Что такое дистанционное зондирование Земли и для чего оно нужно
Как выглядит Земля из космоса? Можно ли разглядеть на ее поверхности пожары, наводнения, изменения климата, построенные человечеством объекты? Все это и многое другое возможно благодаря технологиям дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) — незаменимого инструмента по изучению и постоянному мониторингу нашей планеты. Эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев разобрался, что такое ДЗЗ, для чего оно нужно и в каких сферах оно применяется.
Сегодня данные дистанционного зондирования используются практически во всех областях нашей жизни. Собирать ценные сведения о нашей планете позволяют спутники ДЗЗ, которые различаются по разрешению съемки, ширине полосы обзора и полосы захвата.
В российскую орбитальную группировку входят космические аппараты серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М», «Электро-Л», «Арктика-М», «Аист-2Т», «Зоркий-2М» и «Кондор-ФКА». Для чего они предназначены и какими возможностями обладают?
Что такое ДЗЗ
Дистанционное зондирование Земли — это способ получения информации о Земле и ее поверхности без непосредственного контакта. Для этого используются различные датчики, установленные на спутниках, воздушных судах, дронах или на земле. Эти приборы улавливают электромагнитные колебания (например, свет и тепло), отраженные или испускаемые объектами на Земле.
Данные ДЗЗ собираются в разных частях спектра, включая видимый свет, инфракрасное излучение и микроволны. Это позволяет узнать, где находятся объекты, описать их свойства и изменения со временем. Например, можно узнать о природных ресурсах, окружающей среде, изменениях в природе и деятельности человека.
Информация, собранная с помощью ДЗЗ, используется для создания подробных карт и изображений поверхности земного шара. Это помогает анализировать и лучше понимать, что происходит на нашей планете.
История ДЗЗ
История ДЗЗ берет свое начало в середине XIX века с изобретения фотографии. В 1858 году француз Надар поднялся на воздушном шаре примерно на 80 метров и сделал первые фотоснимки улиц Парижа. Это событие стало началом аэрофотосъемки, которая вскоре стала применяться для геологических и картографических исследований.
Настоящий прорыв в ДЗЗ произошел во второй половине XX века, с выходом человека за атмосферу Земли. 24 октября 1946 года американцы запустили немецкую ракету А-4 («Фау-2»), которая поднялась на высоту около 105 километров. На ее борту находилась камера, которая сделала первые черно-белые фотографии Земли из космоса.
Развитие технологий привело к появлению первых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в конце 1950-х годов в СССР и США. Изначально эти аппараты создавались для военных целей, таких как сбор информации о противнике, создание детальных карт и моделей рельефа, определение координат стационарных и малоподвижных объектов.
Позже начались исследования возможностей мирного применения ДЗЗ, что к концу 1960-х и началу 1970-х годов ознаменовало начало эры космического мониторинга. Постепенно космическая съемка стала ключевым инструментом в наблюдении за климатом, управлении природными ресурсами, прогнозировании чрезвычайных ситуаций и помощь в управлении городским хозяйством на больших масштабах. Она предоставляет оперативные данные о больших территориях, которые недоступны для других методов. В настоящее время ДЗЗ стала неотъемлемой частью глобальных систем наблюдения и активно интегрируется с искусственным интеллектом и большими данными. Это позволяет проводить более точный анализ.
Как работает ДЗЗ
Принцип работы ДЗЗ основан на регистрации электромагнитного излучения, исходящего от объектов на поверхности Земли, в атмосфере или океане. Специальные датчики на орбитальных или воздушных платформах улавливают эти сигналы, преобразуя их в цифровые изображения или спектры. Пассивные системы фиксируют естественное излучение, например, отраженный солнечный свет, а активные системы, такие как радиолокаторы, генерируют собственный сигнал и анализируют его отражение от объектов. Полученные данные обрабатываются для устранения искажений, вызванных атмосферой или углом съёмки, а затем используются для создания изображений или тематических карт.
