Всевидящее око: мировой опыт дистанционного зондирования Земли

Фотографическая прогрессия

Первые методы дистанционного зондирования земли появились в начале XX века с использованием аэрофотосъемки. Еще в 1858 году французский фотограф Феликс Надар совершил первый полёт на воздушном шаре с фотографической камерой. Он сделал серию снимков Парижа с высоты, ставшую первой в истории аэрофотосъемки. Аналогичное достижение в России совершил русский военачальник, военный электротехник Александр Матвеевич Кованько в 1886 году. Он снял Петербург с высоты 800, 1200 и 1350 метров. Первое время аэрофотосъемку применяли в основном в целях военной разведки, но разрешение снимков было низким, а обработка данных - трудоемкой. Тем не менее этот метод долгие годы оставался весьма эффективным: в России с его помощью исследовали лесные ресурсы, изготавливали контурные планы и карты в масштабах 1:2000-1:50000.

Отправка на орбиту первого искусственного спутника Земли, произведенного в СССР в 1957 году, стала началом космической эры в истории дистанционного зондирования. Хоть сам Спутник-1 не был оснащен фотографическими элементами, аэрофотосъемка использовалась для оптического наблюдения за ним и дальнейшего расчета его орбиты. Для этих целей была приспособлена камера НАФА - ночной автоматический аэрофотоаппарат.  Через два года американцы отправили на орбиту свой спутник Eхplorer 6 и получили первый снимок Земли. Вслед за этим, в 1960-х годах, с помощью космических снимков в СССР впервые было обнаружено крупное нефтяное месторождение в Западной Сибири. На снимках были запечатлены геологические структуры, в том числе впадины, разломы, и изменения в растительном покрове, что характерно для залегания нефти и газа. Позже это месторождение сыграло центральную роль для структурной перестройки экономики и энергетического баланса СССР.  Уже к 1969 году с борта космических кораблей Союз-6, Союз-7 и Союз-8 велось исследование геологических образований восточного побережья Каспийского моря. С Союза-9 было получено большое число изображений геолого-географических объектов в южных районах европейской части СССР, в Казахстане и Западной Сибири.

С 1972 года в США стартовала программа Landsat - самый продолжительный проект по созданию спутниковых снимков Земли. Аппараты были оборудованы мультиспектральными, панхроматическими видеокамерами и сканерами. Мультиспектральное дистанционное зондирование в своей основе базируется на том, что горные породы и минералы имеют различные спектральные характеристики на разных длинах волн. К примеру, железная руда обладает специфическими спектральными признаками в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, которые могут быть использованы для обнаружения залежей железа. В противовес панхроматические камеры делают чёрно-белые изображения с использованием всего одного спектрального канала. Они обычно имеют высокое разрешение с явной детализацией и видимыми текстурами на местности.

В 1999 году в дистанционном зондировании Земли началась эра высокого разрешения. С космодрома Ванденберг в Калифорнии был запущен коммерческий спутник IKONOS, первый в мире способный получать изображения до 0,82 метра в панхроматическом режиме и до 3,2 метров в мультиспектральном. В 2001 году американская группировка пополнилась QuickBird с широкой полосой охвата, высокой метрической точностью и разрешением до 0,6 и 2,4 метра в различных спектральных режимах. Несмотря на высокое качество снимков, спутники все еще зависели от времени суток и погодных условий. Сделать детальное изображение в туман или ночью было практически невозможно, пока не появилась технология Synthetic Aperture Radar. Над ней работали в США с 1950-х годов, взяв за основу эффект Доплера. По тому же принципу, как изменяется звук проезжающего автомобиля в зависимости от приближения к наблюдателю или удаления от него, каждый объект в луче радара имеет немного отличающуюся скорость относительно фиксирующей его антенны. Точный частотный анализ этих отражений позволяет построить детальное изображение. Эффективность такого метода была опробована NASA еще в 1978 году при изучении из космоса океанов, в том числе их волн и течений. В 1991-1995 годах Европейское космическое агентство (ESA) с помощью технологии SAR осуществляло мониторинг ледников и измеряло деформацию земной поверхности.

