Направления проектных работ в области космического экологического мониторинга и трёхмерного моделирования

НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ РАБОТ 

В ОБЛАСТИ КОСМИЧЕСКОГО 

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 

И ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

А.А. РИХТЕР 
М.А. ШАХРАМАНЬЯН

Москва
ИНФРА-М
2022

МОНОГРАФИЯ

УДК 504.064.36(075.4)
ББК 20.18
 
Р55

ISBN 978-5-16-017489-1 (print)
ISBN 978-5-16-110013-4 (online)
© Рихтер А.А., Шахраманьян М.А., 
2022

Рихтер А.А.
Р55 
 
Направления проектных работ в области космического экологического мониторинга и трехмерного моделирования : монография / 
А.А. Рихтер, М.А. Шахраманьян. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 
277 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1858257.

ISBN 978-5-16-017489-1 (print)
ISBN 978-5-16-110013-4 (online)
В монографии описаны некоторые направления практической проектной деятельности в области космического экологического мониторинга 
и математического моделирования, лежащей на стыке трех столпов знаний — экологии, спутникового мониторинга и трехмерного моделирования. В частности, рассмотрены такие экологические объекты, как мусорные свалки, горно-обогатительные комбинаты, заброшенные строительные 
объекты, автомобильные дороги. Для изучения, исследования объектов 
задействуются многочисленные методы, инструменты, программные 
платформы, общедоступные для понимания, осваивания и практической 
реализации в сфере высшего, а также общего среднего и специального образования. 
Предназначена для поступающих в вузы, студентов бакалавриата, преподавателей вузов по направлениям подготовки «Экология и природопользование», «Землеустройство и кадастры», а также для широкого круга читателей. Подходит и для дополнительного школьного образования 
в сфере экологического мониторинга и моделирования.

УДК 504.064.36(075.4)
ББК 20.18

Список сокращений

АД — автомобильная дорога
БТМП — Большое Тихоокеанское мусорное пятно
ГМК — горно-металлургическая компания
ГОК — горно-обогатительный комбинат
ДДТ — дихлордифенилтрихлорметилметан
ДЗЗ — дистанционное зондирование Земли
ДП — дешифровочный признак
ДСО — депрессивные строительные объекты
ЖД — железная дорога
ММП — многолетнемерзлые породы
НБИКС — «нано-», «био-», «инфо-», «когно-», «социо-»
ОД — объект дешифрирования
ОНС — объекты незавершенного строительства
ОПС — окружающая природная среда
ОРО — объект размещения отходов
ОРОЖ — объект размещения жидких отходов
ОРОТ — объект размещения твердых отходов
ОС — окружающая среда
ПАО — публичное акционерное общество
ПАУ — полиароматические углеводороды
ПКУ — производственно-комплектовочный участок
ПО — промышленные отходы
ПС — программное средство
ПСМК — промышленная строительно-монтажная компания
ПХБ — полихлорированные бифенилы
СК — система координат
СО — строительные объекты
ТКО — твердые коммунальные отходы
ЧС — чрезвычайная ситуация

Введение

В книге описаны направления проектной деятельности в области космического экологического мониторинга и математического моделирования. Данная область лежит на пересечении трех 
столпов знаний: «Экология», «Спутниковый мониторинг» и «Математическое моделирование». 
Первый столп «Экология» актуален по своей сути, так как среди 
глобальных проблем человечества экологические проблемы, загрязнение окружающей среды (почвы, вод и воздуха) касаются выживания человека и выживания самой жизни на планете. Одна из основных ветвей экологии — проблема отходов производства и потребления, накапливающихся в окружающей среде со все большей 
скоростью, лишь ничтожная часть которых перерабатывается 
или поддается рециклингу. Данная проблема интернацио нальна, 
с той лишь разницей, что в одних странах более остра, чем в других. 
Это бомба замедленного действия. Экологическая проблематика 
неисчерпаема и насчитывает множество аспектов, среди которых: 
различные формы деградации почвы, экологическая аморальность 
и ханжество общества и производственников, стремительный рост 
площадей загрязнения, образование огромных импактных территорий и даже акваторий и др. Однако ни в одном из них не предпринимается даже поползновений. 
Второй столп «Спутниковый мониторинг» непреложен в решении экологических проблем. Глобализация и планетарный масштаб экологических бедствий и их управление требуют соответствующих глобальных и масштабных мер, основной из которых 
является дистанционный (бесконтактный) мониторинг. Одна 
из ветвей спутникового мониторинга — визуальное дешифрирование снимков из космоса, позволяющее, например по Яндекс- 
и Google-картам, охватывать огромные пространства и распознавать многочисленные классы объектов, признаков каких-либо 
процессов по цветным изображениям, видя Землю (и не только ее) 
в высоком пространственном разрешении.
Третий столп «Математическое моделирование» направлен на развитие инженерного мышления, то есть способностей разглядеть «винтики», «гайки» и другие детали математических моделей, которыми 
описываются объекты и явления реального мира. Одна из ветвей — 
трехмерное моделирование в программах 3D-дизайна, анимации, 
визуализации, архитектурного проектирования (Sketch Up, 3ds Max 

