Analýzy, komentáře

DÁLKOVÝ PRŮZKUM ZEMĚ: TRENDY, NABÍDKA PROGRAMU COPERNICUS A VYUŽITÍ V RESORTU ŽP

Dálkový průzkum Země (DPZ) je metoda získávání informací o objektech na zemském povrchu bez přímého kontaktu s ním. DPZ zahrnuje kompletní proces získávání informace od pořízení dat, jejich zpracování, analýzu až po výslednou vizualizaci a interpretaci obrazu.

Využívání metod DPZ má dlouhou historii a v oblasti nevojenských aplikací se začalo výrazněji prosazovat již od 80. let 20. století. Opravdu výrazného nástupu a komerčního využití se pak dočkalo na přelomu tisíciletí díky novým vesmírným programům, kdy se zvýšil počet nejrůznějších operačně provozovaných komerčních a nekomerčních družic. Údaje DPZ přinášejí synoptický pohled na studovanou oblast s možností kombinovat prostorovou (kde), tematickou (co) a temporální (kdy) složku informace standardním a opakovatelným způsobem pro velká území. To velmi dobře reflektuje současnou potřebu aktuálních a porovnatelných informací pro řešení výzev globálního rozsahu. DPZ je tak dnes díky otevřené datové politice a rychle se vyvíjejícím technologiím nejrozšířenější globální metodou získávání prostorových dat o zemském povrchu a objektech.

Celá oblast DPZ se v posledních letech výrazně mění jak z hlediska dostupnosti dat, tak především z hlediska potenciálu služeb. Většina z těchto změn se týká parametrů, na jejichž postupné zlepšování jsme si v DPZ zvykli již po desetiletí: nové senzory, více dat, nové algoritmy zpracování, větší výpočetní možnosti apod. Nicméně rozsah, a především synergický efekt všech těchto zlepšení, rychle a zásadně mění ustálené zvyklosti v oboru a především dostupnost řešení založených na datech DPZ. Tato nová situace poskytuje zcela nový potenciál a nové příležitosti jak pro poskytovatele služeb, tak především pro uživatele. Následující hlavní trendy současného vývoje v oblasti DPZ budou v mít nadcházejících letech stále větší dopad na nabídku, dostupnost a kvalitu služeb DPZ.

• Nové konstelace, noví hráči v DPZ

Program COPERNICUS poskytuje bezprecedentní množství dat a informací na operační bázi, a to zcela zdarma. Tento ambiciózní evropský program (za aktivní účasti ČR) jasně odstartoval radikální změnu v operačním a udržitelném využívání dat DPZ středního a vysokého rozlišení pro mnoho nových aplikací, v mnoha nových oblastech. Vedle rozšiřování flotily družic Copernicus Sentinels (např. Sentinel-3, Sentinel 5) připravují nové sestavy družic i hlavní komerční hráči (Maxar, Airbus DS) a výrazně se také rozvíjí národní programy jak v tradičních zemích, např. Číně, Indie, Jižní Korei nebo Izraeli, ale i v řadě nových zemí, které se rozhodly uspokojit vlastní ambice v oblasti DPZ. Většina těchto národních programů je v současnosti duálních, tj. kromě požadavků na národní úrovni poskytují data i na komerčním trhu. Kromě toho se objevuje i zcela nová, rozvíjející se skupina nových společností, přicházejících především z oblasti IT, s agilním přístupem k podnikání a s nový pohledem na vstupní bariéry v oboru DPZ. V posledních letech se objevilo několik takových soukromých společností zejména v USA a Kanadě, s velkorysými projekty rozvoje a provozování družicových konstelací (např. Skybox, OmniEarth, Satellogic). Jejich strategie je založena především na velkých sestavách malých družic („cubesats“), které slibují extrémně nízké prodlevy mezi snímkováním jednoho místa. Životaschopnost těchto podnikatelských plánů může být sice v některých případech sporná, ale často jsou tito noví hráči v DPZ schopni získat velké finanční prostředky od investičních společností, uzavírat strategická partnerství a někteří dokonce i stavět a provozovat satelity (či ovládnout tradiční dodavatele dat) a začít naplňovat své odvážné vize (Planet, UtherCast). Je zřejmé, že ohromný nárůst dostupnosti DPZ dat bude i nadále pokračovat jak pro obecné použití, tak pro specifická nasazení.

