Применение технологий спутникового центра дво ран для мониторинга чрезвычайных ситуаций

      Комментарии к записи Применение технологий спутникового центра дво ран для мониторинга чрезвычайных ситуаций отключены

Применение технологий спутникового центра дво ран для мониторинга чрезвычайных ситуаций

ВВЕДЕНИЕ

Дальний Восток России имеет протяженную морскую и сухопутную границу со государствами Азиатско-Тихоокеанского региона, что есть территорией значительного риска происхождения ЧС (ЧС) как природного, так и техногенного характера. В качестве самый яркого примера возможно привести катастрофическое землетрясение в Японии в марте 2011 г. и разрушение АЭС Фукусима-1.

Для Дальнего Востока России воображают другие виды и опасность ЧС: тайфуны, лесные пожары, разливы нефтепродуктов, извержения вулканов, вредоносное цветение водорослей и др. Эти со спутников дистанционного зондирования Почвы (ДЗЗ) смогут покрывать огромную площадь, что делает их фактически незаменимыми для мониторинга ЧС. Имеющиеся в Спутниковом центре Дальневосточного отделения (ДВО) РАН разработки обработки данных с метеорологических спутников уже на данный момент смогут быть использованы для своевременного обнаружения ЧС и их мониторинга.

Спутниковый центр ДВО РАН — Центр коллективного пользования (ЦКП) регионального спутникового мониторинга внешней среды ДВО РАН — функционирует в Университете процессов и автоматики управления (ИАПУ). Главная деятельность ЦКП спутникового мониторинга ДВО РАН обусловлена географическим положением и содержится в получении информации о состоянии внешней среды и подстилающей поверхности в реальном времени, автоматизации их обработки и создании новых разработок для атмосферы мониторинга и спутникового океана.

Прежде всего это технологии:

  • построения всепогодных карт температуры поверхности моря;
  • температуры профилей атмосферы и построения влажности;
  • расчета полей течений по спутниковым измерениям с расчётом параметров и автоматическим обнаружением вихрей океана;
  • расчета макропараметров тайфунов в нижней тропосфере (большое значение скорости, радиус территории больших скоростей, недостаток давления в центре, радиусы фиксированных значений скорости);
  • экологического состояния и оценки биопродуктивности морей;
  • мониторинга ледовой обстановки в дальневосточных морях.

На сегодня созданы средства и способы автоматического приема, накопления, поставки и распределенной обработки базисных видов информации, принимаемой со спутников POES NOAA, MTSAT- 1R, MTSAT-2, «Метеор-М» №1, Aqua/ Terra(MODIS) и альтиметров через сеть Интернет. Реализованы автоматические цепочки обработки данных со спутников серии NOAA (температурные и структурные карты поверхности моря, влажности атмосферы и профили температуры), Aqua, Terra (около 200 параметров морской атмосферы и воды), MTSAT-1R, MTSAT-2 (температура воды, облачности, мониторинг морского льда) на базе пакетов AAPP, SeaDAS, RTTOV, MetOffice-1Dvar и собственных программных разработок [1].

На базе созданных разработок в 2010–2014 гг. Спутниковым центром ДВО РАН выполнялись следующие работы по мониторингу и обнаружению ЧС:

  1. Мониторинг океана и атмосферы в районе АЭС Фукусима-1.
  2. Непроизвольный мониторинг тропических циклонов в западной части Тихого океана.
  3. Мониторинг ледовой обстановки в Охотском море, северной части Японского моря.
  4. Обеспечение операций по спасению в акваториях северо-западной части Тихого океана данными спутникового зондирования.
  5. Мониторинг экологического состояния акваторий Японского моря.

МОНИТОРИНГ ОКЕАНА и АТМОСФЕРЫ В РАЙОНЕ АЭС ФУКУСИМА-1

С целью расчета рисков радиационного загрязнения территории России Спутниковым центром ДВО РАН проводился атмосферы и ежедневный мониторинг океана в районе АЭС Фукусима-1. Это потребовало объединения ряда и оперативного развёртывания разработок обработки данных с метеорологических спутников Почвы [1].

Главные задачи мониторинга:

  • оценка дорог распространения радиоактивного загрязнения через океан и атмосферу;
  • оценка некоторых долгосрочных последствий, обусловленных радиоактивным заражением прибрежной территории острова Хонсю.

Для мониторинга распространения радиоактивных загрязнений через воздух Спутниковым центром ДВО РАН была организована особая обработка данных, результаты которой дешёвы в сети в реальном времени (www.satellite.dvo.ru, заголовок «пара и Движение облачности согласно данным спутника MTSAT») и обновляются один раз в час. Представленные эти разрешают скоро оценить широкомасштабные перемещения воздуха, условно разбив ее по высоте на два уровня. Канал пара разрешает отслеживать перемещение атмосферных весов на нижних горизонтах тропосферы, ИК-канал — по изображению облачности на верхних горизонтах.

