Самарские суперпиксели. Технологии дистанционного зондирования Земли улучшают жизнь людей

Мать с малышом лет пяти подходит к остановке городского транспорта и достает смартфон. Сын, истомленный жарой, ноет и дергает ее за подол платья. Она, кажется, утонула в гаджете. "Разве так можно?", - осудила я ее, но Владислав Сергеев посоветовал не делать скоропалительных выводов. Он, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории прорывных технологий дистанционного зондирования Земли Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, оказывается, знает, что женщина просто-напросто решила воспользоваться разработкой их лаборатории. Она открыла одно из самых популярных в городе мобильных приложений - "Прибывалку", которое дает точный ответ на вопрос, в какое время прибудет нужный автобус, троллейбус или трамвай.

В городе, где живут немногим менее миллиона двухсот тысяч человек, "Прибывалкой" ежедневно пользуются более миллиона раз. Если учесть, что общественный транспорт совершает около 2,5 млн перевозок в день (столько билетов покупают горожане), то грубая арифметика показывает, что каждый второй пассажир обязательно прибегает к помощи приложения. 
 

"Статистика не всегда отображает реальность, - пояснил младший научный сотрудник, инженер-математик лаборатории Александр Сергеев. - Один человек может, стоя на остановке, раз десять проверить, когда приедет автобус. Но, в любом случае, миллион обращений - это действительно высокий показатель". 
 

Примерно 400 самарских трамваев, 500 автобусов и 200 троллейбусов каждые 30 секунд получают со спутников информацию о своем местоположении. Программный комплекс анализирует эту информацию, соотносит ее с ситуацией на дороге, изучает загруженность трафика, наличие или отсутствие аварий, учитывает множество факторов. В результате сложнейшая умопомрачительная математика приходит на службу каждому горожанину, и ее прикладное применение кажется простым и доступным. 
 

"Самая хорошая технология - такая, которая растворяется в повседневной жизни так, что о ней даже и не думаешь, - подчеркнул научный руководитель лаборатории член-корреспондент РАН Виктор Сойфер. - Она настолько проста и ясна, что, кажется, была всегда. Технологии геоинформатики и дистанционного зондирования Земли прочно входят в нашу жизнь". 
 

Как вспоминает Виктор Александрович, создавая по гранту Российского научного фонда лабораторию прорывных технологий дистанционного зондирования Земли, исследователи университета серьезно задумались о том, что могут предложить технологии дистанционного зондирования Земли для улучшения среды обитания человека. Данные из космоса, получаемые с помощью оптических, гиперспектральных и радиолокационных сенсоров, содержат огромный массив информации, необходимый для наблюдений за изменениями природы и хозяйственной деятельности, мониторинга природных ресурсов, инженерной и транспортной инфраструктуры, предупреждения, оценки и минимизации последствий чрезвычайных ситуаций, повышения эффективности управления экономическими и социальными процессами.
 

"Беда в том, что мы день за днем захламляем землю, - пояснил Сойфер. - Несанкционированные свалки в пригородных лесах, сбросы в реки и озера очень сложно обнаружить. А с помощью снимков из космоса c подробным спектральным разрешением можно не только отыскать свалки и сбросы жидких отходов в водоемы, но даже определить состав загрязняющих природу веществ. Вам уже рассказали, как мы используем данные, полученные с космических спутников Земли, в региональном управлении, для развития города?" 
 

Строительство, сельское и лесное хозяйство, транспортная система - везде на помощь в решении сложных управленческих задач приходят технологии, разработанные в лаборатории. Здесь создали базовую карту Самары и Самарской области, на которой указали все здания, сооружения, дороги и другие объекты, расположенные на территории. Бóльшая часть информации, размещенной на карте, открыта для желающих ознакомиться на специальном геопортале. Но есть данные не для общего пользования, доступ к которым предоставлен, например, только главе города или отдельным службам. В каждом муниципалитете есть свой сервер, который связан с общим центральным сервером. Туда же имеют доступ определенные службы регионального правительства. "Если раньше чиновники принимали решения об инвестиционных программах, генеральном плане развития города, его благоустройстве по малопонятной для других схеме, без обратной связи, без учета всевозможных факторов, то теперь для составления окончательного документа используются новые технологии, учитывающие множество нюансов", - сказал старший научный сотрудник лаборатории Андрей Чернов.
 

С некоторых пор всех сельхозпроизводителей, желающих получить субсидии на развитие из местного бюджета, обязали декларировать границы посевов. Если раньше им достаточно было только отчитаться за потраченные деньги, а проверить достоверность предоставленной информации было очень сложно и трудозатратно, то с введением космического мониторинга полей анализ стал проще. Из космоса видно, что за культура выращивается на поле, является ли она озимой или яровой, а может, поле вообще не засеяно? И такое тоже бывало. Если между данными, предоставленными получателем субсидии, и результатами космического мониторинга имеются различия, то представители регионального Минсельхоза выезжают на место, чтобы уточнить информацию и принять окончательное решение. 
 