По-настоящему на поток использование доплеровских спутников было поставлено в XXI веке. В 2007 году с космодрома Байконур стартовал немецкий спутник TerraSAR-X, впервые сделавший высокоточные цифровые модели рельефа Земли, а также изучивший тектонические движения и изменения ландшафта. В последующем похожие спутники отправляли в космос ESA (Sentinel-1) и Япония (ALOS-2), которую интересовало изучение последствий цунами и землетрясений.

По данным разработчика программных решений в области геоинформатики Ракурс, в 2024 году на борту каждой третьей ракеты-носителя были космические аппараты дистанционного зондирования Земли. В общей сложности, по данным базы UCS, сейчас на орбите находятся 1192 спутника ДЗЗ. Среди них как государственные аппараты, так и коммерческие, использующиеся для сельского хозяйства, экологии, климатологии и картографии. При этом за год рост их количества составил 13%, а лидером неизменно остаются спутники оптической визуализации, представляя чуть более 40% флота.

Большой брат следит за Землей

Опыт США в области дистанционного зондирования Земли для геологоразведки является одним из самых передовых в мире. Landsat, запущенные NASA и американской геологической службой USGS, самая долгосрочная и эффективная программа ДЗЗ. После выключения Landsat-5 в начале 2013 года, Landsat-7 оставался единственным действующим спутником программы, восьмой по счету аппарат был выведен на орбиту 11 февраля 2013 года. Спустя четыре года исследователи применили данные Landsat-8 для выявления ранее неизвестных ледниковых озер в Антарктике, что способствовало лучшему пониманию процессов таяния льдов и их влияния на подъем уровня мирового океана. В 2019 году на основе полученных данных была составлена первая в истории карта антропогенных изменений земельных ресурсов. Также данные спутника позволили оценить металлогенический потенциал южной части Большой Курильской гряды, включая остров Кунашир. Там содержатся концентрации рассеянных элементов (молибден, висмут, кадмий, индий, германий и др.), благородные металлы (золото-серебряные сплавы) и цветные металлы (цинк, медь, никель, цинк, свинец).

Спутник также исследовал провинцию Тхай Нгуен во Вьетнаме. Учёные смогли идентифицировать участки, содержащие высокие концентрации глинистых минералов, включающих каолинит, монтмориллонит, иллит и другие. Также данные со спутника помогли точно локализовать места, где присутствуют значительные скопления оксида железа - ценного сырья для металлургической промышленности. Статистическая обработка данных Landsat-8 позволила построить карты распространения гидротермальных изменений Центральной части Малоуральской зоны. Исследование показало, что потенциально золотоносные и полиметаллические площади сосредоточены вдоль трансрегиональных разломных зон, которые пересекают благоприятные структуры с рудной минерализацией. Кроме того, выявлены области с высокими показателями содержания оксидов железа (II и III), а иногда и гидроксид- (Al-OH, Mg-OH) и карбонат-содержащих минералов.

Европейская программа Sentinel-2 позволила визуально оценить масштабы и особенности Эльгинского угольного месторождения в Якутии - крупнейшего в России месторождения коксующегося угля. Детализация снимков позволяет инженерам и проектировщикам разрабатывать планы расширения карьеров, строительства дорог и других объектов инфраструктуры, а ученые могут изучать геологические особенности региона, проводить анализ процессов эрозии и деградации почв, а также моделировать будущие изменения.

