Агро-Ориентированное Созвездие Спутников EOS SAT: Обзор

За прошедшие 65 лет с момента запуска первого искусственного спутника для наблюдения за Землей спутниковое дистанционное зондирование значительно продвинулось вперед. Повсеместный доступ к Интернету, рост вычислительной мощности компьютеров, а также возможностей хранения данных и скорости их обработки повлияли на возможности спутников по получению, обработке и передаче изображений. Ежедневно спутники осуществляют мониторинг миллионов квадратных километров поверхности планеты и генерируют десятки терабайт данных для исследовательских и коммерческих нужд клиентов из различных отраслей: горнодобывающей, лесной, военной, метеорологической, сельскохозяйственной и др.

Глобальный поставщик аналитики спутниковых изображений на основе искусственного интеллекта EOS Data Analytics планирует войти в индустрию производства спутников, запустив EOS SAT – спутниковое созвездие, ориентированное на сельское хозяйство.

Спутниковая Группировка EOS SAT Для Сельского Хозяйства: В Чем Ее Особенность?

Группировка будет состоять из семи небольших спутников (весом 178 кг), которые 50% времени будут пролетать над освещенной солнцем территорией Земли. Обращаясь по низкой солнечно-синхронной орбите с постоянным освещением, спутники смогут производить высококачественную съемку.

Современные технологии позволяют оснастить даже легкий спутник всем необходимым оборудованием для получения данных высокого разрешения. Возможности покрытия малых спутниковых группировок увеличиваются с ростом числа спутников. По нашим расчетам, семь спутников – идеальное количество для достижения наших целей.

Андрей Музыченко

Менеджер проекта EOS SAT в EOS Data Analytics

Первый спутник (EOS SAT-1), запуск которого запланирован на 2023 год, имеет два электрооптических датчика DragonEye, установленных на спутниковой шине Dragonfly класса 100 кг.

Развертывание остальных шести спутников запланировано на 2023-2025 годы; к 2025 году созвездие EOS SAT заработает в полную силу. В последующие годы производственная группа будет обновлять аппаратное обеспечение спутников. Например, они планируют улучшить скорость передачи данных в X-диапазоне, чтобы увеличить объем данных, передаваемых на наземные станции.

Основное назначение созвездия обуславливает выбор технических характеристик. EOS SAT предназначен для съемки сельскохозяйственных земель и лесных массивов, анализа полученных изображений для отслеживания роста и развития растений и состояния почвы, а также соотнесения этой информации с метеорологическими данными и данными об управлении посевами/лесами.

Рассмотрим основные характеристики и особенности спутникового созвездия.

Спектральные каналы. Спутниковые камеры оснащены датчиками, которые регистрируют отраженное солнечное излучение в определенных областях (диапазонах) электромагнитного спектра, каждая из которых соответствует спектральному каналу. Спутники EOS SAT будут передавать изображения поверхности Земли в следующих спектральных каналах, применяющихся в сельском хозяйстве:

• RGB
• 2 канала NIR
• 3 канала RedEdge
• WaterVapor
• Aerosol
• Pan
• SWIR

EOS SAT-1 будет производить снимки в 11 спектральных каналах, исключая SWIR. Остальные шесть спутников будут охватывать 13 каналов. Таким образом, начиная с EOS SAT-2, каждый аппарат будет иметь два дополнительных канала в SWIR-диапазоне (Cirrus 1.360-1.390 и 1.565-1.655).

Выбор спектральных каналов предопределен свойствами света, проходящего через нашу атмосферу. Эти 13 каналов чувствительны к длинам электромагнитных волн, благодаря чему достигается минимальное искажение и ослабление световых волн, отраженных от поверхности Земли. Таким образом, пользователи могут получать снимки, которые максимально точно изображают интересующие их объекты.

Спектральные каналы позволяют получить конкретную информацию об изучаемом объекте, поэтому каждый из них имеет свои области применения. Например, NIR (ближний инфракрасный) канал используется для определения уровня хлорофилла: чем здоровее растение, тем больше в нем хлорофилла, который отражает больше длин NIR-волн. Кроме того, NIR эффективен для наблюдения за растениями и выделения контуров водоемов среди окружающих объектов, а также может применяться для определения содержания почвенной влаги.

Изображения, полученные в диапазоне SWIR (коротковолнового инфракрасного излучения), обладают сильным контрастом. Поэтому данный канал можно применять для отделения сельскохозяйственной продукции высшего сорта от продукции низшего сорта и оценки созревания плодов и урожая.

