разработка методов и создание экспериментального образца

Министерство образования и науки Российской Федерации
Российская академия наук
Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга
«АЭРОКОСМОС»
Соглашение № 14.577.21.0110 от 8 сентября 2014г.
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА АНТРОПОГЕННЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ШЕЛЬФОВЫЕ ЗОНЫ ЧЕРНОМОРСКОГО
ПОБЕРЕЖЬЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, ВКЛЮЧАЯ КРЫМСКИЙ
ПОЛУОСТРОВ, НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ И КОНТАКТНЫХ
ДАННЫХ
академик БОНДУР В.Г. – директор НИИ «АЭРОКОСМОС»
Научно-практическая конференция «Реализация прикладных научных исследований
и экспериментальных разработок по приоритетному направлению «Рациональное
природопользование» в 2014 году в рамках федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»»
26 ноября 2014 г., Москва, Россия
105064, Россия, г.Москва, Гороховский пер., д.4
Тел.: 632-16-54, факс: 632-11-78
E-mail: [email protected]
www.aerocosmos.info
ЦЕЛИ ПРОЕКТА
1 Разработка и экспериментальная отработка методов и технологий
комплексного наземно-космического мониторинга прибрежных акваторий
российского шельфа, в том числе Крымского полуострова и
г.
Севастополь,
для
обеспечения
экологической
безопасности,
рационального природопользования и снижения уровня антропогенной
нагрузки на морские экосистемы.
2 Исследование и разработка научно-технологических решений,
направленных на создание экспериментального образца региональной
системы сбора и обработки космических и наземных данных для
мониторинга антропогенных и природных воздействий на акватории
черноморского побережья Российской Федерации, в том числе у
Крымского полуострова и г. Севастополь, в интересах предотвращения их
загрязнения.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
АКТУАЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА
ИСТОЧНИКИ АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА
ПРИБРЕЖНЫЕ АКВАТОРИИ:
• промышленное производство;
• добыча полезных ископаемых и углеводородного
Промышленное
производство
Пожар на морском
транспорте
Рыболовство
сырья;
• сброс промышленных и хозяйственных вод;
• поступление с суши различных веществ,
применяемых в сельском и лесном хозяйствах;
• преднамеренное захоронение в море
загрязняющих, радиоактивных веществ;
• аварии на морском транспорте и военных
кораблях;
• аварийные выбросы с подводных трубопроводов;
• туристическая и рекреационная деятельность;
• перенос загрязняющих веществ через атмосферу.
Воздействие на прибрежные акватории
Перенос загрязняющих
веществ через атмосферу
Нефтяные загрязнения
Пожар на нефтяном танкере
Нефтяная платформа
Бондур В.Г. В книге: Новые идеи в океанологии. Москва: Наука. 2004.; Bondur V. Complex Satellite Monitoring of Coastal Water Areas / 31st ISRSE, 2006
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
АКТУАЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА
Большинство акваторий Черного моря ( в том числе Крымского шельфа),
загрязнены и находятся под постоянно нарастающей антропогенной
нагрузкой (наличие крупных портов, обширных сельскохозяйственных
угодий, транспортировка углеводородов, интенсивная рекреационная
деятельность, устаревшие очистные системы и др. ).
Существующие методы и технологии не позволяют осуществлять
эффективный мониторинг этих акваторий.
Экосистема Севастопольской бухты наиболее сильно ощущает на себе
антропогенное влияние, так как представляет собой узкую вытянутую
акваторию с замедленным водообменом, с расположенным на побережье
городом.
Балаклавская бухта является уникальным природным объектом,
который выполняет не только биологические задачи, но и является важной
частью эстетического образа самой Балаклавы
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ОСНОВНЫЕ ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Принципы, методические подходы, методы и технологии сбора и
комплексной обработки различных спутниковых и контактных данных,
формируемых при мониторинге прибрежных акваторий черноморского
шельфа РФ.
2. Экспериментальный образец региональной системы сбора и
обработки космических изображений и контактных данных для оценки
антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий.
3. База данных дистанционных и контактных наблюдений для
тестовых участков.
4. Обоснованные рекомендации по обеспечению рационального
природопользования, экологической безопасности и снижению уровня
негативного воздействия природных и антропогенных факторов на
состояние прибрежных акваторий черноморского шельфа РФ, в том числе
у Крымского полуострова.
