Разработка программно-технологического комплекса регионального центра космического мониторинга окружающей среды

Актуальность темы

Развитие промышленности, рост народонаселения привели к росту влияния человека на окружающую среду, соизмеримому по своим масштабам с естественными процессами, происходящими в природе, к нарушению динамического равновесия в геосфере и биосфере. Сложность глобальной экологической ситуации обостряется неадекватным уровнем развития науки масштабу экологических проблем, связанных с разрушением крупных экосистем, снижением запасов основных природных ресурсов, глобальным изменением климата. Для решения этих проблем необходимы: проведение фундаментальных исследований, направленных на создание научных основ экологического мониторинга и оптимизации природопользованияразработка концепции наблюдения за ключевыми объектами окружающей средысоздание информационных систем, обеспечивающих решение задач глобального, регионального и локального мониторинга [3]. Научная обоснованность прогнозов и комплексная оценка состояния окружающей среды, рекомендации по рациональному использованию природных ресурсов невозможны без наличия достоверной информации об объектах исследования. Эффективность охраны природы, управления качеством окружающей среды, использования и воспроизводства природных ресурсов напрямую зависит от уровня развития и степени внедрения в практику систем контроля за состоянием окружающей среды.

В настоящее время не существует единой системы мониторинга, которая обеспечила бы решение в полной мере всех поставленных проблем. Однако объединение ряда имеющихся и разрабатываемых систем, решающих различные частные задачи, позволит уже в ближайшее время подойти к созданию комплексных средств экологического и природно-ресурсного мониторинга. Такая комплексная система должна иметь многоуровневую структуру с различными подсистемами сбора, обработки и оперативного распространения информации. Важнейшей подсистемой, несомненно, должна стать космическая подсистема мониторинга окружающей среды, которая обеспечивает большую обзорность, оперативность и регулярность получения информации [2].

Экологические проблемы, как правило, возникают в регионах со значительной концентрацией промышленного производства, в регионах интенсивного природопользования и перспективных с точки зрения использования природных ресурсов, в районах потенциально опасных с точки зрения возникновения чрезвычайных ситуаций.

Автору представляется, что программнотехнологический комплекс Центра космического мониторинга окружающей среды регионального уровня, базирующегося на современных информационнокосмических технологиях и являющегося звеном государственной системы экологического мониторинга, должен стать предметом серьезного системного исследования, чему и посвящена представленная диссертационная работа.

Основной объект исследований и научно-техническая проблема, решаемая в диссертационной работе — это разработка концепции и создание программнотехнологического комплекса для приема, обработки и распространения спутниковой информации в региональном Центре космического мониторинга окружающей среды (далее РЦКМ) с последующей передачей этого комплекса для промышленного использования в существующих и проектируемых Центрах.

Непосредственными предпосылками работ были: расширение области применения спутниковой информации при решении прикладных задач, отраженное в работах российских и зарубежных ученыхдиспропорция между запросами пользователей спутниковой информации и качеством и формами представления распространяемой информации в центрах приема и обработки данныхотсутствие комплексного подхода к проблемам разработки программно-технологического обеспечения центров приема и обработки спутниковых данных, ориентированных на региональный космический мониторинг окружающей среды.

Диссертационная работа обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных в области автоматизации приема, обработки, распространения спутниковой информации и в области технологической организации регионального космического мониторинга окружающей среды.

Актуальность теоретических и прикладных исследований и разработок в вышеперечисленных областях определяется: необходимостью использования спутниковой информации при решении широкого спектра научных, хозяйственных и экологических задачнеобходимостью повышения уровня автоматизации процессов приема, обработки и распространения информации с целью улучшения качества получаемой информации и повышения оперативности ее доведения до пользователейсуществованием имеющих важное прикладное значение нерешенных проблем, связанных с созданием аппаратно-программных средств для наземного сегмента системы космического мониторинга окружающей среды.

Исследования проводились в Вычислительном центре СО РАН (ВЦ СО РАН, г. Новосибирск) в 1979;1985 гг., в Западно-Сибирском региональном Центре приема и обработки спутниковых данных (ЗапСиб РЦПОД, г. Новосибирск) Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 1986; 2001 гг. и в Югорском научно-исследовательском институте информационных технологий (ЮНИИ ИТ, г. Ханты-Мансийск) в 2002;2005 гг.

