Алгоритмы и технологии предварительной обработки изображений в системах каталогизации данных дистанционного зондирования Земли

Актуальность работы. Создание и использование систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) было и остается наиболее приоритетным направлением космической деятельности Российской Федерации и других стран мира [1−3]. Современные системы ДЗЗ, такие как LANDSAT (США), SPOT (Франция), «Монитор-Э», «Ресурс-ДК» (Россия) и др., позволяют выполнить съемку территорий в нескольких спектральных диапазонах с разрешением на местности 1−30 м через каждые 15−20 суток [411]. Получаемые изображения после соответствующей обработки эффективно используются в гидрометеорологии, картографии, геологии, сельском и лесном хозяйствах, экологии, военной разведке и многих других областях человеческой деятельности [12−18].

Эффективность использования космических снимков в различных предметных областях во многом определяется тем, насколько удачно обеспечен доступ потребителей к архивам спутниковых изображений. Эта проблема решается с помощью электронных каталогов (ЭК), которые автоматизируют процессы занесения информации в базу данных и поиска требуемых изображений. Основными информационными компонентами электронных каталогов являются многократно сжатые изображения земной поверхности и метаданные, включающие сведения о спутниках, видеодатчиках, спектральных диапазонах, времени съемки, географическом районе и др.

При формировании изображений лучистая энергия от поверхности Земли поступает на вход видеодатчика, где она разделяется на вполне определенные спектральные диапазоны и преобразуется в цифровые видеоданные, которые по каналу связи передаются на наземные центры приема. Как правило, видеоинформация поступает в центр приема при каждом обороте спутника вокруг Земли (примерно через каждые 1,5 часа). Объем информации, передаваемой со спутника за один сеанс связи, может достигать 5 Гб и более. Необходимо принятые данные разместить в ЭК до следующего сеанса связи со спутником. Часто процесс формирования изображений сопровождается воздействием целого ряда искажений, таких как импульсные и полосовые помехи, сужение яркостного диапазона, значительное покрытие наблюдаемой сцены облаками, неточные измерения параметров орбиты и углов ориентации спутника. В результате при отсутствии в составе метаданных показателей, характеризующих уровень яркостных и координатных искажений, пользователи при обращении к ЭК на свой запрос часто получают низкокачественные видеоданные, не соответствующие заданному географическому региону.

В настоящей диссертации представлены результаты исследований в части проектирования оперативных технологий оценки и улучшения качества спутниковых изображений и уточнения их геодезической привязки в процессе электронной каталогизации данных ДЗЗ.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в области приема, обработки, хранения и распространения данных ДЗЗ внесли отечественные и зарубежные специалисты: Арманд H.A., Асмус В. В., Журкин И. Г., Злобин В. К., Лукьященко В. И., Лупян Е. А., Макриденко Л. А., Новиков М. В., Новикова H.H., Полищук Г. М., Селиванов A.C., Чернявский Г. М., Huang Т., Jardan L., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld А. и др. Pix исследования по дистанционному наблюдению Земли составляют теоретическую основу для решения поставленных задач.

К числу лучших отечественных и зарубежных систем обработки, хранения и распространения данных ДЗЗ относятся системы, созданные в рамках космических проектов SPOT [9], LANDSAT [7−8], «Pecypc-Ol» [5, 15], «Метеор-ЗМ» [19], Монитор-Э [22]. В нашей стране наиболее комплексно эти вопросы решены в рамках федерального центра Роскосмоса (Научный центр оперативного мониторинга Земли), отраслевых центрах Росгидромета (НИЦ космической гидрометеорологии «Планета»), Рослесхозе и других ведомствах, региональном центре г. Ханты-Мансийска на базе Югорского НИИ информационных технологий.

Однако с появлением новых современных средств ДЗЗ постоянно возникает потребность в совершенствовании процессов хранения и распространения данных ДЗЗ. Наиболее узким местом существующих средств обработки данных ДЗЗ является отсутствие технологий оперативной геодезической привязки спутниковых изображений перед их каталогизацией, что приводит к безадресному размещению принятой видеоинформации в архивы и затрудняет пользователям процесс поиска необходимой им информации. Другим узким местом является отсутствие оперативных технологий оценки качества данных ДЗЗ в процессе их каталогизации, прежде всего, уровня их зашумленности импульсными и полосовыми помехами, степени покрытия изображений облаками. В результате в архивы помещается информация, не имеющая в дальнейшем спроса у потребителей. Все это требует разработки соответствующих алгоритмов и технологий, что и является основным содержанием настоящей диссертации.

Цель диссертации состоит в разработке алгоритмов и технологий координатной и яркостной обработки видеоданных ДЗЗ в процессе их электронной каталогизации.