Прогнозируется значительное влияние планируемых результатов на
развитие научно-технических и технологических направлений, связанных
с комплексным мониторингом прибрежных акваторий.
Кроме этого, результаты выполнения проекта в перспективе окажут
влияние на Российский рынок геоинформационных технологий и услуг.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
РЕШАЕМЫЕ КЛЮЧЕВЫЕ ЗАДАЧИ
1. Разработка новых подходов к комплексному наземнокосмическому мониторингу состояния прибрежных черноморских
акваторий шельфовых зон морей России, обеспечивающих более
высокую оперативность (до 2-3 часов) и достоверность полученных
результатов, за счет совместного использования данных,
полученных в различных участках оптического и радиодиапазонов
спектра электромагнитных волн, и данных контактных измерений.
2. Разработка методов спектрального анализа космических
оптических и радиолокационных изображений, а также результатов
контактных измерений, позволяющих определять значимые
характеристики прибрежных акваторий и исследовать различные
процессы, происходящие на морской поверхности и в толще воды
для выявления негативных воздействий на водную среду
шельфовых зон с учетом случайного характера морского волнения
при съемке в любых погодных условиях.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
РЕШАЕМЫЕ КЛЮЧЕВЫЕ ЗАДАЧИ (продолжение)
3. Разработка новых методов, основанных на совместном
использовании и комплексной обработке разнотипных спутниковых
изображений и данных контактных измерений, позволяющих сочетать
высокое пространственное разрешение оптических (до 1 метра на
местности), всепогодность и широкий охват (полоса обзора до 500 км)
радиолокационных
систем,
достоверность
и
надёжность
подспутниковых данных и регистрировать большее число значимых
параметров водной среды за счет использования различных
физических принципов этих методов.
4. Обеспечение регистрации более широкого набора значимых
параметров водной среды с пространственным разрешением до 1
метра и увеличением частоты измерений до нескольких раз в сутки за
счёт комплексного использования разнотипных разнодиапазонных
космических данных и данных контактных измерений.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
РЕУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА 1-м ЭТАПЕ ПРОЕКТА
На первом этапе получены следующие основные результаты:
- Выполнен аналитический обзор (п. 1.1 ПГ), показавший, что проблематика
проекта исследована только в некоторых аспектах. Наименее
исследованным и, вместе с этим, перспективным является основное
выбранное направление ПНИ – комплексная обработка данных наземных
и космических измерений и построение региональных систем
мониторинга состояния прибрежных акваторий.
- Проведён выбор и обоснование направления исследований (п. 1.2 ПГ).
- Разработаны варианты проведения экспериментальных исследований и
варианты построения Экспериментального образца системы мониторинга.
Рассмотрены
и
проанализированы
варианты
организации
автоматизированных рабочих мест Экспериментального образца системы
мониторинга
- Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96.
Произведен подбор и предоставление архивных космических
изображений для выбранных участков черноморского побережья
Российской Федерации, в том числе в районе Крымского полуострова
(фаза 1).
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Методы и технологии комплексного наземно-космического
мониторинга прибрежных акваторий российского шельфа, в том
числе Крымского полуострова и г. Севастополь, будут основаны на
анализе
пространственной
и
временной
изменчивости
характеристик границы раздела атмосфера-гидросфера в условиях
возрастающих антропогенных воздействий, в том числе :
• пространственной
и
временной
изменчивости
структуры
поверхностного волнения и характеристик приповерхностного
исследуемых акваторий , а также поверхностной температуры;
• областей антропогенного загрязнения прибрежных вод на
различных тестовых участках акваторий Черного моря, в том числе
в местах расположения глубинных стоков.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ:
ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОСМИЧЕСКИХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
• Значительную роль в изучении пространственной и временной
изменчивости
поверхностного
волнения
играют
двумерные
пространственные спектры, которые позволяют анализировать
различные процессы, происходящие в водной толще, а также
получать информацию о полях ветра над морской поверхностью.
• Для получения пространственных спектров поверхностного
волнения будут применяться оптические изображения, позволяющие
регистрировать мгновенные распределения полей яркости на
относительно больших площадях с высоким пространственным
разрешением, а также радиолокационные изображения, позволяющие
регистрировать резонансные ( брэгговские ) компоненты волн.