Программа RADARSAT, разработанная Канадским космическим агентством (CSA), является одной из ключевых инициатив страны в области ДЗЗ. Спутники RADARSAT используют радар с синтезированной апертурой (SAR), что позволяет получать данные независимо от погодных условий и времени суток. Это особенно полезно для мониторинга труднодоступных регионов, таких как северные территории Канады. Хотя спутник предназначен для мониторинга окружающей среды, а не поиска полезных ископаемых, его данные могут использоваться для анализа геологических структур и тектонических особенностей, указывающих на возможные месторождения нефти, газа или металлов. Тем не менее на сегодняшний момент известно лишь об экологических достижениях спутника: в апреле–июне 2012 года он зафиксировал нефтяные пятна на поверхности Каспийского моря, а также получил данные о смещениях и деформациях земной поверхности и сооружений над Жезказганским медным месторождением в Казахстане. Основная часть собранных данных используется для оценки состояния льдов в Арктике. Так, радар отслеживает изменение толщины льда, сокращение их площади, мониторит ледовую обстановку вокруг нефтяной инфраструктуры Канады. На основе его снимков строятся карты ледового покрова, выстраиваются маршруты Северного морского пути.

Развивающиеся страны Азии тоже активно внедряют технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для геологоразведки, однако имеют серьезные ограничения на ресурсы и инфраструктуру. Индия, Индонезия, Вьетнам и Филиппины активно используют данные спутниковых программ Landsat (США), Sentinel (ЕС) и MODIS - спектрорадиометра с умеренным разрешением. Индия также разрабатывает собственную программу ISRO, которая включает спутники серии Resourcesat и Cartosat, используемые для сельского хозяйства и картографирования.

Лидирующую позицию среди стран Азии занимает Китай - один из мировых лидеров в области дистанционного зондирования Земли. Его программа Gaofen включает серию спутников, предоставляющих данные высокого разрешения. Пятая серия аппаратов стала флагманом наблюдения, поскольку позволяет обнаруживать объекты на Земле, в том числе идентифицировать оборудование противника в военных целях. Еще одна программа дистанционного зондирования Земли - ZiYuan, что переводится с китайского как «ресурсы» - разработана в геологических и сельскохозяйственных целях. Спутники, первый из которых был запущен в 1999 году, использовались для обнаружения месторождений угля, железной руды, меди и золота. Например, в провинциях Синьцзян, Цинхай и Юньнань были обнаружены новые залежи редкоземельных элементов, которые имеют стратегическое значение для высокотехнологичных отраслей промышленности. Также с их помощью было установлено точное расположение и объёмы залежей РЗЭ в регионах Внутренняя Монголия и Цзянси. В бассейне Тарим (Синьцзян) и на шельфе Южно-Китайского моря спутниковые данные помогли выявить перспективные участки для разведки нефти и газа. В провинции Хунань были обнаружены новые залежи урана, необходимые Китаю в активном развитии ядерной энергетики. Совместно с Бразилией в рамках программы CBERS КНР запустила спутники для изучения месторождений полезных ископаемых в Южной Америке, включая железную руду, бокситы и медь.

Благодаря развитой космической отрасли, научной базе и богатым природным ресурсам, Россия с 68 запущенными аппаратами также занимает одну из лидирующих позиций в ДЗЗ. Например, спутники серии «Ресурс» используются для изучения месторождений различных полезных ископаемых, включая нефть, природный газ, руды. Данные, полученные с помощью этих аппаратов, помогли обнаружить месторождения алмазов в Архангельской области. Кроме того, космические снимки нашли применение в ходе геологоразведочных работ в артезианском бассейне Ленинградской области. На основе данных спутников серии Канопус-В, разработанных Корпорацией ВНИИЭМ вместе с британской компанией Surrey Satellite Technology Limited, удалось построить прогнозную модель алмазоносности Кимберлитовой трубки Ермаковская-7 на Кольском полуострове. Еще в 1986 году в ходе экспедиции там удалось обнаружить 131 мелкий алмаз. Исследования месторождения продолжаются до сих пор. С помощью спутников «Кондор» осуществляется мониторинг нефтегазовых месторождений в Западной Сибири (Самотлорское, Приобское, Уренгойское).  Космические аппараты этой серии также помогают изучать перспективные участки для разведки нефти и газа в труднодоступных районах Арктики - на Ямале и Гыданском полуострове.