и др.). Другая важная ветвь — разработка методик, алгоритмов и кодов 
программ, решающих ту или иную задачу в области цифровой обработки изображений или информационного моделирования.
В современной системе образования (будь то общеобразовательной или высшей) крайне не хватает практики в теоретическом 
омуте дисциплины. Вместе с тем она необходима, поскольку только 
так вырабатывается истинное знание, навыки и интерес в предметной области. Но особенность современной эпохи и молодежи 
в том, что и сейчас в практической деятельности необходимы такие 
категории, как: 1) метапредметность — активность учащихся на пересечении нескольких дисциплин, которые казались им до сей 
поры несвязанными друг с другом и существующими сами по себе; 
2) самообразование — активность учащихся в условиях предоставления им необходимого учебно-методического и технологического 
функцио нала и консультирования преподавателя; 3) коллаборация — работа в команде, взаимодействие учащихся для разделения зон ответственности, совместная выработка путей для решения задачи, обмен знаниями; 4) замена формулы «учитель диктует — ученик записывает» формулой «учитель и ученик работают 
сообща» (студент может взять инициативу, включается в творческий процесс, в научно-исследовательскую деятельность); 5) замена «круга знаний» (одна и та же учебная программа повторяется 
снова и снова для новых потоков студентов) «спиралью знаний» 
(учебные программы не повторяются, каждый раз вырабатываются 
новые, обновленные в предметной области, «открывая горизонты» 
и базируясь на прошлом). НБИКС — одна из метапредметных концепций, которая применима в проектной деятельности [17]. Она 
предполагает объединение, анализ и управление отдельными дискретными элементами: атом («нано»), ген («био»), бит («инфо»), 
нейрон («когно»), человек («социо»).
Экология — это сфера с законами, обратными законам прагматизма: бенефициар получает меньше финансовых средств, чем он 
вложил. И, к сожалению, следует признать выхолаживание общества к болезненным проблемам экологии, которые невозможно 
решить на одном прагматизме, вычисляя только маржинальную 
прибыль, которую оно бы получило от тех или иных экологических 
мероприятий. Плюс к этому проглядывается тенденция «оглупевания» и ее торжество в обществе на разных возрастных категориях. Мышление студентов рассеянно и «клипово», происходит падение уровня их образования и сознания, интеллектуальных и технических способностей, что ведет к фактической невозможности 
повлиять на глобальные проблемы и при наличии добродетелей. 

Монография ориентирована прежде всего на студентов квалификации «бакалавриат», поступающих в вузы, преподавателей 
вузов по направлениям подготовки 05.03.06 — «Экология и природопользование», 21.03.02 — «Землеустройство и кадастры». Материал, представленный в монографии, может быть подспорьем 
в таких рабочих дисциплинах, как: охрана окружающей среды 
и рацио нальное использование природных ресурсов; экологический мониторинг; мониторинг природно-технических систем; 
экологическая безопасность, охрана окружающей среды и биологического разнообразия; защита биосферы от промышленных загрязнителей; основы обращения с опасными отходами; геоэкологический мониторинг; современные методы контроля состояния окружающей среды; мониторинг земель; геоинформационные системы; 
землеустройство; фотограмметрия и дистанционное зондирование; 
информационные и компьютерные технологии в экологии; оценка 
воздействия на окружающую среду и экологическая экспертиза; 
промышленная экология; экологическое законодательство. 
Вместе с тем, материал рукописи подходит и для дополнительного школьного образования в сфере экологического мониторинга 
и моделирования. Некоторый интерес в образовательном процессе 
был к космическому мониторингу мусорных свалок, например: 
проект «Методы космического мониторинга в школе», 2013–
2014 гг. [71]; компьютерная деловая игра «Электронная школьная 
республика» [72]; конкурс «Школьные проекты на цифровой карте 
Московского региона», 2016–2017 гг. [73]. В сфере экологического 
мониторинга создан научно-образовательный клуб «Космический 
экологический дозор» под руководством Шахраманьяна М.А., 
деятельность которого посвящена прежде всего проблеме замусоривания окружающей среды. Особо следует выделить проектную 
деятельность в рамках дополнительной общеобразовательной программы в ГБОУ СОШ № 97 г. Москва — 3D-моделирование и космический мониторинг в экологическом образовании, с содействием 
учителя биологии и химии Музыченко С.Н., которая ведется уже 
несколько лет [19], [74]. Некоторые работы выполнены учащимися 
школы, например Дементьевым И.А., Давыдовым А.А., Игнатьевым А.С. [13], [51], [52].
 

