Космический мониторинг лесов

Что делает информацию из космоса наиболее привлекательной и востребованной для охраны лесов

Высокое разрешение и огромная площадь охвата являются отличительной стороной спутникового изображения. Переодичность и регулярность поступающих сведений позволяют отследить любые изменения происходящие с лесными массивами. Благодаря космическим снимкам мониторингу подвергается вся территория лесов. Даже самые удаленные и труднодоступные участки не остаются без внимания.
Спутниковая съемка обеспечивает объективность получаемой информации. Погрешности сведены к минимуму. Причем данные полученные со спутника могут поступать сразу в несколько инстанций.

С экономической точки зрения стоимость получения космических снимков минимальны. Основные затраты приходятся на вывод спутника на орбиту, но поскольку спутники несут на борту многофункциональное оборудование позволяющее выполнять большое количество задач, а не только мониторинг лесных земель такой способ получения информации оказывается очень выгодным.

Где применим космический мониторинг

Наблюдение за объектами лесохозяйствования с помощью спутникового оборудования дает возможность:

• контролировать лесозаготовительные работы, в том числе обнаруживать несанкционированные вырубки, строительные, добывающие и прочие незаконные работы;
• вести постоянный пожарный и послепожарный мониторинг;
• оценивать лесопатологическое состояние и процесс лесовосстановления;
• отслеживать качество среды обитания редких видов дикой фауны, пути миграции, плотность распространения и др.;
• получать объективные данные для промышленного использования, сертификации и инвентаризации лесных участков с уточнением их границ;
• изучать воздействие антропогенного фактора в динамике.

Как работает система космического мониторинга

Сведения об обнаруженных аномальных источниках теплапоступают от группы спутников оснащенных инфракрасной, многоспектральной оптической или другой аппаратурой. Наземные координирующие центры осуществляют прием, расшифровку полученной информации. Результаты направляются в соответствующие инстанции.

С помощью космического лесного мониторинга применительно к пожарной опасности можно решать два типа задач:

1. Оперативные задачи (получение координат аномальной температуры, интенсивность и направление распространения горения, текущие и прогнозируемые метеоусловия)
2. Неоперативные, текущие задачи: (уточнение выгоревшей площади, задымленность, состав воздуха и др.).

Спутниковые системы способны, на основании имеющихся данных о горимости лесов, метеопрогнозов и текущих погодных условий, сделать анализ о пожарной обстановке лесного участка.

Проблемы космического мониторинга и пути их решения

На сегодняшний день результативность мониторинга, в особенности работа многоспектральной оптики, во многом связана с наличием и плотностью облачного слоя в момент прохождения над обследуемой территорией. Переход на радиолокационную съемку позволяет получать качественную информацию вне зависимости от метеоусловий в любое время суток.

Одним из основных направлений, по которым ведется улучшение качества дистанционного зондирования, является повышение точности и достоверности распознавания пожарной угрозы. Существуют трудности с обнаружением низовых пожаров в начальной фазе. Для определения такого возгорания пока требуется довольно большая площадь. Так же имеют место быть ложные срабатывания от локальных источников тепла (нагретых крыш, отдельных костров и даже русел рек).

Среди путей совершенствования космического мониторинга лесов видится два основных:
первый заключается в обновлении, последовательной модернизации программного и технического оснащения;
второй – в налаженном, систематическом обмене данными с наземными, авиапатрульными подразделениями и автоматическими системами видеонаблюдения, такими как Forest Fire Detector. Такой подход поможет избежать ошибок и обеспечить надежную охрану лесных угодий.

IT-Интегратор. Проектирование, разработка программного обеспечения, продажа комплексных услуг.

