NASA обновляет принципы разработки и реализации миссий по исследованию Земли, чтобы гарантировать, что их данные и научные достижения быстрее и эффективнее доходили до пользователей и лиц, принимающих решения.

Более 60 лет миссии NASA по изучению Земли расширяли понимание земных систем и помогали отслеживать и управлять воздействиями на окружающую среду и изменением климата, такими как засухи, вырубка лесов и наводнения из-за экстремальных осадков.

В то время эти миссии, как правило, разрабатывались в первую очередь для удовлетворения потребностей в данных исследователей, работающих над ответами на насущные научные вопросы. Творческие приложения и использование этих данных, например, направленные на предоставление практических решений или улучшение принятия решений для общественных нужд, часто рассматривались только на более поздних этапах процесса разработки и развёртывания.

Но растущая срочность современных экологических проблем требует более оперативного внимания к применению идей из миссий по наблюдению за Землёй на благо человечества. Таким образом, NASA меняет свой подход, чтобы с самого начала отдавать приоритет практическому применению своих данных при проектировании, выборе и поддержке новых миссий. В рамках этой стратегии агентство также теперь намеренно создаёт программы и инструменты с учётом потребностей конечных пользователей и повышает общественные преимущества существующих миссий и мероприятий.

Два примера, демонстрирующие обновлённый подход NASA, — это миссия Surface Biology and Geology (SBG), которая находится в разработке и должна быть запущена в 2027 или 2028 году, а также текущая миссия Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite–2 (ICESat-2).

 Оценка приложений при проектировании миссий

В 2017 году в Десятилетнем обзоре по наукам о Земле и приложениям из космоса был сформулирован консенсус исследовательского сообщества о том, что для планировщиков миссий критически важно учитывать последующие приложения данных миссии, при этом продолжая решать самые насущные научные вопросы. В частности, обзор бросил вызов сообществу учёных-землеведов «преследовать всё более амбициозные цели и инновационные решения, которые повышают и ускоряют научную/прикладную ценность космических наблюдений Земли». Для решения этой задачи требуется трансформировать то, как реализуются текущие миссии, а также то, как разрабатываются новые, чтобы отразить акцент на приложениях данных как на мере ценности данных.

В ответ на это NASA разработала свою новую стратегию «От науки о Земле к стратегии действий», публично представленную ​​на открытой сессии Комитета национальных академий по наукам о Земле и приложениям из космоса 20 марта. Этот стратегический план на 2024–2034 гг. использует уникальное положение NASA как космического и научного агентства с сквозными возможностями, от разработки и запуска инновационных технологий до расширения научных знаний и создания инструментов и моделей, позволяющих лицам, принимающим решения, решать реальные проблемы.

Ранней инициативой в этом новом направлении является исследование NASA SBG, бывшее первым из нескольких десятилетних научных исследований и прикладных целей, которые должны были быть разработаны. Десятилетнее исследование наметило приоритеты для будущей спутниковой миссии SBG, включая наблюдение за наземной растительностью, водными экосистемами, снегом и льдом, активными изменениями на поверхности Земли и изменениями в землепользовании, а также установление приоритетов для управления сельским хозяйством, естественной средой обитания, водопользованием и качеством и городским развитием.

План SBG интегрировал эти потребности в наблюдении в исследование потенциальных архитектур, которое оценивало, какие типы датчиков и измерительных возможностей необходимы для получения желаемых наблюдений. Ли и др. (Lee et al.) [2022] описали, как NASA привлекла заинтересованные стороны в прикладном сообществе, включая тех, кто управляет сельским хозяйством, прибрежными и внутренними водными экосистемами и снежно-ледяными экосистемами, в это архитектурное исследование. Это взаимодействие внесло вклад в инженерное проектирование миссии, помогло сфокусировать обсуждения с международными партнёрами и усилило преимущества чёткого определения продуктов данных миссии на раннем этапе как для приложений, так и для пользователей научных данных.