С помощью космических снимков власти Самары обнаруживают сбросы жидких отходов в водоемы, находят несанкционированные свалки в оврагах, на берегах озер и рек. Во время весеннего половодья оперативно реагируют на разлив рек, предотвращая возможный ущерб в домохозяйствах. С помощью космического мониторинга обнаруживают стихийные застройки в лесах, наблюдают за сохранностью памятников природы. Из 150 памятников природы - "особо охраняемых природных территорий", расположенных в области, - за последние годы 43 изменились более чем на треть. Где-то произошел пожар, и деревья сгорели, где-то несанкционированную вырубку произвел человек. Так что технология, к использованию которой уже привыкли городские и областные власти, является средством объективного контроля и проверки. 
 

Где построить новый магазин или аптеку? Как изменятся транспортные потоки, если в городе будет построена новая улица? Сколько времени житель тратит в среднем на перемещения по городу? Ответы на все эти вопросы позволяют просчитывать многие риски, определять, куда вкладывать деньги, чтобы получить от их использования максимальный эффект. 

На крыше одного из зданий вузовского кампуса - самый крупный в мире университетский центр приема данных из космоса. Первые тарелки появились там еще в 2007 г., в результате участия в инновационно-образовательной программе Минобрнауки. 
 

С получаемыми изображениями сотрудники лаборатории могут творить чудеса. Они, как никто другой, умеют защитить их от злоумышленников. Так, например, при пересылке большого изображения из пункта "А" в пункт "В" его могут перехватить и исказить информацию. Поэтому на этапе создания изображения в него встраивается незаметная глазу картинка, так называемый цифровой водяной знак, который изменяется вместе с основным рисунком. Получатель одновременно с изображением принимает цифровой ключ, который позволит выяснить, был ли изменен исходник. Другая задача, которая может возникнуть при работе с изображением, - определить, насколько оно соответствует реальности, не внес ли его поставщик какие-то изменения. Это имеет особую актуальность, например, при использовании космических снимков военными или криминалистами: могут быть добавления, скопированные куски, замаскированные участки. Определить подлинность изображения, полученного из космоса, позволяют данные о ракурсе съемки, положении солнца и так далее. Зная положение спутника в момент съемки, можно многое понять. 

Прежде чем использовать космическую картинку Земли, ее нужно добыть. Один килограмм веса, выведенный на орбиту, стоит 20 тыс. евро. А если это тысяча килограммов? Аппаратура должна быть компактной, ученые всегда ведут борьбу за килограммы. В лаборатории создают малогабаритные гиперспектрометры, работающие в оптическом и инфракрасном диапазонах волн. Разработка таких приборов нового поколения базируется на последних достижениях нанофотоники, в развитие которой также внесли большой вклад ученые лаборатории. Приборы получаются более легкими, что позволяет на одном летательном аппарате разместить, кроме съемочной аппаратуры, много других полезных устройств.

Гиперспектрометр, который продемонстрировал ведущий научный сотрудник Роман Скиданов, весит не 150 кг, как это было до сих пор, а всего пять. "И при такой миниатюрности количество спектральных каналов, разрешение по поверхности будут полностью соответствовать изображениям, полученным прибором, находящимся в настоящий момент на орбите", - уточнил Роман.
 

Еще одна проблема - обработка и анализ больших данных. Как сократить время обработки? "Есть два принципа новой парадигмы больших данных, - пояснил ведущий научный сотрудник Сергей Попов. - Первый - разделяй и властвуй. Второй - обрабатывай там, где хранишь. Изображение разбивается на суперпиксели, которые являются основной информационной единицей, обрабатываемой в системе. Вся эта информация хранится здесь же, на дисках специализированного вычислительного комплекса, и не посылается, как обычно, на обработку, а обрабатывается на месте. Это обеспечивает стократное уменьшение временных затрат по сравнению с обычными компьютерными системами".
 

В созданной благодаря гранту РНФ лаборатории прорывных технологий дистанционного зондирования Земли Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева в тесном сотрудничестве с Российским космическим центром "Прогресс" и Институтом систем обработки изображений РАН родилось уже много коммерческих продуктов. Их подхватили малые компании, образующие инновационный пояс университета.

"И это показывает, насколько активность лаборатории прорывных технологий дистанционного зондирования Земли важна для развития науки в университете, - подчеркивает Виктор Сойфер. - Мы надеемся, что к коммерциализации полученных продуктов подключатся заинтересованные в них компании".

Источинк: poisknews.ru


Член-корреспондент РАН Виктор Сойфер