Задачи, решаемые с помощью ДЗЗ, охватывают широкий спектр отраслей. Вот ключевые направления с подробными пояснениями:
гидрометеорология: наблюдение за погодными явлениями, такими как облака, дождь, снег, ураганы и течения в океане. Эти данные помогают точно предсказывать погоду, отслеживать изменения климата и предупреждать о природных катастрофах, таких как наводнения или засухи;
агромониторинг: проверка состояния сельхозугодий, включая влажность земли, рост растений, поиск вредителей и предсказание урожая. Информация помогает лучше использовать удобрения, воду и технику, что снижает расходы и делает работу более эффективной;
экологический мониторинг: выявление загрязнений воздуха и воды, мониторинг роста и вырубки лесов, контроль пожаров и биоразнообразия. ДЗЗ позволяет отслеживать глобальные изменения, такие как таяние ледников или эрозия почв, способствуя сохранению экосистем;
геология и недропользование: поиск полезных ископаемых, наблюдение за тектоническими сдвигами и вулканической активностью. Спектральный анализ позволяет определить минералы и гидрокарбонаты, не отправляя «в поля» дорогостоящие экспедиции;
городское планирование и инфраструктура: исследование динамики урбанизации, транспортных систем, строительных процессов и потенциальных угроз, таких как оползни, позволяет создавать трёхмерные модели территорий и улучшать градостроительные решения;
оборона и безопасность: разведка, наблюдение за границами и оценка последствий конфликтов. Спутниковые снимки дают быструю информацию для стратегического и оперативно-тактического планирования.
Космическое ДЗЗ имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами наблюдения с земли или с воздуха. Оно обеспечивает глобальное покрытие, что позволяет проводить исследования в любой точке планеты. Кроме того, данные, полученные с помощью космических аппаратов, обрабатываются и передаются оперативно, что делает этот метод более эффективным в сравнении с наземными исследованиями. Однако следует учитывать такие факторы, как погодные условия и характеристики используемых датчиков, которые могут влиять на качество и точность данных.
Космическое ДЗЗ также позволяет изучать объекты, которые сложно или невозможно исследовать другими способами. Это делает его незаменимым инструментом для мониторинга окружающей среды, управления природными ресурсами, а также для решения различных задач в области сельского хозяйства, экологии и метеорологии.
Методы дистанционного зондирования Земли
Методы ДЗЗ зависят от того, откуда берется сигнал, в каком диапазоне он работает и на каком устройстве. Основные виды – это пассивные методы, которые улавливают естественное излучение, и активные методы, которые используют искусственный сигнал. К 2025 году эти технологии сильно улучшились благодаря использованию ИИ, который позволяет ускорить обработку данных и сделать её более точной.
Оптическое зондирование
Этот метод относится к пассивным. Он использует видимый свет и тепло, которое можно почувствовать, не прикасаясь к предметам, для создания высокодетальных изображений. Оптические датчики улавливают отраженный солнечный свет, позволяя различать объекты по цвету, текстуре и температуре. Этот метод применяется для наблюдения за изменениями в городах, контроля за водными ресурсами и оценки состояния растений (индекс NDVI).
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — индекс, показывающий количество фотосинтетически активной биомассы. Его вычисляют по поглощению и отражению культурами красной и инфракрасной частей спектра. Чем активнее развивается растительность, тем выше значение индекса.
Преимущества метода включают высокое разрешение, достигающее субметрового уровня, а также простоту интерпретации данных. Недостатками метода являются зависимость от естественного освещения, прозрачности атмосферы и наличия облаков, что существенно ограничивает его применение в тропиках, в заполярной зоне и в ночное время. В настоящее время оптическое ДЗЗ активно интегрируется с гиперспектральными данными, что позволяет проводить более глубокий анализ объектов.