Результаты проводимого мониторинга сравнивались с результатами анализа изменчивости радиационной обстановки на русском территории и конкретно около АЭС Фукусима-1, и с расчётами и распространения европейскими моделями радиации Регионального специального метеорологического центра в Обнинске. Для этого проводился анализ предсказаний европейских моделей циркуляции воздуха (EURAD — The European Acid Deposition, http://www.eurad.uni-koeln.de/ — Университет Кельна) и анализ измерений на территории РФ.

Радиоактивные вещества в океане переносятся течениями. Для прогноза для того чтобы распространения нужно знать положение термических фронтов, скорости и вихрей течений.

В качестве базы для контроля циркуляции океана в районе АЭС Фукусима-1 употреблялись композиционные карты температуры поверхности океана (ТПО). Карты строились и выкладывались в Интернет в форме фильма об изменчивости ТПО района Фукусимы (www.satellite.dvo.ru, закладка «Динамика водных весов: перемещение термических структур на поверхности океана»).

Главным источником информации о температуре морской поверхности были ИК-измерения спутника MTSAT-1R. Для композиции согласно данным MTSAT-1R расчет ТПО велся по методам Спутникового центра [2], поскольку методики расчета Японского метеорологического агентства не удовлетворяют по точности современным требованиям (проект GODAE — Global Ocean Data Assimilation Experiment).

Главная изюминка расчета композиционной карты ТПО — отказ от процедуры сглаживания ТПО за заданный промежуток времени, применение медианных оценок. Такие трехдневные карты разрешают сохранять четкие термические фронты и с уверенностью выделять границы объектов (струйных течений и вихрей) (рис. 1).

Рис. 1. Трехдневные композиции ТПО по ИК-измерениям спутника MTSAT-1R

Для расчета скоростей поверхностных течений использовался новый способ автоматического расчета, основанный на прослеживании перемещения выбранного участка изображения воды во времени [3]. Перемещение находится по максимуму кросс-корреляции участков на различных изображениях. Особенность используемого способа — наличие новой процедуры априорной оценки точности отбраковки величины и расчёта перемещения ошибочных перемещений.

Это разрешает отказаться от в большинстве случаев применяемого сглаживания поля скоростей, выстроенного хорошим кросс-корреляционным способом (рис. 2).

Рис. 2. Скорости поверхностных течений за 14 апреля 2011 г. (новый способ больших кросс-корреляций) и оценки линий тока на поверхности в районе АЭС Фукусима-1

Вихри синоптического масштаба смогут переносить зараженные воды, как в контейнере. Отслеживание их перемещения есть актуальной задачей. Для автоматического слежения за вихрями в своевременную работу Спутникового центра ДВО РАН был введен созданный способ выделения вихрей и автоматического поиска с расчетом их геометрических параметров и прослеживанием на последовательности изображений [5].

На основании совершённого спутникового мониторинга был сделан вывод, что возможность появления на Дальнем Востоке РФ загрязненных вод со большими размерами радиоактивности практически была равна нулю, поскольку отмечается стремительное падение концентрации радиоактивных веществ при их переносе течениями.

Непроизвольный МОНИТОРИНГ ТРОПИЧЕСКИХ ЦИКЛОНОВ

Своевременное получение информации о тропических циклонах (ТЦ) есть нужным условием минимизации сопутствующих им рисков. самые важными данными для моделей прогноза тропических циклонов являются их текущее расположение и главные термодинамические параметры. Вследствие этого своевременное получение информации играется важную роль при прогнозе ТЦ. Существующие на настоящий момент разработки мониторинга ТЦ являются полуавтоматическими, т. е. требуют участия оператора.

В Спутниковом центре ИАПУ ДВО РАН создана и внедрена в своевременную работу разработка автоматического мониторинга ТЦ с применением данных метеорологических спутников Почвы (геостационарных серии MTSAT и полярно-орбитальных серии NOAA). Эта разработка разрешает приобретать данные о расположении ТЦ с частотой до двух раз в час [6].

Входными данными для работы совокупности автоматического построения траекторий ТЦ являются ИК-изображения в проекциях с геостационарного спутника MTSAT-1R. ИК-изображения принимаются в своевременном режиме в ЦКП Спутникового мониторинга внешней среды ДВО РАН и охватывают следующий регион: координаты левого нижнего угла по широте — 0°00’00»с.ш. и долготе — 110°00’00»в.д.; размер по долготе и широте — 70°; размер пикселя изображения в надире образовывает около 3,7 км.