• Škálovatelné zpracovatelské platformy

Data DPZ jsou obecně velká a tím, jak objem dostupných dat DPZ narůstá geometrickou řadou, výkonově škálovatelné cloudové zpracovatelské platformy se stávají nezbytnou podmínkou jejich efektivního využití. Tradiční přístupy založené na stahování a lokálním ukládání všech potřebných datových souborů jsou již dnes pro většinu reálných použití překonané a neudržitelné, v případě inovativních přístupů využívajících rozsáhlé časové řady dokonce často prakticky nemožné. Velké IT společnosti, jako Amazon či Google, již rozpoznaly tuto příležitost a jejich služby Amazon Web Services či Google Cloud Platform, nabízí volně dostupná DPZ data, např. Copernicus či Landsat, uživateli ke zpracování přímo na platformě. V oblasti dat velmi vysokého rozlišení se úspěšně rozvíjí uživatelské platformy od GBDX (Maxar) či OneAtlas (Airbus Defense and Space.) Evropská komise podporuje evropskou kapacitu v této oblasti vytvořením služeb Copernicus Data and Information Access Services (DIAS), které nabízí škálovatelné zpracovatelské platformy pro vývoj produktů a služeb DPZ s přidanou hodnotou. Pět úspěšných konsorcií DIAS vedou společnosti Serco Europe, Creotech Instruments, ATOS Integration & Airbus Defense and Space a EUMETSAT. Očekává se, že tento krok zahájí novou éru využívání údajů Copernicus a zároveň bude konkurovat americkému dominantnímu postavení v oblasti zpracovatelských platforem. Navíc řada evropských zemí buduje i své národní zpracovatelské kapacity. Budoucnost ukáže, do jaké míry je tato konkurence, vzhledem k finančním možnostem zmíněných silných komerčních hráčů, reálná a udržitelná.

• Software-jako-Služba (SaaS) 

Růst platforem pro integraci a zpracování dat v blízkosti výpočetního výkonu podpořil rozvoj cloudových služeb nejrůznějšího druhu nazývaných Software-jako-Služba. Služby SaaS (Software-as-a-Service) se tak dnes v oblasti DPZ se stávají normou. Společnosti začínají rozvíjet standardní produkty a služby a nabízet je zákazníkům jako SaaS na cloudové platformě prostřednictvím internetu a ne prostřednictvím tradičních přístupů specifické služby na zakázku. Pro společnosti představují účinnější způsob využití jejich zdrojů, umožnují lépe škálovat stávající produkty a služby a jednodušší přístup k dříve vzdáleným trhům. Zákazníkům pak služby SaaS přináší jednoduší zpracování dat DPZ a geoprostorových dat obecně, bez potřeby detailních odborných a technických znalostí, či přímo využití analytických služeb na platformě pro generování informací za pomoci analytických služeb Analytics as-a-Service (indikátory, indexy, dashboardy). S rozvojem těchto služeb jsou spojené i nové obchodní modely a platební přístupy založené na předplacených kreditech či platbách za použití (pay-per-use). Díky tomu má zákazník přístup k potenciálně neomezeným zdrojům a platí pouze za to, co skutečně využívá, flexibilně, dle měnících se potřeb.

