Космический малыш с суперострым зрением

Материалы рубрики читайте также в телеграм-канале «Техносфера, подъем!»

С помощью такой уникальной технической системы мы получаем доступ к информации за пределами видимого диапазона, так как гиперспектральное «зрение» видит пространство в многоканальном спектральном отображении. На основе этих спектров алгоритмы автоматической классификации могут генерировать изображения с ложным цветом и выявлять невидимые для человека характеристики и свойства объектов. Например, определять, какое из двух зерен живое, а какое — мертвое, или отличать разные по плотности, но одинаковые по цвету материалы.

На основе данных, которые будет передавать с орбиты наноспутник с гиперспектрометром, ученые Самарского университета планируют обучать команды российских школьников основам анализа и обработки гиперспектральных изображений.

Проект реализуется при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi программы «Дежурный по планете».

Генеральный директор компании СПУТНИКС Владислав Иваненко

Пресс-служба Самарского университета им. Королева

Такого на орбите еще не было

Наноспутник создан на базе платформы собственной разработки инженеров космической компании СПУТНИКС. Она специализируется на создании высокотехнологичных спутниковых компонентов и технологий для малых космических аппаратов, а также сервисов на их основе.

«Аппарат весит всего 12 килограммов, он оснащен системами управления, питания, связи, ориентации и гиперспектрометром в качестве полезной нагрузки. Наноспутник формата кубсат состоит из шести юнитов, размер каждого — 10 × 10 × 10 сантиметров. Со сложенными панелями солнечных батарей он занимает всего 10 × 20 × 30 сантиметров», — рассказал «Стимулу» генеральный директор компании Владислав Иваненко.

Аппарат уже собран, на нем завершена интеграция полезной нагрузки, он прошел функциональные испытания, впереди — предполетная подготовка. Готов к работе на орбите и самарский гиперспектрометр. Его разрешающая способность превышает показатели многих гораздо более крупных космических аппаратов гиперспектрального мониторинга Земли, как российских, так и зарубежных. Наноспутников со столь острым гиперспектральным «зрением» в России еще не было.

«Ученые нашего университета создали компактный гиперспектрометр с высоким показателем пространственного разрешения — всего семь метров на пиксель. Это рекорд для такого компактного прибора, в десятки раз выше аналогичного показателя первого отечественного гиперспектрометра для наноспутников, который тоже был разработан у нас в университете и успешно прошел испытания в космосе. Даже у многих больших спутников, весящих сотни или тысячи килограммов, величина пространственного разрешения гиперспектральной аппаратуры и, соответственно, объем и качество передаваемых данных порой оказываются в разы хуже, чем у этого “малыша”», — рассказал профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета им. С. П. Королева, доктор физико-математических наук Роман Скиданов.

Гиперспектрометр оснащен мощным длиннофокусным объективом отечественного производства и предназначен для работы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (так называемом VNIR-диапазоне, от 400 до 1000 нм). Количество спектральных каналов — от 150 до 300. Длина гиперспектрометра вместе с объективом — всего порядка 30 см.

Элементы компактного гиперспектрометра с высоким показателем пространственного разрешения, разработанного специалистами Самарского университета им. Королева

Пресс-служба Самарского университета им. Королева

«Для нас этот проект интересен тем, что он открывает перспективы создания космического аппарата с новой гиперспектральной съемочной системой. Новой в глобальном смысле: до сих пор ни одной такой сверхчувствительной системы в интеграции с кубсатом на орбите не испытывалось, — отметил гендиректор СПУТНИКС. — В первую очередь гиперспектральная съемка открывает новые возможности для сельскохозяйственной отрасли — умное земледелие, а именно точный мониторинг посевов, оптимизация ресурсов, повышение урожайности, контроль за загрязнением воды и почвы, анализ последствий лесных пожаров. Много применений для поиска природных ресурсов. Что касается частного космоса, то это старт для развития группировок малых космических аппаратов, оснащенных гиперспектрометрами, и, соответственно, предоставление широкого спектра услуг для народного хозяйства и сферы экологии».

Десять лет назад СПУТНИКС запустил первый российский частный космический аппарат, с тех пор создано и запущено в космос более 60 спутников. В 2023 году компания изготовила более 100 космических аппаратов различного назначения, до конца года все будут выведены на орбиту. Они пополняют частную российскую группировку спутников для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и автоматической идентификации судов Sitronics Group. Срок активного существования (САС) аппаратов — не более трех лет, спутники компании запускаются на низкую околоземную орбиту и в конце своего срока существования снижаются и сгорают в плотных слоях атмосферы. Таким образом, спутники не становятся «космическим мусором» после выполнения своей миссии.

