Дистанционное зондирование Земли из космоса – будущее рядом

Эволюция таких технологий, как геоинформационные системы - ГИС, обработка изображений и технологии (PNT – position – navigation – time), повысила качество анализа изображений, чтобы предоставить дополнительные цифровые услуги для различных областей применения. Однако вопросы, касающиеся стоимости, прозрачности и доверия, по-прежнему представляют собой проблему для отрасли ДЗЗ из космоса).

Документ Управления Организации Объединенных Наций по вопросам космического пространства (UNOOSA) «Космическая экономика» определяет космическую экономику «как полный спектр деятельности и использование ресурсов, которые создают ценности и выгоды для людей в ходе исследований, изучения, управления и использования космического пространства». Хотя основными элементами космической экономики являются радиовещание и связь, дистанционное зондирование Земли из космоса - ДЗЗ, производство спутников и пусковых установок, сопутствующие услуги и наземное оборудование, она также включает все связанные с ней отрасли, такие как телекоммуникации, радиовещание, Интернет, сельское хозяйство, лесное хозяйство, архитектура, машиностроение и строительство, и это лишь некоторые из них. Космическая экономика оценивалась от 350 миллиардов долларов (Morgan Stanley) до 447 миллиардов долларов (Space Foundation) в 2019 году, незадолго до начала пандемии Covid.

Инвестиции в космическую экономику продолжают расти, несмотря на продолжающуюся борьбу с Covid. Space Foundation, некоммерческая организация по защите интересов глобальной космической экосистемы, основанная в 1983 году, заявляет в своей публикации The Space Report 2021 Q2, что мировая космическая экономика выросла до 447 миллиардов долларов в 2021 году, что на 4,4% больше, чем пересмотренный показатель за 2019 год (428 миллиардов долларов). Эта космическая экономика в размере 447 миллиардов долларов на 55% больше, чем десять лет назад, и отражает пятилетнюю тенденцию непрерывного роста. Коммерческая космическая деятельность выросла на 6,6% до почти 357 миллиардов долларов (Space Foundation) в 2020 году, что составляет около 80% всей космической экономики. Глобальные государственные расходы на космос упали на 1,2% в 2020 году до 90,2 млрд долларов по сравнению с пересмотренным пиковым показателем 2019 года в 91,4 млрд долларов.

С точки зрения географии США, Китай и Европа вошли в тройку лидеров и составили 81% космических расходов, за ними следуют Япония и Россия. По данным Morgan Stanley, космос влияет не только на аэрокосмическую и оборонную отрасли, но и на многие другие области, такие как ИТ-оборудование и телекоммуникации, и к 2040 году общий доход в этом секторе может вырасти до 1 триллиона долларов и инвестиции тоже значительны. Morgan Stanley прогнозирует, что к 2040 году правительства всего мира потратят на космос 181 миллиард долларов.

Эти тенденции нетрудно понять, поскольку пандемия показала, что космические PNT (позиционирование, навигация, синхронизация), связь и ДЗЗ имеют решающее значение, поскольку они обеспечивают инновационные решения в условиях ограничения передвижения в глобальном масштабе. По словам Лиз Дерр, соучредителя и генерального директора Simularity, компании, занимающейся геоаналиткой, «глобальная пандемия показала нам, насколько важны эти доступные для потребителя технологии. Компании, которые процветали во время пандемии, являются прекрасным примером успеха технологий 4IR (4й промышленной революции - Fourth Industrial Revolution). Будущее инноваций и эффективности — за космическими приложениями. «Если бы мне нужно было выбрать всего три слова, чтобы зафиксировать мои разговоры на этой арене, это были бы «Космос экзистенциален», от будущего планеты до будущего торговли», — говорит Адам Джонас, глава исследовательского центра Morgan Stanley.

Мировая космическая экономика выросла до 447 миллиардов долларов в 2021 году, что на 4,4% больше по сравнению с пересмотренным показателем 2019 года в 428 миллиардов долларов. Эта космическая экономика в размере 447 миллиардов долларов на 55% выше, чем десять лет назад, и отражает пятилетнюю тенденцию непрерывного роста.