Гонка на квантовых скоростях

Технологии дистанционного зондирования Земли развиваются стремительно, в этом процессе участвуют сотни научных институтов со всего света. Совершенно новый взгляд на наблюдение из космоса можно получить с помощью гиперспектральных датчиков. Сенсоры позволяют получать данные в сотнях узких спектральных диапазонов, что значительно улучшает возможности идентификации материалов и минералов на поверхности Земли. Фактически технология представляет собой комбинацию традиционной спектроскопии и современной системы визуализации. Первый в своем роде, призванный продемонстрировать возможности этой технологии, аппарат NASA Hyperion был установлен на спутнике Earth-Observing-1 и в 2017 году выведен из эксплуатации. Его собрат - спутник PRISMA Итальянского космического агентства - запущен 22 марта 2019 года. Инновационное электрооптическое оборудование, которое сочетает в себе гиперспектральный датчик с панхроматической камерой среднего разрешения, собирает изображения с разрешением 30 метров в пределах сцен размером 30х30 километров. В 2024 году спутником ДЗЗ с гиперспектрометром с разрешением семь метров на пиксель отметилась частная космическая компания «Спутникс» и Самарский университет им. Королёва. Создатели называют разрешение аппарата рекордным для его компактных размеров.

Малые спутники - кубсаты - становятся все более популярными благодаря их низкой стоимости и возможности запуска больших группировок. Они позволяют получать данные с высокой частотой обновления, что важно для мониторинга динамических процессов. Их базовый размер составляет 10×10×10 см при массе не более 1,33 килограмма. К примеру, аппараты SkySat американской компании Planet Labs занимаются фотосъёмкой и записью коротких видео продолжительностью 90 секунд со скоростью 30 кадров в секунду. На данный момент разрешение спутников достигло 50 метров, для чего компания снизила их орбиту. Это позволило получать более точное представление об изменении условий на месте и добавлять детальный контекст происходящего на Земле.

Для автоматизации анализа данных спутников дистанционного зондирования применяется искусственный интеллект и машинное обучение. ИИ способен автоматизировать множество задач, начиная от обработки космических снимков и заканчивая созданием аналитических отчетов по различным темам. Так, нейронные сети могут выявлять облачные образования, тени от них, а также туман и прочие помехи на изображениях, после чего вносить необходимые поправки в исходные данные. Для анализа и интерпретации данных ДЗЗ применяются различные программные пакеты, среди которых ERDAS IMAGINE американской корпорации Intergraph, ScanEx Image Processor, российской компании «СКАНЭКС», ENVI ITT Visual Information Solutions из США. В основе этих программ лежат алгоритмы компьютерного дешифрирования, также искусственный интеллект помогает классифицировать объекты на снимках. Разделяя спутниковые изображения на сегменты, соответствующие разным типам местности, включая леса, водные объекты и города, ученые могут наблюдать за изменениями в использовании земель. В процессе обработки этих данных задействуются сверточные нейронные сети, которые тренируются на обширных массивах информации и учатся распознавать паттерны и особенности, важные для точного разделения объектов на спутниковых снимках. Кроме того, искусственный интеллект помогает оценивать состояние посевов, выявлять заболевания растений и мониторить рост растительности.

Для эффективной обработки данных дистанционного зондирования Земли применяются гибридные кластеры. Технология представляет собой комбинацию данных различных сенсоров (оптических, радарных, лазерных), что позволяет получать более полную картину изучаемых объектов. Как правило, стандартные вычислительные модули здесь дополняются графическими ускорителями (GPU). В качестве примера можно привести гибридный кластер НКС-ЗОТ+GPU, используемый в Сибирском суперкомпьютерном центре. Для обработки данных используется система SSCCIP, которая позволяет интегрировать в процесс удалённые многопроцессорные машины. Широкую популярность набирают геопространственные платформы, как например Google Earth Engine или Цифровая Земля Роскосмоса. Эти технологии объединяют и анализируют множество источников, включая спутники, дроны и наземные сенсоры.