Радиолокационное зондирование
Активный метод, основанный на микроволновом излучении: радар посылает импульсы и анализирует отражённый сигнал, измеряя расстояние, скорость и структуру объектов. Для создания изображений с высоким разрешением независимо от погоды чаще применяются радиолокаторы с синтезированием антенной решетки SAR (Synthetic Aperture Radar), но могут использоваться и другие типы источников радиосигналов.
Применяется в целях контроля климата и экологии (мониторинг ледников, таяния вечной мерзлоты, прогнозирование выбросов метана), в урбанистике (мониторинг мегаполисов, тоннелей, мостов), в сельском хозяйстве (точное земледелие, анализ влажности почвы, прогнозирование урожайности), археологии (обнаружение скрытых объектов, таких как города майя в Гватемале), предупреждении и сопровождении чрезвычайных ситуаций (наводнения, оползни, техногенные катастрофы), а также в военном деле (наблюдение, тактическая разведка и стратегическое планирование, обнаружение целей и пограничная безопасность).
Преимущества: всепогодность, независимость от прозрачности атмосферы, работа в темноте и способность проникать через маскирующие барьеры. В 2025 году радиолокация усиливается ИИ для автоматической классификации объектов, что актуально для арктических регионов.
Гиперспектральное зондирование
Разновидность пассивного метода, когда специальный сенсор делает снимки Земли в нескольких десятках или даже сотнях узких спектральных диапазонов. Позволяет провести детальный анализ химического состава материалов, поскольку каждый имеет уникальный «спектральный отпечаток».
Гиперспектральное зондирование — мощный инструмент для точного анализа объектов на поверхности. В сельском хозяйстве оно помогает выявлять болезни растений, а в экологии — оценивать состояние почв и минералов.
Но у этого метода есть ограничения. Для его применения нужно обрабатывать большие объемы данных и иметь соответствующую квалификацию. К 2025 году гиперспектральные технологии объединят с машинным обучением, что позволит анализировать информацию в реальном времени.
Панхроматическая съемка
Разновидность пассивного метода получения черно-белых изображений в ДЗЗ с охватом всего видимого спектра (например, 0,5–0,8 мкм). Разделение световых волн по спектру не производится, яркость каждой точки зависит от интенсивности света всего диапазона. Обычно имеет высокое пространственное разрешение (до 0,3 м) и позволяет выявлять детали и текстуры на местности.
Панхроматическая съемка часто дополняется мультиспектральными данными, чтобы создавать цветные композитные изображения. Этот метод идеально подходит для точной картографии, мониторинга инфраструктуры и военных задач. В сочетании с другими технологиями он позволяет достигать субпиксельной точности.
Среди дополнительных методов — лидар (лазерное сканирование для создания 3D-моделей рельефа) и тепловое зондирование (фиксация инфракрасного излучения для создания температурных карт). Выбор конкретного метода зависит от поставленной задачи, и все чаще используется мультисенсорный подход для комплексного анализа.
Классификация спутников ДЗЗ
Спутники ДЗЗ классифицируются по разрешению съемки на несколько категорий:
низкого разрешения (от 250 метров до 1 километра на элемент изображения) предназначены для наблюдения за крупными природными объектами, например, такими как тепловые структуры океанов и геологические формации;
среднего разрешения (от 10 до 250 метров) используются для мониторинга состояния природной среды;
высокого разрешения (от 1 до 10 метров) применяются для создания и обновления топографических карт и детального тематического картографирования;
сверхвысокого разрешения (лучше 1 метра) используются для крупномасштабного картографирования и изучения отдельных объектов.
Спутники ДЗЗ также различаются по ширине полосы обзора и полосы захвата.
Первая — это часть земной поверхности, видимая с орбиты спутника; она определяется высотой орбиты. Например, аппараты на низкой орбите могут охватывать полосу шириной до 1000 километров, в то время как геостационарные наблюдают за всем полушарием Земли.
Вторая — это более узкая зона, в которой сканирующие устройства спутника четко фиксируют объекты за короткий промежуток времени пролета. Ширина полосы захвата зависит от характеристик целевой аппаратуры (прежде всего, сканирующих устройств).
