Взгляд из космоса. Интервью о системах дистанционного зондирования Земли с сотрудником ИКИ РАН Евгением Лупяном

Почему системы дистанционного зондирования Земли ― единственный инструмент, позволяющий получать знания о нашей планете в глобальном масштабе? Какие отрасли экономики сейчас больше всего нуждаются в таких данных? Насколько велика российская группировка спутников и достаточно ли нам информации из космоса? Об этом ― в интервью с Евгением Аркадьевичем Лупяном.

Евгений Аркадьевич Лупян 

Фото: Елена Либрик / Научная Россия

Евгений Аркадьевич Лупян ― руководитель отдела спутникового мониторинга Института космических исследований РАН. Окончил факультет проблем физики и энергетики Московского физико-технического института, в 1998 г. защитил диссертацию на соискание степени доктора технических наук по теме «Построение информационных систем приема, обработки распространения спутниковых данных с использованием технологий глобальных компьютерных сетей ИНТЕРНЕТ». Лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники 2024 г. за разработку и применение интеллектуальных мультиспектральных систем дистанционного мониторинга природной и техногенной среды для отраслей цифровой экономики, Почетный работник гидрометеослужбы.

― На сайте Института космических исследований РАН я увидел такое утверждение: «Технологии дистанционного зондирования Земли — фактически единственный источник данных о том, что происходит с Землей в глобальном масштабе». Тезис выглядит достаточно категорично…

― По сути так и есть. Если мы говорим о получении однородной информации о том, что происходит на всем земном шаре, то альтернативы нет. Мы можем установить множество точечных систем измерения, но они покроют лишь очень небольшой процент территории планеты. Особенно это актуально для труднодоступных территорий, а в России это около 60% от общей площади страны.

Зачем нужна подобная информация? В первую очередь это задачи метеорологии, климата и прогноза погоды. По разным оценкам, сегодня до 80% объема данных, используемых для прогнозирования, поступает именно с группировок метеорологических спутников.

Кроме того, спутниковые данные ― это основной источник объективной и сопоставимой по разным территориям информации. Для решения локальных задач, например в Москве, спутниковые данные не так нужны ― город покрыт камерами плотнее, чем спутниками. Но для наблюдения за большими территориями, что важно для жизнедеятельности человека в глобальном смысле, без спутниковых данных сегодня действительно не обойтись.

― Но полученные со спутников данные верифицируются исследованиями и экспериментами на Земле?

― Конечно. При создании методов анализа и обработки спутниковых данных, а также различных информационных продуктов, нацеленных на решение конкретных задач, без верификации не обойтись. Необходимо откалибровать спутниковые измерения по наземным данным, чтобы точно знать, что находится внизу. Это делается на этапе разработки и периодически повторяется для подтверждения точности.

После того как калибровка выполнена и подтверждена, мы можем получать информацию, опираясь в основном на спутниковые данные. И во многих случаях она будет гораздо точнее, чем если бы мы пытались, условно говоря, обойти Землю пешком и собрать данные по всем объектам вручную.

Фото: Елена Либрик / Научная Россия

― Можно ли выделить какие-то отрасли экономики, которые выступают основными заказчиками и потребителями такой информации: энергетика, сельское хозяйство, логистика?

― Системы спутникового мониторинга Земли изначально начали развиваться в интересах гидрометеорологии. Но сегодня сложно назвать отрасль или сферу деятельности, где такие данные бы не использовались, ведь это оперативная информация о состоянии тех или иных объектов: лесов, рек, сельскохозяйственных угодий и т.д. Соответственно, эту информацию потребляют самые разные отрасли в зависимости от необходимости. Если еще 30 лет назад можно было назвать доминирующим потребителем Росгидромет, то сегодня выделить наиболее заинтересованную область невозможно.

Конечно, один из самых массовых потребителей спутниковых данных ― это наука. Для научного сообщества это доступ к уникальной информации: спутниковые наблюдения ведутся около 50–60 лет, а значит, у нас есть большие и, что особенно важно, сопоставимые ряды данных, позволяющие понимать, как со временем менялись те или иные процессы. В ИКИ РАН, например, создан центр коллективного пользования для быстрой и эффективной работы с архивами спутниковых данных и результатами их обработки. Сегодня возможностями этого центра пользуются около 160 научных и учебных организаций ― колоссальное количество пользователей, ставящих задачи разного масштаба, решить которые возможно, используя данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

― В конце прошлого года проходила конференция по вопросам дистанционного зондирования Земли. Тогда отмечали, что в государственную орбитальную группировку ДЗЗ входит около 20 аппаратов. Как будто бы немного…

― Это действительно мало: группировки отдельных стран насчитывают сотни аппаратов только для решения задач в одной конкретной нише. 

К сожалению, в России всего несколько десятков аппаратов для наблюдения Земли. Но некоторые ниши у нас относительно обеспечены данными, в частности гидрометеорология.

При этом у нас есть уникальные высокоэллиптические системы наблюдения с аппаратов «Арктика». Орбита этих спутников вытянута: пока аппараты поднимаются и спускаются, проходит около шести часов. Все это время они видят территорию России полностью, что особенно важно для мониторинга арктического региона. Подобных промышленных систем в мире больше нет, но в остальных направлениях мы, к сожалению, находимся в позиции догоняющего.

― В каких областях мы ощущаем нехватку аппаратов, предназначенных для выполнения конкретных задач?