Отметим, что за последние десять лет на российском космическом рынке появился целый ряд новых компаний, которые активно занимаются развитием частной космонавтики — созданием космических аппаратов, космических приборов, разработкой ракет, космических сервисов в области ДЗЗ, связи и т. д.

«Появляются новые задачи, как от государства, так и от бизнеса, — рассказывает Владислав Иваненко. — Все больше и больше запускается на орбиту созданных “частниками” космических аппаратов. Развиваются новые форматы взаимодействия государства и бизнеса в области космоса через механизмы государственно-частного партнерства».

Так, сейчас действует соглашение о намерениях между правительством и бизнесом в целях развития высокотехнологичного направления «Перспективные космические системы и сервисы». Цель этой дорожной карты — создание российской коммерческой группировки космических аппаратов. Это позволит расширить инфраструктуру ДЗЗ, поможет в создании механизма доступа к спутниковым снимкам и к разработке сервисов на их основе. Речь также идет о создании сервисов спутниковой коммуникации. До 2030 года планируется произвести и вывести на орбиту более 60 спутников ДЗЗ и более 700 аппаратов спутниковой коммуникации.

В соглашении с правительством участвуют госкорпорация «Роскосмос», ФГУП «Космическая связь», ФГАОУ «Московский физико-технический институт», ПАО «Газпром», а также АО НПК БАРЛ, АО «Ситроникс», ООО «МТ-Лаб», ООО «Бюро 1440» (входит в ИКС Холдинг) и ряд других частных компаний.

НПК БАРЛ разрабатывает системы ДЗЗ, спутниковой связи и географические информационные системы. ГК «Сканэкс» работает в области разработки, производства и внедрения технологий для приема, обработки, хранения изображений Земли из космоса и оперативного доступа к ним, это единственный частный оператор сети наземных станций приема данных с космических аппаратов на территории России. «Бюро 1440» занимается созданием коммерческой широкополосной передачи данных на высокой скорости и с глобальным покрытием на базе низкоорбитальной спутниковой группировки. «Ситроникс» — многопрофильная IT-компания, одно из направлений ее бизнеса — спутниковый мониторинг в различных отраслях. «МТ-Лаб» занимается разработкой и применением систем ДЗЗ для мониторинга ледовой обстановки, посевов, лесных пожаров и т. п., оперативной съемки различных природных и антропогенных объектов, геопространственной аналитики.

Проректор по цифровой трансформации Самарского аграрного университета Павел Ишкин на поле озимой пшеницы проводит N-Тестером листовую диагностику обеспеченности азотом в характерных зонах по индексу NDVI

Фото предоставил П. Ишкин

Избавить растения от стресса

«Мы с Самарским университетом давно взаимодействуем по поводу применения их гиперспектрометра в сельском хозяйстве, — рассказал “Стимулу” проректор по цифровой трансформации Самарского аграрного университета Павел Ишкин. — Это уникальный прибор, он позволяет оценивать состояние различных культур и полей именно по изменениям спектральных индексов. В узком спектре мы можем наблюдать различные явления, начиная с состояния культуры на поле (поражена ли она болезнями или вредителями, есть ли сорная растительность) и заканчивая влагообеспеченностью культуры».

Разработанный в Самаре гиперспектрометр даст возможность решать гораздо более сложные задачи по сравнению с ныне существующими устройствами. Новая аппаратура сможет, например, более качественно и точно следить за состоянием сельскохозяйственных посевов, выявлять из космоса проблемные участки на полях и стрессовое состояние растений, вычисляя вегетационный индекс NDVI (Normalized difference vegetation index, нормализованный индекс вегетации), поможет разработать более совершенные спектральные индексы.

NDVI и другие спектральные индексы рассчитываются на основе спектральных данных. В зависимости от своего состояния, обеспеченности микроэлементами и влагой, температуры окружающей среды и других факторов растения по-разному поглощают и отражают электромагнитные волны в разных диапазонах.

Сопоставление этих данных в едином комплексе с помощью гиперспектральной съемки позволит дистанционно, оперативно и более точно оценивать состояние посевов той или иной культуры, не отправляя выборочно на лабораторный анализ отдельные растения или образцы почвы. По гиперспектральным данным можно, например, определить участки озимых посевов с наибольшей зеленой массой, с высоким количеством хлорофилла, узнать уровень запасов влаги в почве и спрогнозировать будущую урожайность.