Полоса захвата — это более узкая зона, в которой сканирующие устройства спутника четко фиксируют объекты за короткий промежуток времени пролета. Ширина полосы захвата зависит от рабочего поля зрения оптической системы камеры и длины строки фотоприемников.
Например, российский спутник ДЗЗ «Ресурс-П» имеет полосу обзора шириной 950 километров и обеспечивает съемку со сверхвысоким разрешением в полосе захвата всего 38 километров.
Российские спутники ДЗЗ
На январь 2026 года российская орбитальная группировка ДЗЗ включала три аппарата типа «Ресурс-П», которые обеспечивают высокодетальную съемку планеты, два радиолокационных спутника «Кондор-ФКА», пять аппаратов высокого разрешения «Канопус-В», три метеоспутника «Метеор-М», два аппарата «Арктика-М» для мониторинга арктического региона, два «Аиста-2Т» для стереосъемки и получения цифровых карт местности и три геостационарных спутника «Электро-Л». Помимо этого, в ее состав входят несколько малых аппаратов мультиспектральной съемки «Зоркий-2М».
Развитие группировки фокусируется на высоком разрешении, всепогодности и интеграции с ИИ для оперативного мониторинга, особенно в Арктике и для национальной безопасности. В ближайшем будущем планируется запуск еще нескольких космических аппаратов, в том числе российско-белорусского спутника со сверхвысоким (0,35 м) разрешением. Перспективы включают создание сети наземных станций для приема данных к 2026 году, что усилит суверенитет в космических технологиях.
«Ресурс-П»
Космический комплекс «Ресурс-П» разработки РКЦ «Прогресс» предназначен для высокодетального, детального широкозахватного и гиперспектрального оптико-электронного наблюдения поверхности Земли.
Эти спутники позволяют получать снимки с разрешением до 1 метра в панхроматическом режиме и до 3–4 метров в мультиспектральном. Они используются для картографии, сельского хозяйства и геологии. К 2026 году планируется запуск спутника «Ресурс-ПМ», оснащенного усовершенствованными датчиками для гиперспектральной съемки.
«Канопус-В»
Космический комплекс «Канопус-В» — разработка Корпорации ВНИИЭМ. Он создан для получения панхроматических (разрешение 2,5 м) и многозональных (12 м) изображений Земли. Эти данные нужны для работы «Роскосмоса», МЧС, Минприроды, Росгидромета, РАН и других организаций. Комплекс также полезен коммерческим потребителям, которым нужна оперативная информация.
«Метеор-М»
Космический комплекс гидрометеорологического и океанографического обеспечения «Метеор-3М» разработан Корпорацией ВНИИЭМ. Его данные помогают в оперативной метеорологии, гидрологии, агрометеорологии, мониторинге климата и окружающей среды. Также он отслеживает чрезвычайные ситуации природного и техногенного характера, проводит научные исследования в области гелиогеофизики и изучает состояние атмосферы на планетарном уровне.
Одна из задач комплекса — сбор и передача данных от автоматических измерительных платформ, включая наземные, ледовые и дрейфующие. В будущем планируется усилить группировку аппаратами с улучшенными характеристиками.
«Кондор-ФКА»
Спутники «Кондор-ФКА» предназначены для круглосуточного радиолокационного зондирования Земли в любых погодных условиях. Они обеспечивают получение детализированных изображений поверхности с средним и высоким разрешением. Это позволяет осуществлять картографирование, отслеживать чрезвычайные ситуации (наводнения, пожары, разливы нефти), оценивать геологические условия и наблюдать за лесными и сельскохозяйственными угодьями.
«Арктика-М»
Спутники «Арктика-М» разработки НПО имени Лавочкина, обращающиеся по высокоэллиптической орбите (апогей около 40 тысяч км) собирают и передают гидрометеорологическую информацию в полярных регионах. Орбита типа «Молния» позволяет аппаратам находиться над северными широтами, недоступными для геостационарных спутников.