― Сегодня в мире сложились определенные системы комплексов наблюдения, которые используются наиболее активно. Во-первых, это ниша гидрометеорологических аппаратов. Она более или менее закрыта и обеспечена. Во-вторых, это радиолокационные аппараты. Здесь у нас ситуация довольно сложная, хотя в последние годы было запущено несколько спутников. Третий большой сегмент ― это так называемые природоресурсные спутники, позволяющие получать данные с разрешением от пяти до сотен метров. На них завязано множество мониторинговых задач, в том числе наблюдение за лесными пожарами и состоянием сельского хозяйства. Основные массовые потребители ежедневной спутниковой информации заинтересованы именно в таких наблюдениях. К сожалению, здесь у нас большой пробел. Ситуацию частично спасает доступ к зарубежным спутниковым системам ― подобные данные распространяются свободно и бесплатно. Однако с точки зрения национальной безопасности, конечно, хорошо бы иметь в этой сфере собственные аппараты. Их создание и запуск запланированы в отдаленной перспективе.

Наконец, существует ниша сверхвысокого разрешения с детальной съемкой до метров и даже сантиметров. В этом сегменте у нас есть свои спутники, хотя космические аппараты для решения таких задач активно вытесняются беспилотными летательными аппаратами. В долгосрочной перспективе вопрос борьбы за нишу сверхвысокого разрешения остается открытым: вероятно, для специальных задач всегда будут нужны собственные ресурсы, и их придется развивать. Но в гражданском секторе, возможно, уже к 2035–2040 гг. спутники уступят место БПЛА.

Самым востребованным сегментом останется наблюдение с разрешением от пяти до 100 м. Безусловно, необходимы отечественные аппараты, но в ближайшей перспективе закрыть эту потребность нечем. Существуют инициативы и попытки привлечь коммерческие компании, которые могли бы заполнить эту нишу, но говорить о конкретных сроках я бы не решился.

Фото: Елена Либрик / Научная Россия

― Хватает ли мощностей, чтобы обработать колоссальные объемы данных, поступающих с десятков российских аппаратов?

― Объемы информации, поступающей с российских спутников, не такие большие, и их обработка не вызывает проблем. Другое дело, что нам доступна информация с зарубежных аппаратов, которой в десятки раз больше. Эти данные тоже грех не использовать.

С точки зрения технологий обработки и анализа данных у российских разработок нет большого отставания от зарубежных. Безусловно, сложно конкурировать с лидерами вроде Google, у которых есть собственные мощные схемы обработки, или с американскими агентствами просто в силу того, что у нас меньше средств на вычислительные ресурсы. Но это не значит, что их совсем нет, просто ресурсы можно использовать по-разному и подобные технологии в России достаточно быстро развиваются, внедряются, используются. В этом направлении мы находимся на вполне конкурентном уровне.

Конечно, всегда хочется иметь больше вычислительных мощностей и дополнительной поддержки. Но мы ищем и находим возможности и от государства, которое выделяет немало средств на такие исследования, иногда и от бизнеса. Хотелось бы большего, но даже с учетом существующих ресурсов можно вполне эффективно развиваться.

― В этой работе помогает искусственный интеллект? Разрабатываются ли специализированные системы, предназначенные для решения конкретных задач ДЗЗ?

― Конечно, разрабатываются и все чаще применяются в отельных направлениях. Другое дело, что область применения ИИ, как и любой другой технологии, имеет свои наиболее эффективные ниши.

В первую очередь необходимо понимать саму задачу и использовать системы машинного обучения в комплексе с существующими моделями и знаниями о тех или иных явлениях. Сейчас же возникают попытки научить машину что-то распознавать или получать ответы, не задумываясь о сути процессов. Ситуация в какой-то степени анекдотичная: раньше человечество разрабатывало модели различных явлений, чтобы понять, почему происходят те или иные процессы, и формулировало законы, и много стало понятно, а сейчас чуть ли не заявляют: «Зачем нам какие-то законы? Найдем совпадения и корреляции и на их основе получим решения». Но в некоторых случаях для того, чтобы искать решение, надо быть уверенным, что оно вообще существует. А есть оно далеко не у каждой задачи…

ИИ ― очень мощный инструмент, но использовать его нужно с умом и понимать, что это не панацея. И мы активно развиваем такие подходы. В частности, создаем специализированный кластер для решения задач с помощью глубокого машинного обучения, чтобы развивать алгоритмы и методы в тех направлениях, где мы хорошо понимаем суть процессов и существующие задачи.

― Первые снимки Земли из космоса были получены около 80 лет назад при запуске «Фау-2». В каком направлении сегодня развиваются эти технологии? Есть ли определенные задачи, которые должны быть решены, например, в горизонте 2050 г.?

― Действительно, формальным началом дистанционного зондирования Земли считаются первые кадры, полученные во время суборбитального полета «Фау-2» в 1946 г.

Если сравнивать то, что снимали в первый раз, и то, что снимают сегодня, — это небо и земля. Главное же изменение в том, что дистанционное зондирование Земли из области преимущественно научного знания превратилось в прикладную сферу. Когда мы работаем с задачами, которые должны решаться регулярно, необходимы однотипные и сопоставимые данные.

Сверхзадача в области ДЗЗ, которая сегодня отчасти уже решена и будет решаться в ближайшие десятилетия, — это превращение систем наблюдения в стабильную схему, дающую однотипную информацию в различных направлениях. При этом понятно, что технологии развиваются. Одни спутники уходят, другие запускаются, но само информационное поле должно быть совершенно независимым от того, откуда и как мы получили данные. Со временем будет сформирована нишевая информационная база для прямого доступа потребителей к нужным данным.

Название видео

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник: scientificrussia.ru