Программное обеспечение СКАНЭКС Терминал (Терминал) позволяет обрабатывать данные метеорологических спутников, получаемые наземными станциями в режиме реального времени. 

В настоящее время Терминал предназначен для обработки ежедневных данных полярно-орбитальных спутников серии NOAA, серии MetOp, серии EOS (Terra, Aqua), серии FengYun-3, Suomi NPP, «Метеор-М» № 2, которые выполняют съемку в полосе до 3 000 км с пространственным разрешением от 250 до 1 000 метров. Для мониторинга состояния атмосферы на спутниках устанавливается набор сенсоров, которые служат для измерений излучения в различных областях спектра. Выходной информацией Терминала являются метеорологические продукты разного уровня обработки: от калиброванных и геопривязанных измерений излучения (продукты уровня L1B) до тематических данных (продукты уровня L2). Получаемые на наземные станции приема данные позволяют осуществлять оперативный мониторинг и проводить исследования состояния атмосферы и подстилающей поверхности (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема получения и обработки спутниковых данных

При создании Терминала использовалось программное обеспечение, преимущественно разработанное в University of Wisconsin Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (UW-CIMSS) и Direct Readout Laboratory, Goddard Space Flight Center, NASA. Терминал представляет собой набор модулей, предназначенных для комплексной обработки данных разных метеорологических спутников (см. табл. 1). Отличительные особенности Терминала:

  • возможность обработки спутниковой информации в режиме реального времени;
  • возможность получения большого набора продуктов, содержащих информацию об атмосфере, океане, подстилающей поверхности;
  • возможность обработки ранее полученных данных.

Табл. 1. Модули обработки и тематика выходного продукта Терминала

Название модуля Спутники Продукты по атмосфере Продукты по океану Продукты по суше
CSPP EDR Suomi NPP + + +
OMPS Suomi NPP +
CLAVR-X Suomi NPP, Terra, Aqua, NOAA, MetOp +
MIRS Suomi NPP, NOAA, MetOp + + +
SEADAS Suomi NPP, Terra, Aqua +
POLAR Terra, Aqua

 

+ + +
AIRS Terra, Aqua

 

+ +

 

В таблице 2 представлены обрабатываемые в Терминале спутники и установленные на них сенсоры. Мультиспектральные сенсоры позволяют получать информацию в широком диапазоне параметров, включая температуру поверхности и океана, состояние снежного и ледового покрова, альбедо подстилающей поверхности, состояние растительного покрова; определять состояние атмосферы, в том числе положение и свойства облачных систем. С помощью ИК-зондирования могут быть получены профили атмосферных параметров, определены параметры облачности, используемые для составления краткосрочных прогнозов погоды, определено содержание парниковых газов в атмосфере. Отличительной особенностью данных ИК-зондирования является более высокое по сравнению с микроволновыми приборами разрешение. Измерения микроволновых зондировщиков позволяют восстанавливать профили параметров атмосферы (температура, влажность), оценивать выпадающие атмосферные осадки, определять такие параметры, как распространение снежного покрова, сплоченность морского льда, влажность почвы.

 

Спутник Мультиспектральный радиометр ИК-зондировщик Микроволновый зондировщик
NOAA 18/19 AVHRR HIRS AMSU-A, MHS
MetOp-A/B AVHRR IASI, HIRS AMSU, MHS
Terra MODIS
Aqua MODIS AIRS AMSU
Suomi NPP VIIRS, OMPS CrIS ATMS
FengYun-3А/B/C

(L-диапазон)

VIRR IRAS MWTS, MWHS, MWRI
FengYun-3A/B/C

(X-диапазон)

MERSI
«Метеор-М» № 2 МСУ-МР

данные в исходном виде

 

С помощью ПО СКАНЭКС Терминал возможно формирование большого количества продуктов, характеризующих состояние атмосферы. Рассмотрим кратко некоторых из них. По спутниковым данным восстанавливаются такие параметры облачности, как маска облачности, тип облачности (характеризует в основном агрегатное состояние воды в облаках), высота и температура верхней границы облачности, оптическая толщина облачности, эффективный радиус облачных частиц, агрегатное состояние воды в облаках. Маска облачности характеризует наблюдаемые условия как «безоблачно», «вероятно безоблачно», «вероятно облачно», «облачно». Продукты, получаемые с помощью модулей MIRS и CLAVR-X в светлое время суток, отображают возможную интенсивность осадков.