Одним из ответственных качеств ответа задачи мониторинга ТЦ есть организация своевременной поставки информации заинтересованным потребителям. Широкую популярность взяли геоинформационные совокупности (ГИС), основанные на стандартах, созданных Открытым геопространственным консорциумом (OGC). В Спутниковом центре ДВО РАН выполнена работа по организации автоматического построения траекторий ТЦ и их поставки с применением стандарта OGC WFS (Web Feature Service).

Созданная совокупность автоматического мониторинга ТЦ с применением уникальных способов автоматического поиска разрешает в своевременном режиме обнаруживать, прослеживать и рассчитывать главные геометрические параметры ТЦ на базе комплексного анализа данных дистанционного зондирования (рис. 3). Совокупность интегрирована в структуру распределенной совокупности обработки ЦКП «Регионального спутникового мониторинга внешней среды ДВО РАН».

Рис. 3. Web-интерфейс для работы с данными о траекториях тайфунов на примере супертайфуна «Вонгфонг» на момент времени 07.10 г. 18:31:16 UTC

МОНИТОРИНГ ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ И ОПЕРАЦИИ по спасению

Спутниковый центр ДВО РАН в течение нескольких лет на регулярной базе ведет мониторинг ледовой обстановки в Охотском море. Для обеспечения информационной помощи ледовой проводки судов к порту Магадан для администрации морпорта Магадан во время зимней навигации с 1 января по 31 мая оперативно через FTP- сервер поставляются продукты обработки спутниковых данных. К примеру, RGB- изображения в меркаторской проекции согласно данным радиометра MODIS/Terra-Aqua (рис. 4).

Решаются две главные задачи информационного обеспечения зимней навигации: мониторинг и получение кромки льда, получение изображений структуры льда (трещины, разводья) и расчет дрейфа льда. Эта информация нужна для прокладки судов маршрута и оптимального ледокола. Все сведенья представляются в меркаторской проекции с пространственным разрешением 250 м.

Рис. 4. RGB-изображение морского льда на подходе к порту Магадан в меркаторской проекции согласно данным радиометра MODIS/Terra-Aqua

Зимний период 2010–2011 гг. Спутниковый центр ДВО РАН учавствовал в поиске пропавших в Охотском море судов [7]. 6 декабря 2010 г. в море унесло баржу. В Сахалинском заливе 30–31 декабря 2010 г. в ледовый плен попало сходу десять судов. В Татарском проливе у Сахалина 7 января 2011 г. потерялась рыболовецкая шхуна «Партнер» с экипажем из 14 человек. 11 января 2011 г. в юго- восточной части Сахалина унесло буксир «Прогресс-2».

Западнее Камчатки 16 февраля 2011 г. потерялся траулер «Аметист» вместе с экипажем из 24 человек.

Опыт говорит, что с момента последней связи с пропавшими судами и до начала их поиска на базе спутниковой информации (в большинстве случаев по окончании неудачи своевременного поиска классическими средствами) проходит 5–10 дней. Дабы осуществить достаточно дорогую точную спутниковую съемку на район поиска, нужно сделать прогноз вероятного расположения судна. Для этого требуется знать скорости поверхностных течений, силу и направление ветра, и парусность судна.

Модельные расчеты течений и ветра не всегда совпадают с настоящими значениями. Исходя из этого нужно применять целый комплекс информации — долгие наблюдения за течениями, редкие прямые измерения, прогнозные непосредственные расчёты и оценки ветра дрейфа по временной последовательности спутниковых изображений.

МОНИТОРИНГ ВРЕДОНОСНОГО ЦВЕТЕНИЯ ВОДОРОСЛЕЙ

Среди биотических компонентов прибрежных экосистем фитопланктон — один из самые чувствительных элементов, реагирующих на трансформации природной среды. Наряду с этим многие виды фитопланктона в ходе собственной жизнедеятельности создают страшные токсины. Массовое цветение этих видов именуется вредоносным цветением водорослей (ВЦВ).

ВЦВ воображает опасность для жизни и здоровья людей, снижает продуктивность марикультурных хозяйств, причиняет ущерб рекреационным системам и туризму, снижает биоразнообразие и разрушает морские экосистемы.

Так, ответственной есть задача определения вида цветущего фитопланктона по спутниковым данным, и акватории и установление биомассы массового цветения фитопланктона.

Громадное разнообразие морских микроводорослей (более 5000 видов), близость оптических особенностей некоторых видов и наличие шумов разной природы в измерениях цветности делают маловероятным ответ задачи определения видового состава в «неспециализированной» постановке. Исходя из этого такую задачу возможно решить на базе широкого применения региональных изюминок, прежде всего на базе знаний о видовом составе водорослей, времени, интенсивности и изюминках их цветения.

