В XXI веке астрономия и космонавтика, базируясь на научно-технологических достижениях XX века, перешла к решению чрезвычайно актуальных задач и программ:
1) создание глобальных и глубоких цифровых обзоров (каталогов) на миллионы и миллиарды небесных объектов (объемом до сотен терабайт, а в перспективе – до петабайт);
2) создание архивов и баз данных на сотни тысяч и миллионы малых тел Солнечной системы, что позволит определить их орбиты и физические параметры (массу, структуру и пр.) и выявить их неустойчивость путем моделирования. Также будет возможно вести поиск и отождествление новых астероидов по программе кометно-астероидной опасности;
3) контроль движения десятков тысяч космических аппаратов и сотен тысяч, миллионов их фрагментов, их маневрирования на орбитах, составление баз данных космического мусора техногенного происхождения;
4) дальнейшее развитие космических технологий и исследований;
5) системный анализ проблем освоения Луны и Марса.
В решении всех перечисленных задач главным образом используются достижения ИКТ, которые активно развиваются последние 30-40 лет и продолжают совершенствоваться с каждым днем.
С выходом человека в космос появилась возможность наблюдения и проведения измерений на земной поверхности с точек вне поверхности Земли. Такие точки удалены от поверхности на несколько земных радиусов. Измерения из космического пространства значительно информативнее наземных или воздушных. Так, для получения части территории поверхности Земли требовалось до сотни аэрофотоснимков. В то же время один космический снимок может дать 1изображение всей земной полусферы. Периодически возникает необходимость систематизации и обобщения накопленного опыта, что способствует дальнейшему развитию науки и решению прикладных задач. В настоящее время накоплен значительный опыт применения информационных технологий в космических исследованиях, что делает актуальным анализ этого направления.
В первую очередь информационные технологии являются инструментом для проведения исследований. Они выполняют функции по сбору данных, например, геоинформационные технологии.
Современные технологии являются инструментом формирования фундаментальных навыков. Особенностью космических исследований является получение новых знаний, среди которых пространственные занимают особое место. Особенность космических исследований также состоит в многоканальности и получении информации в разных диапазонах. Это привело к диверсификации космических исследований – каждая технология обслуживает свой канал получения информации.
Появление геоинформатики привело к процессу интеграции разных технологий и данных в единую систему. Такой подход позволил успешно решать глобальные комплексные задачи, которые отдельными технологиями не решить.
Общим для информационных технологий при исследовании Земли являются экологические и природно-ресурсные цели. Решение проблем охраны окружающей среды, рационального природопользования, а также контроля чрезвычайных ситуаций, вызванных природными катастрофами, техногенными авариями, региональными и локальными военными конфликтами, становится одной из наиболее актуальных задач для человечества в целом. Для решения этих проблем применяют космический мониторинг или дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) с помощью спутников, что является ярким доказательством синтеза космических и информационных технологий. Приведем пример комплекса ДЗЗ, который планируется создать в Узбекистане. Отечественная система позволит:
- проводить систематически инвентаризацию сельскохозяйственных угодий и водных ресурсов;
- обеспечивать рациональное использование земель и запасов природных ресурсов;
- обеспечивать высокую корректность кадастровых работ и эффективность распределения земельных участков;
- содействовать организации точного (цифрового) землепользования;
- прогнозировать урожайность по всем видам сельскохозяйственных культур по всей территории страны;
- контролировать состояние ирригационных каналов и статус проведения мелиоративных работ;
- внедрить более дешевые способы геологического изучения территорий;
- сократить в 2-3 раза сроки составления новых и обновления устаревших общих и тематических карт;
- создавать высокоточные географические информационные системы (ГИС), привязанные к отраслям экономики;
- оперативно выявлять и делать прогноз развития катастрофических явлений природного или техногенного характера;
- контролировать зоны повышенного экологического риска;
- проводить мониторинг объектов городского и дорожного строительства;
- выявлять посадки растений, запрещенных для разведения;
- контролировать состояние водохранилищ, нефте- и газохранилищ, газопроводов, специальных объектов;
- исследовать процессы опустынивания и эрозии почв;
- проводить поиск подземных источников воды в проблемных районах республики;
- систематически проводить мониторинг зоны Приаралья;
- определять районы для поиска нефти, газа и других полезных ископаемых, в том числе на плато Устюрт;
- проводить сканирование определенных территорий по поручению силовых органов;
- обеспечивать оперативное предоставление информации по дистанционному зондированию Земли потребителям.
Одними из важнейших направлений космического мониторинга являются задачи прогнозирования природных катастроф. При анализе возникновения конкретных происшествий процессы взаимодействия природы и общества рассматриваются как интерактивные природно-антропогенные механизмы, управление которыми является одним из путей преодоления возможных кризисных ситуаций в окружающей среде. Для решения этих задач предлагается трехуровневая процедура принятия решений при появлении признаков природной катастрофы, основанная на расчете соответствующих индикаторов и математической модели процессов, происходящих в окружающей среде. Особое внимание здесь уделено синтезу систем мониторинга окружающей среды, обеспечивающих сбор, хранение и обработку необходимой информации, формируемой космическими, воздушными и наземными (водными) источниками.
Основной смысл предлагаемого подхода состоит в совместном использовании методов математического моделирования и аэро-космического мониторинга при интеграции в созданную систему знаний из различных наук, так или иначе определяющих функционирование системы природа – общество. В целом это направление продолжает развитие подходов к изучению динамики глобальной системы природа – общество, обращая особое внимание на задачи оценки, обнаружения, предотвращения и прогнозирования природных катастроф как естественного происхождения, так и вызванных антропогенными процессами.
В рамках этого направления были диверсифицированы методы прогноза землетрясений. Так, был предложен метод прогноза землетрясений на основе анализа космических изображений сейсмоопасных территорий. Отдельно развивается направление мониторинга наземных пожаров. С ростом населения они становятся все более опасным явлением, а борьба с ними становится проблемой для многих государств.
Развитие информационного моделирования в космических исследованиях привело к появлению нового вида информационных моделей – пространственных информационных моделей (ПИМ). Информационные пространственные модели обладают спецификой, существенно отличающей их от прочих информационных моделей, и обладают очень большой информативностью.
Уровень развития информационно-телекоммуникационных систем и сетевых информационных технологий, базирующихся в том числе на космических комплексах связи, является важнейшей характеристикой информационного потенциала той или иной страны. Именно эта характеристика сегодня определяет не только реальные возможности эффективного использования внутренних информационных ресурсов страны, но также степень ее вхождения в мировое информационное пространство. Тенденции развития как средств обработки и распределения информации, так и самих информационных систем характеризуются следующим образом. С одной стороны развитие телекоммуникационных сетей требует применения цифровых каналов и систем передачи данных, средств вычислительной техники для обработки информации в процессе ее передачи, а с другой – развитие средств обработки информации и вычислительной техники требует все большего применения средств связи для организации обмена информацией для решения прикладных задач. Как результат – процессы интеграции и конвергенции телекоммуникационных сетей и средств информатизации способствовали появлению инфокоммуникационных сетей.
Применение информационных технологий в исследовании Земли из космоса приводит к взаимному обогащению обоих научных направлений. Специфика задач космических исследований способствует развитию дифференцированных информационных технологий. Технологии с высокой степенью формализации информации способствуют систематизации и унификации сбора и хранения космической информации.
Таким образом, космические и информационные технологии являются неотъемлемым фактором развития социально-экономической сферы, науки, здравоохранения, образования, обороны, а также углубления знаний о Земле, планетах и Вселенной.