Космическая перспектива: как и зачем исследуют Землю с высоты

Раньше водителям приходилось учить карты городов наизусть, а сегодня любой мегаполис со всеми своими проспектами и переулками «упакован» в нашем телефоне — в навигаторе. Это все благодаря тысячам спутников, которые «следят» из космоса за нашей планетой. С их помощью мы можем изучать карты любой местности, смотреть сквозь облака, расследовать преступления и даже получать уникальные произведения искусства! Как же выглядит наша планета из космоса и причем тут нейросети? Как «ловили» фотопленку, которую сбрасывали первые космические аппараты из космоса? И почему деревья на спутниковых снимках до сих пор красные? Ответы на эти и другие вопросы в нашем материале.

Фотографии нашей планеты из космоса начали делать еще в 1946 году. Во второй половине сороковых годов удалось сделать более тысячи таких кадров с высоты более 160 км — с борта ракет и других летательных аппаратов. А вот первым спутником, который заснял нашу планету, стал Explorer 6 — он сделал исторический кадр в 1959 году.

Чуть позже, в 1961 году советский космонавт Герман Титов на борту аппарата Восток-2 провел первую ручную космическую киносъемку — космонавты любили снимать нашу планету с орбиты. Некоторые из их работ даже попадали в газеты и журналы. Журналисты оставляли под ними подписи: «Как Земля будет выглядеть для посетителей с другой планеты, прибывающих на космическом корабле».

Но, если ручная съемка распространялась в изданиях, спутниковые снимки часто лишь пылились в архивах — их обычно использовали военные, а сами аппараты были в основном «разведчиками». Из-за этого первые системы открытого мониторинга вышли на орбиту лишь спустя несколько лет — в 1970-е годы.

Идея вселенского масштаба

Идея мониторить нашу планету с неба — проводить дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) появилась давно. Эта технология начала зарождаться еще до освоения космоса. Прародительницей ее была авиафотосъемка — с воздушных шаров, аэропланов и самолетов. Тогда с их помощью составляли карты местности. Но, безусловно, космические технологии оказались в разы эффективнее — поэтому они быстро вытеснили своих предшественников.

«Как правило, спутниковая съемка ведется выше ста километров над земной поверхностью. Все, что ниже — это аэрофотосъемка. Такой вид наблюдений сейчас по-прежнему используется, если нужно, например, оперативно организовать наблюдения в конкретном регионе, к тому же он дает более детальные снимки. Однако в труднодоступные районы такие устройства отправить сложнее, да и спутники сейчас пытаются конкурировать с ними по качеству снимков и высокой детализации», — рассказывает главный конструктор российской космической компании-разработчика суборбитальных и орбитальных ракет-носителей, малых космических аппаратов и спутниковых группировок SR Space Петр Кудряшов.

Ожидаются осадки… в виде фотопленок

Первые спутники делали из алюминиево-магниевого сплава, затем инженеры перешли на конструкции из титана — более легкого материала. Но и это не предел. Современные летательные аппараты делают также из углепластика — он весит примерно на 30% меньше, чем его алюминиевые аналоги.

«Раньше это были громоздкие и многотонные аппараты. Для их систем и электроники нужно было больше места, а сама технология была не такая совершенная. С развитием микроэлектроники ситуация изменилась. Сейчас у нас есть, в том числе и миниатюрные аппараты — кубсаты — у которых такое же разрешение, как и у больших спутников. Допустим, с кубсата, который весит 20 килограмм и по габаритам составляет 20 на 20 на 50 сантиметров, можно получить снимок с высоты пятьсот километров, с разрешением полтора метра на пиксель», — объясняет эксперт.

Следуя трендам, более компактными становятся и фотоспутники. Однако их технологическая «начинка» только совершенствуется — новая оптика, пусть и весит меньше, позволяет делать намного более качественные снимки. Так, разрешение объектива такого космического аппарата в среднем — около полуметра. То есть каждый пиксель на спутниковой фотографии — это квадрат на поверхности Земли с гранью 50 сантиметров.

В начале своей истории спутники, безусловно, не могли передавать такие точные фотоданные. Более того — они делали не цифровые снимки, а фотографии на пленку. И их разрешение было минимально — оно позволяло составить только карту ландшафта. Сегодня на высокоточных снимках мы можем различить разметку на дороге, машины, людей. И современный снимок ценен только тогда, когда мы каждый его пиксель можем показать на карте.

До появления цифровой фотографии съемки велись на фотопленку и сбрасывались в специальной капсуле. Это был один из быстрых способов получить данные. Капсулы из прошлого были оборудованы специальным радиомаяком, который позволял обнаружить их после «приземления». Пленку проявляли в лабораториях — тогда эти фотоснимки печатались даже в специальных журналах.

