет работать с информацией, получаемой по большим территориям, и обеспечивает различные уровни интеграции (от уровня поля до уровня всей страны). Технология уже активно используется при развитии различных систем мониторинга сельскохозяйственных земель и посевов, в том числе для развития методов работы с данными в развивающейся глобальной системе мониторинга сельского хозяйства (GEOGLAM). В частности, в 2018 году в составе Единой Федеральной информационной системы Земель сельскохозяйственного назначения (ЕФИС ЗСН), развиваемой МСХ РФ, начата эксплуатация подсистемы работы с данными ДЗЗ, созданная на основе данной технологии. Работы по созданию и внедрению технологии ИКИ РАН проводит совместно с различными организациями. В том числе ООО "ИКИЗ", НИЦ "Планета", Аналитический центр МСХ РФ и др.

Рисунок 1 - Пример оценки состояния озимых культур сезона 2018-2019 года, полученный по спутниковым данным за неделю 11.11.2018 - 18.11.2018

2017 год

Разработка научных подходов и методов к организации мониторинга вулканической активности с помощью современных систем и технологий спутниковых наблюдений В том числе разработка новых методов в оценки характеристик извержений на основе комплексного анализа результатов математического моделирования динамики распространения пепловых шлейфов и данных спутниковых наблюдений (совместно с ИВиС ДВО РАН и ВЦ ДВО РАН)

В 2016-2017 годах ИКИ РАН совместно с ИВиС ДВО РАН и ДЦ ФГБУ «НИЦ "Планета" создали и внедрили в информационную систему мониторинга вулканической активности Камчатки и Курил (http://volcanoes.smislab.ru), технологию, позволяющую использовать информацию, оперативно поступающую с геостационарного спутника нового поколения Himawari-8. Это обеспечило возможность оперативного получения постоянно обновляющейся информации (каждые 10 мин) и ее анализа для решения как оперативного мониторинга извержений, так задач исследования различных вулканических процессов с использованием данных квазинепрерывных спутниковых наблюдений. Подробно возможности созданной технологии описаны в работе. Внедрение созданной технологии фактически обеспечило исследователей новыми инструментами для исследования быстропротекающих вулканических процессов и позволило начать разработку новых методик для обработки и анализа спутниковых данных. В 2017 году эти возможности позволили получить уникальную информацию об одновременных извержениях нескольких вулканов Северной группы Камчатки, которые происходили в период с 14 по 18 июня 2017 года (рис.1).

Рис. 1. а) территория, на которую распространились пепловые шлейфы при извержениях нескольких вулканов Камчатки период 14-15 июня 2017 года по состоянию на 15:20 MSK б) непрерывные наблюдения яркостной температуры тепловой аномалии на вулкане Шевелуч в период с 14 по 18 июня 2017 года.

Также в 2017 году проводилась разработка и внедрение в систему различных инструментов анализа данных, необходимых для изучения вулканической активности Камчатки и Курил. В том числе были созданы инструменты расчета высоты облачного покрова, с помощью которого можно по данным метеорологических спутниковых систем (в том числе геостационарных спутников) оценивать в конкретных точках высоту облачности или пепловых шлейфов, выброшенных в атмосферу в результате извержений вулканов, и инструменты оценки интегральных характеристик пепловых шлейфов.

2016 год

Информационная система Вега-Приморье

"ВЕГА-Приморье" - информационная система комплексного дистанционного мониторинга лесов Приморского края, разработанная в рамках соглашения с администрацией региона. Информационная система "ВЕГА-Приморье" позволяет осуществлять спутниковый мониторинг лесов Приморского края с целью повышения эффективности использования лесных ресурсов, их охраны и защиты, сохранения биологического разнообразия наземных экосистем. Система обеспечивает возможность использования созданных в ИКИ РАН уникальных спутниковых технологий для решения задач мониторинга лесных пожаров и оценки их последствий, выявления участков вырубки лесов и их гибели от неблагоприятных природных факторов, оценки среды обитания животных. "Вега-Приморье" может служить основой для разработки комплексных систем мониторинга лесных ресурсов на уровне отдельных регионов и страны в целом.

Рисунок 1 - Пользовательский интерфейс Информационной системы комплексного дистанционного мониторинга лесов Приморского края "ВЕГА-Приморье"

2015 год

Разработка методов в оценки характеристик пепловых шлейфов с использованием данных дистанционного зондирования (совместно с ИВиС ДВО РАН и ВЦ ДВО РАН).

