Спутники как катализаторы глобальной устойчивости

Спутниковые системы перешли от специализированных военных и телекоммуникационных инструментов к необходимой инфраструктуре для мониторинга и управления планетой. Их способность собирать данные на обширных территориях, неоднократно и в режиме реального времени, делает их необходимыми для отслеживания изменений окружающей среды, планирования использования ресурсов и проверки соблюдения политики. 17 Целей устойчивого развития Организации Объединенных Наций (ЦУР), принятые в 2015 году, представляют собой всеобъемлющую основу для решения проблем нищеты, неравенства, изменения климата и деградации окружающей среды. Спутниковые наблюдения обеспечивают объективные, последовательные и масштабируемые данные, необходимые для измерения прогресса в достижении этих целей и для руководства мероприятиями, где они наиболее необходимы.

В этой статье рассматривается, как различные типы спутниковых систем - наблюдение за Землей, навигация и связь - способствуют каждой области ЦУР. В ней рассматриваются конкретные варианты использования, обсуждаются преимущества и проблемы спутниковых данных и рассматриваются новые тенденции, которые будут способствовать дальнейшему усилению роли космических технологий в построении устойчивого будущего.

Понимание спутниковых систем и их возможностей

Спутниковые системы подразделяются на три широкие категории, основанные на функциях: наблюдение Земли (EO), глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) и связь. Все три создают данные или услуги, которые могут применяться для устойчивого развития.

Спутники наблюдения Земли

Спутники EO несут датчики, которые захватывают видимые, инфракрасные, радарные и мультиспектральные изображения. Эти датчики обнаруживают изменения в растительном покрове, здоровье растительности, качестве воды, составе атмосферы и т. Д. Известные созвездия включают в себя серии НАСА Terra и Aqua, серию Sentinel Европейского космического агентства (ESA) и коммерческие флоты, такие как спутники Planet Dove. Данные EO используются для мониторинга обезлесения, роста городов, производительности сельского хозяйства и последствий стихийных бедствий.

Глобальные навигационные спутниковые системы

GNSS, такие как Глобальная система позиционирования США (GPS), российская ГЛОНАСС, европейский Galileo и китайский BeiDou, предоставляют точную информацию о местоположении и времени. Эта возможность поддерживает точное сельское хозяйство, эффективную логистику, управление инфраструктурой и реагирование на чрезвычайные ситуации. Отметки времени от GNSS также имеют решающее значение для синхронизации сетей датчиков окружающей среды.

Спутники связи

Спутники связи передают данные между удаленными наземными станциями и глобальными сетями. Они обеспечивают возможность телеобучения, телемедицины и дистанционного управления в недостаточно обслуживаемых регионах, непосредственно способствуя достижению ЦУР 4 (качественное образование), ЦУР 3 (хорошее здоровье и благополучие) и ЦУР 9 (промышленность, инновации и инфраструктура). В чрезвычайных ситуациях они восстанавливают связь, когда наземные сети повреждены.

Как спутниковые данные способствуют прогрессу в достижении ЦУР

Хотя спутниковые системы затрагивают почти все ЦУР, некоторые цели получают выгоду от хорошо зарекомендовавших себя приложений.

Климатические действия (ЦУР 13)

Спутники являются основным средством мониторинга ключевых климатических переменных: концентрации парниковых газов, повышения уровня моря, баланса массы ледяного покрова и изменения погодных условий. Инициатива ЕКА по изменению климата (CCI) обеспечивает долгосрочные, согласованные записи существенных климатических переменных. Например, спутник Copernicus Sentinel-6 отслеживает повышение уровня моря с миллиметровой точностью, помогая прибрежным странам планировать меры по адаптации. Без космических наблюдений было бы невозможно проверить климатические модели или оценить эффективность обязательств по сокращению выбросов, принятых в соответствии с Парижским соглашением.

Жизнь на земле (ЦУР 15)

Наблюдение Земли позволяет систематически составлять карты лесного покрова, деградации земель и горячих точек биоразнообразия. Платформа Global Forest Watch, основанная на данных Landsat и Sentinel, предупреждает власти о незаконной вырубке леса в режиме реального времени. Спутниковые данные также поддерживают Конвенцию ООН по борьбе с опустыниванием путем отслеживания тенденций продуктивности земель в засушливых районах. Для биоразнообразия лидарные и радарные датчики помогают оценивать структуру биомассы и среды обитания, информируя приоритеты сохранения.

Чистая вода и санитария (ЦУР 6)

Спутниковые снимки могут оценивать площадь поверхностных вод, обнаруживать цветение водорослей и контролировать осаждение в водохранилищах. Показатель ООН по водным ресурсам 6.6.1, который измеряет изменение протяженности связанных с водой экосистем, в значительной степени зависит от данных EO. Например, Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии использует данные Sentinel-2 для картирования сезонных водоемов по всей Африке. В области санитарии спутниковые данные помогают в планировании размещения уборных путем определения плотности населения и зон, подверженных наводнениям.

Нулевой голод (ЦУР 2) и устойчивое сельское хозяйство

Точные сельскохозяйственные приложения используют временные ряды NDVI (нормализованный индекс разностной растительности) от спутников, таких как MODIS и Sentinel-2, для мониторинга здоровья сельскохозяйственных культур и прогнозирования урожайности. Система индекса сельскохозяйственного стресса ФАО (ASIS) использует эти данные для раннего предупреждения о сельскохозяйственной засухе. Фермеры, особенно в условиях мелких фермеров, могут получать SMS-оповещения с учетом рекомендаций по орошению и удобрениям, полученных из спутниковых показаний. Это уменьшает отходы и повышает продовольственную безопасность без расширения сельскохозяйственных земель.

