Спутник Radarsat-2

Харунобу Масуко - руководитель группы Японского национального института информационных и коммуникационных технологий:

До сегодняшнего момента фотографии с низким разрешением были не всегда полезны в противодействиях катастрофам, потому, что наблюдения из космоса были сделаны с отдаленного расстояния. Однако благодаря технологическому прогрессу стали доступны фотографии с очень высоким разрешением. Более того, использование этой технологии начинает существенно изменяться благодаря индустрии распространения информации и прогрессу информационной инфраструктуры. Мен хотелось бы представить недавнее исследование изображений высокого разрешения из космоса и технологию его применения.

Технологии оптического наблюдения из космоса

Наиболее привычные фотографии земли со спутника – это, пожалуй, оптические изображения, которые используют видимый свет и свет ближней части инфракрасного диапазона. Оптическое изображение из космоса было внедрено спутником ERTS (LANDSAT), который Соединенные Штаты запустили в 1972 году. Он был оборудован снаряжением для наблюдения MSS. С помощью оптического сенсора видимого света/ближней части инфракрасного диапазона при разрешении в 80 м были получены изображения площади в 185 км. Тридцать семь лет прошло с тех пор и оптические наблюдения со спутника сделали огромный прорыв в плане разрешения. ( Таблица 1)

Изображения с самым высоким разрешением на данный момент можно увидеть на домашней страничке GeoEye, Inc. WorldView-1 - спутник, сделавший первые изображения высокого разрешения. В 2011 или 2012 году GeoEye Inc. (США) планирует запустить GeoEye-2 с разрешением в 25 см. Digital Globe, Inc. в США также планирует запустить немного модернизированный WorldView-2.

Как показано в Таблице 1, оптическое изображение со спутников улучшилось не только в плане разрешения, но также улучшения качества фотографий (квантование). Стало удобнее передавать изображения на землю. Но есть и другая сторона медали. Высокое разрешение фотографий со спутника может привести к конфликтам, если у страны есть оборудование (такое как военные установки), которые не должно быть рассекречено. По этой причине фотографии с высоким разрешением, сделанные GeoEye-2, будут контролироваться правительством США. Более того, пройдут переговоры по контролю за фотографиями. Этот важный момент должен быть оговорен до того, как фотографии с высоким разрешением будут использоваться для контроля за стихийными бедствиями.

Таблица 1. Сравнение высокого разрешения оптических спутников (со ссылкой на веб-сайты Японского аэрокосмического агентства (JAXA), DigitalGlobe, Inc. и GeoEye Inc. для таких данных, как фотографии.)

Технологии радиолокационного наблюдения из космоса

В наши дни можно получить изображения с помощью радиолокаторов, которые совпадают с оптическими изображениями. Последние можно сделать благодаря солнечному свету, а радиолокационные изображения получаются с помощью датчиков, использующих радиоволны, которые служат источником света, так что можно делать изображения как днем, так и ночью. К тому же, главный недостаток оптических изображений в том, что фотографии поверхности земли не могут быть получены в облачную погоду, а радиолокаторы могут позволить получить фотографии с высоким разрешением с поверхности земли даже при небольшом дожде, не говоря уже об облаках. Таким образом, радиолокаторы имеют неоспоримое преимущество по сравнению с оптическими датчиками. С другой стороны, так как изображения поверхности земли с помощью радиолокаторов показывают неровности поверхности, изображения полностью отличаются от оптических изображений, которые сравнимы с картиной, видимой человеческому глазу. Соответственно, необходимы специальные знания для расшифровки радиолокационных изображений.

РЛС/радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR) используется для радиолокаторов с высоким разрешением. Так же, как большая линза или зеркало используются для получения оптических фотографий с высоким разрешением, для радиолокатора необходима масштабная антенна. С помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой можно сделать изображения с высоким разрешением, используя космические спутники или воздушные судна для конструкции масштабной антенны в космосе. На Рисунке 1 можно увидеть принципы РЛС. Он испускает радиоволны по диагонали и принимает радиоволны, которые отбиваются от поверхности Земли. Так как с помощью РЛС поверхность Земли всегда наблюдается по диагонали, можно получить трехмерные фотографии в отличие от перпендикулярных оптических изображений. Рисунок 2 демонстрирует принципы радиолокаторного разрешения сделанного по диагональной территории.

В отношении диапазона, который является элементом разрешения на линии обозрения на Рисунке 2, было подписано соглашение на конференции World Radiocommunication Conference проходившей в Женеве в 2007 году. В ходе конференции определили 800 MHz в пределах диапазона в максимум 9,3-9,9 GHz для спутника наблюдений за землей; таким образом, разрешение по линии обозрения составит 25 см.

Многие космические спутники, оснащенные радиолокаторами высокого разрешения, были запущены по всему миру. Таблица 2 демонстрирует суммарное разрешение РЛС спутников, находящихся в космосе в данный момент. Германия поставила себе цель покрыть диапазон в 600 MHz благодаря спутнику TerraSAR-X No.2. Его запуск запланирован на 2013 год. Радиолокаторы с синтезированной апертурой используют самые современные технологии и нуждаются в финансировании. В большинстве случаев, они получает поддержку со стороны правительства. Radarsat и TerraSAR-X были разработаны совместно правительством и частным сектором, а COSMO-SkyMed только правительством (особенно, военными). Оба - TerraSAR-X и COSMO-SkyMed сделали повторяющиеся и многочисленные наблюдения за землетрясением в Сычуани и циклоном Мбянма. Они использовали преимущества космических спутников. Результаты размещены в интернете, и к ним относятся с интересом благодаря их пользе во время стихийных бедствий. С другой стороны, как и в случае с оптическими спутниками, изображения могут быть сделаны в любое время при практически любых погодных условиях. Поэтому люди в США и других странах испытывают некоторое беспокойство по поводу получения данных с радиолокатора.

Рисунок 3 демонстрирует изображение сельскохозяйственной области недалеко от города Токуяма в префектуре Аити. Изображение было сделано вторым поколением РЛС, разработанным Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий и установленным на самолете. Область на изображении составляет один километр во всех направлениях, угол наклона 50 градусов, а разрешение - около 40 см. Для сравнения вы можете просмотреть оптическое изображение на Google Earth. Так как изображение РЛС было получено с помощью радиоволн, первоначально оно было светло-серым. Цвета добавлены здесь в соответствии с направлением передачи и получения радиоволн от поверхности земли. Радиоволны сильно отражаются от металла, если размеры рельефа поверхности такие же, как длина волны. На изображении эти части светятся белым.

Рисунок 1. Принципы РЛС. Изображения с высоким разрешением получены путем передачи радиоволн при каждом положении антенны. Затем принимают радиоволны, которые отталкиваются от поверхности земли. Полученные данные обрабатываются на компьютере.

Рисунок 2. Принципы разрешения РЛС. Для диапазона в 600 MHz разрешение линии обозрения - 25 см, и разрешение поверхности земли становится 39 см, при угле наклона в 40 градусов. Рисунок 2.

Таблица 2. Сравнение радиолокационных спутников с высоким разрешением (веб-сайт каждого спутника для таких данных, как изображение).

Рисунок 3. Сравнение области изображения возле города Токуяма в префектуре Аити (1 км x 1 км, угол наклона 50 градусов). Изображение было сделано РЛС, разработанным Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий и установленным на самолете. Оптическое изображение с Google Earth.

За определенную плату можно получить изображения с очень высоким разрешением со спутников. (Таблица 1). А также сейчас возможно использовать изображения радиолокаторов с высоким разрешением (Таблица 2).

Центр дистанционного зондирования Земли в Японии (RESTEC) предоставляет изображения с французских спутников LANDSAT или SPOT и изображения Японского аэрокосмического агентства (JAXA) платно. С другой стороны, когда наступит стихийное бедствие, фотографии будут уже неэффективны.

Когда придет бедствие, изображения должны быть сделаны добровольно, а не после просьбы. Поэтому космические агентства всего мира, включая JAXA, согласились наблюдать за регионами бедствий на приоритетной основе. Данные будут предоставляться бесплатно.

Однако, даже в этом случае необходим доступ к обработке данных. В подобной ситуации заслуживает внимания услуга Google, Inc. в США, которая распространяется бесплатно для предоставления возможности людям использовать данные изображений со всего мира различными способами, включая обработку через бесплатное программное обеспечение под названием Google Earth. Правда, изображения с высоким разрешением использовавшие фотографии с воздуха были довольно ограниченными. В сентябре 2009 года Google, Inc. планирует подписать договор с GeoEye, Inc.  и получить возможность использовать GeoEye-1 с разрешением в 50 см. Когда ураган Катрина разрушил Новый Орлеан в августе 2005 года был установлен доступ к его снимкам в Google Maps. Теперь каждый сможет пользоваться этими фотографиями. Это не что иное, как начало огромного прорыва в обмене информацией, которая является основой противодействия бедствиям.

Природные бедствия имеют тенденцию случаться, когда их меньше всего ожидают, а эти действия позволят создать специальную систему для ликвидации этих бедствий. Если потребности в системе возрастут сложно будет пользоваться ею и тем, кто предоставляет эту услугу, и тем, кто ею пользуется. Из-за этого идеальная система информирования будет та, что знакома людям, и может быть использована во время стихийных бедствий. Затраты в обычное время будут покрыты ежедневным использованием системы. Модель, представленная Google, Inc. довольно интересна в этом плане. С другой стороны, как уже упоминалось выше, изображения с высоким разрешением могут сохранить информацию, которую люди хотели бы скрыть, так что необходимо создать правила на этот счет.

На пути к международному сотрудничеству

Наблюдение за землей со спутника имеет менее, чем сорокалетнюю историю, со времени запуска первого спутника ERTS (LANDSAT), и хотя технология изображений сделала выдающееся открытие, нельзя сказать, что ее системы удобны для пользователей. С другой стороны, рост индустрии информации представленной Google значителен и развитие информационной инфраструктуры было широкомасштабным, поэтому удобство использования данных несравнимо с периодом спутников ERTS. В будущем мы бы хотели увидеть систему, которой каждый человек сможет пользоваться ежедневно для сбора и обмена информацией во время стихийных бедствий.

Преимущество наблюдений из космоса в том, что можно наблюдать за конкретным местоположением. В то же время, сложно использовать только один спутник, и для более частого получения информации их понадобится несколько, что также способствует установлению международного сотрудничества. Перспектива наблюдения только за стихийными бедствиями в своей стране нереальна. Это также относится к обработке данных наблюдения. Количество пикселей, естественно, возрастает для изображений определенных областей, как и объем данных для каждой местности. Подобные результаты практически невозможно получить в пределах одной страны, так что международное сотрудничество необходимо в будущем.