В рамках работ по разработке методов анализа данных в интересах системы мониторинга вулканической активности Камчатки и Курил (системы VolSatView) совместно специалистами ИКИ РАН, ИВиС ДВО РАН и ВЦ ДВО РАН разрабатывались инструменты, позволяющие проводить комплексный анализ данных для изучения пепловых щлейфов.

В 2015 году были созданы и интегрированы в VolSatView возможности, позволяющие проводить совместный анализ спутниковых данных (в том числе, продуктов их обработки, обеспечивающих выделение пепловых шлейфов), метеоинформации и результатов моделирования распространения пепловых шлейфов. Пример, одновременного отображения такой информации в VolSatView приведен на рис 1.

Рис.1. Пепловый шлейф вулкана Жупановский, наблюдавшийся 12 июля 2015 года в 10.20 GMT. Полутоновое изображение - данные прибора Modis (желтым и красным выделена зона шлейфа), точками - результаты моделирования, стрелками - ветер на уровне 600 мб.

2014 год

VEGA-GEOGLAM - информационная система глобального спутникового мониторинга
сельского хозяйства

Информационная система VEGA-GEOGLAM (http://vega.geoglam.ru/) разработана специалистами ИКИ РАН в поддержку, инициированной странами Большой Двадцатки, программы GEOGLAM по созданию системы глобального спутникового мониторинга сельского хозяйства. Система VEGA-GEOGLAM позволяет анализировать, получаемые в близком к реальному времени режиме, данные на сеть тестовых участков, расположенных в различных станах Евразии, Африке, Северной и Южной Америке с целью мониторинга и оценки состояния посевов различных культур и прогноза урожая. Система позволяет развивать работы по спутниковому мониторингу сельского хозяйства в различных регионах мира.

Сеть тестовых участков (показаны красными контурами) мониторинга сельского хозяйства, включенных в систему VEGA-GEOGLAM

Работа выполнена при поддержке проектов РАН и международного проекта SIGMA (проект Европейской комиссии).

2013 год

Многосенсорная автоматизированная технология спутникового картографирования
и оценки площади гарей в лесах России

Разработана автоматизированная технология картографирования и оценки площади лесных пожаров на всей территории России на основе совместного использования спутниковых данных различного пространственного разрешения, получаемых системами дистанционного зондирования MODIS и Landsat. Технология включает комплексирование трех типов оценок площади пожаров, отличающихся уровнями оперативности и точности. Оперативное детектирование пожаров осуществляется на основе спутниковых измерений температуры земной поверхности с пространственным разрешением 1 км. Последующее уточнение площади пожаров проводится по результатам анализа спектрально¬отражательных характеристик поверхности на основе спутниковых данных пространственного разрешения 230 м. Окончательная и наиболее точная оценка площади пожаров достигается за счет использования спутниковых данных пространственного разрешения 30 м. Технология предполагает комплексирование различных данных путем использования наиболее точной оценки из всех доступных на текущий момент времени. На основе разработанной технологии в 2013 году на территории России было выявлено 9,9 млн. га природных пожаров, в том числе 4,8 млн. га лесных площадей пройденных огнем. Технология функционирует в составе информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

Веб-интерфейс картографирования пожаров по данным Landsat

2012 год

Разработка спутникового web-сервиса мониторинга растительного покрова ВЕГА для проведения фундаментальных исследований биосферы и решения прикладных задач

Современные спутниковые системы обеспечивают непрерывный сбор данных о состоянии земной поверхности с различным временным и пространственным разрешением. Необходимость эффективного использования получаемых сверхбольших массивов спутниковых данных требует создания автоматизированных технологий их сбора, хранения, первичной обработки и тематического анализа, распространения результатов конечным, в первую очередь научным пользователям. При этом для проведения научных исследований необходимо обеспечить возможность работы с долговременными архивами спутниковых данных и результатами их обработки. Такие технологии позволяют ученым анализировать большие объемы данных с целью исследования динамики различных природных и антропогенных процессов.

В 2011-2012 годах ИКИ РАН создал спутниковый сервис ВЕГА (http://vega. smislab.ru), предназначенный для информационной поддержки решения широкого круга научных и прикладных задач мониторинга растительного покрова планеты, в том числе, лесов, тундры, сельскохозяйственных земель и т.д.. Сервис Вега обеспечивает возможность работы с непрерывно пополняющимися архивами спутниковых данных, получаемыми преимущественно из открытых источников, в качестве основных из которых на настоящем этапе выступают системы Terra/Aqua¬MODIS и Landsat-TM/ETM+. В дальнейшем предполагается включение в сервис данных перспективных систем NPP, Landsat-8, Sentinel-2, Конопус-В, Метео-М. Сервис Вега обеспечивает возможность работы с однородными рядами спутниковых данных на всей территории России и пограничных стран за период с 2000 года по настоящее время. Автоматизированные технологии предварительной обработки данных MODIS позволяют очищать их от влияния облаков и строить непрерывные временные ряды спектральных вегетационных индексов, тесно коррелирующих с объемом и состоянием зеленой биомассы. Использование указанных данных позволило разработать методы мониторинга растительности, основанные на анализе сезонной и многолетней динамики временных рядов спектральных вегетационных индексов. Созданные методы положены в основу технологий картографирования растительного покрова и оценки повреждений лесов пожарами. Инструменты анализа данных в составе сервиса ВЕГА обеспечивают следующие функциональные возможности:

Комплексный анализ спутниковых данных различного пространственного разрешения и результатов их обработки, картографических и атрибутивных данных;
Оценка многолетней динамики спектрального вегетационного индекса для определения причин и времени изменений растительного покрова;
Возможность описания различных объектов и анализа динамики их состояния;
Временной и пространственный анализ информационных продуктов, полученных на основе спутниковых данных;
Построение статистических характеристик и формирование аналитических форм, характеризующих состояние растительности лесов на выбранных участках.

Рис.1 Картографический интерфейс сервиса ВЕГА с изображением карты растительного
покрова России

Рис.2 Пример совместного анализа сезонной динамики спектрального вегетационного индекса и метеорологических характеристик в инструментальной среде сервиса ВЕГА

2011 год

Автоматизированный метод картографирования растительного покрова России на основе данных дистанционного зондирования Земли со спутников

Разработан новый автоматизированный метод картографирования растительного покрова на основе данных спутниковых наблюдений спектрорадиометром MODIS. В основу метода положено использование предварительно очищенных от влияния облаков и других мешающих факторов многолетних временных серий данных спутниковых измерений спектрально-отражательных характеристик земного покрова с автоматическим распознаванием его типов на основе алгоритма локально-адаптивной классификации. Метод обеспечивает возможность унифицированного картографирования растительного покрова больших территорий без необходимости предварительной стратификации, что открывает потенциальную возможность его использования для создания карт растительного покрова любого, вплоть до глобального, географического охвата.
Использование метода позволило создать на основе данных спектрорадиометра MODIS новую карту растительного покрова России TerraNorte RLC с пространственным разрешением 250 м. Легенда карты включает в себя 22 тематических класса, 18 из которых характеризуют различные типы растительности, выделенные с учетом их жизненных форм, типов вегетативных органов и фенологической динамики.

Разработанный метод позволяет создать автоматическую технологию динамического спутникового картографирования и сформировать на ее основе временную серию ежегодных карт растительного покрова России за период с 2000 года по настоящее время.

Временная серия картрастителъного покрова России по данным Terra-MODIS

2010 год

Разработка автоматической технологии выявления по спутниковым данным регионов с аномальными изменениями растительности

В ИКИ РАН разработана автоматическая технология выявления аномальных изменений состояния растительности на основе имеющихся уникальных многолетних временных архивов данных спутниковых наблюдений по территории России. Технология использована для анализа состояния лесов и сельскохозяйственных посевов в условиях экстремальной засухи лета 2010 года. Выявлены регионы с пострадавшими посевами и проведена оценка их площадей для всех административных районов России. Анализ спутниковых данных позволил оценить изменения состояния лесов под воздействием засухи, которые впервые за последние десять лет наблюдаются на территории России.

Разработана автоматическая технология выявления аномальных изменений состояния растительного покрова на основе использования многолетних временных рядов данных спутниковых наблюдений. В качестве индикатора состояния растительности используется определяемый по спутниковым данным вегетационный индекс NDVI, получаемый на основе данных прибора MODIS и степень его отклонения от среднего многолетнего поведения. В основу технологии легли разработки ИКИ РАН, обеспечивающие полностью автоматизированную обработку спутниковых данных и ведение их архивов. Они позволили создать в ИКИ РАН уникальные многолетние архивы спутниковых наблюдений по территории России, осуществить их обработку и построить многолетние "нормы" поведения растительности, которые и легли в основу разработанной технологии выявления аномальных изменений.