• Umělá inteligence (AI) a metody strojového učení (ML)

Přístupy umělé inteligence (AI) a strojového učení (ML) jsou stále důležitější pro zpracování dat o pozorování Země. Obrovské pokroky v oblasti AI, dostupnost a radikálně snížené náklady na výkonnou výpočetní infrastrukturu a přirozená vhodnost některých úloh DPZ pro řešení za pomoci AI (např. detekce změn, identifikace nových artefaktů v obraze, extrakce objektů atd.), to všechno jsou důvody rychlého šíření těchto algoritmů a přístupů v oblasti DPZ. Ačkoli i zde stále platí, že lidé jsou schopni vnímat některé obrazové artefakty a především jejich kontexty mnohem komplexněji, než lze zaznamenat a naprogramovat za pomoci algoritmických pravidel, existuje řada úloh, které již dnes mohou počítače řešit mnohem rychleji než jakýkoli operátor, díky technikám, které umožňují počítačovému systému 'učit se'. Proto jsou aplikace AI v DPZ na vzestupu, byť stále silně závislé na učení a používání datový souborů vytvořených lidmi.

• Rostoucí využívání radarových dat

Rostoucí trend vykazuje i dostupnost údajů z radarových družic (SAR - radar s umělou aperturou) a s tím ruku v ruce i jejich využívání pro účely DPZ, založené buď na pokročilých technikách fúze s optickými údaji, nebo stále častěji jen exkluzivně na radarových datech. Na rozdíl od zařízení, které pracují v optickém oboru spektra a měří odražené sluneční záření nebo záření vyzářené Zemí, je radarová aparatura vybavena vlastním zdrojem mikrovlnného záření. Mnohem nižší frekvence použitého záření tak dovoluje získat data i přes mlhu, oblaka i mírný déšť, ve dne i v noci. To je zvláště užitečné pro monitoring v oblastech s častou oblačností nebo pro aplikace vyžadující husté časové profily (např. zemědělství, monitoring povodní, trasování objektů). Metoda radarové interferometrie (založená na měření fázových rozdílů signálu) pak nachází významné využití při mapování výškových poměrů terénu a sledování krátkodobých (sesuvy půdy, sedání vlivem důlní činnosti) či dlouhodobých (tektonická činnost) deformací terénu či infrastruktury s velmi vysokou přesností. Evropa má dlouhou tradici radarového snímkování již od 90. let minulého století (ERS, ENVISAT, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed) a i dnes poskytuje robustní datovou základnu pro další operační rozvoj těchto služeb za podpory programu Copernicus (Sentinel-1) či nových komerčních aktiv, jako je například finská konstelace radarových mikro družic o velmi vysokém rozlišení ICEYE.

• Synergie dat DPZ s dalšími informačními zdroji.

Vzrůstá význam synergie dat DPZ s dalšími informačními zdroji. Množství dat bude v propojeném světě budoucnosti stále více pocházet i z jiných informačních zdrojů (např. senzorů, dronů, UAV, HAPS, In Situ údaje). Zejména v oblasti aplikací DPZ ve velmi vysokém rozlišení mohou být takové zdroje zásadním doplněním pro přípravu dynamických podkladových informací v reálném čase, ať už jde o data dodávaná provozovateli přímo z terénu nebo data získaná za pomocí pozemní online monitorovací sítě senzorů. Tento model integrovaného a vzájemně se doplňujícího způsobu získávání informací z různých zdrojů bude velmi účinným nástrojem pro zajištění opravdu komplexního monitoringu. Crowd-sourcing či Citizen Science jsou dalším trendem v tomto směru, především díky masivnímu rozšíření a vzrůstajícím možnostem využití mobilních zařízení jako datových senzorů všeho druhu. Dalším významným zdrojem obrovského množství lokalizovaných informací se stává také bouřlivě se rozvíjející oblast „internetu věcí“ (InternetOfThings). Údaje DPZ by se tak mohly v budoucnu stát pouze jednou informační komoditou s obrovskou konkurencí mezi jinými druhy dat z jiných alternativních zdrojů. To je také obrovská příležitostí pro čisté agregátory obsahu nebo zprostředkovatele dat bez obrovské investice do vlastních systémů sběru dat. Nicméně pravděpodobnějším scénářem je sice stále významnější synergie údajů DPZ s jinými informačními zdroji, ovšem při zachování postavení DPZ jako oboru se specifickými nároky na odbornost, způsoby a metody zpracování.