На рис. 2 представлены результаты восстановлений свойств облачности с помощью модуля CLAVR-X, полученные 17 ноября 2017 г. На представленных изображениях хорошо различима облачная структура циклона с центром над Скандинавским полуостровом: холодный фронт (1), теплый фронт (2), фронт окклюзии (3), вторичный холодный фронт (4). Облачность с самыми низкими температурами на верхней границе, состоящая из плотного льда, расположена на вторичном холодном фронте.

 

Рис. 2. Восстановления параметров облачности с помощью модуля CLAVR-X

С помощью модуля CSPP EDR можно определить содержание аэрозолей в атмосфере (твердых и жидких взвешенных в воздухе частиц), что вполне применимо для контроля качества воздуха (рис. 3).

Рис. 3. Выбросы твердых взвешенных частиц (песок, сажа) в атмосферу, модуль CSPPSDR

Кроме выявления характеристик у поверхности и во всей толще атмосферы с помощью программного обеспечения СКАНЭКС Терминал могут быть также определены вертикальные профили параметров, в частности, профили температуры и влажности (модуль AIRS), профиль содержания озона (модуль OMPS) (рис. 4).

Рис. 4. Относительная влажность на разных уровнях в атмосфере, модуль AIRS

Информация с полярно-орбитальных спутников обеспечивает мониторинг вод Мирового океана. Оптическая съемка, несмотря на ограничения, связанные с наличием облачности, предоставляет наиболее достоверные данные о состоянии ледового покрова на морях. Кроме того, широко используемыми продуктами для анализа состояния Мирового океана являются температура подстилающей поверхности и концентрация хлорофилла а, связанного с концентрацией фитопланктона.

Выявление «цветений» морской воды является важной задачей экологического мониторинга. Своевременное обнаружение и диагностика «цветений» морской воды, вызванных развитием потенциально токсичных видов водорослей, в том числе и наиболее опасных, завезенных с водяным балластом судов, позволяют оперативно принимать решения по предотвращению их распространения. На снимках из космоса отчетливо видны зоны взмученных вод, имеющих характерную для хлорофилла зеленую окраску (рис. 5).

Рис. 5. Выявление циклов цветения фитопланктона по данным космической съемки. Съемка со спутника Aqua 24 июля 2014 г.

Кроме того, несмотря на низкое пространственное разрешение метеорологических спутников, с помощью их аппаратуры могут быть зарегистрированы разливы нефти в морских акваториях (рис. 6).

Рис. 6. Фрагмент отображения нефтяных пятен в акватории Мексиканского залива на космических снимках в видимом спектральном диапазоне с прибора MERIS спутника Envisat (слева) и с прибора MODIS спутника Terra (справа), выполненных 29 апреля 2010 г.

Данные метеорологических спутников могут успешно применяться для мониторинга наводнений, паводков, ледовых заторов и определения их динамики. Коричневый цвет речных и морских вод (рис. 7) хорошо отображается на космических снимках. Данное явление связано с повышенным содержанием взвешенных частиц, которые попали в реки и море в результате наводнения. В период снеготаяния ледовые заторы на реках вызывают резкий подъем уровня вод. Вскрытие рек Западной и Восточной Сибири часто сопровождается заторами льда. Причиной этого является более позднее вскрытие рек в нижнем течении. Крупные реки этого района — Обь, Енисей, Лена — текут с юга на север, и вскрытие их, следовательно, начинается с верховьев. Перемещаясь, лед попадает в районы, где река еще не вскрылась и ледяной покров достаточно прочен. Необходимо сильное механическое воздействие, чтобы разрушить ледяной покров. Весь процесс вскрытия рек, протекающих с юга на север, представляет собой скачкообразное продвижение заторов вниз по течению. Мониторинг динамики схода снежного покрова в бассейнах рек Западной и Восточной Сибири — важнейшая задача в деле прогнозирования чрезвычайных ситуаций, связанных с весенними разливами рек. Большое значение для эффективности мониторинга в период опасности половодья и паводков имеет комплексный подход: анализ данных с метеорологических спутников, интерактивная связь с региональными центрами гидрологических прогнозов, своевременное получение прогнозов развития половодья, заказ оперативной детальной съемки, проверка результатов спутниковой съемки контактными измерениями и визуальными наблюдениями.

Рис. 7. Наводнение на реке Амур. Съемка со спутника SuomiNPP 1 сентября 2013 г.