Указанная технология была использована для оперативного анализа состояния лесов и сельскохозяйственных посевов в Европейской части России в условиях экстремальной засухи лета 2010 года. Проводился еженедельный автоматизированный анализ информации с середины июня, когда были выявлены первые изменения посевов связанных с засухой, до конца сезона вегетации. В конце сезона вегетации была проведена оценка площадей пострадавших от засухи посевов во всех административных районах России. Полученные данные использовались для анализа ситуации на рынках зерна не только специалистами МСХ России, но и Департаментом сельского хозяйства Европейской комисси.

Результаты спутниковой оценки площади посевов (%), пострадавших от засухи 2010 года в разрезе административных районов
Следует особо отметить, что наблюдавшаяся засуха вызвала не только массовую гибель сельскохозяйственных посевов, но и привела к аномальным изменениям состояния лесов. Выполненный ИКИ РАН анализ спутниковых данных позволил выявить в ряде регионов Европейской части России изменения состояния лесов, впервые наблюдаемые на территории страны за период регулярных спутниковых съемок.
Для работы с оперативно обновляющейся информацией о состоянии растительности в различных регионах России в рамках информационной системы TerraNorte (http://terranorte.iki.rssi.ru/ ), которая создается и поддерживается ИКИ РАН создан раздел, доступ к которому можно получить по адресу по адресу http://193.232.9.72/terranorte/index.sht. Пользователи системы имеют возможность анализировать отклонения текущего состояния растительного покрова от его среднего за последнее десятилетие фенологического поведения.

Выявленная по спутниковым данным зона аномального состояния лесов по состоянию на 15.08.2010. На карте показаны районы, в которых величина вегетационного индекса на покрытых лесом территориях, опустилась ниже среднемноголетнего значения на 10% (розовый цвет) и на 30% (красный цвет).

2009 год

Разработка автоматического метода и технологии динамического картографирования наземных экосистем по данным спутниковых наблюдений. Создание карты наземных экосистем Северной Евразии по данным среднего пространственного разрешения.

За отчетный период проведено усовершенствование технологии локально¬адаптивной обучаемой классификации типов наземных экосистем по спутниковым данным. В частности, внедрено использование детальных баз данных априорных вероятностей встречаемости типов наземных экосистем. Это обеспечило возможность на этапе классификации по композитным изображениям MODIS в полной мере использовать тематические продукты, полученные с помощью специализированных алгоритмов выявления некоторых типов земного покрова. Созданные базы данных получены методами анализа временных рядов спутниковых наблюдений (выявление пройденных огнем территорий) и с помощью средств ГИС-анализа (границы зон тундры, степи, участки повреждения лесов насекомыми и др.), а также на основе экспертных знаний о пространственном распределении наземных экосистем.

Вычислительный комплекс локально-адаптивной обучаемой классификации был оптимизирован для многократной классификации исследуемой территории. Данная возможность необходима для эффективной организации работы по совершенствованию продукта картографирования путем экспертного поиска ошибок, модификации обучающих данных и повтора классификации. Удалось сократить затраты времени на классификацию путем выделения участков изменений и ограничения объема вычислений, что сделало возможным регулярное получение текущих версий продукта картографирования. Для управления классификацией и доступа к результатам вычислительный комплекс оснащен web-интерфейсом.

Завершена работа над первой версией карты растительности России с пространственным разрешением 250 м, полученной по данным прибора Terra- MODIS 2005 г. При классификации использованы очищенные от влияния облачного и снежного покрова помесячные композитные изображения. В качестве источников для обучения использованы карта наземных экосистем Северной Евразии, полученная по спутниковым данным прибора SPOT- Vegetation с пространственным разрешением 1 км, карта лесов СССР, циркумполярная карта арктической растительности и другие источники. Легенда новой карты состоит из 21 типа земного покрова, в том числе 8 типов лесной растительности.

Рис. Карта растительности России по данным MODIS

Проведена экспериментальная оценка возможности картографирования многолетней динамики растительного покрова территории России. С использованием обучающих баз данных, подготовленных в рамках разработки карты растительности России 2005 г., было проведено ретроспективное картографирование растительности на основе классификации композитных изображений MODIS 2002 г. Исследование подтвердило принципиальную возможность повторения результата картографирования на многолетних временных сериях спутниковых изображений. В настоящее время ведется разработка методики дифференциации обнаруженных изменений по основным категориям, включая процессы повреждения, восстановления и замещения типов растительности, а также детектирования ложных изменений, связанных с вариациями условий спутниковых наблюдений.

2008 год

Многолетняя циркумполярная база данных о повреждениях бореальных экосистем пожарами на основе использования данных спутниковых наблюдений.