Источник

Космический мониторинг лесов России: современное состояние, проблемы и перспективы

А. А. Маслов, доктор биол. наук, вед. научный сотрудник Института лесоведения РАН, эксперт по лесным вопросам ИТЦ «СканЭкс»

В конце 2004 – начале 2005 года многие жители России впервые узнали о съёмке лесов из космоса. Заголовки типа «Звёздные войны», «Большое видится на расстоянии» не сходили со страниц газет и экранов телевидения – руководители Рослесхоза рассказывали о том, что в стране создана система космического мониторинга за незаконными рубками леса. В феврале 2005 г. министр Юрий Трутнев представил новую систему президенту РФ Владимиру Путину. Одновременно представители ряда зелёных организаций заявили, что никакой системы в России нет, а объявленный мониторинг – лишь «дорогая игрушка и средство для пускания пыли в глаза». Между тем в самом применении дистанционных методов (съёмке лесов из космоса) нет ничего принципиально нового – такие работы проводились в стране и 10, и 20 лет назад.

Попытаемся разобраться, с чем связан последний всплеск интереса к дистанционным методам, каковы возможности современной космической съёмки лесов и её ближайшие перспективы.

Космические снимки как новый вид информации о российских лесах

Наблюдаемый всплеск интереса к материалам космической съёмки лесов связан с активным включением российских лесных ресурсов в мировую экономику, а также с активностью международных и российских природоохранных организаций. Характерными признаками глобализации можно считать приход на российских рынок крупных зарубежных лесопромышленных компаний, внедрение международных стандартов сертификации, вовлечение России в процесс борьбы с нелегальными рубками, в том числе, – в рамках «Большой восьмерки».

Практически все актуальные проблемы лесного сектора (развитие арендных отношений, сертификация, охрана старовозрастных лесов, борьба с незаконными рубками) требуют для своего решения самой актуальной и объективной информации о лесах. Источников такой информации – крайне мало. Топографические карты обновляются реже, чем раз в 10 лет, и почти не содержат информации о лесах, причём детальные карты масштаба 1:100 000 и крупнее до сих пор «закрыты» из-за секретности. Подробная лесоустроительная информация по многим районам страны принципиально устарела, так как даже во времена СССР лесоустройство проводилось раз в 10–20 лет. Сейчас во многих районах и эти сроки превышены. Свежие данные лесоустройства (если оно проводилось недавно) мало доступны потребителям информации – предприятиям лесного бизнеса, местным органам власти, научным и природоохранным организациям. Характерно, что даже органы управления лесами могут испытывать затруднения в получении данных лесоустройства (особенно в электронной форме).

В сложившихся обстоятельствах космическая съёмка оказалась самым доступным и востребованным видом информации. В России это в немалой степени связано с распространением компактных станций «УниСкан», созданием центра приёма и распространения космической информации ИТЦ «СканЭкс» (www.scanex.ru), деятельностью некоммерческого партнерства «Прозрачный мир» (www.transparentworld.ru).

Какие характеристики космических снимков в первую очередь определяют их востребованность в современных российских условиях?

Объективность. Каждый космический снимок является документом. Он объективно отражает состояние местности на момент съёмки. Например, определяемые по снимку размер и направление лесосеки никак не зависят от материалов отвода в лесхозе. Подделать снимки практически невозможно, так как съёмку осуществляют различные компании-операторы, и попытки «изменения данных» будут легко обнаружены. По сути, съёмка из космоса даёт возможность независимого и перекрёстного контроля процессов в лесном хозяйстве со стороны различных российских и международных организаций, включая Росприроднадзор и сам Рослесхоз.

Актуальность. Материалы космической съёмки можно получить на различные даты. Как правило, давность архивных снимков среднего разрешения (примерно, масштаба 1:25 000) на лесные районы России не превышает 1–2 года. Съёмка по заказу со средним или высоким разрешением обычно осуществима в течение нескольких недель.

Масштабность. Современная съёмка в обзорных масштабах позволяет одновременно снять огромные территории с довольно высокой детализацией. Так, размер одного кадра нового спутника IRS-P6 составляет 740х740 км. Этот кадр покрывает почти половину севера европейской России (рис. 1), а разрешение съёмки (о соответствии пространственного разрешения снимка и масштаба карты см. таблицу 1) в 55 м позволяет определить места рубок размером более 5–10 га (рис. 2).