Дистанционное зондирование Земли из космоса

Согласно оценкам Morgan Stanley, область ДЗЗ со спутников неуклонно растет, и ожидается, что к 2040 году ее стоимость вырастет с 2,9 млрд долларов до 25,273 млрд долларов. Однако это только вершина айсберга. Использование космоснимков, наряду с наземными и воздушными наблюдениями, практикуется уже давно. Параллельно с этим развитие таких технологий, как географические информационные системы (ГИС), обработка изображений и PNT, повысило качество анализа изображений, чтобы предоставить дополнительные цифровые услуги для различных областей применения. Одна только аналитика увеличивает стоимость данных ДЗЗ на 42 миллиарда долларов. Сектор PNT также добавляет 97,4 миллиарда долларов.

В прошлом в области геологоразведки доминировали крупные государственные игроки, такие как Landsat из Системы данных и информации системы наблюдения за Землей (EOSDIS), Copernicus из Европейского космического агентства (ESA) и IRS из Индийской организации космических исследований (ISRO), а также из России, Китая, Японии и других стран. Частные игроки также вышли на рынок с предложениями оптических данных высокого разрешения, которые впоследствии были приобретены Maxar в процессе слияний и поглощений. Тем не менее, в настоящее время правила игры меняют такие компании, как Planet Labs, Spire, Capella, ICEYE, Satellogic, Umbra Lab, HawkEye 360, GHGSat и многие другие, которые внесли изменения в индустрию ДЗЗ.

Новички делают ставку на группировки малых спутников со средним и высоким разрешением с почти ежедневными повторными посещениями, что революционизирует приложения, требующие отслеживания быстрых изменений. Planet Labs была лидером в этой области со своей группировкой малых спутников Dove и Skysat, составляющих 43% всех запущенных малых оптических спутников ДЗЗ. Другими являются Black Sky Global и Satellogic. Спутники для радиолокационной съемки в категории малых спутников производятся компаниями Capella Space, ICEYE, e-Geos и Umbra Labs. Многие из них выходят за рамки оптических и микроволновых датчиков изображения, обращаясь к радиочастотным сигналам из космоса и Земли (HawkEye 360 и Spire) и парниковым газам (GHGsat).

«Небольшие спутниковые группировки превращают рынок данных ДЗЗ в товар благодаря большей экономии за счет масштаба и конкуренции. Рыночная конкуренция снижает стоимость изображений и других данных ДЗЗ. Эти группировки спутников часто захватывают большие полосы покрытия, чем были доступны ранее», — говорит Бретт Антонидес, вице-президент по приложениям, аналитике и визуализации в Arturo. «Это уводит компании от модели, основанной на задачах, к моделям, основанным на подписке. Перепродажа одних и тех же данных нескольким клиентам снижает затраты, что, в свою очередь, открывает рынок для потенциальных новых клиентов и вариантов использования», — добавляет он.

Вице-президент компании Arturo говорит, что «чтобы отличаться от своих конкурентов, компании расширяют электромагнитный (ЭМ) спектр, доступный для анализа, с помощью гиперспектральных изображений, радара с синтезированной апертурой (SAR), радиочастотной (РЧ) геолокации и инфракрасного излучения. Добавление новых модальностей и феноменологий дает исследователям и компаниям новые возможности для поиска новой интересной аналитики. Они помогают снять многие ограничения, налагаемые на традиционные оптические изображения, например, облачный покров, ночное время и т. д. Кроме того, эти новые феноменологии позволяют использовать новые методы для анализа наводнений, обнаружения изменений, роста растительности, оседания земли и нарушения почвы, и это только некоторые применения».

Согласно оценкам Morgan Stanley, область ДЗЗ со спутников неуклонно растет, и ожидается, что к 2040 году ее стоимость вырастет с 2,9 млрд долларов до 25,273 млрд долларов. Однако это только верхушка айсберга

Инфраструктура для использования данных

Традиционно правительство, промышленность и академические круги использовали данные со спутников ДЗЗ для своей работы. Известные поставщики данных ДЗЗ продают свои данные как услугу и предоставляют конечным пользователям возможность анализировать данные для извлечения из них полезной информации. Однако эта модель претерпела кардинальные изменения. Многие поставщики облачных услуг, такие как Amazon, Google и Azure, теперь предоставляют услуги шлюза, которые позволяют пользователям получать доступ к данным и аналитике совершенно независимым образом. Таким образом, вместо того, чтобы собирать данные по отдельности из разных источников, предварительно обрабатывать и затем анализировать их с помощью аналитических инструментов, полученных или разработанных собственными силами, конечные пользователи могут получить доступ к тем же данным в виде готовых наборов от таких компаний, как Skywatch, или получить доступ к наборам данных и аналитике как к услуге от таких компаний, как Mundi и Cleos.

