Хлеб из вакуума: как космос может накормить
Частенько встречаются вопросы: зачем летать в космос, когда в Африке дети голодают? В нем действительно был смысл когда космическая гонка вынуждала передовые государства запускать людей в космос ценой колоссальных расходов, без надежды извлечь практическую пользу из вакуума. Сейчас уже другое время, в котором космос может накормить. Точнее, повысить эффективность сельского хозяйства.
19 августа глава Роскосмоса и Минсельхоз подписали соглашение о "повышении эффективности использования земель сельскохозяйственного назначения, проведения государственного мониторинга земель и снижения бюджетной нагрузки за счет объединения усилий Сторон по получению, обработке и использованию информации с космических систем ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли) и ГЛОНАСС в интересах поддержки государственной аграрной политики и обеспечения продовольственной безопасности России".
Хорошее ли дело затеяли Роскосмос с Минсельхозом? Как и про многое из того, что делается после начала реформ Роскосмоса, можно уверенно сказать "Давно пора!". Даже странно, что имея уже неплохой парк космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и рабочий ГЛОНАСС, об их практическом применении в сельском хозяйстве задумались только сейчас. Сколько уйдет времени на реализацию целей, прописанных в соглашении - это другой вопрос.
А как вообще навигационные и оптические спутники могут помочь труженикам села?
Наблюдение за земной зеленью из космоса ведут применяя особый алгоритм обработки мультиспектральных данных, называемый «индекс вегетации» (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index). Для этого спутники снимают поверхность не в видимом диапазоне (красный/зеленый/синий - RGB), а с захватом ближнего инфракрасного (красный/зеленый/ближний инфракрасный - RGNir или просто NIR). В результате получаются довольно эффектные и сюрреалистичные кадры.
Но сами по себе фотографии не столь ценны, как информация, полученная после применения алгоритма NDVI.
Физический эффект, который используется для расчета индекса вегетации - это свойство хлорофилла растений лучше поглощать свет видимого диапазона и отражать инфракрасный. В инфракрасном свете трава и листва "светится" гораздо ярче чем в видимом.
lightroom.ru
Анализируя разницу в яркости на снимках можно получать больше информации о зелени. Более того, поскольку инфракрасный отражается только живыми клетками с хлорофиллом, становятся заметнее любые изменения, связанные с угнетением развития растений: гниение, засуха, нехватка удобрений, вредители. То есть, то, что является очень ценной информацией для земледельца, и на что он в какой-то мере способен повлиять. При достаточно высокой калибровке и накоплении опыта, можно даже сорта растений на полях отличать.
В Европе и Америке спутниковые возможности стали основой нового направления сельскохозяйственной деятельности - precision agriculture - «умное» или «точное земледелие». Когда, фактически, спутник подсказывает время и необходимость сельскохозяйственных процедур, а программы рассчитывают интенсивность внесения удобрений, пестицидов, полива, прополки, посева и уборки. А с развитием беспилотной техники: грузовиков, тракторов и комбайнов, процесс управления фермой, всё больше приближается к игре «Ферма» чему способствуют навигационные спутники ГЛОНАСС/GPS.
В России «точное спутниковое земледелие» пока развивают только частники. Для этой цели частная космическая компания "Даурия Аэроспейс", которая занимается производством спутников, начала сотрудничество с компанией ExactFarming, которая разрабатывает систему управления фермерским хозяйством: карты, статистика, климатические данные, графики обработки полей, постановка задач и отслеживание выполнения… Важной составляющей системы является т.н. «карта неоднородностей» на основе индекса NDVI - динамики развития зеленых насаждений на полях. На такой карте можно видеть состояние посевов на разных участках поля - где больше зеленой массы, где меньше. Исходя из этих данных планировать работы на поле и прогнозировать урожай. Обновления с информацией о полях приходят раз в 8-16 дней.
С точки зрения пользы в сельском хозяйстве, важную роль играет не одиночный снимок из космоса, а несколько кадров, с различным периодом, для прослеживания динамики и направления процессов. Соответственно требуется регулярная съемка одного и того же участка и чем чаще тем лучше.
К примеру, Роскосмос обещает съемку всей России раз в неделю, для сельского хозяйства - это приемлемо, хотя облачность в некоторые дни будет сокращать фактическую частоту в два-три раза. Российская группировка спутников, способных предоставлять необходимые данные, еще расширяется. Как раз "Даурия Аэроспейс" изготовила два таких аппарата по заказу Роскосмоса. Ждем теперь когда полетят.
Назначение пары экспериментальных спутников “МКА-Н” - съемка для сельского хозяйства и NDVI. Изначально Роскосмос просил просто фотоспутники в формате CubeSat, с довольно широким диапазоном выбора характеристик оптики, но компания в инициативном порядке выбрала такой режим, который позволяет приносить практическую пользу.
Другой вопрос, что пока имеются серьезные проблемы с доступностью российских снимков. же десятки хозяйств, общей площадью почти 1 млн га (0,5% от всех по России), пользуются сервисом ExactFarming. Однако карта неоднородностей, по которой сейчас работают российские фермеры, создается без участия Роскосмоса.
Россия обладает группировкой гражданских космических аппаратов "Ресурс-П", которая позволяет осуществлять еженедельную съемку территории страны в требуемом диапазоне и с требуемым разрешением (прибор КШМСА), но российские фермеры вынуждены пользоваться съемкой американских спутников Landsat и французского Sentinel-2. Даже в Яндекс Картах не найти российских снимков, потому что их не продавали частникам!
Для нужд сельского хозяйства оптимально подходит съемка с разрешением 22 метра. Это достаточно, чтобы наблюдать за полями и достаточно, чтобы за один пролет спутника захватывать широкую полосу в сто километров. Один такой спутник способен снять всю Землю за 4 недели. На орбите их несколько. Данные Landsat и Sentinel-2 открыты и бесплатны для всего мира. Более того, программе Landsat уже более 30 лет, и доступен архив за всё это время. Так, пользователь бесплатной системы ExactFarming может узнать, как дела у него на полях в этом году, и что было в прошлом, и назад во времени до 2010 года.
С американских и европейских открытых серверов снимки может скачивать любой пользователь интернета. Вокруг этой возможности выросла целая инфраструктура частных сервисов. Одни скачивают космические снимки, обрабатывают их по алгоритму NDVI и по API раздают конечную информацию с результатами этой обработки. Другие строят вокруг этой информации решения для конечных пользователей. Частные спутники международной серии DMC делают свою съемку и ею можно дополнять бесплатные данные с американских и французских аппаратов. В результате, в ExactFarming, например, фермеру выдается не набор снимков, а готовая карта неоднородностей конкретного поля с хронологической шкалой.
21 сентября Роскосмос объявил о создании системы ЕТРИС, с которой он собирается выйти на мировой рынок спутниковых данных. Судя по официальному сообщению, в рамках ЕТРИС создан генеральный каталог хранимых данных космической съемки, объединивший все существующие российские архивы космической съемки. Однако по-прежнему непонятно, кому и на каких условиях будет предоставляться доступ к этому каталогу.
Для повышения эффективности спутниковой съемки, Роскосмосу стоило бы поступить по примеру Европейского космического агентства и NASA - открыть для всех данные, интересные для сельского хозяйства. И не ограничиваться только Россией, а снимать весь мир. Десяток тех же "МКА-Н" мог бы это делать каждую неделю. А дальше частный интерес и стремление фермеров к росту урожайности сделали бы все лучше любых официальных соглашений "о повышении эффективности". Так наши спутники поработали бы во благо всего Человечества, и голодных детей Африки в том числе!
Zelenyikot и Егор Заикин.