Глава 1. 
МУСОРНЫЕ СВАЛКИ КАК ИСТОЧНИК 
ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ 
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА

1.1. МУСОРНЫЕ СВАЛКИ

Рассмотрена проблема общепланетарного замусоривания окружающей среды (ОС) как чрезвычайная ситуация (ЧС) экологического характера, наиболее актуальная в наши дни. Приведена 
палитра основных глобальных проблем, связанных с замусориванием ОС, и рассмотрены некоторые ее «оттенки». Упомянут 
основной механизм формирования свалок на воде посредством 
перемещения мусора линейными и его аккумуляции круговыми 
поверхностными течениями в открытых и закрытых водах, что 
дает вероятностное поле и риски образования свалок в Мировом 
океане в пространственно-временных координатах. Представлены 
некоторые механизмы общественного поведения в сфере обращения 
с отходами. Загрязнение среды отходами человеческой жизнедеятельности вынесено в отдельную категорию ЧС экологического 
характера, к которой можно отнести залповый выброс свалочного 
газа на мусорных полигонах, имеющий свои предвестники, признаки, причины и последствия, стадии, математические модели 
и т.д. [28].
Объект размещения отходов (ОРО) (мусорная свалка) — территория размещения отходов производства и потребления. Свалки 
несут огромную опасность для ОС и планеты в целом. Это бедствие, причинами которого являются: 1) низкий уровень культуры 
людей, потребительское отношение к природе, отсутствие экологического воспитания в семьях и школах; 2) шаткость и плачевность «мусорного» (и вообще экологического) законодательства, 
позволяющего уничтожать природу и биосферу Земли «в рамках 
закона»; 3) финансовая неэффективность современных методов 
сбора, утилизации твердых коммунальных (ТКО, ранее — твердых 
бытовых отходов, ТБО) и промышленных (ПО) отходов, работ 
по восстановлению территорий, подверженных замусориванию; 
4) наличие многочисленных коррупционных схем, действующих 
в жилищно-коммунальном хозяйстве; 5) основные принципы дей

ствующей экономической системы, способствующие только усугублению проблемы отходов.
Масштабы проблемы отходов огромны, и они только растут 
со временем: 1) площадь замусоривания увеличивается из года 
в год (рост числа новых свалок и размера прежних); 2) переработка 
отходов — технологически сложный и дорогостоящий процесс; 
3) складирование на полигонах — основная форма утилизации отходов; 4) для многих видов отходов технологий переработки не разработано в настоящее время; 5) проектирование, эксплуатация 
и рекультивация полигонов — также сложный и дорогостоящий 
процесс; 6) общественное поведение в сфере обращения с отходами 
в развивающихся странах и странах «третьего мира», в частности 
в нашей стране, неблагоприятное; 7) замусоривание приводит 
к разным формам деградации почвы: засолению, заболачиванию, 
опустыниванию и технологической деградации; 8) замусоривание 
приводит к загрязнению воды и воздуха; 9) замусоривание вызывает гибель животных и увядание растительности; 10) вероятность хронической заболеваемости жителей в окрестностях полигонов ТКО и ПО высокая, и др.

1.2. ХАРАКТЕРНЫЕ ПРИМЕРЫ КРУПНЕЙШИХ СВАЛОК

1. Большое Тихоокеанское мусорное пятно (БТМП). Это водоворот антропогенного мусора в северной части Тихого океана. Он 
расположен между 135–155° западной долготы и 35–42° северной 
широты. На этом участке сконцентрированы залежи пластика 
и других отходов, принесенных водами Тихоокеанской системы 
поверхностных течений. Имеет размер от 700 тыс. до 15 млн км2 
и более (от 0.41% до 8.1% общей площади Тихого океана). Более 
100 млн т мусора. Вероятно, мусорный континент состоит из двух 
объединенных участков [1], [2], [3], [4], [5], [28].
2. «Электронный город» Аккра. Миллионы тонн «электронного 
мусора» — системных блоков, факсов, мониторов, кабелей, жестких 
дисков, микросхем и прочего — образуют настоящие горы, холмы 
и равнины, растянувшиеся на многие километры. В Африке находится самая большая в мире свалка электроники, которая образовалась вблизи поселения Агбогблоши, в Гане. По исследованиям, проведенным ООН, каждый год развитые страны производят более 50 
миллионов тонн «электронных» отходов, однако лишь 25% от этого 
объема мусора перерабатывается в соответствии с экологическими 
требованиями. Весь остальной мусор под различными предлогами 
вывозится за пределы местообитания «золотого миллиарда». Сор

