… об изучении дачной мобильности с помощью спутниковых данных

Только по американской спутниковой программе Landsat опубликовано больше 700 тысяч исследований
Прямо сейчас вокруг Земли вращается больше тысячи спутников, которые фотографируют планету. С помощью этих снимков исследователи следят за таянием льдов, придумывают, как сберечь воду при орошении полей, находят скрытые производства ядерного оружия и помогают людям спастись от стихийных бедствий. Огромные массивы спутниковых данных есть у Google, NASA, Европейского космического агентства - ими бесплатно могут пользоваться все желающие. Рассказываем, как устроены спутниковые данные, что можно узнать с их помощью и где их найти.
Первые "космические" снимки были не совсем космическими: их делали с аппаратов, не достигших орбиты. Например, в 1935 году поверхность Земли сняли с американского воздушного шара Explorer II, который поднялся на высоту 22 тысячи метров, в стратосферу.
В 1957 году с запуском советского "Спутника-1" началась эра искусственных спутников. Спутниковые снимки в современном понимании впервые сделаны в 1959 году американским Explorer 6.
Сейчас на орбите Земли тысячи спутников. К маю 2024 года их было 9,9 тысячи - не считая недействующих, превратившихся в космический мусор. Чуть больше тысячи спутников наблюдали за поверхностью планеты и собирали спутниковые данные, остальные - обеспечивали связь и навигацию. В 2023 году на орбиту запустили 2409 новых спутника - больше, чем когда-либо.

Теперь спутниковые данные охватывают всю планету, обновляются часто, в хорошем качестве, и становятся все более дружелюбными для пользователей, пишут исследователи. Технологии дистанционного зондирования используют ученые, некоммерческие организации, правительства, активисты, журналисты.
Как можно использовать спутниковые данные: три примера
Первой и одной из самых популярных программ получения спутниковых снимков - американской Landsat - уже больше 50 лет. К концу 2022 года на ее данных было опубликовано 767 тысяч исследований (столько исследований с упоминанием Landsat можно найти на платформе Google Scholar).
Анализ другой платформы, где можно искать академические публикации, - Web of Science - показывает, что около трети исследований на данных Landsat посвящено землепользованию и исследованию почвенного покрова, еще пятая часть - сельскому хозяйству, чуть меньше 10% - лесному хозяйству.

Спутников на орбите Земли все больше - и число исследований тоже растет. В 2014-м Европейское космическое агентство запустило первый спутник из семейства Sentinel в рамках программы дистанционного зондирования Земли. К 2022 году данные спутников Sentinel уже использовали почти в 8 тысячах публикаций. Рассказываем на трех примерах, как можно использовать спутниковые данные в исследованиях.
Исследовать дачную миграцию [примечание Демоскопа: правильнее - дачную мобильность, а еще вернее - сезонную (дачную) мобильность. Понятие "мобильность" гораздо шире понятия "миграция" прежде всего за счет исключения из последней многочисленных регулярных возвратных поездок]
Примерно у половины горожан в России есть дачи. Из-за этого население некоторых муниципалитетов вырастает в разы в летние месяцы - но официальные данные этого не учитывают.
Исследователи из Института географии РАН изучили, как меняется население Ярославской области, популярного для строительства дачи региона среди москвичей. Для этого они проанализировали, в какие месяцы ночное освещение населенных пунктов самое яркое - точнее, в какие месяцы больше всего светящихся пикселей на карте в пересчете на душу населения. Города - Ярославль и Рыбинск - интенсивнее всего освещены в декабре-январе. Но населенные пункты на юге области, ближе к Москве, а также поселки и деревни близко к крупным дорогам, по которым удобно добираться до городов, интенсивнее всего светятся летом.