Были и особые фоторегистраторы на поверхности Земли — это магнитные ленты длинной около полукилометра. На них записывались снимки — по зашифрованной информации, которую пересылали спутники. Однако это была недолговечная установка — со временем материал высыхал, начинал сыпаться и трескаться, из-за чего ухудшалось качество снимков. Цифровые технологии полностью устранили эту проблему.

«Сейчас системы продолжают совершенствоваться, скорость передачи данных постоянно растет. Если раньше снимок могли ждать по 30-40 часов, то сейчас это вопрос нескольких минут», — говорит специалист.

Красные деревья и взгляд сквозь облака

Современные спутники делают свои фотографии в разных спектрах — например, видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном. Все зависит от аппарата и его задач. Но сегодня большинство из них умеют делать снимки сразу в нескольких спектрах. Кроме того, спутники не только делают снимки — они также проводят спектрометрические и координатные измерения.

Спектральная съемка позволяет делать снимки поверхности планеты в любую погоду — например, «смотреть» сквозь облака. В видимом спектре мы будем непременно наблюдать облачность, а вот волны других спектров просто «пройдут» сквозь тучи.

«Данные со спутников принимает центр управления космическими аппаратами. Есть специальный наземный комплекс приема, обработки и распространения снимков. В зависимости от задачи, аппарат может вести съемку на постоянной основе по заданной циклограмме. Если нужно оперативно получить какую-то определенную информацию по региону, делают следующим образом: когда спутник проходит через зону видимости радиосвязи с центром управления полетами, он получает задание. Затем выполняет его, делает снимки и передает их в том районе, где находятся приемные станции. Время на всю эту логистику зависит от каждой конкретной ситуации», — поясняет Петр Кудряшов.

При этом все фотографии обязательно обрабатываются — с полученной со спутников информацией обязательно работают специалисты. И цветные снимки — на тех же онлайн-картах — получаются при совмещении нескольких каналов. Например, спутник фиксирует волны красного, зеленого и синего цветов. И только при их смешивании получаются знакомые нашему глазу изображения. Если вместо одного из них берется иной канал — например, набор данных с длинами волн, которые находятся вне видимого диапазона, за ним все равно закрепляется определенный цвет из трех базовых. Тогда получаются изображения в ложной цветопередаче. Но именно такие снимки позволяют выявить уникальные особенности Земли или атмосферы — и все они могут быть просто не видны в привычном для нас цветовом решении.

Высокое искусство

Спутниковые снимки применяются во всех сферах — от сельского хозяйства и геологии до строительства. Причем их делают как спутники из государственных космических группировок, так и частые системы. К последним могут получить доступ практически все желающие. Пользователям предлагают разные услуги — например, они могут получить фотоснимки своего участка земли — той же фермы, — чтобы следить за ней.

Также кадры из космоса помогают следователям — при необходимости можно заказать судебную экспертизу по снимкам со спутников. Например, с их помощью можно отследить процесс возникновения незаконной свалки, строительства дома, незаконную добычу ресурсов и многие другие нарушения.

Интересно, что даже художники используют кадры из космоса в своих работах. Так, немецкий фотограф и дизайнер Том Хеген в своих фотосериях исследует влияние человека на нашу планету. Он показывает, как добыча полезных ископаемых и глобальное потепление меняют земные ландшафты. Для своих экспозиций использует фотографии из космоса и Катрин Гансер.

Американский фотограф Дэниэл Лейвик делает коллажи из множества спутниковых снимков — это его авторская интерпретация, которая также рассказывает про нашу планету.

А вот автор Клемент Валла собирает коллекцию спутниковых снимков дорог, которые деформировались из-за ошибок программного обеспечения. Он напоминает, что все технологии не могут отразить реальность достаточно достоверно — они создают лишь виртуальный иллюзорный мир, пусть иногда и максимально приближенный к знакомой нам действительности.

Спутники и нейросети

Если когда-то спутники использовали только в разведывательных целях, сегодня эти данные покупают и используют компании практически в любой сфере. Причем люди постоянно находят им новое применение — появляются новые запросы у общества, новые профессии, которым необходима эта информация. Постоянно совершенствуется и сама технология создание и расшифровки снимков из космоса — их начинает обрабатывать ИИ.

«Высших учебных заведений, обучающих специалистов по спутниковым коммуникациям, много. Среди них: Московский государственный университет геодезии и картографии, Казанский федеральный университет. Можно получить дополнительное образование в Университете „Сириус“, Московском авиационном институте, Московском энергетическом институте, Дальневосточном федеральном университете. Все эти направления связаны с дистанционным зондированием и картографией», — поделился ученый. 

Другими словами, с помощью спутников мы можем постоянно следить за нашей планетой — и вовремя решать те или иные прикладные задачи. Так или иначе всем иногда нужен «взгляд со стороны» — и Земля не исключение.

Анна Шиховец

Полина Казакова