Для незамедлительного обнаружения чрезвычайных ситуаций важным является также определение областей лесных пожаров. Продукт FIMMA (пикселы, которые дешифрируются как пожары) представляет собой автоматизированный алгоритм обнаружения пожаров по радиометрическим данным с прибора AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer — усовершенствованный радиометр с высоким разрешением) с полярно-орбитальных спутников. Продукт в настоящее время формируется по данным с КА NOAA-18/19, MetOp-A/B в спектральном канале 3,7 мкм (3,55–3,93 мкм). Продукт формируется автоматическим алгоритмом по данным, собранным в темное время суток, принятым в режиме реального времени в течение одного часа, и публикуется на веб-странице тестового портала SCANEX. Так как поле зрения прибора AVHRR представляет собой площадку размером 1 кв. км, то местоположение огня представляется на снимке приблизительно, тем не менее в пределах пиксела. Алгоритм разработан с таким расчетом, чтобы свести к минимуму дешифрирование «ложных» пожаров, уровень достоверности полученных точек максимальный. Алгоритм является точным для выявления лесных пожаров, а также выявляет пожары сельскохозяйственных угодий (рис. 8). В период с июля по август 2017 г. было выполнено успешное тестирование технологической цепочки: прием данных с КА MetOp-B — формирование продукта FIMMA ПО СКАНЭКС Терминал — публикация на сайте в ПО GeoMixer. Детектирование пожаров также может быть осуществлено в рамках задач Терминала по данным радиометра VIIRS при использовании модуля CSPP EDR.

Рис. 8. Определенные точки пожаров, 26 июля 2017 г. 

В качестве продуктов, получаемых для характеристики земной поверхности с помощью СКАНЭКС Терминала, стоит упомянуть такие, как отражательная способность подстилающей поверхности, которая позволяет определить ее тип. Лесопокрытые территории на основе сомкнутости крон деревьев можно оценить по данным сенсора MODIS (Aqua, Terra), VIIRS (SNNP). По данным с разрешением 250–1 000 м можно решать задачи типизации лесных сообществ, определения границ лесов и лесистости территории, выполнять оценку пожароопасности лесов, осуществлять оперативное наблюдение за пожарами, прогнозировать развитие пожаров. Одним из самых распространенных индексов для задач количественной оценки растительного покрова является индекс NDVI. Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. NDVI может быть рассчитан на основе любых снимков высокого, среднего или низкого разрешения, имеющим спектральные каналы в красном (0,55–0,75 мкм) и инфракрасном диапазоне (0,75–1,0 мкм). Прямая связь индекса и продуктивности позволяет широко использовать NDVI для решения лесохозяйственных задач. Легкость и быстрота расчета NDVI предоставляют возможность его использования для мониторинга последствий лесных пожаров и сплошных рубок. Контрастность границ получаемых выделов позволяет рассчитывать и анализировать площади, а изменяющийся показатель NDVI — оценивать скорость и полноту зарастания. В течение сезона вегетации отражающая способность растительности меняется в красном и ближнем инфракрасном каналах и зависит от многих факторов, в том числе от количества зеленой фитомассы и густоты растительного покрова.

Таким образом, комплексное программное обеспечение СКАНЭКС Терминала удобно использовать для решения целого ряда задач: анализа чрезвычайных ситуаций (пожары, наводнения), состояния атмосферы, гидросферы, геосферы, биосферы, проведения климатических исследований. Данные, получаемые с помощью программного обеспечения, могут применяться в таких отраслях, как гидрометеорология, агрометеорология, океанология, сельское хозяйство, рациональное природопользование, их можно успешно использовать в образовательных программах в средней и высшей школе. Необходимость в спутниковых данных увеличивается, комплексный подход в использовании результатов функционирования космических систем дает возможность решать весьма сложные задачи, обеспечивая высокую надежность мониторинга и позволяя проводить многогранные и целостные научные исследования. Применение новейших технологий позволит в ближайшей перспективе найти баланс экономического развития, рационального использования ресурсов и сохранения разнообразия природных систем планеты. Инвестиции в новые исследования, разработка новых инструментов и технологические решения являются перспективным вложением средств.

Авторы: Ольга Государева, специалист Департамента программных решений ГК «СКАНЭКС», Екатерина Жданова, к.г.н., географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, метеоролог ГК «СКАНЭКС», Константин Козаченко, руководитель проектов  ГК «СКАНЭКС», Катерина Мельник, метеоролог ГК «СКАНЭКС». Оригинал статьи опубликован в журнале «Земля из космоса».

 

Об Авторе

client-photo-1
Ivan Serov

Комментарии

Добавить комментарий