Рассказал главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, доктор технических наук, профессор Сергей Александрович Барталев.
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса играет ключевую роль в подготовке и реализации лесоклиматических проектов, позволяя получать актуальную и достоверную информацию о состоянии лесов, а также вырабатывать научно обоснованные решения, направленные на ускорение достижения целей углеродной нейтральности. О том, в каких направлениях ДЗЗ особенно полезно мы поговорили с главным научным сотрудником Института космических исследований РАН Сергеем Александровичем Барталевым.
- Сергей Александрович, Вы много лет занимаетесь спутниковыми системами дистанционного зондирования Земли, расскажите, пожалуйста, простыми словами что это и как работает?
- Дистанционное зондирование Земли используется в самых разных направлениях: включая исследование наземных экосистем, водных ресурсов, атмосферных процессов, геологических структур и многих других объектов и явлений. Лаборатория, которой я руковожу, занимается разработкой методов дистанционного зонирования растительного покрова для оценки его состояния и мониторинга динамики на больших территориях, вплоть до национального и глобального уровней территориального охвата. Методы дистанционного зондирования позволяют получать информацию о состоянии наземных экосистем благодаря спутникам, на борту которых установлены приборы, регистрирующие сигналы в различных диапазонах электромагнитного излучения. И, конечно, это включает в себя и разработку методов интерпретации регистрируемых спутниковыми системами сигналов. Регистрируемое спутниковыми системами излучение может быть получено как в видимом спектральном диапазоне, так и за его пределами. Например, инфракрасное излучение несёт информацию о температурных и влажностных характеристиках почвенно-растительного покрова. Видимый и ближний инфракрасный диапазоны могут давать информацию о концентрации хлорофилла, что позволяет судить о способности растительного покрова поглощать излучение, используемое им в процессах фотосинтеза. Существуют спектральные диапазоны, позволяющие оценивать, например, влагосодержание почвенно-растительного покрова. Но помимо регистрации отраженного или собственного излучения земной поверхности, не менее важная составляющая дистанционного зондирования – это интерпретация получаемых данных. Например, в результате интерпретации зарегистрированных сигналов получаются оценки объёма зелёной биомассы, содержания хлорофилла и влаги в растениях, их видовой состав и другие базовые характеристики. В частности, в результате интерпретации полученных данных можно распознавать различные типы наземных экосистем, например, леса, сельскохозяйственные земли, различные виды тундры, степей, болот и других объектов. Более того, можем получить более детальную информацию о породном составе лесов, объёме их стволовой древесины или биомассе, возрасте и продуктивности. Поскольку спутниковые данные обеспечивают регулярное наблюдение, можно получать информацию и об изменениях, которые происходят в лесах в результате различных факторов. Например, в результате пожаров, рубок, засухи или вспышки массового размножения насекомых. Сбор этой информации порождает огромные массивы данных. В современных условиях их уже невозможно обрабатывать визуально, как это было раньше, когда люди смотрели на снимки, полученные из космоса, и делали какие-то заключения. Объём данных настолько велик, что визуальная интерпретация и обработка этих данных становится невозможной. Поэтому алгоритмы, которые мы сейчас разрабатываем, должны быть максимально автоматизированы. Очень важный аспект при получении спутниковых данных – это их пространственное и временное разрешение. При высоком разрешении мы имеем возможность наблюдать территорию эпизодически - раз в месяц или несколько раз в году. А данные более низкого разрешения можно получать ежедневно или даже несколько раз в день. И оптимальная комбинация этих данных – это тоже один из важных аспектов, которые надо учитывать при построении систем спутникового мониторинга растительного покрова.
- Кроме спутниковых данных, какие еще методы дистанционного зондирования, по Вашему мнению, являются наиболее востребованными для лесопользования и реализации климатических проектов? Какие сведения о состоянии лесов они отражают?
- Сегодня активно развивается метод исследования с помощью беспилотников. В этом направлении прилагаются большие усилия. Мы, как Институт космических исследований, в большей степени, пользуемся данными спутниковых наблюдений, но данные с беспилотных аппаратов, безусловно, несут, полезную информацию, поскольку они обладают очень высоким пространственным разрешением. При этом надо понимать, что применение беспилотных летательных аппаратов носит локальный выборочный характер. То есть строить систему мониторинга всей страны на технологиях беспилотных аппаратов практически невозможно. Поэтому беспилотные аппараты применяются выборочно для локальных обследований.