V každém případě mají naznačené trendy v oblasti DPZ pozitivní vliv na celkové aplikační možnosti informací získaných metodami DPZ a na dostupnost, aktuálnost a kvalitu na nich postavených služeb, z čehož budou jednoznačně profitovat jejich uživatelé.

Česká republika rozvíjí své kosmické aktivity dle přijatého Národního kosmického plánu (aktuálně NKP2020 na roky 2020-2025)¹. V rámci tohoto plánu vynakládá nemalé prostředky na programy rozvíjející její kapacitu ve využívání možností technologií DPZ obecně (především díky členství v ESA), a především na podporu evropského programu Copernicus jako součásti Kosmické strategie Evropské Unie². Česká republika je aktivním podporovatelem tohoto programu a existuje tu také významná odborná i aplikační kapacita ve veřejných institucích, v akademické sféře či u soukromých subjektů.

Informace o objektech a jevech na zemském povrchu a o jejich vlastnostech získané z družicových dat dnes nacházejí uplatnění v celé řadě oblastí a vědních oborů, ale v oblasti životním prostředí především. Sledování a hodnoceni kvantitativních i kvalitativních parametrů stavu krajiny, půdy, vody či ovzduší pomocí DPZ je zvláště vhodné díky možnosti regionálních, kontinentálních či globálních kontextů. Na základě požadavků založených na vlastnostech, charakteru a rozsahu sledovaného objektů či jevů je dnes možné vybírat z řady alternativ družicových dat, které se liší svým prostorovým, spektrálním a temporálním rozlišením, cenou či vhodností pro vybrané metody jejich zpracování. Nabídka družicových dat a zpracovatelských služeb je tedy v současné době natolik pestrá, že se z pohledu uživatele může zdát často až nepřehlednou. Hlavní výzvou tak dnes přestává být dostupnost, ale spíše efektivní propojení aplikačních možností (nabídky) DPZ na straně jedné a konkrétních informačních potřeb uživatelů (poptávky) na straně druhé³. To předpokládá nejprve oboustraně strukturovanou komunikaci aktérů pro identifikaci potenciálu pro podporu DPZ v konkrétní organizaci, a poté detailní specifikaci reálného aplikačního nasazení družicových dat a možností jejich transparentního zpracování. Neméně důležitá je také jasná představa o obsahu a formě prezentace výsledků pro tematické experty, neboť přeměna výsledných dat na využitelné informace je jednou ze zásadních podmínek pro dlouhodobou a udržitelnou integraci DPZ do standardního procesu rozhodování. Program Copernicus v této souvislosti nabízí (i) strukturovanou nabídku služeb⁴ a (ii) stimul otevřeného přístupu k informacím DPZ zcela zdarma (free and open data policy) a (iii) dlouhodobou perspektivu pravidelného poskytování udržitelných standardních služeb. Hlavní tematické oblasti služeb Copernicus jsou shrnuty na obrázku 1.

V praktické aplikaci dat a služeb Copernicus na úrovni státní správy, v jejich začlenění do každodenní podpory agend a rozhodovacích procesů však Česká republika, včetně resortu životního prostředí, zatím spíše vyčkává a plně nevyužívá potenciálu, který tento ambiciózní evropský program nabízí. Jako každá inovace i integrace informací DPZ není proces jednoduchý a přímočarý a je třeba jej podpořit vhodnými kroky na organizační, technické, personální, ale i finanční úrovni, s jasnou vizí a dlouhodobou perspektivou naplněnou konkrétními krátkodobými cíli. To se na aplikační úrovni v ČR zatím nedaří a jak zmiňuje i NKP2020: „ČR by dále měla optimalizovat způsob, jakým veřejný sektor přistupuje k oblasti kosmických aktivit – zvláště pak odstraněním současné roztříštěnosti ve výkonu kompetencí, zvýšením výkonnosti a účinnosti veřejné správy a způsobu nakládání s veřejnými výdaji, zlepšením komunikace mezi veřejným a soukromým sektorem, využíváním synergií s dalšími oblastmi a soustředěním odbornosti“.