Экстерриториальность. Участки съёмки никак не привязаны к государственным или административным границам; для проведения съёмки не требуются какие-либо разрешения. Всё это позволяет получать унифицированные данные по состоянию лесов в различных лесхозах, субъектах федерации, «по ту» и «по эту» сторону границ.

Доступность. Это, пожалуй, наиболее важная причина активного использования космических снимков в последние годы. (Во времена СССР снимки были доступны лишь узкому кругу закрытых организаций). В настоящее время все материалы космической съёмки с пространственным разрешением 2 м и более являются совершенно открытыми. Процедура заказа и получения снимков проста и подробно изложена в интернете на сайтах поставщиков.

Дистанционные методы в решении задач лесного хозяйства

Крупнейшие лесные державы пришли к пониманию необходимости дистанционного мониторинга лесов несколько лет назад. Российское отставание в этой области – небольшое и касается, главным образом, государственной информационной политики. В Швеции и Финляндии съёмка всей территории страны со средним пространственным разрешением (10–30 м) осуществляется ежегодно за счёт госбюджета. Полученные данные эффективно используются в лесоустройстве, при учёте лесного фонда и для выявления нелегальных рубок. Так, применение ежегодной космической съёмки в Швеции (с 2000 года) позволило уменьшить число нелегальных рубок с 10 до 2%. Государство не только финансирует съёмку, но и активно способствует внедрению современных дистанционных методов и ГИС-технологий в лесное хозяйство, в том числе – путём обучения специалистов и владельцев леса. Отработанные и внедрённые в практику дистанционные «скандинавские технологии» с ещё большим успехом могут применяться в России, учитывая масштабы её лесной территории.

Действующая «Инструкция по проведению лесоустройства в лесном фонде России» (1994) предусматривает применение космических снимков при решении широкого круга задач, особенно при устройстве малоосвоенных лесов северных и восточных регионов России. За годы, прошедшие с момента издания этой инструкции, существенно возросли как технические возможности съёмочной аппаратуры, так и возможности дешифрирования. Методические разработки отечественных учёных (В. И. Сухих, В. М. Жирин и др.) по использованию космической съёмки в лесном хозяйстве не уступают зарубежным, однако в последние годы (в связи с отсутствием госзаказа на съёмку) эти работы, в основном, не выходили за рамки научно-экспериментальных. Ситуация стала меняться в начале 2005 года, когда по инициативе Рослесхоза началось внедрение космической съёмки в практику мониторинга нелегальных рубок.

Переход к регулярной космической съёмке лесов России со средним и высоким разрешением позволит на новом уровне решать многие из задач лесного хозяйства. Среди них:

* контроль за процессами лесозаготовок (включая контроль нелегальных рубок);
* оценка последствий лесных пожаров;
* лесопатологический мониторинг;
* инвентаризация лесного фонда, сертификация лесных участков;
* оценка лесовозобновления.

Особо следует подчеркнуть, что решение всех этих задач может осуществляться независимо на федеральном, региональном уровне, а также на уровне крупных лесных компаний-арендаторов.

Проблемы космического мониторинга

В самом начале развёртывания системы космического мониторинга лесов России существовали серьёзные проблемы, связанные с мифами. Перечислим три основных мифа:

1) съёмка территории России постоянно осуществляется большим числом российских и зарубежных спутников;

2) материалы съёмки бесплатно можно скачать в интернете;

3) при платном заказе снимков их можно быстро получить на любую заказанную дату и на любую территорию в течение нескольких дней.

Все эти мифы имеют в своей основе что-то реальное, но в целом, далеки от действительности. Так, регулярную съёмку территории России действительно производят несколько спутников, но это – спутники с низким пространственным разрешением (250 м и более). Для решения основных задач лесного хозяйства столь низкое разрешение неприемлемо (исключение – обнаружение лесных пожаров). Никакие операторы спутников не ведут в настоящее время сплошную съёмку территории России в среднем и высоком разрешении. Такая съёмка осуществляется на заказ, поэтому данные из архивов фрагментарны во времени и в пространстве.