Впервые в мировой практике разработана многолетняя циркумполярная база данных о воздействии пожаров на бореальные экосистемы на основе комбинированного использования данных спутниковых наблюдений SPOT-Vegetation и Terra/Aqua-MODIS. База данных охватывает регионы Северной Евразии и Северной Америки и позволяет получать динамическую информацию о повреждениях растительности огнем в период 2000-2004 годов с пространственным разрешениям 1 км и частотой 1 раз в десять дней. Разработанный автоматический метод обеспечивает возможность регулярного обновления и дополнения базы данных по мере поступления и обработки спутниковых изображений. Созданная база данных открывает уникальную возможность объективной оценки, связанных с пожарами, эмиссий углерода и других тепличных газов в атмосферу, и проведения исследований в области глобальных изменений климата.

Рис. Повреждения бореальных экосистем пожарами в 2000-2004 годах по данным спутникового инструмента SPOT-Vegetation

2007 год

Технология использования данных, поступающих со спутниковых РЛС.

В 2007 году в рамках работ по созданию и развитию Отраслевой системы мониторинга рыболовства (ОСМ), которые ведутся в ИКИ РАН совместно с другими организациями (в первую очередь с ФГУ КЦСМ, ФГУ «Нацрыбресурс», ЗАО «Транзас», ФГУ МРЦМ и др.) начиная с 1999 года, прошла опытную эксплуатацию технология использования данных, поступающих со спутниковых РЛС для осуществления независимого контроля позиционирования судов. Тестирование технологии осуществлялось совместно с Камчатским центром связи и мониторинга. Проведенная опытная эксплуатация показала, что технология готова к практическому внедрению в ОСМ.

В настоящее время с технологией ознакомлены пользователи ОСМ, в частности ФПС ФСБ РФ, которые дали предлагаемой технологии высокою оценку.

Пример сопоставления данных полученных от спутникового радиолокатора с данными позиционирования судов.

2006 год

Начиная с 1999 года, в рамках различных проектов в ИКИ РАН совместно с другими организациями (в первую очередь с ФГУ КЦСМ, ФГУ «Нацрыбресурс», ЗАО «Транзас», ФГУ МРЦМ и др.) проводились работы по созданию методов и технологий в интересах отраслевой системы мониторинга Федерального агентства по рыболовству (ОСМ). На основе этих разработок в рамках ОСМ в 2002 году была создана и введена в эксплуатацию система информационных узлов в организациях пользователях ОСМ. Система обеспечила оперативную актуализацию и доступ к информации различных пользователей.

В 2006 году после доработки данной технологии в интересах ФПС ФСБ РФ были создана и введена в эксплуатацию система информационных узлов и мобильных рабочих мест, обеспечивающих оперативную работу с информацией системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов. Следует отметить, что созданная система обеспечила возможность работы с информацией не только стационарных, но и мобильных пользователей (находящихся, в частности, на инспекторский судах). Ввод в эксплуатацию системы информационных узлов и мобильных рабочих мест позволил обеспечить подразделения пограничной службы оперативным доступом к информации, необходимой для принятия управленческих решений по контролю за промысловой деятельностью в экономической зоне России.

Один из интерфейсов, обеспечивающий работу с информацией системы мониторинга водных биоресурсов, наблюдения и контроля за деятельностью промысловых судов

2005 год

ИСДМ-Рослесхоз

Начиная с 1996 года, в рамках различных проектов в ИКИ РАН совместно с другими организациями (в первую очередь с ФГУ «Авиалесоохрана», ЦЭПЛ РАН, ИСЗФ СО РАН, СПбНИИЛХ) проводились работы по созданию методов и технологий спутникового мониторинга лесных пожаров. На основе этих разработок в 2003 году были начаты работы по созданию информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ Рослесхоз). В 2005 году система была введена в промышленную эксплуатацию.

Система является распределенной и покрывает в настоящее время практически всю территорию России. Расположение центров, работающих в настоящее время в интересах системы, представлено на рис. 1.