Последующее исследование потребностей и оценки пользователей SBG также привлекло вклад широкого круга заинтересованных сторон, включая сообщество реагирования на пожары, тех, кто управляет воздействием городской жары на здоровье, а также менеджеров по охране природы и биоразнообразию и других. В этом исследовании NASA перечислила концепции приложений и контексты принятия решений, способных повлиять на проектирование архитектур SBG. Например, задержка данных и пространственное разрешение являются двумя критическими факторами, которые часто определяют, могут ли заинтересованные организации продуктивно использовать набор данных наблюдений.

Задержка данных — это общее время, которое проходит между моментом, когда данные получены датчиком, и моментом, когда они становятся общедоступными. Если задержка слишком велика, то данные могут быть бесполезны для принятия решений, например, для предоставления сообществам своевременных предупреждений о наводнении во время прилива или для повышения уровня предупреждений об эвакуации с «рекомендуемого» до «обязательного». Аналогично, если пространственное разрешение набора данных — скажем, характеризующего наводнение или другую опасность — слишком низкое, то спасатели не смогут определить местонахождение пострадавших сообществ, чтобы обеспечить их безопасность.

Однако существуют компромиссы между задержкой, разрешением и стоимостью миссии. Например, наборы данных с высоким разрешением собираются реже, чем с более низким пространственным разрешением, и поэтому с меньшей вероятностью будут доступны при необходимости, отчасти потому, что увеличение разрешения обычно увеличивает стоимость миссии и задержку данных. Таким образом, максимально допустимая задержка была назначена для каждого приложения, определённого сообществом пользователей SBG, например, для мониторинга и картирования лесных пожаров в реальном времени, экстремальной жары в городских условиях и геологических опасностей (например, извержений вулканов).

Окончательная архитектура, выбранная для миссии, включает несколько космических аппаратов, которые вместе будут предоставлять данные с пространственным разрешением 60 метров с задержкой данных менее 24 часов и будут включать гиперспектральные возможности [Thompson et al., 2022]. В соответствии со стратегическим планом NASA на 2024–2034 гг. этот окончательный проект максимизирует как научные приоритеты, определённые в десятилетнем обзоре, так и полезность данных миссии для всех потенциальных приложений.

 Расширение инвестиций в существующие миссии

Одним из основных способов, с помощью которых NASA использует данные существующих миссий на Земле, является финансирование разработки инновационных новых приложений и прикладных исследовательских мероприятий, например, через свои открытые программы Research and Analysis и Earth Action (Earth Action — это новый элемент в Отделе наук о Земле NASA, включающий бывший портфель прикладных наук, а также другие мероприятия). Ярким примером плодов этих усилий является программа приложений миссии ICESat-2, которая фокусируется на продвижении и социализации использования данных этой текущей миссии.

ICESat-2 несёт один инструмент: усовершенствованную топографическую лазерную систему высотомера, или ATLAS. ATLAS испускает лазерные фотоны и измеряет время прохождения обратных фотонов, отражённых от поверхности Земли, для расчёта расстояния между космическим аппаратом и поверхностью. На основе этих наблюдений инструмент составляет карту рельефа поверхности вдоль траекторий космического аппарата с высокой степенью детализации с задержкой в ​​45 дней.

Запущенный в 2018 году, ATLAS продолжает предоставлять уникальный набор данных со структурой и плотностью выборки, отличными от наборов данных, создаваемых другими датчиками наблюдения за Землей. А NASA продолжает финансировать прикладные мероприятия, направленные на расширение использования данных ATLAS для поддержки принятия решений, связанных, например, с арктическим морским льдом, таянием наземного льда и состоянием критически важных резервуаров питьевой воды.