• Предлагаемые подходы основаны на использовании методов
восстановления
характеристик
границы
раздела
атмосферагидросфера по данным дистанционного зондирования, в том числе по
оптическим и радиолокационным изображениям
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПРИМЕРЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ МОРСКОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПО СПЕКТРАМ ОПТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Изображение чистой
морской поверхности
Изображение с
пленкой ПАВ
Бондур, 2004
Фрагменты
изображений
Двумерные
пространственн
ые спектры
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
Медианная
фильтрация
спектров
Сечения спектров
ВЫЯВЛЕНИЕ ЭФФЕКТОВ ГЕНЕРАЦИИ «КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИХ»
СПЕКТРАЛЬНЫХ ГАРМОНИК МЕТОДОМ ДПЧС
Сопоставление спектров, полученных по космическим
изображениям (спутник IKONOS, ∆r = 1 м) и с помощью
волнографов.
Дополнительные спектральные гармоники,
вызванные высокочастотными внутренними
Волнами λ1 = 55 м, λ2 = 110 м
*В.Бондур. 2004, 2011,
Волновой буй
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
Установка волнового
буя
←
ПРЕДЛАГАЕМЫЕ МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ:
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА МОРЕЙ И ОКЕАНОВ
Методы основаны на учете особенностей рассеяния радиоволн
поверхностным волнением
При исследовании океана с помощью радиолокаторов,
установленных на аэрокосмических носителях используются
следующие эффекты:
• изменение
спектрального
состава
ветрового
волнения,
проявляющегося в гашении или генерации волн, что фиксируется
радиолокатором как изменение уровня сигнала;
• динамические изменения на морской поверхности, приводящие к
доплеровскому изменению частоты сигналов РЛС при появлении
локальных течений, обусловленных проявлениями различных
глубинных процессов и явлений;
• локальные изменения диэлектрической проницаемости морской
воды, вызванные различными факторами.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ОБРАБОТКА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Анализ состояния морской поверхности
Исходное изображение
RADARSAT-2
Фрагмент изображения
Восстановление картины ветрового волнения
Пространственно-частотный
спектр фрагмента
Определение доминирующих систем
ветровых волн по спектральным
максимумам
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ФРАГМЕНТОВ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
а – чистая морская поверхность; б,в – проявления внутренних волн; г,д,е – двумерные
пространственные спектры; ж,з,и – сечения спектров в выбранных направлениях
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ОБОБЩЁННАЯ БЛОК-СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ОБРАЗЦА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПОДСПУТНИКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Сформирован предварительный перечень технических средств,
которые будут использоваться на выбранных тестовых участках
во время комплексных наземно-космических экспериментов.
Основные из них :
- акустические профилометры ADCP;
- СTD-зонды;
- волнографы;
- фотоколориметры;
- лазерные локаторы;
- спектральные измерители рассеяния;
- видеокамеры (стеросъёмка);
- радиолокационные комплексы;
- титраторы;
- система проточной цитометрии;
- автоматические цифровые
метеостанции и др.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ВЫБРАННЫЕ ТЕСТОВЫЕ УЧАСТКИ
Тестовый участок
«Севастополь»
Тестовый участок
«Кацивели»
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
Тестовый участок
«Геленджик»
ОСОБЕННОСТИ ТЕСТОВОГО УЧАСТКА «ГЕЛЕНДЖИК»
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПОДДЕРЖКА ИНДУСТРИАЛЬНОГО ПАРТНЁРА
Работы, выполняемые индустриальным партнером:
- Подбор и предоставление архивных космических изображений
для выбранных участков;
- Оформление охранных документов на РИД
- Оперативное получение и предоставление космических
изображений для выбранных участков черноморского побережья
Российской Федерации, в том числе в районе Крымского
полуострова
- Участие в мероприятиях, направленных на освещение и
популяризацию промежуточных результатов ПНИ (конференции,
семинары, симпозиумы, выставки и т.п., в том числе,
международные)
- Проведение маркетинговых исследований.
На данном (первом) этапе проекта индустриальным партнёром
выполнены следующие работы:
- подбор и предоставление архивных космических изображений
для выбранных участков черноморского побережья Российской
Федерации, в том числе в районе Крымского полуострова (фаза 1).