В настоящий момент основными задачами ИСДМ Рослесхоз являются:

Сбор данных о регистрации пожаров на охраняемой и не охраняемой территориях;
Сбор данных о состоянии окружающей среды, необходимых для организации работ по обнаружению и тушению лесных пожаров;
Сбор информации, необходимой для проведения оценок последствий действия лесных пожаров;
Автоматизированная оперативная обработка данных с целью построения информационных продуктов, необходимых для принятия управленческих решений при организации и проведении работ по обнаружению и тушению лесных пожаров;
Оперативное предоставление информации, необходимой для принятия управленческих решений;
Оценка последствий действия лесных пожаров по данным дистанционных наблюдений;
Оценка предотвращенного ущерба от лесных пожаров;
Организация оперативного и долговременного хранения данных о регистрации пожаров, состоянии окружающей среды и последствиях действия лесных пожаров;

Основные пользователи ИСДМ Рослесхоз

ИСДМ Рослесхоз рассчитана на обеспечение информацией следующих основных пользователей:

Аппарат Министерства природных ресурсов;
Аппарат Федерального агентства лесного хозяйства;
Подразделения службы авиационной охраны лесов России (АЛО);
Федеральные и региональные службы и организации, участвующие в охране и защите лесов от пожаров;
Главные управления природных ресурсов в Федеральных округах и субъектах Российской Федерации;
Аппарат заинтересованных служб и ведомств, ответственных за мониторинг и охрану окружающей среды;
Отраслевые институты и научные организации;
Аппарат и региональные представительства Министерства по ГО и чрезвычайным ситуациям Российской Федерации.

В состав ИСДМ Рослесхоз входят следующие основные элементы:

Система сбора информации о горимости лесов по данным наземных и авиационных наблюдений (Центральная и региональные базы авиационной охраны лесов - предприятия ФГУ "Авиалесоохрана");
Центры приема и оперативной обработки данных ФГУ «Авиалесоохрана»;
Комплексы оперативной обработки спутниковых данных в интересах ИСДМ Рослесхоз, установленные в специализированных центрах приема;
Система получения данных о регистрации молниевых разрядов;
Система автоматического получения метеоинформации из организаций Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
ГИС АЛО федерального, окружного и регионального уровней;
Система автоматической подготовки оперативной отчетности на основе наземных, авиационных и спутниковых данных;
Автоматизированная система обработки спутниковых данных для получения оценок площадей, пройденных огнем, за пожароопасный сезон;
Распределенная система хранения данных;
Система представления информации о горимости лесов удаленным пользователям в составе информационных серверов и блока автоматического обмена данными;
Блок удаленного контроля работоспособности элементов системы.

В 2005 году был создан и внедрен в систему блок автоматического формирования отчетных форм, который позволил в полностью автоматическом режиме формировать отчетность о действующих пожарах и их последствиях. Данная отчетность в настоящее время является основной для неохраняемых территорий (территории космического мониторинга уровня 2) и эпизодически охраняемых территорий (территории космического мониторинга уровня 1).

В настоящее время созданная система также рассматривается как одна из базовых систем для формирования отчетности в рамках Киотского соглашения.

Центры сбора, обработки и распространения данных, работающие в интересах ИСДМ Россельхоз

2004 год

ИСДМ-Рослесхоз

Начиная с 1996 года, в рамках различных проектов в ИКИ РАН совместно с другими организациями (в первую очередь с ФГУ «Авиалесоохрана», ЦЭПЛ РАН, ИСЗФ СО РАН, СПбНИИЛХ) проводились работы по созданию методов и технологий спутникового мониторинга лесных пожаров. На основе этих разработок в 2003 году были начаты работы по созданию информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров МПР РФ (ИСДМ МПР РФ). Головной организацией по созданию системы и вводу ее в промышленную эксплуатацию стал ИКИ РАН. В 2004 году все основные элементы системы были введены в промышленную эксплуатацию. Архитектура системы представлена на рис. 1.

В настоящий момент основными задачами ИСДМ МПР РФ являются:

Сбор данных о регистрации пожаров на охраняемой и не охраняемой территориях;
Сбор данных о состоянии окружающей среды, необходимых для организации работ по обнаружению и тушению лесных пожаров;
Сбор информации, необходимой для проведения оценок последствий действия лесных пожаров;
Автоматизированная оперативная обработка данных с целью построения информационных продуктов, необходимых для принятия управленческих решений при организации и проведении работ по обнаружению и тушению лесных пожаров;
Оперативное предоставление информации, необходимой для принятия управленческих решений;
Оценка последствий действия лесных пожаров по данным дистанционных наблюдений;
Оценка предотвращенного ущерба от лесных пожаров;
Организация оперативного и долговременного хранения данных о регистрации пожаров, состоянии окружающей среды и последствиях действия лесных пожаров.