Задачи. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

• системного анализа требований к современным системам каталогизации данных ДЗЗ;

• разработки высокоскоростных алгоритмов оценки и повышения качества спутниковых изображений;

• разработки оперативных алгоритмов уточнения координатной привязки изображений перед их каталогизацией;

• проектирования технологии и соответствующего программного обеспечения предварительной обработки данных ДЗЗ в процессе их каталогизации.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней предложены и исследованы новые оперативные технологии уточнения геодезической привязки спутниковых изображений и оценки качества данных ДЗЗ перед их каталогизацией.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

• высокоскоростной алгоритм оценки степени зашумленности изображений импульсными и полосовыми помехами, основанный на статистическом анализе поврежденных пикселей, учитывающий специфику процесса электронной каталогизации данных ДЗЗ и требования потребителей;

• алгоритм оперативной оценки степени закрытия наблюдаемой сцены облаками, основанный на колориметрическом анализе спектрозональных изображений и позволяющий получить достоверные оценки степени пригодности изображений для последующего целевого использования;

• алгоритм адаптивного контрастирования протяженных маршрутов съемки, который обеспечивает высококачественное отображение' объектов наблюдаемой сцены, резко отличающихся по яркостному диапазону;

• технология уточнения параметров орбиты спутника на основе измерения координат небольшого числа одноименных точек изображения и электронной карты;

• алгоритм геодезической привязки видеоданных от геостационарных космических аппаратов, основанный на геометрическом анализе контурных точек изображения диска Земли, контрастно наблюдаемого на фоне окружающего космоса;

• комплексная технология геодезической привязки архивных фотоснимков, основанная на комбинированном использовании метаданных и опорных точек местности и позволяющая выполнить пространственную привязку изображений при отсутствии сведений о времени и (или) географических координатах района съемки.

Практическая ценность работы состоит в том, что на базе предложенных алгоритмов созданы базовые технологии электронной каталогизации спутниковых изображений, которые вошли в состав систем обработки данных ДЗЗ Вапк8а1, Са1а1о§ 0, 1Чогт8а1К^, МопкогБа!-, Ве1КА, Мюго8а1. Эти системы используются для обработки и каталогизации изображений от космических аппаратов «Ресурс-01», «Метеор-ЗМ», «Монитор-Э», а также архивных изображений от спутников семейства «Океан».

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете в рамках НИР 23−99Г, НИР 35−02Г, НИР 2-ОЗГ, НИР 13−03Г, ОКР № 11−04, ОКР № 46−05, ОКР № 24−06.

Результаты работы в виде специального программного обеспечения внедрены в Научном центре оперативного мониторинга Земли, Российском НИИ космического приборостроения, региональном центре Югорского НИИ информационных технологий г. Ханты-Мансийска, НИЦ космической гидрометеорологии «Планета» и других организациях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязань — 2000, 2003, 2007), «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань — 2001, 2002, 2005, 2008), «Гагаринские чтения» (Москва — 2004) — на всероссийских конференциях «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (Рязань — 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007), «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва — 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ: 3 статьи, 19 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях, разделы в четырех отчетах по НИР, прошедших госрегистрацию.

Личный вклад автора по опубликованным работам состоит в следующем:

— в работе [40] соискателем предложена технология поддержания целостности базы данных сжатых спутниковых изображений на основе автоматического контроля изменений в БД и восстановления поврежденных данных из резервной копии;

— в работах [41, 43−45, 49, 52, 53, 57, 62] соискателем предложены алгоритмы обнаружения импульсных помех, выделения облачного покрова на базе колорометрического анализа, а также механизмы адаптивного контрастирования и уточнения геопривязки каталогизируемых изображений;

— в работе [42] соискателем предложена архитектура электронного каталога спутниковой информации в части предварительной обработки и каталогизации данных ДЗЗ;

— в работах [47, 48] соискателем представлен модуль каталогизации спутниковой информации с использованием разработанных алгоритмов предварительной обработки изображений;

— в работах [54, 56] соискателем предложен алгоритм определения положения центра и угла поворота диска Земли на снимках от геостационарных спутников посредством анализа контурных точек;

— в работе [61] соискателем предложена комплексная технология геодезической привязки кадров фотоархива, обеспечивающая функционирование в условиях ограниченного количества входных данных;

— работы [46, 50, 51, 55, 58, 59, 60, 94, 95] выполнены соискателем без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и приложения. Объем работы составляет 128 страниц, в том числе: основное содержание — 116 страниц, список литературы (100 наименований) — 12 страниц. Приложение содержит документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.

Основные результаты работы состоят в следующем.