Свои выводы исследователи проверили с помощью оценок администрации и опроса местных жителей одного из близких к Москве населенных пунктов - деревни Нагорье. Официальное население Нагорьевского района - 5,3 тысячи человек, однако летом оно увеличивается примерно до 16 тысяч.
Дачники влияют на занятость и доходы местного населения, а местным властям в летние месяцы нужно обеспечивать доступ к воде, вывоз мусора, ремонт дорог в расчете на население, которое в разы больше, чем на бумаге - при этом эта разница никак не учтена в финансировании муниципалитетов, отмечают исследователи.
Изучать "зомби-пожары"
Когда сезон лесных пожаров заканчивается, огонь не всегда окончательно затухает - иногда он тлеет в почве, а весной разгорается вновь. Это явление называют "зомби-пожарами".
Такие пожары встречаются в бореальных - северных - лесах: в России, Канаде, на севере США. Исследователи из Свободного университета Амстердама и Нанкинского университета в Китае изучили "зомби-пожары" в Якутии с помощью данных спутниковых датчиков MODIS и VIIRS.
На такие пожары пришлось примерно 3% выгоревших территорий в Якутии в 2012-2019 годах. В 2020-м "зомби-пожары" в регионе были гораздо сильнее, чем обычно - на них пришлось 7,5% выгоревшей за год территории. Так произошло из-за необычно теплой весны и раннего таяния снега. Из-за потепления климата "зомби-пожары" будут начинаться раньше, а площадь горения будет увеличиваться, пишут исследователи.
Опасность таких "зимующих" пожаров, кроме того, что они увеличивают пожароопасный сезон, в том, что при тлении огня в почве высвобождается углекислый газ. В почвах бореальных лесов примерно в два раза больше углекислого газа, чем есть в атмосфере сейчас.
Дистанционное зондирование - вообще классический инструмент для исследований, связанных с последствиями изменения климата. С их помощью мониторят стихийные бедствия, следят за таянием ледников и распространением наводнений, за тем, как пересыхают реки, уменьшается площадь лесов, куда ударяют молнии.
Анализировать военные конфликты
Дистанционное зондирование можно использоваться для мониторинга военных конфликтов. Это способ изучить ситуацию в зоне боевых действий без того, чтобы физически там находиться.
Например, расследование, проведенное правозащитной организацией Human Rights Watch с помощью спутниковых данных, показало, что правительство Мьянмы бульдозерами сносит целые деревни, в которых живут представители этнической группы рохинджа. Преследование рохинджа властями Мьянмы продолжается с 2017 года - в ООН эти действия называют геноцидом.
Всего с ноября 2017-го по февраль 2018-го было полностью уничтожено 55 деревень. Эти деревни пустовали - местные жители были вынуждены покинуть дома из-за этнических чисток, устроенных службами безопасности Мьянмы. Около миллиона рохинджа бежали в соседнюю Бангладеш.
С помощью спутниковых данных исследователи, журналисты, международные организации и правозащитники мониторят и другие конфликты - в Украине, секторе Газа, Дарфуре, на Ближнем Востоке.
Как устроены спутниковые данные
Спутники улавливают световые волны, которые отражает или излучает поверхность Земли, и преобразуют информацию о них в цифровое изображение.
Волны могут быть разной длины и частоты - спутники умеют регистрировать в том числе и такие, которые невидимы человеческим глазом. Поэтому одни и те же изображения часто состоят из разных спектральных полос - они используются для разных целей.
Инфракрасные каналы (NIR) используют в сельском хозяйстве, потому что растительность сильно отражает инфракрасный свет. Например, повреждения и болезни на растениях обычно лучше и раньше видны на NIR-изображениях, чем на обычных RGB.
Коротковолновые инфракрасные диапазоны (SWIR) могут проникать сквозь тонкие облака и дымку. Еще на таких снимках хорошо видны участки с высокой температурой, поэтому их используют для обнаружения пожаров.
За пожарами также можно наблюдать с помощью тепловых инфракрасных диапазонов (TIR) - а еще составлять тепловые карты поверхности, на которых, например, видна вулканическая активность или острова тепла вокруг городов. Посмотреть на один и тот же снимок в разных диапазонах и подробнее прочитать про каждый из них можно на сайте NASA.

Еще одна характеристика, на которую важно обращать внимание - разрешение снимка. Проще говоря, какая площадь земной поверхности отражена на одном пикселе. В зависимости от разрешения город, к примеру, может занимать всю площадь снимка, и на нем будут видны улицы и даже отдельные дома, а может быть просто точкой в общем ландшафте.
Разрешение может накладывать некоторые ограничения. Например, два самых популярных источника спутниковых данных для исследования пожаров - MODIS от NASA и EFFIS от космической программы Евросоюза Copernicus. Разрешение снимков MODIS - 500 метров (каждый пиксель соответствует площади 500 на 500 метров), EFFIS - 250 метров. Это значит, что, во-первых, маленькие возгорания не регистрируются, во-вторых, все пожары на финальной карте - с квадратными краями.
Все, кто начинает работать со спутниковыми данными, знают про проблему облаков - они все загораживают. Процент облаков на снимках можно контролировать с помощью заданных параметров в коде или интерфейсе - например, установить "не больше 10%". Но качество данных в Гренландии и Египте будет разным - в первом случае шансы найти снимок нужного места без облаков гораздо ниже.