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
РАБОТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ ИНДУСТРИАЛЬНЫМ
ПАРТНЕРОМ
СБОР КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Пример мозаики из нескольких собранных
радиолокационных изображений на регион
Пример покрытия тестового участка
«Севастополь»
оптическими изображениями
высокого разрешения
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ТИПЫ ПОДОБРАННЫХ КОСМИЧЕСКИХ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
Спутник
Тип сенсора
Разрешение
QuickBird
Панхроматическая/Мультиспект
ральная камера
0.6/2.4
WorldView-1
Панхроматическая камера
0.5
WorldView-2
Панхроматическая/Мультиспект
ральная камера
0.5/2.0
IRS 1C
Панхроматический/Многоспектр
альный сканер
5.8/23.5
IRS 1D
Панхроматический/Многоспектр
альный сканер
5.8/23.5
Cosmo-SkyMed
1/2/3/4
Радиолокатор (РСА)
1 - 100
TerraSAR-X
Радиолокатор (РСА)
1 - 16
RADARSAT-2
Радиолокатор (РСА)
3 - 100
RADARSAT-1
Радиолокатор (РСА)
8 -100
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ПЕРСПЕКТИВЫ КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ
В качестве объектов внедрения будут предлагаться:
а) услуги по космическому мониторингу и комплексной обработке
космических данных для оценки состояния акваторий;
б) услуги по сбору статистической информации;
в) услуги по подготовке информационных продуктов (например,
тематических карт), созданных разработанных методов на основе
космических и подспутниковых данных;
г) оказание консультационных и образовательных услуг.
Результаты ПНИ могут быть востребованы:
• Министерством природных ресурсов и экологии Российской
Федерации;
• Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды;
• МЧС России,
• а также Минсельхозом России; Росземкадастром; Роснедвижимостью;
институтами и учреждениями ФАНО; нефте- и газодобывающими
компаниями; судостроительными и транспортными компаниями;
ВУЗами и другими образовательными учреждениями; международными
организациями.
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ОБЪЕМ ПОЛУЧАЕМЫХ И ПРИВЛЕКАЕМЫХ СРЕДСТВ
Объем средств субсидии: 75. 0 миллионов рублей,
в том числе:
- в 2014 году в размере 25 000 000 (двадцать пять миллионов) рублей,
- в 2015 году в размере 25 000 000 (двадцать пять миллионов) рублей,
- в 2016 году в размере 25 000 000 (двадцать пять миллионов) рублей.
Объем привлекаемых внебюджетных средств в размере 19 800 000
рублей,
в том числе:
- в 2014 году в размере 6 600 000 рублей;
- в 2015 году в размере 6 600 000 рублей;
- в 2016 году в размере 6 600 000 рублей.
Индустриальный партнер:
Закрытое акционерное общество "Научно-производственная организация
"Информационные системы и наукоемкие технологии"
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
ДОСТИГНУТЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ СООТВЕТСТВИЕ ТЗ.
ПОКАЗАТЕЛИ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ
Результаты, полученные в ходе выполнения работ на первом этапе ПНИ,
являются полными. Требования ТЗ к выполняемым работам и
разрабатываемой документации полностью удовлетворены.
Исследования выполняются на высоком научно-техническом уровне и
соответствует уровню аналогичных отечественных и зарубежных работ. В
отдельных
направлениях,
в
частности,
в
направлении
анализа
пространственно-частотных
характеристик
морской
поверхности
выполняемое исследование опережает мировой уровень.
Требования к достижению показателей результативности выполнения
ПНИ выполнены с превышением обязательств. Подготовлено и принято в
печать три публикации по результатам ПНИ (запланирована одна):
1. Иванов В.А., Белокопытов В.Н., Багаев А.В. Пространственно-временная изменчивость
термохалинной структуры верхнего 300-метрового слоя Черного моря по данным буевпрофилемеров ARGO // Океанология, 2015
2. Бондур В.Г., Сабинин К.Д., Гребенюк Ю.В. Инерционно-гравитационные волны на шельфе о.
Оаху (Гавайи). Распространение волн. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2015
3. Kudryavtsev V., Chapron B. On growth rate of wind waves: impact of short-scale breaking
modulations // Journal of Physical Oceanography, 2015
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
105064, Россия, г. Москва, Гороховский пер., д.4
Tel.: 632-16-54, tel./fax: 632-11-78;
E-mail: [email protected]
www.aerocosmos.info
Научно-практическая конференция. РГУ Нефти и газа. 26-27 ноября 2014г.