В основном мы работаем со спутниковыми данными, получаемыми в оптическом диапазоне. Но полезную информацию несут и данные, получаемые радиолокационными средствами наблюдения, т.е. на существенно более длинных волнах. Они несут информацию, например, об объеме стволовой древесины в лесах, о влагосодержании, о шероховатости поверхности. Экспериментально мы также работаем с лидарными данными, получаемыми на основе технологии регистрации отраженных земной поверхностью лазерных импульсов. Эти данные полезны при изучении лесов, поскольку позволяют оценивать высоту деревьев. Сейчас мы получаем широкий спектр информации о лесах на основе прежде всего оптических данных, получаемые на их основе характеристики уже сейчас позволяют оценивать запасы углерода.
- Наиболее существенным аспектом при реализации климатического проекта является обоснование базовой линии и проектного сценария: как в этом может помочь дистанционное зондирование?
- Многое зависит от сути лесоклиматического проекта. Например, это может быть усиление охраны лесов от пожаров. Тогда с помощью дистанционного зондирования мы получаем возможность среагировать быстро и потушить пожар при меньшем ущербе. Соответственно, это может привести к сокращению выбросов парниковых газов. Кроме того, наблюдая за какой-то территорией, например, в течение 20 лет, мы смотрим, что там происходило с лесом, с пожарами, с эмиссией углерода. А потом мы можем смоделировать ситуацию отсутствия пожаровУ нас есть такие модели. В этом смысле, с одной стороны, мы можем получить оценку текущей ситуации, а с другой - оценку того, что было бы, если бы мы эти 20 лет оперативно тушили пожары, которые там возникали. Так мы можем оценить результат мероприятий по усилению охраны лесов от пожаров.
- А если это будет проект по лесовосстановлению?
- Смотря, где будет производиться лесовосстановление - на вырубках, прогалинах, гарях или каких-то других не занятых лесом территориях. Здесь мы можем посчитать ожидаемый запас углерода и скорость его поглощения лесами. А дальше можем наметить, где наиболее целесообразно сажать. Потому что у нас есть информация о продуктивности, мы понимаем, какой там лес был до того, как он сгорел, например, или его вырубили. И, опираясь на эту информацию, можем спрогнозировать, какая будет продуктивность лесов на различных территориях. Выбрать некоторые территории, которые оптимальны с точки зрения лесовосстановления. И, конечно, мы можем спрогнозировать, какой будет баланс углерода, если мы посадим в этих местах деревья, например, разных пород. Это тоже очень важно. Мы можем смоделировать, что на этой территории, допустим, посадим берёзу или осину, сосну или ель, или лиственницу. Это будут разные сценарии и объемы поглощения парниковых газов. Ну и, наконец, то же самое по факту: после того, как мы посадили деревья, данные дистанционного зондирования могут быть использованы для проведения мониторинга процессов восстановления лесов.
- Как Вы оцениваете степень интеграции данных дистанционного зондирования Земли в реализацию климатических/лесоклиматических проектов на текущий момент? Есть ли проблемы или вызовы с использованием таких данных при разработке проекта?
- Основная проблема – это пока очень, очень скромный опыт реализации лесоклиматических проектов в нашей стране. Поэтому не приходится говорить о том, какая практика использования данных дистанционного зондирования существует. Это первое. Второе - информация, которую мы получаем с помощью данных дистанционного зондирования и информация, которая получается на земле – это разный набор данных. Эту проблему можно охарактеризовать как отсутствие единой системы мониторинга. Должна быть единая система, которая бы интегрировала данные наземных и спутниковых наблюдений. Тогда каждому инструменту будет отведена его оптимальная роль. И в своём сочетании это будет давать наилучший результат. К примеру, существует возможность выявлять повреждения лесов болезнями или насекомыми. Возможно, требуется видеть отдельные деревья, чтобы оценить, насколько они повреждены или заселены вредителями. Вот весь этот комплекс информации с помощью данных дистанционного зонирования всё-таки в настоящее время недостаточно апробирован и не так хорошо согласуется с теми оценками, которые люди способны получать на земле. Данные дистанционного зонирования хороши, когда надо регулярно на большой территории оценивать явления и их масштабы. Но если надо, условно говоря, посмотреть на конкретном дереве или нескольких деревьях больные они или нет – то здесь нужна фиксация на месте. То есть на земле человек способен, оценить гораздо больше характеристик. Здесь яркий пример – это исследование лесных почв, которые являются важной, но пока еще не достаточно хорошо изученной составляющий лесной экосистемы.
- Расскажите о системе «ВЕГА»: может ли она быть интересна бизнесу и лицам, реализующим (лесо)климатические проекты?