Антонидес говорит: «Облачные вычисления и робототехника — две наиболее известные технологии 4IR, оказывающие реальное влияние; Облачные вычисления особенно резко снизили затраты, связанные с масштабированием компаний, в значительной степени устранив первоначальные капитальные затраты на вычисления, сети и хранилище». «Я считаю, что концепция «наземная станция как услуга», предлагающей быструю выгрузку данных в облако, дает значительные преимущества для получения данных, собранных со спутника, для оптимизации машинного обучения / искусственного интеллекта.

Аналитика на основе данных ДЗЗ

Понимание данных и выводы — это только отправная точка. Преобразование результатов в идеи, которые могут помочь в планировании и принятии решений, — это еще один шаг вперед.

Аналитика данных наблюдения Земли должна быть дополнена множеством других источников данных для конкретных приложений, таких как данные с удаленных датчиков, доступ к которым осуществляется через Интернет вещей, а также данные из краудсорсинга, данные о высокоскоростных транзакциях и сообщения в социальных сетях. Аналитика больших данных и искусственный интеллект используются для интеграции и анализа этого огромного количества данных для создания аналитики и идей, характерных для различных секторов экономики, чтобы помочь в оптимальном управлении активами и ресурсами и более эффективном управлении. По словам Антонидеса, «аналитика в общем смысле повышает эффективность, помогая преобразовывать данные в информацию, чтобы людям было легче преобразовать их в знания, которые можно использовать для финансовой или политической выгоды».

Такие услуги предоставляют Orbital Insights, Descartes Labs и Satsure. Интересным наблюдением является то, что многие спутниковые операторы, такие как Spire, HawkEye и Umbra Labs, также предлагают аналогичные услуги с помощью собственных спутниковых данных и аналитики, чтобы предоставить индивидуальные решения для конкретных секторов, таких как морские услуги, авиационные услуги и управление земельными ресурсами.

«Правительства США и других стран являются крупнейшим источником спроса на аналитику; однако самые большие области роста находятся в трудоемких отраслях. Компания Arturo извлекает выгоду из этой тенденции в страховой отрасли», — говорит Антонидес. Он продолжает: «Используя множество доступных изображений и данных дистанционного зондирования, Arturo может применить свои знания в области машинного обучения и искусственного интеллекта для определения и оценки десятков атрибутов собственности за считанные секунды».

Будущее ДЗЗ связано как с большими, так и с малыми спутниками. Текущий сценарий показывает, что большие спутники по-прежнему нужны для мониторинга окружающей среды.

Влияние ДЗЗ

«Спутниковые технологии и исследование космоса открывают новый потенциал возможностей для оценки и решения проблемы изменения климата и устойчивого развития в глобальном масштабе», — говорит Одри Чой, директор по устойчивому развитию и директор по маркетингу Morgan Stanley. «В ближайшие годы эти технологии могут позволить нам иметь более мощное глобальное представление о климатических данных и науке об окружающей среде. Эти идеи, в свою очередь, могут помочь обеспечить более глубокую интеграцию соображений устойчивости развития в инвестиционные решения». Это утверждение резюмирует важность наблюдения за Землей, особенно в текущем сценарии, когда недавно опубликованный отчет МГЭИК показывает, что мы не просто находимся на грани катастрофы, но и находимся в ней. Чой перечисляет ключевые области применения, включая продовольственную безопасность, мониторинг парниковых газов, управление коммунальными услугами, возобновляемые источники энергии и оптимизацию спроса и предложения.

Дерр говорит, что оборона и георазведка (GEOINT) являются их основными источниками дохода. Другими важными приложениями являются мониторинг международных споров, экологических и климатических изменений, стихийных бедствий, посягательств, подотчетность правительства, мониторинг критически важных активов, таких как береговые линии, природные ресурсы, границы, разрушающая деятельность, такая как добыча полезных ископаемых, и экологически защищенные районы. Нужны всепогодные данные и данные почти в реальном времени, а также своевременная аналитика по доступным ценам. «Обнаружение кражи, разрушения или саботажа через несколько недель после совершения преступления мало что решает», — подчеркивает она.