Разрабатываются квантовые датчики, которые могут значительно повысить точность измерений магнитного поля и гравитации. Квантовый гравитационный градиентометр, созданный исследователями из Бирмингемского университета, предоставляет возможность изучать подземные структуры без применения инвазивных методик. Этот прибор фиксирует малейшие колебания в гравитационных полях, позволяя анализировать объекты разного размера и состава, скрытые под землей, включая искусственные конструкции. Одно из многообещающих направлений - использование датчиков, основанных на нейтральных атомах. Они применяют квантово-механические характеристики атомов для замеров таких физических параметров, как магнитное поле, гравитация и температура. Атомы помещаются в особую оптическую ловушку, где они удерживаются посредством лазерного излучения. Лазерный свет управляет их состоянием, переводя атомы между разными энергетическими уровнями. Находясь в определённом состоянии, атомы начинают реагировать на внешние поля - магнитное или гравитационное. Любые изменения в этих полях приводят к изменению частоты переходов между энергетическими уровнями атома, что впоследствии фиксируется приборами.

Датчики на основе нейтральных атомов обладают рядом значительных преимуществ по сравнению с классическими методами дистанционного зондирования. Во-первых, они отличаются высокой чувствительностью, что позволяет им улавливать даже самые незначительные изменения в физических полях, делая их незаменимыми при обнаружении слабых сигналов. Во-вторых, благодаря использованию квантово-механических эффектов эти датчики демонстрируют исключительную точность измерений. Кроме того, поскольку атомы защищены от внешних воздействий, уровень шума существенно снижается, что положительно сказывается на качестве собираемых данных. Наконец, универсальность этих датчиков, позволяющая измерять разнообразные физические поля, значительно расширяет сферу их практического применения. Разработка таких датчиков и их компонентов сейчас ведется в нескольких научных институтах, в том числе в Институте Макса Планка в Германии, Национальном институте стандартов и технологий США, Московском физико-техническом институте (МФТИ). Также над квантовыми сенсорами работают в сингапурской компании Atomionics, французской muQuans и американской ColdQuanta.

Современные технологии в сфере дистанционного зондирования Земли ориентированы на увеличение точности, регулярности и доступности данных. Они создают новые перспективы для разведки месторождений, контроля состояния окружающей среды, развития сельского хозяйства и эффективного управления природными ресурсами. Реализация этих технологий требует комплексного подхода, объединяющего достижения космической отрасли, искусственного интеллекта и больших данных. Пальму первенства за счет большого количества частных компаний сегодня держат США. Следом за ними - Китай, чьи частные инициативы в космической сфере оцениваются в $1,5 млрд ежегодно. Россия пока занимает третью строчку этого мирового рейтинга. Только в 2024 году Государственная Дума одобрила федеральный закон о применении концессионных соглашений и механизмов государственно-частного партнёрства в сфере космической деятельности. Кроме того, правительство РФ выделило 1,4 миллиарда рублей на реализацию проекта «Развитие высокотехнологичных направлений «Перспективные космические системы и сервисы». Часть этих средств была направлена на приобретение уже готовых данных дистанционного зондирования Земли в рамках первого форвардного контракта, заключённого в конце года между Роскосмосом и компанией «Спутникс». По мнению ряда экспертов космической отрасли, России на данном этапе не хватает в первую очередь серийного выпуска ракет-носителей, на борту которых доставляются спутники. Кроме того, российский космос должен быть коммерциализирован, чтобы сократить государственное влияние на его поддержку. В первую очередь, речь идет о доставке на орбиту иностранного оборудования отечественными ракетами, а для этого необходимо восстановить международное сотрудничество как минимум в научной сфере.