Цель и задачи исследований. Основная цель исследований — разработка математического и аппаратно-программного обеспечения, а на их основе и технологического комплекса для регионального Центра космического мониторинга окружающей среды.

Основные задачи исследований включали: разработку принципов информационного обеспечения мониторинга окружающей среды на базе современных информационнокосмических технологийразработку и анализ концепции аппаратно-программного обеспечения типового регионального Центра космического мониторинга окружающей средыразработку и исследование ряда конкретных алгоритмов приема и обработки спутниковой информации, их реализацию в виде комплекса взаимосвязанных программ, обеспечивающего функционирование наземного комплекса: автоматическое ведение антенн, оцифровку и регистрацию данных, предварительную, тематическую обработку, распространение данных в типовом Центре космического мониторинга окружающей средыапробацию разработанного программнотехнологического комплекса при решении практических задач экологии и гидрометеорологии.

Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, многомерного статистического анализа, вычислительной математики, теории переноса излучения, распознавания образов, цифровой обработки изображений, системного и прикладного программирования и ряда других дисциплин.

Для исследования эффективности и достоверности разработанных методов, алгоритмов и программ проводились экспериментальные исследования и моделирование изучаемых процессов и объектов на тесовых и реальных данных.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов: предложена и обоснована структура комплекса для приема и обработки спутниковой информации, обеспечивающая его функциональную полноту, гибкость, способность к развитиювпервые предложена и обоснована Intranetархитектура программно-технологического комплекса регионального Центра космического мониторинга окружающей средыпредложены методы и созданы быстрые алгоритмы для расчета координат движения антенн, регистрации информации, предварительной обработки изображений, учитывающие особенности процесса съема информации и специфику решаемых задачсоздано новое методическое и программное обеспечение для решения ряда прикладных задач космического мониторинга окружающей средыразработан и практически реализован современный программно-технологический комплекс РЦКМ мирового уровня .

Практическая значимость и реализация научных результатов работы.

Результаты, полученные в диссертации, использовались при выполнении следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

• «Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмических изображений», гос. per. № 79 044 183, 1979;1981гг.;

• «Пакет прикладных программ обработки изображений для ЭВМ БЭСМ.

6″, гос. per. № 79 044 185, 1982 г.;

• «Пакет прикладных программ «БАРС», гос. per. № П7 372, 1983 г.;

• «Пакет прикладных программ «ЭЙДОС» «, гос. per. № П7 372, 1983 г.;

• «Центр обработки геоинформации. Создание системного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений», гос. per. № 81 032 966, 1981;1984гг ;

• «Разработка и создание инструментального комплекса анализа картографической базы данных Западной Сибири с предоставлением сетевых информационных услуг для обеспечения фундаментальных исследований», грант РФФИ № 96−07−89 489, 1996;1998гг.;

• «Космический мониторинг нефтяных загрязнений и нефтеи газопроводов», грант ERUNET Европейского космического агентства (ESA) и Международной федерации астронавтики (IAF), 2004;2006гг. ;

• «Всепогодное обнаружение лесных пожаров и оценка их последствий в северной Сибири», грант ЮЗ 110 (Catl) Европейского космического агентства, 2005;2006 гг.;

• «Мониторинг наводнений в северной Сибири с применением ДЗЗ и ГИС», грант ID3161 (Catl) Европейского космического агентства, 20 052 006гг.;

• «Космический мониторинг загрязнения окружающей среды в районах добычи нефти», грант ID3159 (Catl) Европейского космического агентства, 2005;2006гг.;

• «Организация окружного центра хранения и распространения авиационных, спутниковых и векторных данных для решения задач рационального недропользования и охраны окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа», гос. per. № 0120.0 508 576, 2005 г.;

• «Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в Ханты-Мансийском автономном округеЮгре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования», гос. per. № 0120.0 508 578, 2005;2006гг.;

• «Создание технологии Интернетдоступа к результатам космического мониторинга природных и техногенных явлений на территории Западной Сибири и Урала на базе Ханты-Мансийского суперкомпьютерного центра», грант РФФИ № 04−07−90−378-В, 2004;2006гг.;

Результаты исследований реализованы и внедрены в виде пакетов прикладных программ и наборов программных модулей в ряде организаций России: в ГУ НИЦ «Планета» (г.Москва), в филиале ГУ НИЦ «Планета» — центре приема и передачи спутниковой информации в г. Обнинск, в Алтайском государственном университете (г.Барнаул), в Дальневосточном региональном центре приема и обработки данных (г.Хабаровск), в автономных пунктах приема спутниковой информации в г. Надым и г Кызыл, в НПЦ «Мониторинг» (г.ХантыМансийск), в Гидрометцентре Западно-Сибирского межрегионального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЗапСиб УГМС), в лаборатории русловых процессов рек Алтая Алтайского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г.Барнаул).

Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при создании аппаратно-программного комплекса ЗападноСибирского Регионального центра приема и обработки спутниковых данных (г.Новосибирск), входящего в наземный комплекс приема и обработки информации с космических систем метеорологического, океанографического и природно-ресурсного направлений и находящегося в ведении Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

Результаты диссертационной работы легли в основу программно-технологического комплекса Центра космического мониторинга Сибири (ЦКМС, г. Новосибирск), организованного совместными усилиями Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение», СО РАН и ЗапСиб УГМС.

На базе результатов диссертационной работы также создан программно-технологический комплекс Центра дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса Югорского научно-исследовательского института информационных технологий (г.Ханты-Мансийск).

Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы явились основой для создания курсов лекций «Дистанционные методы исследования геосистем» и «Технологии программирования», читаемых автором на кафедре ГИС и ДЗЗ Югорского государственного университета (г. Ханты-Мансийск).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Intranetархитектура программно-технологического комплекса Регионального центра космического мониторинга окружающей среды (РЦКМ), многие принципы которой в полной мере реализованы в действующих комплексах — Центре космического мониторинга Сибири (ЦКМС) и центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ.

2. Алгоритмы и разработанный на их основе пакет программ для расчета на ПК расписаний сеансов связи с космическими аппаратами (КА), координат движения антенн нескольких типов, следа орбит.

3. Функциональное программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных, которое позволяет проводить разноуровневую обработку данных с КА метеорологического и природно-ресурсного назначения.

4. Технология архивации и автоматизированной каталогизации спутниковых данных с оперативным обновлением и удаленным доступом к каталогам и архивам.

5. Методики, алгоритмы и разработанные на их основе пакеты программ для тематической обработки видеоинформации с метеорологических КА: экспрессобработки для синоптического анализа, уточнения метеопрогнозов, корректировки гидрологических прогнозов.

6. Математическое и программное обеспечение оперативных технологий космического мониторинга окружающей среды: долгосрочного и краткосрочного прогнозов притока воды в Новосибирское водохранилище в период весеннего половодья, мониторинга паводковой обстановки на реках, раннего обнаружения и мониторинга лесных пожаров.

7. Методика и программное обеспечение экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду на базе космических снимков.

Апробация работы. Полученные в диссертации новые научные результаты докладывались на Всесоюзной конференции «Автоматизация научных исследований (г.Новосибирск, 1979 г.), на Всесоюзной конференции по обработке изображений (г.Днепропетровск, 1980 г.), на Региональной конференции по обработке изображений и дистанционным исследованиям (г.Новосибирск, 1981 г.), на Всесоюзной конференции «Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири» (г.Красноярск, 1988 г.), на Региональном семинаре по вопросам развития и применения геоинформационных технологий (г.Новосибирск, 1995 г.), на Региональной научно-практической конференции «О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири» (г.Новосибирск, 1996 г.), на научнопрактической конференции «Интеллектуальные автоматизированные системы в управлении» (г. Новосибирск, 1997), на Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (г.Томск, 1997), на научно-практическом семинаре пользователей природно-ресурсных и океанографических космических данных (г.Москва, 1997), на научно-практической конференции «Сибирский стандарт жизни: экология, образование, здоровье» (г. Новосибирск, 1997), на Международном семинаре «Космический мониторинг Сибири» (г. Новосибирск, 1998), на Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (г.Томск, 1998), на Международной выставке-конференции «Природные ресурсы стран СНГ», (г.Санкт-Петербург, 1998), на Международной конференции «Применение спутниковой информации при решении задач дистанционного зондирования территорий Сибири» (г. Новосибирск, 1998), на Международном семинаре «Окружающая среда и здоровье населения» г. Якутск, 1999), на Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы снижения риска и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Сибирском регионе» (Новосибирск, 1999), на Всероссийском семинаре «Развитие системы экологического мониторинга» (г.Томск, 1999), на Всероссийской выставке-конференции «Новые технологии и инвестиционные проекты» (г.Якутск, 2000), на Всероссийской конференции «Проблемы региональной экологии» (г.Томск, 2000), на Четвертом Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (г. Новосибирск, 2000), на Международной конференции ENVIROMIS-2000 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (г.Томск, 2000), на Международной конференции «Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг» (г. Ханты-Мансийск, 2001), на Региональной научно-практической конференции «Совершенствование защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (г. Новосибирск, 2001), на Международной конференции «Аэрозоли Сибири» (г.Томск, 2001), на Международной конференции «Суверенный Казахстан: 10-летний путь развития космических исследований» (г.Алма-Ата, 2001), на Международном симпозиуме «NOAA Image of Siberia» (г.Новосибирск, 2002), на Всероссийской конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (г.Ханты-Мансийск, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной информатизации и пути их решения» (г.Ханты-Мансийск, 2002), на Международной конференции «Математические методы в геофизике» (г.Новосибирск, 2003), на 5-м Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (г.Томск, 2003), на 7-й Региональной научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (г.Ханты-Мансийск, 2003), на Международной конференции «Математическое моделирование экосистем» (г.Алматы, 2003), на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Электронная Россия» г. Ханты-Мансийск, 2004), на Международной конференции «Vulnerabilities and Integrated Diagnostics Systems for Trunk Pipelines: Regional Aspects» (Испра, Италия, 2004), на 2-й Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004), на Международном научно-практическом семинаре «Мониторинг наводнений на северных реках с использованием данных ДЗЗ» (г. Уайтхорс, Канада, 2005), на Международной конференции «Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования» (г. Ханты-Мансийск, 2005 г.), на 3-й Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2005).