Основные пользователи ИСДМ МПР РФ ИСДМ МПР РФ рассчитана на обеспечение информацией следующих основных пользователей:

Аппарат Министерства природных ресурсов;
Аппарат Федерального агентства лесного хозяйства;
Подразделения службы авиационной охраны лесов России (АЛО);
Федеральные и региональные службы и организации, участвующие в охране и защите лесов от пожаров;
Главные управления природных ресурсов в Федеральных округах и субъектах Российской Федерации;
Аппарат заинтересованных служб и ведомств, ответственных за мониторинг и охрану окружающей среды;
Отраслевые институты и научные организации;
Аппарат и региональные представительства Министерства по ГО и чрезвычайным ситуациям Российской Федерации.

В состав ИСДМ МПР РФ входят следующие основные элементы:

Система сбора информации о горимости лесов по данным наземных и авиационных наблюдений (Центральная и региональные базы авиационной охраны лесов - предприятия ФГУ "Авиалесоохрана");
Центры приема и оперативной обработки данных ФГУ «Авиалесоохрана»;
Комплексы оперативной обработки спутниковых данных в интересах ИСДМ МПР РФ, установленные в специализированных центрах приема;
Система получения данных о регистрации молниевых разрядов;
Система автоматического получения метеоинформации из организаций Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
ГИС АЛО федерального, окружного и регионального уровней;
Система автоматической подготовки оперативной отчетности на основе наземных, авиационных и спутниковых данных;
Автоматизированная система обработки спутниковых данных для получения оценок площадей, пройденных огнем, за пожароопасный сезон;
Распределенная система хранения данных;
Система представления информации о горимости лесов удаленным пользователям в составе информационных серверов и блока автоматического обмена данными;
Блок удаленного контроля работоспособности элементов системы.

Опытная эксплуатация ИСДМ МПР РФ показала ее полную работоспособность. Информация, предоставляемая пользователям данной системой, позволяет решать различные задачи, связанные с организацией обнаружения и тушения пожаров (пример данных, на которых хорошо виден крупный лесной пожар в Курганской области 16.05.2004 приведен на рис. 2.), а также с оценкой их последствий. Система может также служить основой для организации мониторинга различных природных и антропогенных процессов, идущих в лесах России. Особое значение она имеет для оценки последствий действия пожаров и связанных с ними выбросов углерода. В 2005 году планируется поэлементное введение системы в промышленную эксплуатацию.

Рис 2. Крупный лесной пожар в Курганской области 16.05.2004

2003 год

Начиная с 2002 года в ИКИ РАН активно проводились работы по созданию методов и технологий спутникового мониторинга состояния растительности. В рамках этих работ разрабатывались как технологии сбора, обработки и представления данных, так и метода и алгоритмы анализа данных. Разработки были ориентированы в основном на использование данных среднего и низкого разрешения получаемых со спутников NOAA, Terra, Aqua, Spot, Landsat и Метеор 3М. Разработанные технологии и методы обработки этих данных позволили в 2003 году приступить к работам по созданию промышленных систем спутникового мониторинга состояния растительного покрова для решения прикладных задач. Так совместно с ГВЦ Министерства сельского хозяйства РФ (МСХ РФ) был создан действующий макет автоматизированной системы сбора, обработки и интеграции в отраслевую ИС данных спутникового мониторинга сельскохозяйственных районов. В рамках этих работ был организован постоянный спутниковый мониторинг Ростовской области и разработаны методики построения оперативных оценок состояния сельскохозяйственных земель. Планируется что разработанная система и методики будут использованы для построения системы спутникового мониторинга селькохозяйственной деятельности в интересах МСХ РФ.

Пример интерфейса для доступа к данным действующего макета спутникового мониторинга

2002 год

С 1996 по 2002 год ИКИ РАН совместно с ЦЕПЛ РАН, ИСЗФ СО РАН и Центральной базой авиационной охраны лесов России проводились работы по созданию системы спутникового мониторинга лесных пожаров. С 1998 года система поэтапно внедрялась в опытную эксплуатацию. В 2002 году в рамках этих работ при поддержке TACIS в Центральной и Иркутской авиабазах были созданы центры приема и обработки спутниковых данных. Методы, технологии и программное обеспечение разработанное в ИКИ РАН для приема обработки и распространения спутниковых данных позволили создать в этих центрах полностью автоматизированные системы обработки и представления данных. Это позволило в 2002 году фактически начать промышленную эксплуатацию создаваемой системы (см http://www.nffc.aviales.ru). Пример одного из оперативных продуктов представляемых системой для оценки уровня задымленности приведен на рисунке.