«На этом индексе основаны технологии точного земледелия, дифференцированные способы внесения удобрений, средств защиты растений и посева, — поясняет Павел Ишкин. — Плодородие участков поля определяется через вегетационную активность растения на данном участке. Когда строишь карту индекса NDVI для всего поля, сразу видны участки с высокой и низкой продуктивностью. И более детально изучая характерные зоны поля, можно определить факторы, ограничивающие продуктивность. То есть мы уже выходим с пробоотборником по координатам на участок поля с низким плодородием, чтобы взять образец почвы на анализ. По результатам анализа мы видим, какой фактор является лимитирующим, из-за чего плодородие низкое. Это может быть недостаток макро- или микроэлементов или влаги, могут быть еще какие-то проблемные факторы».

Гиперспектрометр также помогает оценить физиологическое состояние растений с точки зрения наличия у них стресса. Его вызывают неблагоприятные явления — засуха или переизбыток влаги, сильный ветер, перепады температур, внезапные заморозки, нашествие насекомых-вредителей. Из-за стресса в растениях происходят метаболические изменения, с помощью гиперспектрометра эти изменения можно выявить и из космоса.

Разработанный в Самаре гиперспектрометр на основе спектральных данных даст возможность вычислять вегетационный индекс NDVI

Фото предоставил Павел Ишкин

«Одно из перспективных направлений применения этого наноспутника — картирование влагозапаса почвы. Принцип такой: мы получаем отраженный свет от поверхности поля. Влажные участки поглощают больше солнечных лучей, отражение идет меньше, с сухими противоположная ситуация. В определенном узком спектре это очень хорошо видно», — рассказывает Павел Ишкин.

Для аграриев весной очень важно понимать, сколько влаги запаслось за зимний период. Влагозапас определяется в метровом слое количеством продуктивной влаги, которая потом трансформируется в будущий урожай. Самарская область находится в зоне рискованного земледелия с малым количеством осадков в весенний и летний период, наличие продуктивной влаги имеет в регионе большое значение.

«Сейчас этот параметр измеряют так: бурят метровый шурф и берут образцы почвы с интервалом десять сантиметров, потом по ним оценивают влажность, пересчитывают запас влаги по определенной формуле. Но поле само по себе неоднородно. Влажность сильно зависит от места. Можно, к примеру, сделать шурф на затененном или низком участке, где избыточное увлажнение, и сделать вывод, что все поле влажное. Или наоборот: зайти на возвышенность или песчаный участок, Там пробурил — почва сухая — и сделал вывод, что на всем поле влаги недостаточно. А если провести картирование при помощи спутника, можно сразу оценить средний влагозапас», — пояснил Павел Ишкин.

Как рассказал эксперт, ту же работу можно сделать и с помощью беспилотника. У этой технологии есть и положительные, и отрицательные стороны. Плюсы в использовании беспилотников с гиперспектрометрами или мультиспектральными камерами следующие. Во-первых, съемка не зависит от облачности. Беспилотники летают под облаками, и тучи не мешают снимать. Второе важное преимущество — высокое разрешение снимков, гораздо выше, чем у спутниковых.

Но минусы при этом очень существенные. Первый — значительно меньшая по сравнению со спутником производительность. БПЛА зависит от зарядки аккумуляторов, от погодных условий. Если спутнику мешает облачность, то беспилотнику — ветер.

И, конечно, важна большая разница в стоимости. Спутниковые снимки обходятся гораздо дешевле тех, что делает беспилотник. Есть даже платформа, которая предоставляет снимки бесплатно. К примеру, с помощью сервиса OneSoil можно получать индекс NDVI для любого поля. Эти снимки обновляются раз в двое суток, когда спутник проходит одно и то же место по своей орбите. Если облачность мешает, снимок сделается на следующем витке, и так далее.

Облетая поверхность Земли, спутник непрерывно снимает все площади под его орбитой, и любой фермер может на снимках найти свои поля. А с беспилотника, допустим, за день удастся сделать только два-три поля. Кроме того, из-за большого разрешения работа со снимками, снятыми с БПЛА, требует бóльших вычислительных мощностей. То есть, если покупать беспилотник, к нему нужно еще иметь свое программное обеспечение и мощный компьютер. Кроме того, отдельный высококвалифицированный сотрудник должен обеспечить облет, съемку территории и обработку снимков с помощью специализированного ПО.

Использование спутниковых технологий требует меньше знаний и ресурсов. Можно даже поставить программу на мобильный телефон, выйти на поле, привязаться к местности, определить, где ты находишься, выйти на нужную точку и посмотреть, какой у нее индекс NDVI.