Два космических аппарата работают попарно, повышая точность краткосрочных прогнозов погоды. Многоспектральные сканирующие устройства снимают облачность и поверхность Земли в 10 каналах видимого и инфракрасного диапазонов с разрешением 1000 и 4000 метров соответственно.
«Электро-Л»
Спутники геостационарного гидрометеорологического космического комплекса «Электро-Л» мониторят окружающую среду и поверхность Земли. Они анализируют и прогнозируют погоду, изучают состояние океанов, контролируют условия для авиации, мониторят ионосферу и магнитное поле, следят за климатом и чрезвычайными ситуациями, а также выполняют экологический контроль. Спутники оснащены комплексом для многоспектральной съемки в видимом и инфракрасном диапазонах и передают данные Росгидромету, МЧС, Минобороны и другим службам.
Основной их инструмент — 10-канальное многозональное сканирующее устройство — позволяет проводить съемку всей поверхности Земли. Съемка ведется каждые 30 минут, но в экстренных ситуациях интервал может быть сокращен до 10–15 минут. Разрешающая способность: 1 км для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, 4 км для остальных инфракрасных каналов.
«Аист-2Т»
Малые космические аппараты «Аист-2Т», разработанные РКЦ «Прогресс» совместно с Самарским государственным аэрокосмическим университетом (СГАУ), предназначены для стереоскопической съемки поверхности Земли и создания ее объемной модели. Благодаря этой особенности данные со спутников становятся фундаментом для построения точных цифровых моделей рельефа и местности. Помимо решения картографических задач и обновления топографических карт, система эффективно служит целям мониторинга природных ресурсов и оперативного контроля чрезвычайных ситуаций.
«Зоркий-2М»
Малые спутники мультиспектральной съемки «Зоркий-2М», разработанные частной компанией СПУТНИКС, предназначены для мониторинга Земли с высоким разрешением. Ключевым элементом аппарата является мультиспектральная камера, которая позволяет получать изображения земной поверхности в четырех спектральных диапазонах: красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном.
Эти снимки могут использоваться для точной оценки изменений, мониторинга городского развития, сельского хозяйства, а также для эффективного управления природными ресурсами. Кроме того, спутник оснащен приемником, который принимает идентификационные сигналы-метки от морских судов и передает их на наземные станции для мониторинга и обеспечения безопасности судоходства.
В следующем материале эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев расскажет о том, какими спутниками ДЗЗ располагают другие страны, в частности США, Китай, Япония, а также государства Европы.
Основные тренды в области российских спутников ДЗЗ
Один из ключевых трендов в сфере российских спутников ДЗЗ заключается в переходе к многоспутниковым орбитальным группировкам. Это позволяет осуществлять мониторинг заданных объектов и территорий с более высокой периодичностью. Кроме того, в этой области можно выделить несколько важных тенденций:
улучшение технологий, таких как увеличение скорости передачи данных и объема предварительной обработки информации прямо на спутниках;
сотрудничество государства с частными компаниями для внедрения новых идей в области ДЗЗ;
объединение различных компаний в этой отрасли как по вертикали (от разработки до использования), так и по горизонтали (между разными компаниями);
появление новых способов закупки космических аппаратов и услуг, например, когда космос или данные из космоса предоставляются как услуга;
рост важности ДЗЗ для отслеживания выбросов вредных газов в атмосферу.
Этапы работы спутников ДЗЗ
Обращаясь по орбите, космические аппараты используют датчики, функционирующие в различных диапазонах электромагнитного спектра, для получения данных о поверхности Земли, ее атмосфере и океане. Все собранные данные сохраняются в бортовом накопителе. В зависимости от технических возможностей спутника, они могут подвергаться предварительной обработке прямо на борту или сразу передаваться на наземные станции для дальнейшей обработки.