Пример действующих пожаров в Московской области в 2002 году

2001 год

1. В 2000-2001 году по заказу Камчатского центра связи и мониторинга в ИКИ проводилась разработка программно-технической и коммуникационной среды информационных узлов в организациях пользователях отраслевой системы мониторинга. В 2001 году в рамках этой работы в 16 организациях государственного комитете по рыболовству были установлены информационные узлы, позволяющие оперативно получать информацию по работе рыболовного флота в Дальневосточном регионе и проводить анализ и обработку этих данных в интересах контроля и планирования промысла. Узлы установлены в следующих городах
Петропавловск-Камчатский, Магадан, Южно-Сахалинск, Хабаровск, Владивосток, Москва, Санкт. Петербург. Весь обмен данными в между центрами системе осуществляется полностью автоматически с помощью системы разработанной в ИКИ РАН на основе современных ИНТЕРНЕТ-технологий. Внедрение созданной системы позволило начать широкое использование возможностей системы оперативного мониторинга рыболовного флота. В настоящий момент находится в опытной эксплуатации.

2. В 2001 году в Камчатском центре связи и мониторинга создан действующий макет полностью автоматизированного центра приема и обработки данных метеорологических спутников. В центре создана автоматизированная система обработки данных позволяющая принимать, архивировать и обрабатывать данные, а также совмещать и совместно анализировать информацию полученную в результате обработки спутниковых данных и оперативную информацию о положения и работе промысловых судов.

2000 год

В период 1996-2000 гг. совместно с Международным институтом леса и ИСЗФ СО РАН была разработана и внедрена на Центральной базе авиационной охраны лесов России (Авиалесоохрана) система оперативного доступа пользователей к спутниковым данным и результатам их обработки (http://nffc.infospace.ru). Система позволила в течение четырех сезонов 1997-2000 гг. ежедневно проводить оперативный спутниковый мониторинг практически всей территории России. Информация, получаемая в результате этого мониторинга, постоянно используется сегодня при планировании работ по организации контроля и тушения лесных пожаров. В 2000 году проводилась модернизация системы с целью внедрения в центральной и Иркутской авиабазах полностью автоматизированных систем приема и обработки спутниковых данных начало опытной эксплуатации этих систем планируется в летний период 2001 года.
Организации участвующие в разработке: ИКИ РАН, МИЛ, ИСЗФ СО РАН Центральная база авиационной охраны лесов России "Авиалесоохрана".

В 2000 г. в центрах сбора и обработки спутниковых данных ЦПИ Росавиакосмос и НИЦ "Планета" была внедрена технология автоматической каталогизации спутниковых данных, поступающих со спутника ОКЕАН-О (http://resurs.cpi.space.ru, http://sputnik.infospace.ru).
Организации, участвующие в разработке: ИКИ РАН, ЦПИ Росавиакосмос

В период с 1997 по 2000 гг. совместно с Гидрометцентром РФ разрабатывались технологии организации оперативного доступа пользователей к данным прогнозов погоды. Для этого была создана ИС "Погода России" (http://meteo.infospace.ru). Система сегодня обеспечивает более чем 3000 пользователям в день оперативный доступ к информации о погоде на территории России, стран бывшего СССР, Европы и Японии. Для системы разработан также специальный механизм, позволяющий осуществлять оперативную передачу данных в различные специализированные ИС. Этой возможностью сегодня пользуется около 20 таких ИС. В течение 2000 года система постоянно функционировала и развивалась. В частности, в 2000 году создана и отработана полностью автоматизированная технология оперативного БД фактических метеоданных.
Организации, участвующие в разработке: ИКИ РАН, Гидрометцентр РФ

В период с 1999 по 2000 год совместно с Камчатским центром связи и мониторинга проводилась разработка информационной системы обеспечивающей работу с данными отраслевой системы мониторинга судов. В 2000 году система была введена в опытную эксплуатацию. Сегодня система позволяет оперативно автоматически получать данные, обрабатывать и организовывать хранение данных о положении и состоянии более чем 1500 судов ведущих промысел в районах Дальнего Востока. Система также обеспечивает доступ к данным удаленных пользователей. (http://www.kccm.ru)
Организации, участвующие в разработке: ИКИ РАН, Камчатский центр связи и мониторинга.

Дополнительную информацию Вы можете получить по e-mail: info@smis.iki.rssi.ru и по телефону: (495) 333-5313

Вопросы и комментарии о работе Вы можете направлять на e-mail: webmaster@smis.iki.rssi.ru

создание сайта - TXL