Основные теоретические результаты, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок неоднократно обсуждались на Ученых советах и на семинарах ВЦ СО РАН (ИВМиМГ) (г.Новосибирск), НИЦ «Планета» (г.Москва), ЮНИИ ИТ (г. Ханты-Мансийск), на заседаниях Координационного совета по космическому мониторингу Сибири при Межрегиональной ассоциации «Сибирское соглашение» (г.Ханты-Мансийск, г. Новосибирск).

Разработка автора «Аппаратно-программный комплекс АРТ-монтаж», представленная в составе авторского коллектива на конкурс научно-практических работ Федеральной службы России по гидрометеорологии в 1995 году, заняла 1-е место.

Программно-технологический комплекс ЗапСиб РЦПОД получил в 2000 г. сертификат Центра сертификации ракетно-космической техники Российского авиационно-космического агентства на соответствие установленным в России техническим требованиям к наземным приемным комплексам.

Решением Российского космического агентства от 14.01.2005 г. центр ДЗЗ ЮНИИ ИТ включен в состав наземного комплекса приема, обработки и распространения информации с планируемого к запуску КА детального наблюдения «Ресурс-ДК» № 1 в качестве одного из двух планируемых для работы с К, А в России центров.

В июне 2005 г. в центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ состоялось официальное открытие первой в России станции приема и обработки радиолокационной информации с КА ERS-2 Европейского космического агентства.

Личный вклад. Участие автора заключается в постановке рассматриваемых в диссертационной работе теоретических и прикладных проблем, разработке моделей, алгоритмов и большей части описанных в работе программных средств. Создание технологий решения прикладных задач выполнено под руководством автора и с использованием разработанного им программного обеспечения.

Участие других авторов в определенных этапах работы полностью отражают приводимый в диссертации список литературы и ссылки на него.

Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 44 печатные работы.

Выход.

Рисунок 25 — Диалоговое окно формирования калибровочных уровней.

3.3.4 Атмосферная коррекция данных.

Задача атмосферной коррекции — одна из самых сложных среди задач восстановления данных дистанционного зондирования Земли [27, 28, 176, 197]. Прежде всего, это связано с тем, что для ее решения необходима информация об оптической толщине атмосферы г над снимаемыми объектами. Наилучшим способом ее решения была бы установка по всей поверхности Земли обширной сети солнечных спектрофотометров, измеряющих интенсивность солнечного излучения I, прошедшего через атмосферу, в различных участках спектра. Чаще всего используют данные с немногих, установленных на поверхности суши спектрофотометров, или применяют косвенные методы коррекции. С атмосферной коррекцией над морями и океанами дело обстоит лучше, так как в красном и ИКдиапазонах спектра поверхность воды по своим оптическим свойствам близка к абсолютно черному телу. Существенно больший коэффициент отражения и рассеяния имеют дымки, туманы и облака, их хорошо видно на фоне воды. Это позволяет оценить оптическую толщину. Данные об оптической толщине над морями и океанами помещены в сети Internet по адресу: http://las.saa.noaa.gov/las-bin/climate server/, их можно использовать также для коррекции космических изображений прибрежных районов.