Вода интенсивно поглощает свет в этом диапазоне волн, поэтому на изображениях объектов, освещенных с помощью SWIR-камер, она выглядит почти черной. Таким образом, если применить соответствующий фильтр или источник света, можно определить содержание влаги в поврежденных плодах, насыпях зерна или хорошо орошаемых культурах. С другой стороны, SWIR подчеркивает испарение и чрезмерную сухость фотографируемых объектов, благодаря чему можно прогнозировать водный стресс у выращиваемых культур, осуществлять точный полив и определять засоленность почвы, вызванную недостатком воды, высокой интенсивностью испарения и плохим дренажем. Следовательно, используя SWIR-съемку, фермеры могут своевременно решать проблемы, чтобы избежать дальнейшего повреждения и потери урожая, оценивать урожайность, проверять качество сельскохозяйственной продукции и определять степень ее созревания.

Как правило, спутники предоставляют панхроматические и мультиспектральные снимки. Панхроматическое изображение использует один канал, по сути являясь комбинацией трех видимых каналов – красного, зеленого и синего. Такое изображение выглядит серым полутоновым и не содержит никакой информации о длине волны. На мультиспектральном снимке изображена та же область, но он состоит из нескольких слоев, полученных в определенном диапазоне длин волн.

Цикл повторного пролета. Спутники будут производить съемку одних и тех же сельскохозяйственных угодий и лесных массивов каждые пять-шесть дней. Однако по желанию заказчика интервал между съемками может быть сокращен до одного дня (задание на уровне поля). Индивидуальные запросы для больших территорий (на уровне страны) могут занимать до четырех дней в зависимости от местоположения области интереса, длины орбиты спутника над ней и ее размером. Задачи по выявлению аномалий могут быть выполнены в течение одного дня.

Покрытие. Ежедневно EOS SAT-1 будет осуществлять мониторинг около 0,8-1 миллиона квадратных километров поверхности Земли, а каждый из оставшихся шести спутников будет охватывать территорию площадью около 1,3-1,4 миллиона квадратных километров. После выхода на орбиту семь спутников будут ежедневно производить съемку 8,6-9,4 миллиона квадратных километров. Мы предусмотрели дополнительный потенциал, позволяющий достичь отметки в 12 миллионов квадратных километров за счет увеличения средней частоты передачи данных со спутника.

Планируется, что к 2025 году группировка из семи спутников будет охватывать 100% территорий стран с самыми крупными площадями сельскохозяйственных угодий и лесов, что составляет 98,5% таких земель во всем мире.

Кроме того, созвездие спутников EOS SAT будет производить съемку 100% сельскохозяйственных угодий в 20 странах с наибольшим потенциалом в аграрном секторе, то есть в тех странах, которые лидируют по общей площади сельскохозяйственных и лесных земель. При оценке специалисты EOSDA опирались на данные исследований из открытых источников и классификацию мировых сельскохозяйственных земель, основанную на анализе данных MODIS.

Цикл работы с данными. Цикл работы с данными, т.е. последовательность этапов работы с ними, составит от 16 до 24 часов с возможностью сокращения до 3 часов в рамках приоритетной постановки задач. Эти этапы включают формирование изображения спутником, получение данных четырьмя наземными станциями по всей планете, хранение, подготовку и обработку данных (с использованием методов машинного обучения для анализа), а также предоставление информации конечным пользователям.

Панхроматическое изображение можно объединить (методом слияния) с мультиспектральным снимком, имеющим более низкое разрешение, для увеличения пространственного разрешения спутниковых снимков и выделения особенностей поверхности.

Разрешение панхроматических и мультиспектральных снимков составляет 1,4 и 2,8 м соответственно.

Эксклюзивные Спутниковые Данные Для Развития Устойчивого Сельского Хозяйства

Несмотря на то, что конкуренты также могут предоставлять ежедневное покрытие, аналогичное нашему, наличие собственных источников данных дает свои преимущества.

Другие компании зачастую сотрудничают с поставщиками спутниковых снимков, которые не всегда предоставляют данные, снятые в спектральных диапазонах, необходимых для расчета вегетационных индексов. В отличие от них, EOSDA самостоятельно осуществляет полный цикл сбора и обработки данных. Мы устанавливаем требования к снимкам, их временному разрешению и обработке и поэтому гарантированно получаем высококачественные данные с одинаковыми параметрами на регулярной основе. Это также означает, что необходимые снимки для интересующей области будут включены в список задач и обработаны с учетом индексов, указанных клиентом.

Андрей Музыченко

Менеджер проекта EOS SAT в EOS Data Analytics

Частые повторные пролеты спутника обеспечат постоянный поток актуальных данных для решения задач в области сельского хозяйства, гарантируя еще более точную аналитику для принятия решений конечными пользователями: производителями продуктов питания, поставщиками средств производства, страховщиками или банками.

Достижение практически полного покрытия сельскохозяйственных земель по всему миру в 2025 году приблизит компанию EOSDA к выполнению своей миссии: предоставлению высококачественных снимков и аналитики спутникового мониторинга для поддержки устойчивого сельского хозяйства. В конечном счете, производство более здоровой пищи при сокращении потребления ресурсов и минимизации вреда окружающей среде выгодно сельскохозяйственным предприятиям, потребителям и всей планете.