Анализ космической обстановки и защита

Распространение космического мусора, возрастающая сложность космических операций, появление больших созвездий и повышенный риск столкновения и вмешательства в работу космических объектов могут повлиять на долгосрочную устойчивость космической деятельности. Для устранения этих событий и рисков требуется международное сотрудничество государств и международных межправительственных организаций во избежание нанесения ущерба космической среде и безопасности космических операций. Организация Объединенных Наций сформулировала «Руководящие принципы долгосрочной устойчивости космической деятельности».

NewSpace активно занимается созданием группировок малых и средних спутниковых систем. Точно так же новые участники, такие как Project Kuiper от AWS, Starlink от SpaceX и группировка малых спутников OneWeb, которые обращаются к интернет-сервисам, также выбрали эти орбиты. Возникающая в результате перегруженность этих орбит увеличивает вероятность столкновений не только друг с другом, но и с другими спутниками и Международной космической станцией (МКС). В 2020 году МКС пришлось совершить два аварийных маневра, чтобы избежать столкновений.

Другие источники спутниковых данных

Устройства IoT все чаще используются для сбора данных на месте. Доступ к таким данным, особенно из отдаленных районов, можно осуществлять с помощью спутников. Объемы данных малы и они могут быть получены, возможно, несколько раз в день. Такие потребности могут быть удовлетворены за счет небольших спутников на низких околоземных орбитах.

Astrocast — это глобальная наноспутниковая сеть IoT, обслуживающая такие отрасли, как сельское хозяйство и животноводство, нефть, газ и горнодобывающая промышленность, морские, экологические и подключенные транспортные средства, с использованием устройств IoT, которые напрямую связываются со спутниками с помощью службы двусторонней связи. Группировка Astrocast имеет 10 спутников в своей операционной сети и ожидает, что еще 10 спутников будут выведены на орбиту к концу года, а конечная цель - 100 спутников к 2024 году.

Swarm Technologies, которая недавно была приобретена SpaceX, имеет наибольшее количество малых спутников на орбите во время полета, а также спутники наименьшего размера. Компания имеет более 100 спутников SpaceBEE на орбите и планирует всего развернуть 180 аппаратов для всей своей группировки.

Спутниковый Интернет для ДЗЗ

Облачные сервисы, такие как AWS, Azure и Google, зависят от стабильного широкополосного подключения к Интернету с малой задержкой, которое обслуживает весь мир. Спутниковые интернет-сервисы, такие как Starlink от SpaceX, Kuiper от Amazon и OneWeb из Великобритании, удовлетворят эту потребность. Поставщики данных, агрегаторы и аналитики смогут предоставлять независимые от данных и анализа услуги конечным пользователям через облако. Как говорит Аравинд Равичандран, независимый космический консультант и аналитик рынка в TerraWatch Space, «инфраструктура была заложена, и теперь пришло время начать использовать данные, полученные этими спутниками, чтобы заложить экономическое основание для новой волны стартапов ДЗЗ для запуска еще большего количества спутников».

Пристальный взгляд на хрустальный шар

Будущее ДЗЗ связано как с большими, так и с малыми спутниками. Текущий сценарий показывает, что для мониторинга окружающей среды по-прежнему нужны большие спутники. По словам Дерра, «последнее десятилетнее исследование НАСА, проведенное Национальными академиями, включает в себя множество важных исследовательских вопросов, направленных на определение того, как естественные и антропогенные изменения влияют на экосистемы. Наличие нескольких датчиков, собирающих данные одновременно, может быть единственным способом получить четкие ответы». Это требование не может быть выполнено небольшими группировками спутников, поскольку проблемы получения пространственных и временных данных с разных спутников в одной и той же группировке и с разных группировок вызовут серьезные проблемы. С другой стороны, частые повторные посещения и быстрое получение данных являются неоценимыми особенностями малых спутников.

Что касается сенсоров, радар с синтезированной апертурой (SAR) уже давно обещал изменить правила игры, но требовались массивные спутниковые платформы, что ограничивало их использование. Сегодня новые технологии уменьшили размеры датчиков SAR, чтобы их можно было размещать на небольших спутниках, и отчетливо виден взрывной рост объемов данных с таких спутников. Эволюция новых датчиков, таких как радиочастотные детекторы и детекторы парниковых газов (ПГ), добавляет новое измерение ДЗЗ.