- «ВЕГА» – это разработка Института космических исследований. Эта система широко используется для изучения растительного покрова, сельскохозяйственной растительности, лесов и так далее. Если говорить об углероде, то мы разрабатываем сейчас систему, которая называется информационная аналитическая среда «Углерод-Э». Она отчасти несёт в себе те технологические решения, которые разработаны в рамках проекта «ВЕГА», но с гораздо большим уклоном в сторону именно мониторинга бюджета углерода в лесах и других наземных экосистемах. И «ВЕГА», и ИАС «Углерод-Э» активно используют данные дистанционного зондирования вместе с данными наземных наблюдений. Значит, важный элемент этой системы состоит в том, что фактически пользователь имеет онлайн доступ к гигантскому архиву спутниковых данных 20 лет наблюдений и результатов их обработки. То есть в этом смысле есть доступ к историческим наблюдениям, при этом осуществляется непрерывный мониторинг текущей ситуации. Система позволяет анализировать все данные в комплексе. Также она позволяет и проводить прямо на лету, что называется, тематическую специализированную обработку данных. То есть можно с помощью этой системы выбрать нужное изображение за любой промежуток времени, выбрать нужные каналы, провести классификацию или выявление изменений. Можно построить прямо в этой системе карты характеристик лесов. Или выявить изменения в лесах и сформировать какие-то статистические данные. Там можно построить графики, таблицы, подготовить отчёт. При этом пользователю не надо иметь какие-то очень большие собственные вычислительные ресурсы.
- Где и как хранятся массивы данных наблюдений? У кого есть к ним доступ, какие специалисты могут им пользоваться?
- Всё это происходит на мощностях программно-вычислительного комплекса Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг». Пользователям, которых сейчас у нас многие сотни по стране, позволяют, фактически, имея доступ в интернет и обычный базовый компьютер, работать с гигантскими объемами данных. Доступ к системе «ВЕГА-Science» имеют очень большое количество научных организаций по всей стране. Институты Российской академии наук, вузы и отраслевые институты фактически имеют свободный доступ к этой информации. Заключая стандартное соглашение с Институтом космических исследований РАН, ученые получают права доступа и удаленно пользуются этими данными и инструментами их анализа. Кроме того, данными «ВЕГА» активно пользуются и коммерческие организации, например, страховые компании, агропромышленные предприятия, которые следят с помощью системы «ВЕГА» за развитием сельскохозяйственных культур, оценивают их состояние. При этом помимо спутниковых данных есть доступ к метеорологической информации. Если мы видим ухудшение состояния, можно проанализировать, посмотреть, в результате чего это произошло. Возможно, долгое времени не было осадков или температура была слишком высокая.
- Основываясь на Вашем опыте и проведенных исследованиях состояния лесных экосистем, какие основные изменения происходят с лесами России прямо сейчас и на что следует обратить внимание во избежание тяжелых последствий для планеты в будущем?
- Наблюдая за лесами больше 20 лет, мы получили достаточно интересные и новые для нас сведения о том, что происходит с российскими лесами. Например, мы пришли к выводу о том, что площадь лесов в стране сейчас имеет тенденцию к нарастанию. И это, несмотря на усиление гибели лесов от пожаров. Есть факторы, которые приводят к увеличению площади лесов. Среди них - зарастание неиспользуемых сельскохозяйственных земель древесно-кустарниковой растительностью. Также мы видим экспансию древесной растительности на территории, которые раньше не были покрыты лесом. В частности, мы видим, что редколесье на некоторых тундровых территориях уже фактически по своим характеристикам приближается к лесам. С другой стороны, древесная растительность распространяется на те территории, где её раньше вообще не было. Это требует отдельного изучения. Но мы думаем, что это эффект, связанный с климатическими изменениями. Мы видим, как леса распространяется на территорию открытых болот. Покрытая лесом площадь за последние 20 лет в целом имеет тенденции к нарастанию. То же самое можно сказать и о запасе стволовой древесины, который в целом по стране увеличивается. Другой фактор, который я хочу отметить – это изменение породной структуры лесов. То, что мы сейчас видим, с одной стороны, можно трактовать, как отрицательное явление - сокращается площадь хвойных лесов, особенно вечнозелёных. С точки зрения экономической ценности леса, это фактор отрицательный, потому что хвойные леса более ценные. Но с точки зрения скорости поглощения углерода лесами это фактор положительный, потому что берёзовые, осиновые, ольховые леса существенно быстрее растут. Соответственно, они существенно быстрее накапливают, углерод.
Фото: © Евгений Романов / Фотобанк Лори