Ночью видно лучше

22 Авг 2018

«В этом море тьмы каждый огонек возвещал о чуде человеческого духа», — писал Сент-Экзюпери, вспоминая свой первый ночной полёт, и это выражение можно понимать почти буквально. Ночные огни Земли из космоса не только вдохновляют поэтов, но и могут быть весьма информативны для экологов и экономистов. По тому, где и как горят электрические огни или газовые факелы, можно судить об уровне добычи нефти, передвижениях судов и даже экономическом развитии целых регионов. О том, что можно увидеть на снимках ночных огней  и как их использовать для блага народного хозяйства, рассказывают сотрудники отдела телекоммуникационных сетей и высокопроизводительных вычислительных комплексов ИКИ РАН.

Идея использовать именно ночные снимки (или, если быть точными, снимки ночных огней) может показаться странной: ведь ночью видно не так много. Но именно ночные огни могут быть очень информативны — надо только научиться отличать огни, например, лесных пожаров или газовых факелов от электрического освещения дорог или судов на море.

Такие алгоритмы обработки спутниковых ночных снимков, благодаря которым можно выявлять, отделять друг от друга и определять характеристики светящихся объектов, создают и отрабатывают сотрудники отдела телекоммуникационных сетей и высокопроизводительных вычислительных комплексов в ИКИ РАН. Эти алгоритмы могут лечь в основу самых разнообразных систем мониторинга Земли. Ряд проектов подобных систем уже запущен в работу; другие находятся в стадии обсуждения и постановки задачи совместно с коллегами из других организаций, в России и за рубежом.

Одним из первых применений таких алгоритмов стала система наблюдений за вулканами Камчатки и Курил, а также лесными пожарами в районе Дальнего Востока. Этот проект, начало которого относится ещё к началу 2000-х годов, реализован вместе с Институтом вулканологии и сейсмологии (ИВиС) Дальневосточного отделения РАН.

Кроме пожаров, очень интересны факелы, которые возникают при сжигании попутного газа при выработке нефтяных скважин.

«Такие факелы почти невозможно спрятать или замаскировать, поэтому, если знать интенсивность горения и спектральные характеристики факела, а также располагать данными о типе нефтяного месторождения и свойствах атмосферы в данной области, то можно рассчитать примерный объем вырабатываемой нефти», — рассказывает Михаил Жижин, главный специалист отдела телекоммуникационных сетей и высокопроизводительных вычислительных комплексов ИКИ РАН.

По данным карт, составленных за определённый период, можно определять, где наращивается или, наоборот, падает уровень добычи, оценивать выбросы в атмосферу. Эта информация «высокого уровня», фактически, представляет собой независимую оценку состояния нефтяной отрасли.

Тепловые источники, полученные после обработки данных пролётом спутников за одну ночь. По данным Earth Observation Group NOAA и Всемирного банка
Тепловые источники, полученные после обработки данных пролётом спутников за одну ночь. Разноцветные метки указывают на температуру; большинство из «красных» источников — газовые факелы в месте выработок нефти. Для выбранного источника можно узнать параметры источника, состояние атмосферы в этом месте, фоновую температуру и другие характеристики. По данным Earth Observation Group NOAA и Всемирного банка

Данные для обработки исследователи получают с помощью спектрорадиометров видимого и инфракрасного диапазона VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) на двух метеорологических спутниках Suomi NPP и NOAA-20 (США). Оператор спутников — Национальная администрация по океану и атмосфере США (NOAA). Данные поступают в открытый доступ спустя примерно 6 часов после приёма на наземных станциях и обновляются от двух до четырех раз за ночь. Чтобы сократить задержки, можно принимать изображения со спутников на станциях прямого приема, как это делают в Институте сейсмологии и вулканологии ДВО РАН на Камчатке.

Международные связи ИКИ РАН с национальными администрациями США по космосу, океану и атмосфере (НАСА и НОАА), а также с Европейским космическим агентством очень важны не только для обмена спутниковыми данными, но и для работы над новыми алгоритмами для практических приложений в экологии, мониторинге глобальных изменений климата, борьбе с лесными пожарами.

Если суммарная энергия газовых факелов свидетельствует об объёмах добычи нефти, то суммарная яркость электрических ночных огней, которые очерчивают города и дороги, указывает на экономическое состояние определённого района.

«На карте стабильных огней, составленной по годовым данным пролетов спутника за вычетом облаков, отмечены объекты, которые светятся постоянно: города, дороги, соединяющие их, и пр. Если следить за выбранными областями на больших временных интервалах, то мы заметим, что они могут как наращивать, так и уменьшать светимость. И если рассматривать картину целиком, то, когда где-то бурится новая скважина или начинается производство, к которому «подтягивается» новая инфраструктура, это место начнет светиться ярче. Когда мы видим, что светимость где-то падает, можно утверждать, что здесь «жизнь угасает», — поясняет Александр Андреев, главный специалист отдела телекоммуникационных сетей и высокопроизводительных вычислительных комплексов ИКИ РАН. — Так же можно оценивать масштаб и урон так называемых блэкаутов, т.е. падений систем электроснабжения в результате аварий и природных катастроф».

Сейчас сотрудники ИКИ совместно с коллегами из Российской академии народного хозяйства и государственной службы пытаются оценить, насколько карты стабильных ночных огней могут помочь оценить экономическое состояние заданной области в динамике. Чтобы решать такую задачу, нужны, во-первых, большие вычислительные мощности: карта именно стабильных ночных огней требует данных примерно за год наблюдений. Во-вторых, необходимо понять, как связано освещение с экономическим развитием, — такого рода алгоритмы для оценки социально-экономической и демографической ситуации в России ещё не применялись.

Стабильные ночные огни Земли по данным спектрометров VIIRS. Карта получена после обработки данных за 2016 г. https://data.ngdc.noaa.gov/instruments/remote-sensing/passive/spectrometers-radiometers/imaging/viirs/trip_the_light_fantastic/trip_the_light.html
Стабильные ночные огни Земли по данным спектрометров VIIRS. Карта получена после обработки данных за 2016 г. Источник: NOAA

Параллельно в ИКИ РАН сейчас работают над совершенствованием методов обработки спутниковых данных. Важная часть связана с наземными калибровками. Суть состоит в том, чтобы зажечь на Земле источник света с хорошо известными параметрами, а затем наблюдать его с помощью спутника. По тому, что и как «увидит» спутник, можно понять, как на спектр влияет состояние атмосферы или — если мы говорим о газовом факеле — состав горящего газа.

Работы по этой теме ведутся совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт», Всемирного фонда дикой природы WWF, ИВиС ДВО РАН, а также ЗАО «РСК Технологии». Проект также частично поддержан грантом Федеральной целевой программы Министерства образования и науки Российской Федерации или Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в 2018 г.

- С.В., О.З.