Где искать снимки
Мы расскажем про самые популярные и относительно удобные в использовании сервисы, где можно найти спутниковые данные в открытом доступе (бесплатно, иногда требуется регистрация). У некоторых из них есть своя специфика - где-то лучше искать снимки в реальном времени, где-то архивные, в некоторых сервисах больше представлены данные одной космической программы. Но в целом они похожи на фотостоки - это коллекции самых разных данных, и искать нужные можно по всем доступным сервисам сразу.
Часто лучше отталкиваться от конкретной задачи: например, искать базы по запросу "glaciers melting remote sensing" ("дистанционное зондирование таяния ледников").
Характеристики снимков некоторых часто используемых спутников можно найти в этой статье. Подробная инструкция по использованию данных европейской космической программы Sentinel есть на ее официальном сайте.
Спутниковый режим Google maps
Google maps не требует никаких навыков, но его нельзя настроить под свои задачи - выбрать тип изображения, расширение, время съемки. Но даже с их помощью можно сделать важные открытия. Например, во Флориде таким образом раскрыли дело 20-летней давности о пропаже человека. Местный житель исследовал свой район на картах и обнаружил снимок машины, утонувшей в пруду.
Google Earth
Другой продукт Google - Google Earth - создан специально для работы со спутниковыми данными. В десктоп-версии можно отследить изменения на конкретной территории - для этого есть бегунок, позволяющий посмотреть спутниковые снимки разных лет.
Если у вас есть минимальные навыки программирования, на сервисе Google Earth Engine можно получить доступ к разным базам данных спутниковых снимков, и не только посмотреть на них, но и обработать и проанализировать информацию. Например, рассчитать площадь сгоревшего леса или измерить средний показатель индекса растительности на поле, чтобы проверить, здоровая ли растительность или посевы засыхают.
Earth Explorer
Сервис от геологической службы США. Здесь можно найти данные американской программы по созданию спутниковых снимков Landsat - это первый и самый продолжительный подобный проект в мире, программа действует с 1972 года. Кроме того, здесь доступны снимки, сделанные спутниками Sentinel-2 и дистанционными зондами MODIS.
Разрешение снимков Landsat - 30 метров, MODIS - 250, 500 и 1000 метров, Sentinel-2 - от 10 до 60 метров.
В Earth Explorer стоит в первую очередь идти за архивными снимками - в сервисе есть данные с 1972 года. Это самая обширная база спутниковых снимков, правда, не самая дружелюбная к начинающим пользователям.
Copernicus
Copernicus Browser - это официальный продукт от Европейского космического агентства, через который можно получить доступ к снимкам европейской космической программы Sentinel. Это самая полная и быстро обновляемая база снимков со спутников Sentinel. Данные доступны с 2014 года.
Разрешение снимков Sentinel-1 - от 5 до 20 метров, Sentinel-2 - от 10 до 60 метров, Sentinel-3 - от 300 до 1000 метров.
Сервисы NASA
В NASA Earthdata Search собраны данные исследовательских программ NASA - можно изучать атмосферу, океан, почвенный покров, растительность, ледяной покров. Доступны снимки как в реальном времени, так и исторические (с 1972 года) со спутников Landsat, Aqua, Terra и Aura (американские научно-исследовательские спутники для исследования суши, воды и атмосферы) и многих других.
NASA Worldview - сервис программы NASA по сбору данных для исследователей наук о Земле. Он специализируется на снимках, сделанных в реальном времени (данные доступны через несколько часов после съемки). Есть подробные данные о природных катаклизмах - наводнениях, пожарах, загрязнении воздуха и других. Доступны снимки со спутников Terra и Aqua, Suomi NPP ( американский метеорологический спутник), NOAA (несколько спутников Объединенной полярной спутниковой системы Национального управления океанических и атмосферных исследований США).
Какие ограничения есть у спутниковых данных
У спутниковых данных множество преимуществ: например, они позволяют получить исторические данные при отсутствии статистики за нужный период или оценить, как живут люди в труднодоступных местах, куда не добираются переписчики. С помощью спутниковых данных можно, не выезжая на место, понять, где здоровые посадки, а где все растения пожухли, обнаружить потоп или, наоборот, пересохшую реку - теперь все это могут сделать алгоритмы машинного обучения.
Но анализ снимков, как и любых данных, - вопрос интерпретации, личной или автоматизированной. Здесь тоже могут возникать ошибки - например, озеро может отсвечивать на солнце и регистрироваться как лесной пожар, или белая крыша дома покажется облаком и не засчитается в итоговом анализе городского поселения.
Кроме того, снимки, как и обычные фотографии, не застрахованы от манипуляций. Например, один и тот же лес на одной и той же фотографии с помощью фильтров можно отобразить как зеленой пышной массой, так и посеревшими обугленными пнями. Можно нарисовать изначально ложное спутниковое изображение - например, пожар в Центральном парке Нью-Йорка или огни в ночь Дивали в Индии - это примеры географических дипфейков, сгенерированных искусственным интеллектом.
В идеале открытия, сделанные с помощью спутников, должны валидироваться полевыми исследованиями или, например, съемками с дронов. Это не всегда возможно - но в любом случае нужно помнить, что при кажущейся объективности этих данных их тоже очень легко интерпретировать неправильно, поэтому при работе нужно делать все возможные проверки.

Елена ПАЛЁНОВА. Если быть точным, 23 мая 2024 года