Другие ключевые ЦУР

  • ЦУР 3 (Хорошее здоровье): Спутниковые данные отслеживают загрязнение воздуха (с использованием аэрозольной оптической глубины от MODIS), отслеживают переносчики болезней путем картирования подходящей среды обитания комаров и поддерживают телемедицину через спутники связи.
  • ЦУР 7 (Доступная и чистая энергия): Картирование ресурсов солнца и ветра основывается на данных о сиянии спутников и скорости поверхностного ветра для выбора площадки и интеграции сетки.
  • ЦУР 11 (Устойчивые города): Эффект городских тепловых островов, изменения в землепользовании и неформальный рост поселений контролируются с помощью данных EO.
  • ЦУР 14 (Жизнь под водой): Датчики цвета океана обнаруживают цветение фитопланктона, температура поверхности моря поддерживает управление рыболовством, а высотомеры измеряют уровень моря для отслеживания воздействия климата на морские экосистемы.

Преимущества и ограничения спутниковых систем для устойчивого развития

Преимущества

  • Спутники могут наблюдать любое место на Земле каждые несколько дней, включая отдаленные, затронутые конфликтом или политически чувствительные районы, где наземные исследования невозможны.
  • Стандартизированные данные: Протоколы калибровки и обработки датчиков гарантируют надежное сравнение данных с разных дат и регионов — необходимое условие для отслеживания тенденций ЦУР с течением времени.
  • Экономическая эффективность: После того, как спутник находится на орбите, предельные затраты на получение дополнительных изображений являются низкими по сравнению с развертыванием полевых групп. Политика открытых данных (например, Landsat, Sentinel) резко сократила барьеры доступа для развивающихся стран.
  • Многовековой анализ: Исторические архивы (Landsat восходит к 1972 году) позволяют ретроспективно изучать изменения в землепользовании, что позволяет проводить корректировки политики на основе фактических данных.

Вызовы

  • Высокие затраты на ввод:] Строительство и запуск спутников остается дорогостоящим, хотя малые спутники и запуски с использованием системы «риджшер» снижают порог. Многие развивающиеся страны по-прежнему полагаются на внешние данные и инфраструктуру.
  • Возможности обработки данных: Сырье спутниковых данных требует сложной обработки и интерпретации. Во многих странах отсутствуют квалифицированные аналитики и программные платформы, необходимые для преобразования пикселей в практические знания.
  • Погодные и облачные покрытия: Оптические датчики не могут видеть сквозь облака, ограничивая наблюдения в тропических регионах.Радар с синтетической апертурой (SAR) может проникать в облака, но данные SAR менее широко используются и требуют различного опыта.
  • Конфиденциальность и безопасность данных: Изображения высокого разрешения вызывают обеспокоенность по поводу наблюдения и неправильного использования. Баланс между прозрачностью и защитой конфиденциальности является постоянной проблемой, особенно для приложений в городских районах.
  • Устойчивость космической инфраструктуры: Космический мусор и углеродный след от запуска ракет — это экологические издержки, которые должны быть сопоставлены с выгодами спутниковых услуг.

Будущее спутниковых систем в достижении ЦУР

Достижения в области технологий, доступности данных и международного сотрудничества будут способствовать усилению воздействия спутников на устойчивое развитие.

Технологические инновации

Созвездия малых спутников (CubeSats и nanosats) увеличивают частоту повторного посещения до ежечасного или ежедневного, позволяя в режиме реального времени отслеживать динамические события, такие как обезлесение или наводнение. Бортовой искусственный интеллект теперь может обрабатывать данные непосредственно на орбите, снижая требования к пропускной способности нисходящей линии связи и ускоряя реагирование на бедствия. Гиперспектральные датчики и улучшенные алгоритмы коррекции атмосферы предоставят более подробную информацию о качестве воды, типах почвы и питательных веществах для сельскохозяйственных культур.

Международное сотрудничество и обмен данными

Инициативы по открытым данным, такие как Группа по наблюдению за Землей (GEO) и Программа ООН по глобальным космическим технологиям (UN-SPIDER), способствуют обмену данными и наращиванию потенциала. Обсерватория Земли НАСА и Программа ЕКА «Коперник» делают изображения свободно доступными, поддерживая исследования и оперативные приложения во всем мире. Двусторонние соглашения между космическими агентствами и развивающимися странами обеспечивают обучение и инфраструктуру, чтобы никто не остался позади в революции космических данных.

Интеграция с наземными данными и ИИ

Наиболее точные показатели ЦУР получены в результате объединения спутниковых наблюдений с данными о наземной истине (опросы, метеорологические станции, полевые образцы). Модели машинного обучения становятся искусными в слиянии этих разрозненных источников данных для создания карт бедности с высоким разрешением, урожайности и качества воздуха. По мере того, как облачные вычисления и инструменты с открытым исходным кодом (например, Google Earth Engine) становятся более доступными, барьер для входа для исследователей и политиков в условиях с низким уровнем дохода продолжает падать.

Заключение

Спутниковые системы превратились из нишевого потенциала в основополагающий элемент инструментария устойчивого развития. Они обеспечивают синоптические, частые и последовательные наблюдения, необходимые для мониторинга каждой ЦУР — от действий по борьбе с изменением климата до нулевого голода, чистой воды и жизни на суше. В то время как проблемы стоимости, потенциала и интерпретации данных остаются, быстрые темпы технологического прогресса и растущая культура открытых данных делают космическую информацию более доступной, чем когда-либо прежде. Продолжая инвестировать в спутниковую инфраструктуру, создавая местный аналитический потенциал и способствуя развитию международных партнерских отношений, глобальное сообщество может использовать весь потенциал космических ресурсов для ускорения прогресса в направлении Повестки дня на период до 2030 года и построения действительно устойчивого мира.