Спутниковая информация принимается наземными станциями, и архивируется в фондах. Ее предварительная обработка включает улучшение качества изображений, устранение искажений и коррекцию. Тематическая обработка направлена на повышение контрастности, подавление шумов и выделение границ. Как уже упоминалось, предварительная обработка может проводиться на борту спутника.
Основная масса информации собирается в архивах. Затем осуществляется процесс дешифровки, включает коррекцию атмосферных искажений, геопривязку, радиометрическую калибровку и слияние данных из разных источников для повышения качества. В ходе этого процесса из обработанных изображений извлекаются необходимые сведения о земной поверхности, такие как состояние растительности, водных ресурсов или почвы.
Результаты дешифровки визуализируются в удобной для пользователя форме — это могут быть карты, отчеты, 3D-модели и другие материалы, которые применяются для решения конкретных задач. Анализ данных включает интерпретацию изображений с использованием спектров и алгоритмов. ИИ ускоряет классификацию объектов, выявляя аномалии. В ряде случаев данные интегрируются в системы принятия решений, такие как прогнозирование урожая или мониторинг инфраструктуры.
Затем следует распространение и применение данных.
Применение ДЗЗ
Спутниковые данные ДЗЗ используются в широком спектре сфер народного хозяйства, включая:
сельское хозяйство (моделирование и прогнозирование урожайности, анализ состояния посевов, измерение влажности почвы и концентрации озона в воздухе, картографирование типов почв и меры по предотвращению эрозии);
экология и охрана окружающей среды (мониторинг лесных экосистем, включая определение их размеров, плотности и динамики изменений, отслеживание изменений в растительности, водных ресурсах и почве, оценка биологического разнообразия и выявление экологических угроз, контроль кислотного дренажа в горных районах после горных работ);
геодезия и картография (создание и обновление топографических карт, мониторинг изменений поверхности земли и океана, решение задач в сфере геоинформационных систем);
градостроительство и инфраструктура (мониторинг изменений в городской застройке и инфраструктуре на больших территориях, оценка состояния залоговых и строительных объектов для финансового сектора);
мониторинг природных ресурсов и управление ими (оценка запасов полезных ископаемых и водных ресурсов, разработка стратегий их рационального использования);
мониторинг стихийных бедствий (отслеживание и оценка последствий наводнений, оползней и пожаров);
метеорология и климатология (прогнозирование погодных условий и климатических изменений, мониторинг атмосферных явлений, включая концентрацию озона).
Основные преимущества данных ДЗЗ со спутников:
Оперативное получение актуальной информации — возможность получения снимков в течение суток после запроса.
Объективная оценка ситуации — снимки обеспечивают достоверную картину состояния объектов и территорий.
Высокая периодичность и единообразие — обеспечение наблюдений за изменениями на объектах с высокой частотой и стандартизацией данных.
Обзорность — сбор данных на больших территориях, что способствует сопоставимости информации.
Решение специфических задач — от мониторинга устойчивости склонов в горнодобывающих районах до оценки ущерба от стихийных бедствий.
Главное о ДЗЗ
ДЗЗ — метод сбора данных о Земле без контакта, используя датчики на спутниках и атмосферных платформах.
Перед ДЗЗ стоят задачи мониторинга погоды, сельского хозяйства, экологии и инфраструктуры.
Методы включают оптическое, радиолокационное, гиперспектральное и панхроматическое зондирование.
В России ключевые спутники: «Канопус-В», «Ресурс-П», «Метеор-М», «Арктика-М», «Электро-Л», «Аист-2Т», «Зоркий-2М» и другие.
Этапы применения: прием, обработка, дешифровка, визуализация данных.
ИИ революционизирует анализ, автоматизируя процессы и повышая точность.
Точность верифицируется стандартами, наземными проверками и алгоритмами.
ДЗЗ экономит ресурсы, охватывая огромные территории.
Ранее мы рассказывали о самой масштабной спутниковой группировке на низкой околоземной орбите — Starlink. Сколько спутник в нее входит и как работает спутниковый интернет от Илона Маска — сделали большой разбор.