1. Выполнен системный анализ отечественных и зарубежных систем каталогизации данных ДЗЗ. Выявлены общие принципы их построения и функционирования. Установлены узкие места известных систем, связанные с недостаточной эффективностью обслуживания потребителей в части обеспечения их качественной информацией на заданные географические регионы. Обоснована необходимость разработки новых алгоритмов и технологий анализа и повышения качества данных ДЗЗ, оценки их пригодности для последующего использования и адресного размещения в электронных каталогах. Предложены пути решения этих задач.

2. Определен функциональный состав подсистемы предварительной обработки данных ДЗЗ и обоснованы основные направления научных исследований по созданию эффективных систем электронной каталогизации космических изображений поверхности Земли:

— разработка высокоскоростных, автоматических алгоритмов оценки качества каталогизируемых изображений (определение количества на изображениях импульсных помех, сбойных строк и облачного покрытия);

— разработка высокоскоростных алгоритмов улучшения качества изображений (устранение импульсных помех, объектно-адаптивное контрастирование изображений);

— разработка математического обеспечения координатной привязки спутниковых видеоданных, полученных от разнотипных источников.

3. Рассмотрена базовая технология формирования данных ДЗЗ различными системами наблюдения Земли. Выявлены природа искажающих факторов, основные узлы, вносящие радиометрические искажения, на основе этих знаний разработаны эффективные алгоритмы коррекции искажений.

Разработаны:

— высокоскоростной алгоритм идентификации импульсных помех, основанный на трехуровневом анализе поврежденных пикселей и позволяющий надежно отличить импульсные помехи от контурных точек объектов изображений;

— алгоритм коррекции импульсных помех, основанный на итерационном анализе битовой структуры яркости пикселей и позволяющий организовать процесс качественного восстановления поврежденных данных;

— алгоритм оперативной оценки степени закрытия наблюдаемой сцены облаками, основанный на колориметрическом анализе спектрозональных изображений;

— алгоритм объектно-адаптивного контрастирования протяженных маршрутов съемки, который обеспечивает высококачественное отображение всех объектов наблюдаемой сцены, резко отличающихся по яркостному диапазону.

4. Разработана геометрическая модель формирования изображений, некритичная к различным типам систем ДЗЗ и сканирующих устройств. В основу модели положено строгое математическое описание геометрического соответствия между координатами одноименных точек на исходном и нормализованном изображениях и картографической проекции. Это соответствие позволяет организовать процесс уточнения геодезической привязки данных ДЗЗ перед их каталогизацией.

5. Разработаны:

— технология уточнения параметров орбиты спутника на основе измерения координат ограниченного числа одноименных точек изображения и электронной карты, обеспечивающая уточнение параметров геодезической привязки с точностью до 2−3 пикселей сверхбольших по объему маршрутов съемки при погрешности привязки исходных данных в несколько десятков пикселейаналитические модели и технология геодезической привязки изображений от геостационарных спутников, основанные на автоматическом измерении контурных точек диска Земли и определении по ним параметров, характеризующих смещение и поворот изображений. Экспериментально установлено, что разработанная технология обеспечивает измерение координат центра диска Земли с СКО — 0.4 пиксела, углов ориентации осей с СКО — 0.8 угловых секунд;

— комплексная технология геодезической привязки архивных фотоснимков, основанная на комбинированном использовании метаданных и опорных точек местности и позволяющая выполнить пространственную привязку изображений при отсутствии сведений о времени и месте съемки.

6. На базе разработанных в диссертации алгоритмов и технологий спроектирована универсальная система электронной каталогизации данных ДЗЗ MeteorSat, основанная на принципах модульного построения, многопоточности и объектно-ориентированного проектирования. Она отличается универсальностью, многофункциональностью и некритичностью к различным структурам данных ДЗЗ и получила внедрение в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения (г. Москва) и в Западно-Сибирском региональном центре приема и обработки данных (г. Новосибирск).

7. Разработана технология сетевого доступа пользователей к электронному каталогу через глобальную сеть Internet. В ее основу заложен принцип реплицирования данных из основной БД в базу данных, к которой обращаются сетевые пользователи, расположенную на Internet-cepBepe.

8. Разработана концепция построения генерального каталога данных ДЗЗ, призванного объединить в себе всю информацию от территориально рассредоточенных электронных каталогов. Основу концепции составили следующие основополагающие принципы:

— глубокая техническая и информационная унификация и стандартизация средств приема, обработки, архивации, каталогизации и распространения данных ДЗЗ;

— создание базовых средств и технологий приема, обработки, архивации, каталогизации и распространения данных ДЗЗ, востребованных на федеральном, отраслевом и региональном уровнях;

— обеспечение возможности информационной интеграции с другими системами ДЗЗ, в том числе и зарубежными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.