Правительства всегда были основными потребителями данных ДЗЗ. Помимо собственных спутников, они заключают крупные контракты с частными игроками. Однако анализ данных с самого начала требует больших инвестиций и будет возможен только в государственных лабораториях и в хорошо финансируемых научных кругах. Как говорит Дерр, «министерства обороны будут главными движущими силами геопространственной аналитики в обозримом будущем. Крупные страны с хорошо финансируемыми вооруженными силами могут позволить себе лучшие изображения, искусственный интеллект и самых квалифицированных аналитиков GEOINT». Однако далее она добавляет, что «в целом негосударственные клиенты не являются подготовленными аналитиками, не хотят нанимать обученных аналитиков, не хотят запускать аналитическое программное обеспечение и не хотят учиться приобретать спутниковые снимки. Им просто нужны ответы». Именно в этом и заключается будущее аналитики данных ДЗЗ.

По ее словам, «бесплатно доступные спутниковые снимки и инструменты с открытым исходным кодом могут использоваться исследователями, учеными, местными органами власти, некоммерческими организациями и небольшими организациями для получения уровня ситуационной осведомленности, которого у них не было раньше. Развитие этого рынка с доступным анализом важно, если компании ДЗЗ хотят диверсифицировать свою клиентскую базу, чтобы их доходы и успех не контролировались полностью политиками и военными бюджетами».

Еще одним интересным аспектом являются гражданские ученые. «Цифровая доступность такого большого количества информации приводит к увеличению числа гражданских ученых, которые могут собирать данные, необходимые для исследований, и онлайн-исследователей с открытым исходным кодом, которые могут использовать такие вещи, как сообщения в социальных сетях, чтобы определить, что происходит, где и кто это делает», — говорит Дерр.

По словам Антонидеса, «ключевым фактором для коммерческого сектора всегда является возврат инвестиций. Бум предложений «программное обеспечение как услуга» (SaaS), которые предоставляют аналитику, информационные панели и понимание целевых типов данных, то есть HubSpot, Google Analytics, Loggly и т. д., будет продолжать расти и диверсифицироваться. Я считаю, что такие компании, как Databricks и другие платформы данных SaaS, будут продолжать снижать входные барьеры, чтобы позволить компаниям расширить использование аналитики. Чтобы лучше использовать эти платформы данных SaaS, я думаю, что существует растущая ниша для небольших стартапов для реализации концепции AaaS (аналитика как сервис), которые могут помочь запустить другие стартапы, которые находятся на стадии роста от посева до уровня B».

Наконец, где будет отрасль с точки зрения машинного обучения (МО) и искусственного интеллекта (ИИ)? По словам Антонидеса, «само собой разумеется, что ML/AI продолжит свой взрывной рост. Сочетайте привлекательные рабочие места с новыми технологиями, библиотеками и платформами, которые продолжают давать новые идеи, и у вас есть рецепт роста. Я полагаю, что в ближайшие несколько лет вы увидите значительный рост в области моделей ML/AI, развернутых на периферии».

Несмотря на все вышесказанное, потенциал ДЗЗ еще не реализован в полной мере. Мы идем к этому, но препятствия остаются. Антонидес говорит, что ограничивающими факторами являются стоимость, прозрачность и доверие. Многие технологии 4IR просто слишком дороги для интеграции во многие производственные и промышленные приложения потребительского уровня. Прозрачность и доверие являются связанными ограничениями. Многие из этих новейших технологий основаны на прорывах и науке, которые трудно понять многим зрителям. ИИ, в частности, вызывает широкий набор коннотаций от фантастического до антиутопического. «Появление прозрачного ИИ, способности объяснять и понимать результаты ИИ подчеркивает как перспективы, так и проблемы этой технологии. До тех пор, пока эти технологии не станут обычным явлением или, по крайней мере, не будут лучше поняты, многие люди будут нерешительно доверять этим технологиям и открыто полагаться на них», — заключает Антонидес.

Карта уровней доступа к данным ДЗЗ и геоаналитики на их основе (от концепции «данные как сервис» - Data-as-a-Service до «ПО/аналитика как сервис» – Analytics-as-a-Service/ Insights-as-a-Service/Software-as-a-Service).