В прошлом относительно регулярную съёмку России со средним разрешением осуществляли американские спутники серии Landsat, однако в 2003 г. последний спутник серии практически вышел из строя. Эффективной заменой Landsat во многих странах (в том числе – в Скандинавии) стали снимки французских спутников серии SPOT, а также снимки индийских спутников IRS. Однако съёмка России с этих спутников также проводится на заказ. Кроме того, возможность и эффективность съёмки России этими спутниками во многом определяется наземной инфраструктурой (а проще – наличием или отсутствием станций приёма космической информации в зоне прямой видимости).

В связи с этим очевидно несостоятельными выглядели представления некоторых чиновников о возможности быстрой закупки необходимых данных в зарубежных архивах. Что касается бесплатных данных в интернете (включая и новый проект Google Earth), то речь идёт только о мелких рекламных фрагментах или о снимках значительной давности (более 3 лет).

Составляющие системы космического мониторинга

Необходимыми компонентами системы космического мониторинга лесного фонда (включая мониторинг нелегальных рубок) являются:

* система наземных станций приёма информации, охватывающая всю страну;
* наличие актуальных лицензий на приём информации с космических аппаратов;
* центры обработки информации и работы с архивами;
* специализированное программное обеспечение для обработки снимков.

Большой опыт комплексного решения задач дистанционного зондирования был накоплен в российской компании ИТЦ «СканЭкс». Этот опыт включает полный цикл организации работ: производство наземных станций разного класса, покупку лицензий и прямой приём информации с космических аппаратов, создание архивов космической съёмки, разработку программного обеспечения для обработки снимков. Наземные станции (аппаратно-программные комплексы) производства «СканЭкс» в настоящее время составляют основу российского парка станций.

Для эффективного мониторинга большей части лесного фонда России необходимо задействовать три станции типа УниСкан (способные принимать данные со всех действующих и перспективных спутников). Для полного покрытия всех лесов России понадобится 5 станций (рис. 3). В настоящее время приём информации с нужных спутников осуществляют только две станции – в Москве и в Иркутске. Остальные станции МПР в последние годы практически не финансировались, и, по сути, прекратили работу. Кроме того, для приёма данных среднего и высокого разрешения эти станции необходимо модернизировать.

Рис. 3. Сеть станций приема космической информации Министерства природных ресурсов РФ. Заштрихованные круги соответствуют зонам приёма станций.

Второй составляющей системы мониторинга является наличие актуальных лицензий на приём информации с зарубежных космических аппаратов (при отсутствии в настоящее время необходимых российских спутников). К 2006 г. ИТЦ «СканЭкс» располагает лицензиями на прямой приём информации (для всей территории России) с космических аппаратов IRS-1C/1D, IRS-P6, SPOT-4, а также со спутников EROS-A и Radarsat-1 (табл. 2). Очевидно, однако, что финансовое обеспечение систематической съёмки всего лесного фонда России может быть обеспечено только силами государства или широкого государственно-частного партнёрства – такая задача не по силам отдельной небольшой компании.

Эксплуатация сети наземных станций и наличие актуальных лицензий позволили ИТЦ «СканЭкс» создать крупнейший в России архив космических снимков, доступный для заказов по интернету (более 96000 сцен). Разработан ряд программных продуктов по обработке снимков – ScanMagic, ScanEx Image Processor, ScanEx NeRIS и ScanEx SAR Processor. Указанные продукты позволяют производить углублённую тематическую обработку изображений, создавать карты, модели, экспортировать данные в распространённые ГИС, включая лесные – TopoL, ЛесГИС и др.

Особенности программы по мониторингу нелегальных рубок

С начала 2005 г. Федеральное агентство лесного хозяйства осуществляет проект по выявлению нелегальных рубок с помощью средств дистанционного зондирования. Координатором и заказчиком всех работ определена Авиалесоохрана. Космическая съёмка является одним из элементов системы мониторинга.

Отработка методики космической съёмки (январь–апрель 2005 г.) проводилась на примере отдельных лесхозов Архангельской области по следующей схеме.

1) На территорию выбранных Федеральным агентством лесхозов из архива «СканЭкс» подбирались снимки среднего (23 м) и высокого (6 м) разрешения за 2004 г. По возможности, снимки подбирались парами (за 2003 и 2004 гг.).

2) По снимкам среднего разрешения IRS 1C/1D LISS выявляли районы с интенсивными рубками (рис.4). При наличии снимков 2003 и 2004 г. свежие вырубки выявлялись путём совмещения снимков за два года.

3) По снимкам высокого разрешения IRS 1C/1D PAN (рис. 5) в среде ГИС проводили определение площади и размещения лесосек, выявленных на предыдущем этапе.

4) Для выявления нарушений космические снимки совмещались с квартальной сеткой и материалами по организации лесопользования (планы рубок, материалы отводов) из лесхозов.

Первичная обработка и автоматизированное совмещение снимков среднего разрешения с последующим цветовым выделением «различий» осуществлялось в программе ScanEx Image Processor. Синтезированные изображения с полигонами свежих вырубок передавались в Центральное лесоустроительное предприятие для загрузки в ГИС TopoL, совмещения с квартальной сеткой, оцифровки и сравнения с материалами отвода лесосек и лесорубочных билетов.

При наличии явных признаков нелегальной рубки осуществлялась крупномасштабная аэрофотосъёмка отдельных лесосек. Применялась также съёмка лесосек с самолёта на видеокамеру с последующим дешифрированием. Эта работа проводилась Авиалесоохраной совместно с санкт-петербургской фирмой «Аэроэкология». К маю месяцу под научным руководством В. И. Сухих (ЦЭПЛ РАН) были разработаны «Методические рекомендации по аэрокосмическому мониторингу порядка лесопользования», одобренные на НТС Рослесхоза.

На втором этапе работ (июнь–октябрь 2005 г.) дистанционный мониторинг проводился в шести субъектах (Республика Коми, Пермский край, Красноярский край, Иркутская обл., Хабаровский край и Приморский край). Основная ставка была сделана на свежие летние снимки высокого разрешения (6–10 м) с космических аппаратов IRS 1C/1D PAN и SPOT-4. Минимальная учитываемая по космическим снимкам площадь вырубки, завизирной рубки, компактного недоруба, согласно «Методическим рекомендациям…», составляла 1 га. В отдельных лесхозах проводилась съёмка высокого разрешения аппаратом EROS-A, которая в ряде случаев может заменить аэрофотосъёмку, так как на снимках видны отдельные деревья (рис. 6).

Выводы по итогам первого года съёмки

Совместный опыт работы ИТЦ «СканЭкс» и лесоустроительных предприятий по мониторингу нелегальных рубок в 2005 г. позволяет сделать следующие выводы.

1) Безоблачные условия (необходимые для космической съёмки) в большинстве районов европейского Севера, Сибири и Дальнего Востока с трудом поддаются прогнозу и редко совпадают с конкретным моментом пролета спутника. В связи с этим получение космоснимков на обширные территории (в отличие от аэрофотосъёмки), как правило, требует большего времени (3–4 месяца).

2) Наиболее эффективным подходом к космической съёмке больших регионов является проведение непрерывной съёмки с апреля по октябрь вплоть до момента получения безоблачного покрытия. Для более быстрого получения безоблачного покрытия целесообразно использовать несколько спутников с разными датами прохождения.

Для перехода от экспериментального этапа мониторинга нелегальных рубок к систематической ежегодной съёмке необходимо также:

* провести модернизацию принимающих станций сети МПР для приёма данных среднего и высокого пространственного разрешения;
* включить в смету работ по государственному мониторингу нелегальных рубок оплату лицензий на приём космической информации (с постепенным переходом на безлимитные лицензии);
* организовать регулярную съёмку с высоким разрешением (IRS-P6 LISS-4, SPOT-4, EROS-A) в районах интенсивного лесопользования с формированием федерального информационного ресурса;
* обеспечить развитие материальной базы и подготовку специалистов в области применения дистанционных методов для целей лесного хозяйства.

Последний пункт (развитие материальной базы и подготовка специалистов) является не менее важным, чем все остальные. С развертыванием работ по дистанционному мониторингу всё явственнее ощущается нехватка аппаратно-программных комплексов лесных ГИС, сопряжённых с программами по обработке космических снимков, а также острая нехватка кадров, способных работать с такими комплексами. В результате часть работ по дешифрированию до сих проводится на бумажных распечатках (с потерей части информации и точности). Необходимо также разработать и внедрить в практику лесного хозяйства методы использования космических снимков при инвентаризации и мониторинге лесов в сочетании с ГИС и GPS.

Общие результаты и перспективы

В 2005 г. дистанционным мониторингом порядка лесопользования было охвачено более 52 млн. га лесов в зонах интенсивного освоения семи субъектов Федерации. Обследованы 16 000 вырубок, крупномасштабной подспутниковой аэрофотосъёмкой освидетельствовано примерно 100 тыс. га.

По материалам пресс-службы МПР России, общая сумма выявленных неустоек составила 900 млн. рублей. Из них претензии (к декабрю) были предъявлены на сумму в 500 млн. рублей, 50 млн. рублей были выплачены нарушителями добровольно. В 2006 году Рослесхоз планирует охватить авиационным и космическим контролем всю территорию интенсивного лесопользования России (около 100 млн. га лесного фонда). На эти цели в федеральном бюджете предусмотрено 200 млн. рублей. Собственно съёмка из космоса является самой малозатратной частью работ по дистанционному мониторингу – в 2005 г. расходы на космоснимки не превышали 12% от общей суммы финансирования по проекту.

Важнейшим итогом работ 2005 г. является то, что руководство Рослесхоза впервые получило данные об основных видах и объёмах нарушений не от своих территориальных органов и лесхозов, а напрямую – по результатам объективного дешифрирования. Во многих случаях результаты были шокирующими. Грубейшие нарушения допускаются как лесозаготовителями, так и лесхозами. Например, в Пермском крае выборочная проверка лесхозов выявила массовое отсутствие планов рубок, несоответствие сроков примыкания (до трети всех лесосек) и массовое несоответствие фактического состояния лесосек актам их освидетельствования. К чести руководителей Рослесхоза, все эти факты осознаны и служат руководством к действию.

Серьёзное впечатление на лесоустроителей, руководителей лесного хозяйства, ранее не знакомых с космической съёмкой, произвели «картинки», показывающие фронтальное наступление лесозаготовителей на неосвоенную тайгу в Архангельской области. Да, эти снимки ранее неоднократно демонстрировали «зелёные». Но только с началом собственной программы дистанционного мониторинга лесоустроительные предприятия провели анализ размещения арендных участков и лесосек, показав как манипуляции с расчётной лесосекой («размазанной» по большой территории) реализуются в компактные участки сплошных рубок, по своим масштабам за несколько лет приближающиеся к «концентрированным». В результате вопрос изменения правил определения расчётной лесосеки поставлен в ближайшие планы агентства.

Развертывание работ по дистанционному мониторингу требует повсеместного внедрения лесных ГИС и GPS, электронного документооборота, перехода к цифровой аэрофотосъёмке, внедрения новых компьютерных методов дешифрирования. По сути, программа дистанционного мониторинга является частью технологической и организационной модернизации всего лесного хозяйства России. При этом программа мониторинга лесов стала первой в стране действующей государственной программой дистанционного мониторинга, и в этом качестве значение данной работы выходит далеко за рамки собственно лесного хозяйства.

Источник