тировкой электронного мусора на свалке Агбогблоши занимаются 
не только взрослые, но и подростки. Проработав 12 часов в день 
на свалке, подросток может получить около 2 долларов. Дети заняты разбором ЭЛТ-мониторов. Большинство переработчиков мусора на свалке Агбогблоши выжигают на кострах медь из старых 
плат. При «выжигании на кострах» цветных металлов в ОС попадает огромное количество высокотоксичных веществ.
3. Космический мусор. Космический мусор, в отличие от мусора на воде, дрейфует по геоцентрическим орбитам. Причины: отделение ступеней ракет и разгонных блоков ракет-носителей, прекращение работы космических аппаратов, взрывы пироэлемен тов. 
Последствия: столкновение с действующими космическими аппаратами, саморазмножение отходов, сгорание отходов в атмосфере, 
падение отходов на Землю. Можно выделить 3 основные космические свалки: на низких околоземных орбитах, на солнечно-синхронных орбитах и на геостационарной орбите. Средняя скорость 
вращения отходов: 10 м/с. Всего в космосе вращается по разным 
данным от 60 тыс. до 105 единиц отходов поперечником от 1 см. 
Засорение техногенным мусором изменяет экологию околоземного 
космического пространства, нарушая ее первозданную чистоту, 
экранируя возможность освоения космоса. Построены геоинформационные карты, отражающие все известные и отслеживаемые спутники и обломки (действующие спутники; неактивные, но работоспособные; вышедшие из строя спутники и их обломки) и локации 
«вращаемого» мусора. Европейское космическое агентство установило, что вокруг Земли сейчас вращается: около 29 000 обломков 
размером более 10 см, около 670 тыс. обломков от 1 до 10 см, более 
170 млн обломков от 1 мм до 1 см. Скорость полета может достигать 56 000 км/час.

1.3. ФОРМИРОВАНИЕ СВАЛОК НА ВОДЕ

Свалки разных видов формируются по определенным алгоритмам (рис. 1.1) [1], [2], [3], [4], [5], [4].
Рассмотрим более подробно замусоривание гидросферы и формирование свалок посредством движения течений в открытых 
и закрытых водах [28].
Движение мусора аналогично движению других опасных образований на воде, таких как нефтяные пленки. Мусорные «пленки» 
аналогично поддаются комплексному дистанционному мониторингу: космическому, аэрологическому, с помощью беспилотников. 
Также дешифрирование данных объектов может проводиться ви

зуальным, цифровым или интеллектуальным (посредством искусственных нейронных сетей) дешифрированием. 
Еще совсем недавно считалось, что БТМП имеет размеры, в два 
раза превышающие площадь американского штата Техас, и выглядит как огромный остров посреди океана. Последние исследования показали, что большая часть мусора состоит из небольших 
пластиковых частиц, размером около 5×5 мм, которые распределены 
на поверхности и в средних слоях воды. Это обстоятельство не позволяет определить истинные масштабы загрязнения, поскольку 
размеры его не определяются с самолета или со спутника. По некоторым данным, площадь мусорного пятна варьируется от 700 тыс. 
до 15 млн километров, что в общей сложности может достигать 
8% от общей площади Тихого океана. Происхождение мусорного 
пятна объясняется наличием на севере Тихого океана стабильного 
участка с особенной системой течений. Эту область называют широтами штилевого пояса или «конскими широтами». Система течений образует водоворот, втягивающий в себя отходы со всей северной части Тихого океана и прибрежных вод Японии и Северной 
Америки. При этом плавающий мусор оказывается в своего рода 
«ловушке» и не может выйти за ее пределы. Частицы разложившегося пластика в большей части зараженного района слишком малы, 
чтобы их можно было сразу увидеть. Поэтому исследователи берут 
пробы воды для приблизительной оценки плотности загрязнения. 
В 2001 г. ученые (включая Чарльза Мура) выяснили, что в определенных областях мусорного пятна концентрация пластика уже 
тогда достигала миллиона частиц на квадратную милю. На квадратный метр приходилось 3.34 куска пластика средним весом 5.1 мг.
Деградация отходов в почве, воде и космосе сопровождается 
образованием еще более опасных «канцерогенов». В частности, 
при фитодеградации (в воде) пластик распадается на все более 
мелкие частицы, сохраняя при этом структуру пластификатора. 
Взвесь пластиковых частиц напоминает зоопланктон, и медузы 
или рыбы могут принять их за пищу. Большое количество долговечного пластика (крышки и кольца от бутылок, одноразовые 
зажигалки) оказывается в желудках морских птиц и животных, 
в частности морских черепах и черноногих альбатросов. Мусор 
становится домом, пищей и смертельной ловушкой для морских 
обитателей. Помимо прямого причинения вреда животным, плавающие отходы могут впитывать из воды органические загрязнители, 
включая ПХБ (полихлорированные бифенилы), ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) и ПАУ (полиароматические углеводороды). Некоторые из этих веществ не только токсичны — их струк