Как показывают изучения в Дальневосточном регионе, в произвольно выбранной пробе воды биомасса лидирующей водоросли образовывает около 60%, а биомасса четырех лидирующих водорослей — около 90%. Наряду с этим отмечается большая пространственно- временная устойчивость видового состава, что снимает принципиальные ограничения на решение задачи распознавания вида водоросли [8].

Современные спутниковые биооптические методы разрешают не только изучить пространственное распределение этих параметров, отражающее содержание фитопланктона в морской воде, но и оценивать спектральные плотности поглощения света, флуоресценции и рассеивания света клетками фитопланктона, что открывает принципиальную возможность определения главного вида микроводорослей в морской воде.

Созданная в Спутниковом центре ДВО РАН вычислительная совокупность океана и характеристик автоматического расчёта атмосферы по спутниковым данным разрешает фактически в реальном времени (от 15 мин. до нескольких часов) поставлять карты более чем для 200 видов геофизических атмосферы и параметров океана.

На данный момент ведется своевременный мониторинг биооптических черт акватории, и разработка метода автоматического обнаружения ВЦВ по спутниковым данным (рис. 5).

Рис. 5. Концентрация хлорофилла-А в заливе Петра Великого 31 августа 2009 г. и точки измерения видового состава фитопланктона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданные разработки автоматического получения по спутниковым изображениям температуры поверхности океана, скоростей поверхностных течений, динамических параметров синоптических вихрей, параметров тропических циклонов, параметров излучения водной поверхности разрешили повысить достоверность и оперативность мониторинга таких страшных природных явлений, как тайфуны, распространение загрязнений, вредоносное цветение водорослей, и обеспечить проводку судов в тяжелых ледовых условиях.

Все эти технологии внедрены в практику работы ЦКП «Региональный спутниковый мониторинг внешней среды ДВО РАН» и употребляются для своевременного мониторинга состояния прибрежных акваторий.

Работа поддержана программой фундаментальных изучений Президиума РАН «Поисковые фундаментальные научные изучения в интересах развития Арктической территории РФ».

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Левин В. А., Алексанин А. И., Алексанина М. Г., Бабяк П. В., Громов А. В., Дьяков С. Е., Загуменнов А. А., Ким В., Стопкин М. В., Фомин Е. В. Технологии поверхности и спутникового мониторинга атмосферы оке- ана района АЭС Фукусима // Современные неприятности дистанционного зондирования Почвы из космоса. –2012. Т. 9. –№1. –С. 187–196.
  2. Алексанин А. И., Дьяков С. Е. Кросс-калибровка ИК-каналов спутника MTSAT-1R и метод расчета температуры поверхности моря // Изучение Почвы из космоса. –2010. –№ 5. –С. 3–10.
  3. Алексанин А. И., Алексанина М. Г., Карнацкий А. Ю. Непроизвольный расчет скоростей поверхностных течений океана по последовательности спутниковых изобра- жений // Современные неприятности дистанцион- ного зондирования Земли из космоса. –2013. Т. 10. –№ 2. –С. 131-142.
  4. Emery W. J., A. C. Thomas, M. J. Collins, W. R. Crawford, and D. L. Mackas. An objective method for computing advective surface velocities from sequential infrared satellite images // J. Geophys. Res., –1986. Vol. 91. No. –C11. P. 12865–12878.
  5. Алексанин А. И., Загуменнов А. А. Неприятности автоматического обнаружения вихрей океана по спутниковым ИК-изображениям // Изучение Почвы из космоса. –2011. –№ 3. –С.65–74.
  6. Еременко А. С. Умелая эксплуатация совокупности автоматического мониторинга тропических циклонов // Современные неприятности дистанционного зондирования Почвы из космоса. –2013. Т.10. –№1. –С. 320–327.
  7. В. А. Левин, А. И. Алексанин, М. Г. Алексанина, П. В. Бабяк, А. В. Громов, Ю. В. Наумкин, Е. В. Фомин, М. В. Стопкин. Cпутниковый мониторинг ледовой обстановки в Охотском море // Почва из космоса — самые эффективные ответы. –2011. Вып. 10. –С.44–49.
  8. А. И. Алексанин, В. А. Качур, В. Ким, Т. Ю. Орлова, А. Н. Павлов, П. А. Салюк, И. В. Стоник, О. Г. Шевченко. К определению видового состава фитопланктона по спутниковым данным. Биологическая безопасность дальневосточных морей России. –2013. Владивосток: Дальнаука, –С. 412–448.

XIII ДЗЗ 2015 — Аудитория №310 SMIS Lab. — СЕКЦИЯ B. (18.11.2015 первая половина дня)


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: