Разработка концепции системы объективного дистанционного мониторинга объектов и ресурсов для обеспечения информационной связанности территории России

Одним из больших вызовов, стоящих перед нашей страной и сформулированных в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2035 года, является необходимость эффективного освоения и использования пространства, в том числе путем преодоления диспропорций в социально-экономическом развитии территории страны, а также укрепление позиций России в области экономического, научного и военного освоения космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики. Поставленные задачи планируется решать путем обеспечения связанности территории Российской Федерации за счет создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики. Таким образом, задача обеспечения связанности территории России является одной из ключевых, определяющих будущее страны.

Обеспечение связанности территории подразумевает решение большого числа комплексных задач, связанных с глобальными, межрегиональными, внутрирегиональными связями и типами связанностей, начиная от международных транспортно-логистических коридоров, связей между регионами со средней и низкой плотностью населения и хозяйственно-экономической деятельности, и заканчивая освоением территорий с низкой плотностью населения и экономической активностью при дефиците (отсутствии) традиционных путей сообщения, в том числе малонаселённых территорий с особым геостратегическим статусом.

Одной из составных частей комплексных научно-технологических проектов и программ, направленных на решение задач связанности территории России должна стать Система объективного дистанционного мониторинга объектов и ресурсов на территории РФ для обеспечения информационной связанности страны. Основной задачей такой системы будет получение объективной оперативной информации по всей территории России, для оценки текущего состояния ресурсов, разных областей и регионов, планирования направлений развития регионов и страны в целом, а также объективного контроля выполнения различных проектов.

Отсутствие объективной оперативной информации о состоянии ресурсов и объектов затрудняет, а иногда и делает невозможным стратегическое планирование и прогнозирование развития страны и отдельных регионов. Кроме того, отсутствие независящей от субъективных оценок, человеческого фактора, мнений заинтересованных ведомств, интегральной информации о состоянии регионов не всегда позволяет дать объективную оценку их текущего состояния и развития. Все это приводит к серьёзным недочетам в планировании как развития самих регионов, так и страны в целом, в том числе в определении наиболее значимых точек роста, необходимости поддержки тех или иных проектов и способов их реализации, контроля их выполнения.

Очевидно, что получать такую информацию можно только методами дистанционного зондирования из космоса или с летательных аппаратов. В первую очередь это обусловлено тем фактом, что наша страна имеет огромную территорию, большая часть которой малонаселённая. Поэтому только дистанционными методами можно оперативно получать объективную информацию сразу по всей территории страны. Второе, современный уровень развития систем дистанционного мониторинга и технологий обработки данных позволяет проводить полностью автоматизированную обработку данных, то есть получать объективную информацию. Более того, к настоящему моменту в России существуют серьёзные, можно сказать прорывные, разработки и достижения в области создания методов и технологии работы с данными дистанционного зондирования. Российские специалисты по дистанционному зондированию используют в работе не только данные российской группировки спутников, но и активно работают с данными зарубежных спутников, которые находятся в открытом доступе, что позволяет проводить комплексный анализ состояния территории нашей страны.
Своевременность создания системы спутникового мониторинга объектов и ресурсов во многом определяется тем, что в области спутникового дистанционного зондирования в последнее десятилетие произошли большие, во многих случаях фактически революционные изменения. К ним в первую очередь относятся:

• развитие систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в том числе рост количественных и качественных характеристик. Как следствие, взрывной рост количества получаемой от них информации;
   
• быстрое развитие методов автоматизированной обработки данных ДЗЗ, позволившее начать массовое получение объективной (человеконезависимой) информации о различных объектах и ресурсах;
   
• развитие информационных технологий, обеспечивающих максимально автоматизированную работу с данными ДЗЗ, в том числе технологий хранения, обработки и распределённой работы с данными;
   
• создание и внедрение различных специализированных систем дистанционного мониторинга.

Ниже мы лишь кратко проиллюстрируем эти изменения.

Развитие систем ДЗЗ. По состоянию на начало 2018 года на орбите Земли действовало более 420 (по данным http://database.eohandbook.com) космических аппаратов ДЗЗ, данные нескольких десятков из которых являются общедоступными. По мнению авторов, настоящим прорывом в развитие средств ДЗЗ, безусловно, стал запуск и ввод в эксплуатацию полной группировки Planet Labs, в которую входит около 200 микроспутников (по данным NORAD). Есть все основания полагать, что и в ближайшие годы, с учётом падения стоимости создания спутников на основе в большой степени готовых решений и стандартизированных платформ типа Cubesat, будут созданы и другие крупные спутниковые группировки. Так, по оценкам Euroconsult к 2026 году на орбите будет действовать более 1000 систем ДЗЗ. Все это приводит к фактически взрывному росту объёма данных, поступающих от систем ДЗЗ.

Развитие методов автоматизированной обработки данных ДЗЗ. В последние годы методы автоматизированной обработки данных ДЗЗ активно развиваются для обеспечения возможности получения объективной информации в различных областях от контроля различных ресурсов и процессов до оценки чрезвычайных ситуаций и их последствий. Эти работы очень активно и достаточно успешно ведутся и России.

Как пример, можно привести создание методов анализа данных ДЗЗ для оценки и мониторинга лесных ресурсов. Актуальность создания таких методов в первую очередь обусловлена тем, что леса России относятся к важнейшей составляющей ресурсно-экологического потенциала страны. Вместе с тем, будучи бесспорным мировым лидером по объёму имеющихся лесных ресурсов, наша страна в настоящее время обладает лишь весьма приблизительными представлениями о них, поскольку не располагает точными данными о характеристиках лесов, необходимыми для полного понимания их экономического и экологического потенциала, а следовательно, и правильного его использования. Современный этап развития методологии спутникового мониторинга лесов определяется беспрецедентно высоким уровнем доступности спутниковых данных, возможностью их оперативного получения и формирования однородных по радиометрическому и геометрическому качеству многолетних рядов, развитием автоматических технологий предварительной и тематической обработки данных. Это позволило разработать в России уникальные технологии дистанционного мониторинга лесов, которые в настоящее время активно используются для решения как научных, так и прикладных задач. Работы по созданию, развитию и внедрению данных технологий велись, в первую очередь в институтах РАН (ИКИ РАН, ЦЭПЛ РАН и др.). Основные возможности данных технологий описаны, в частности, в работах. Созданные методы и технологии уже сегодня позволяют обеспечить на регулярной основе получение объективной информации на локальном, региональном, федеральном и глобальных уровнях, необходимой для оптимизации управления и использования доступных лесных ресурсов. В том числе для решения задач:

• охраны лесов от пожаров;
• защиты лесов от насекомых вредителей и болезней леса;
• организации и контроля лесопользования (в том числе, незаконных рубок);
• организации и контроля работ по воспроизводству лесов;
• контроля использования лесных участков, предоставленных в аренду, постоянное (бессрочное), безвозмездное срочное пользование;
• контроля охотничьих ресурсов;
• и др.

То есть фактически в настоящее время имеется возможность обеспечивать, на основе современных технологий ДЗЗ, целую отрасль объективной, оперативной информацией, необходимой для её эффективного функционирования. Такие возможности сегодня уже имеются или могут быть достаточно быстро разработаны и в интересах других отраслей и направлений деятельности.

Развитие технологий ДЗЗ. Развитие возможностей систем ДЗЗ и создание новых подходов и методов их обработки позволяет существенно расширить круг применения технологий дистанционного зондирования. В свою очередь, это потребовало разработки специальных технологий, которые могли бы обеспечить организацию практически полностью автоматизированного цикла получения, архивации, обработки и распространения информации, получаемой на основе данных ДЗЗ и, в конечном итоге, построения информационных систем дистанционного мониторинга различных объектов, процессов и ресурсов. Работы по созданию таких технологий в последнее десятилетие активно ведутся в России, в основном также силами институтов РАН.

Создание специализированных систем дистанционного мониторинга. Особо отметим, что в нашей стране в последнее десятилетие активно создаются и внедряются информационные системы дистанционного мониторинга. По разным оценкам сегодня в России действует несколько десятков специализированных региональных и федеральных систем дистанционного мониторинга, решающих научные и прикладные задачи. В этом направлении Россия сегодня не уступает наиболее развитым странам. Подавляющее большинство действующих сегодня в стране систем созданы с использованием методов, подходов и технологий, разработанных в институтах РАН, в первую очередь в ИКИ РАН. Примерами таких систем, в частности, являются:

• Информационная система дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства ИСДМ Рослесхоз (http://www.pushkino.aviales.ru), мониторинга лесных пожаров на всей территории России.
   
• Отраслевая информационная система мониторинга Федерального агентства рыбного хозяйства (ОСМ Росрыболовства) (http://osm.smislab.ru/), ориентированная на мониторинг промысловых судов.
   
• Объединённая система работы с архивами спутниковых данных центров приема НИЦ «Планета» Росгидромета (http://moscow.planeta.geosmis.ru/), ориентированная на решение различных задач метеорологии и мониторинга окружающей среды.
   
• Информационная система «Дистанционный мониторинг активности вулканов Камчатки и Курил» VolSatView (http://volcanoes.smislab.ru/). Основной задачей система является решение задач мониторинга и изучения вулканической активности Камчатки и Курил.
   
• Спутниковый сервис Sее Tне Sеа (http://ocean.smislab.ru/) – это информационная система, ориентированная на работу с данными спутниковых наблюдений для решения междисциплинарных научных задач исследования Мирового океана.

Всё вышесказанное можно суммировать в четыре больших пункта:

1. созданы новые методы обработки данных;
    
2. создана достаточно уникальная структура работ с этими данными, ведения архивов данных и распределённой работы с ними. Она находится на передовых рубежах и ничем не уступает, а где-то и превосходит западные аналоги;
    
3. накоплены уникальные многолетние архивы данных. Это важно потому, что необходимо не только в настоящий момент знать, что происходит на той или иной территории, но и уметь прогнозировать ее дальнейшее развитие, а для этого надо понимать состояние территории, которое было 10, 20 и 30 назад;
    
4. исследования ведутся в нескольких десятках институтах и вузах, они находят реальное применение – в частности, более 80% действующих информационных систем дистанционного мониторинга созданы с участием научных организаций Российской академии наук и Министерства науки и высшего образования.

Таким образом, в настоящее время имеется достаточно хорошая техническая и технологическая основа для создания системы объективного дистанционного мониторинга объектов и ресурсов на территории РФ для обеспечения информационной связанности страны.

Общая схема предлагаемой системы, потенциальные заказчики и потребители. Создаваемая информационная система должна решать две основные задачи:

1)    обеспечивать получение объективной оперативной информации для оценки и контроля:

• состояния ресурсов (лесных, водных, сельскохозяйственных, минеральных и т.д.);
• развития регионов (используемость земель, строительства, экологической обстановки, энерговыделение и т.д.);
• транспортной инфраструктуры (развитость, планирование развития, строительство);
• последствий чрезвычайных ситуаций (ущерб, ресурсы для ликвидации);

2)    предоставлять инструменты для распределённой работы с информацией.

Исходя из того, что система должна обеспечить объективный оперативный контроль состояния регионов, планирование и прогнозирование развития, эффективность управления регионами, оно, в первую очередь, будет востребована федеральными, и региональными органами власти.

В тоже время, система может быть интересна и реальному сектору экономики для получения объективной информации при планировании работ и инвестиционных проектов. При этом следует учитывать, что даже крупные компании обычно заинтересованы в получении информации о каком-то достаточно ограниченном наборе процессов и ресурсов и не заинтересованы в развитии комплексных систем мониторинга территорий. Кроме того, в ряде случаев, компании не заинтересованы в появлении методов объективного контроля их деятельности на разных территориях. Однако, по нашему мнению, в случае создания подобной системы бизнес, безусловно, будет ее потребителем. В первую очередь это касается крупных компаний, работающих во многих регионах, компаний, планирующих развитие бизнеса в различных регионах, банков, страховых компаний. Необходимо также отметить, что компании, развивающие различные информационные сервисы, могут быть заинтересованы в участии в проекте, чтобы иметь в дальнейшем возможность расширять сферы своих услуг.

На рисунке 1.2.1.1 показана предлагаемая общая схема создаваемой системы. Два нижних уровня представляют собой техническую и технологическую основу для разработки системы и уровень специализированных информационных систем (как уже существующих, так и вновь создаваемых или дорабатываемых). Третий уровень — это уровень интеграции, уровень сбора и обработки информации. Как уже было отмечено выше, современные системы дистанционного мониторинга, решающие вполне конкретные прикладные задачи, как правило, имеют достаточно много параметров, и для разных систем они разные. Для того, чтобы полученные данные использовать для анализа и принятия решения, необходимо отобрать ключевые параметры из каждой системы, провести между ними корреляцию и интеграцию информации и выдать её на следующий уровень – аналитический, на котором интегрированная информация уже используется для оценки состоянии территории страны, для прогнозирования и планирования развития. Результаты работы на этом уровне уже могут быть использованы в качестве объективных материалов планирования и прогнозирования при принятии управленческих решений на разных уровнях исполнительной власти.

Рисунок 1.2.1.1 — Общая схема создаваемой системы объективного дистанционного мониторинга объектов и ресурсов

Научно-технические задачи, на решение которых должен быть ориентирован проект создания предлагаемой системы объективного дистанционного мониторинга объектов и ресурсов, могут быть сведены в основном в следующие четыре больших блока, связанных с созданием технологии дистанционного автоматизированного мониторинга всей территории России:

• разработка методов полностью автоматизированной обработки данных дистанционных наблюдений для восстановления различных характеристик, необходимых для обеспечения объективного контроля различных объектов и ресурсов;
   
• создание информационной системы (включая техническую инфраструктуру), обеспечивающей оперативное получение объективных характеристик состояния регионов России;
   
• разработка и внедрение научно-обоснованных подходов использования информации, получаемой в результате автоматизированного оперативного дистанционного мониторинга, для принятия решений по управлению и развитию РФ;
   
• подготовка (обучение) специалистов нового поколения, способных эффективно внедрять и использовать разработанные технологии, методы и системы.

Решение этих задач потребует создания новых технологий для эффективной работы с данными ДЗЗ и методов использования получаемой на основе этих данных информации при принятии управленческих решений, в частности:

• технологии работы со сверхбольшими распределёнными архивами данных ДЗЗ;
   
• новые автоматизированные (человеконезависимые) методы обработки данных, позволяющие получать количественные, объективные характеристики различных явлений, процессов и объектов на основе данных ДЗЗ;
   
• модели развития различных процессов и явлений, ориентированные на использование данных ДЗЗ, в том числе предоставляющие информацию для принятия управленческих решений;
   
• новые, уже внедрённые информационные системы дистанционного мониторинга, многие из которых включены в циклы принятия решений;
   
• методы оценки динамики развития региона на основе объективной информации, получаемой по данным ДЗЗ, включая критерии оценки эффективности управления регионами на основе информации, получаемой по данным ДЗЗ;
   
• методы использования информации, получаемой на основе данных ДЗЗ, для проведения оценок, планирования и прогнозирования развития регионов с учётом информации об имеющихся ресурсах (в том числе контроля и планирования транспортной инфраструктуры);
   
• методы объективной оценки ущербов от неблагоприятных природных и антропогенных воздействий на основе данных ДЗЗ.

В заключение следует отметить, что предлагаемая система и проект ее создания, в первую очередь, обеспечит технологическую основу для получения объективной оперативной информации на всей территории страны. Они создадут новую технологическую базу для планирования контроля крупных инфраструктурных проектов. Это, безусловно, обеспечит развитие новых методов, подходов и технологий во многих областях, начиная от космоса, авиации, геоинформационных систем до социальных и экономических направлений науки (в первую очередь направления создания новых методов планирования, управления, принятия решений, основанных на объективной и актуальной информации о состоянии различных объектов, ресурсов на всей территории страны).