Программа приложений ICESat-2, помогающая пользователям получать доступ к данным ATLAS и применять их, успешно повысила наглядность миссии и закрепила её непреходящую ценность. Добровольные ранние последователи из сообщества пользователей, такие как поставщик морских геопространственных данных TCarta и Фонд исследований и управления культурными объектами, внесли свой вклад в разработку продуктов и мероприятий миссии. А вовлечение потенциальных пользователей посредством встреч и публикаций привело к более широкому и четкому пониманию полезности точных наблюдений за высотой из космоса с момента запуска миссии [Brown et al., 2022]. Благодаря своим усилиям программа приложений обеспечивает улучшенную интеграцию приложений в будущие миссии по альтиметрии.

 Приложения для анализа альтиметрии

ATLAS предоставляет чрезвычайно точные данные о высоте, но доступ к данным и их понимание могут представлять трудности, особенно для новых пользователей. Для упрощения использования данных альтиметрии и разработки новых приложений был создан набор инструментов и продуктов, включая следующие примеры.

Библиотека программного обеспечения icepyx была создана сообществом пользователей, разработчиков и учёных ICESat-2. Эти люди объединились для разработки общей библиотеки существующих ресурсов, нового кода, учебных пособий и вариантов использования, чтобы обеспечить научные открытия путём упрощения процесса поиска, доступа и анализа наборов данных ICESat-2. Инструмент используется, например, для объединения данных ATLAS о высоте океана с наблюдениями за температурой, солёностью и глубиной с помощью океанических буёв для ускорения понимания изменений в морских течениях и ледовом покрове в отдаленных регионах [Bisson et al., 2023].

SlideRule — это открытая структура для обработки научных данных по запросу в облаке. Плагин ICESat-2 SlideRule предлагает настраиваемый инструмент для использования архива низкоуровневых (минимально обработанных) продуктов данных миссии. Пользователь определяет интересующую географическую область и ключевые параметры обработки, такие как период агрегации или продукт, через интерактивный веб-интерфейс или интерфейс прикладного программирования (API), а SlideRule возвращает высокоуровневые продукты облака точек высот поверхности за секунды или минуты. Эта функциональность обеспечивает быструю разработку алгоритмов, визуализацию и интерпретацию данных. SlideRule также облегчает приложения, требующие индивидуальной обработки данных альтиметрии, такие как измерение межгодовых изменений глубины снежного покрова и оценка вероятного влияния этих изменений на доступность воды в горных регионах средних широт [Besso et al., 2024].

CryoCloud — это облачная среда, созданная экспертами сообщества, которая разрабатывает инструменты с открытым исходным кодом для совместных открытых исследований криосферы. Платформа предоставляет обучающие семинары в стиле хакатона, а также поддержку учёным в проведении исследований и преподавании в бесплатной и доступной онлайн-среде, менее зависимой от локальных вычислительных ресурсов. Например, CryoCloud используется в приложениях для улучшения понимания того, как повышение уровня моря, вызванное таянием ледяного покрова Гренландии, повлияет на прибрежные сообщества.

OpenAltimetry — это бесплатный, удобный инструмент на основе карт для визуализации данных о высоте поверхности, собранных миссиями ICESat и ICESat-2. Пользователи определяют географическую область, продукт данных и интересующую дату с помощью интерактивного веб-интерфейса или API, а затем могут быстро проверять и загружать геолокационные данные. Исследователи использовали OpenAltimetry для проверки измерений высоты деревьев, собранных программой Global Learning and Observations to Benefit the Environment (GLOBE) [Campbell, 2021], и для исследования таяния поверхностного льда в Антарктиде как индикатора потепления и потери льда [Geetha Priya et al., 2022].

Продукты ICESat-2 QuickLook ускоряют доставку подмножества данных ICESat-2 с типичных 30–45 дней, необходимых для высокоточных наблюдений высоты, до менее чем 72 часов. Хотя данные QuickLook имеют большую неопределённость в их геолокации и сообщаемых высотах по сравнению со стандартными продуктами данных с более длительной задержкой, их гораздо более быстрая доступность представляет ценность для приложений, требующих более близкой к реальному времени информации. Данные QuickLook используются в операционных системах, таких как GloLakes, которая предоставляет уровни озёр в качестве входных данных для мониторинга водных ресурсов в почти реальном времени в более чем 27 000 озёр по всему миру [Hou et al., 2024]. (Стандартные продукты данных, как только станут доступны, заменят файлы данных QuickLook, поддерживаемые Национальным центром данных по снегу и льду, для обеспечения максимально возможной точности.) 