Končící projekt „TITXMZP709 - Analýza stávajících DPZ činností v rezortu MŽP a identifikace činností vhodných pro aplikaci“, tak zcela zapadá do rámce těchto navrhovaných aktivit. Tento projekt financovaný v rámci programu Technologické agentury České republiky (TAČR) Beta2, za součinnosti Ministerstva životního prostředí, se pokusil zmapovat současnou situaci, popsat hlavní oblasti potenciálu v resortu Ministerstva pro životní prostředí a naznačit možnosti a strategie pro jeho možné větší naplnění v budoucnu, se specifickým zaměřením na využití zdrojů programu Copernicus.

Obecně projekt identifikuje značný potenciál pro podporu činností ministerstva metodami DPZ. Obrázek 2 ilustruje tento potenciál jednotlivých služeb programu Copernicus pro podporu hlavních oblastí působnosti MŽP.

Zároveň projekt konstatuje i existenci značné odborné kapacity pro využívání možností DPZ v resortu MŽP, byť roztříštěné, nekoordinované a převážně na úrovni jednotlivých pracovníků či malých týmů resortních organizací. Na obecné úrovni je potenciál dat a služeb programu Copernicus (a metod DPZ obecně) pro jednotlivé oblasti působnosti MŽP možno vidět v těchto hlavních okruzích využití:

• pro sledování souvislostí a vztahů (socio-ekonomický, geo-politický kontext)  
• pro účely formulace strategických vizí a cílů na celostátní úrovni
• pro účely navrhování opatření a nástrojů k dosažení těchto cílů (např. tvorba a změny právních předpisů, dotační politika, podpora výzkumu) 
• pro účely posouzení dopadů, hodnocení a prioritizaci při hodnocení alternativních možností rozvoje
• jako zdroj informací pro tvorbu a sledování indikátorů
• jako zdroj nezávislé argumentační podpory při usměrňování sektorových politik jiných resortů (včetně zemědělské, lesní politiky či politiky územního rozvoje)
• pro účely metodické podpory orgánů ochrany přírody, vodoprávních úřadů, orgánů ochrany zemědělského půdního fondu apod. vykonávající státní správu v přenesené působnosti
• pro potřeby transparentní komunikace se všemi zúčastněnými stranami včetně veřejnosti

Finální výsledky projektu budou publikovány v tomto roce, včetně proponovaných demonstrační příkladů aplikací DPZ pro rychlou implementaci za poměrně malých nákladů. Projekt diskutuje také varianty možné další podpory ze strany MŽP a doporučuje plán dalších aktivit.

Při neexistenci celkového detailního přehledu procesních a informačních toků v resortu MŽP, projekt vybrané aplikační oblasti zacílil především na krajinu, její využití a její ochranu. Zde také existuje poměrně silná podpora ze strany služeb programu Copernicus (Copernicus Land).

Pro příklad rozsáhlosti současné nabídky, obrázek 3 shrnuje současné porfolio služeb v oblasti monitorování území. Vzhledem k tomu, že téma ochrany krajiny je samo o sobě velmi široké a průřezové, doufáme, že tyto demonstrační příklady se mohou stát katalyzátorem většího zájmu o problematiku DPZ a jeho možného operačního využití i v dalších oblastech působnosti MŽP.

¹ Národní kosmický plán ČR 2020-2025.

² Space Strategy for Europe, COM(2016) 705 final.

³ Příklady dobré praxe lze nalézt například zde.

⁴ EU Copernicus portal, CZ Copernicus portal