Сила партнёрств 

SBG и ICESat-2 — это всего лишь два примера того, как NASA меняет свой подход к выбору и разработке новых миссий по науке о Земле и расширяет полезность существующих миссий. Другие примеры включают предстоящие миссии, такие как Geosynchronous Littoral Imaging and Monitoring Radiometer (GLIMR) и Landsat Next, запуск которых запланирован на 2026–2027 и 2030 годы соответственно. 

GLIMR — это геостационарный датчик, который будет расположен над Мексиканским заливом и юго-восточным побережьем США для предоставления критически важной информации о вредоносном цветении водорослей, разливах нефти, скоплениях саргассума и других прибрежных опасностях. Миссия была разработана с этой уникальной целью — предоставлять критически важную информацию для улучшения реагирования, сдерживания и информирования общественности, необходимых в густонаселенных регионах. Landsat Next, созвездие из трёх идентичных обсерваторий, было перепроектировано для удовлетворения потребностей обширной базы пользователей Landsat, обеспечивая более частые наблюдения и более высокое пространственное разрешение, продолжая при этом наследие Landsat посредством устойчивых операций миссии. 

Что не меняется в подходе NASA, так это важность, которую она придаёт работе с заинтересованными сторонами. Новая стратегия «От науки о Земле к стратегии действий» подчёркивает ценность стратегических партнёрств в предоставлении ощутимых общественных выгод. Таким образом, сотрудничество с международными партнёрами, академическими кругами, некоммерческими организациями и другими агентствами останется ключевым в усилиях по удовлетворению потребности в наблюдениях за Землёй, которые доступны, применимы и полезны для помощи человечеству в решении неотложных проблем. 

References

Besso, H., D. Shean, and J. D. Lundquist (2024), Mountain snow depth retrievals from customized processing of ICESat-2 satellite laser altimetry, Remote Sens. Environ., 300, 113843, https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113843.

Bisson, K. M., et al. (2023), Software to enable ocean discoveries: A case study with ICESat-2 and Argo, ESS Open Archive, https://doi.org/10.22541/au.170258908.81399744/v1.

Brown, M. E., et al. (2022), Scientist-stakeholder relationships drive carbon data product transfer effectiveness within NASA program, Environ. Res. Lett., 17(9), 095004, https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac87bf.

Campbell, B. A. (2021), ICESat-2 and the Trees Around the GLOBE student research campaign: Looking at Earth’s tree height, one tree at a time, Acta Astronaut., 182, 203–207, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.02.002.

Geetha Priya, M., et al. (2022), Estimation of surface melt induced melt pond depths over Amery Ice Shelf, East Antarctica using multispectral and ICESat-2 data, Disaster Adv., 15, 1–8, https://doi.org/10.25303/1508da01008.

Hou, J., et al. (2024), GloLakes: Water storage dynamics for 27 000 lakes globally from 1984 to present derived from satellite altimetry and optical imaging, Earth Syst. Sci. Data, 16, 201–218, https://doi.org/10.5194/essd-16-201-2024.

Lee, C. M., et al. (2022), Systematic integration of applications into the Surface Biology and Geology (SBG) Earth mission architecture study, J. Geophys. Res. Biogeosci., 127(4), e2021JG006720, https://doi.org/10.1029/2021JG006720.

Thompson, D. R., et al. (2022), Ongoing progress toward NASA’s Surface Biology and Geology mission, in IGARSS 2022: 2022 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, pp. 5,007–5,010, Inst. of Electr. and Electron. Eng., Piscataway, N.J., https://doi.org/10.1109/igarss46834.2022.9884123.

 

Ссылка: https://eos.org/features/data-to-decisions-changing-priorities-for-earth-observations