В п. 2.5 описан установленный в центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ солнечный спектрофотометр с целью атмосферной коррекции космических снимков высокого пространственного разрешения.

Основой метода вычислений оптической толщины т является известный закон Бугера. Зная интенсивность солнечного излучения 10 за пределами атмосферы, по закону Бугера можно определить интенсивность солнечного излучения в точке съемки.

I = 10 ехр (-т sec5), где 5- зенитный угол Солнца. Опуская выводы, ограничимся конечными соотношениями определения аэрозольной оптической толщи на практике: та (А)= (In lox — lnlx)/ m -[ тр (A)+ тг (Г)], где, I*. — спектральные интенсивности солнечного излучения вне атмосферы и в точке наблюдения для конкретной длины волны Xтр (А,), тг (А,) -оптические толщи релеевского рассеяния и газового поглощения, ш-оптическая масса, являющаяся функцией зенитного угла Солнца. Таким образом, для получения информации об аэрозольной оптической толще атмосферы необходимо измерение прямого солнечного излучения, определение величины m в момент наблюдения Солнца (на основе измерения его зенитного угла или расчета по времени и координатам) и использование модельных значений тр (А,) и тг (X) (например, по модели LOWTRAN-7 [178]).

Значимость атмосферной коррекции космических снимков возрастает с повышением детальности снимков.

3.3.5 Локализация данных.

Под локализацией данных или географической привязкой понимается пересчет координат данных (для изображений этоп- номер строки и шномер столбца) в географические координаты В (широта) и L (долгота) [52]. Зависимость вида B (n, m), L (n, m), а также обратные зависимости n (B, L), m (B, L) устанавливаются, основываясь на векторном уравнении вида ат° - единичный вектор сканирующего луча во внутренней системе координат датчика PXdYdZd (Рцентр масс КА), ш=[0,М-1], Мчисло пикселов в строке;

Tnm — матрица перехода из орбитальной движущейся системы координат OXtYtZ ((Оцентр масс Земли), зафиксированной на момент tn= to+nF, toмомент начала кадра, F — строчная частотап = [0, N-l], Nчисло строк изображенияв систему PXdYdZd ;

Rnm = rn-DmAnp, ги = Ftn r = (r, 0,0)r-радиус-вектор OP в системе OXtYtZt, An = At — Atматрица перехода из относительной геоцентрической (гринвической) системы OXgYgZg в систему OXtYtZt — Dm — матрица, учитывающая движение КА, ррадиус-вектор OS (Sвизируемая точка земной поверхности), компоненты которой равны: и ег — длина большой полуоси и эксцентриситет референцэллипсоида соответственноН- высота местности точки с координатами B, L.

Матрица At и величина г, определяются по текущим значениям стандартных элементов оскулирующей орбиты. Матрица Dm зависит как от переменных углов пространственной ориентации (крен, тангаж, рыскание), так.

Nb + Я) cos В cos L р = (Nb + Я) cos 5 sin Z,.

Nb (-e2r) + H]smB где Nft =, аr = - длина первого вертикала референцэллипсоидааг ф — er2 sin2 В и от соответствующих по направлению, но постоянных углов, определяемых неточностью сведения осей прибора, его посадочной платформы и самого КА.

Автором был разработан пакет программ для географической привязки спутниковых изображений. При расчете картографической сетки учитываются параметры орбиты, полученные на основе орбитального прогноза, кривизна и вращение Земли, нелинейность развертки сканирующих устройств. При необходимости аналитическая модель расчетов уточняется по опорным точкам местности (ОТМ) и телеметрическим (ТМ) данным об ориентации объекта.

Реализовано несколько видов корректирующего полинома, который может быть:

• нулевым (осуществляется плоскопараллельное смещение нормализованного кадра по одной ОТМ);

• линеиным: х* = а0 + а1х + а2у, у* = Ь0 + Ъхх + Ъ2у ,.

• билинейным: х* = а0 + + а2у + аЗху, у* = b0 + b{x + b2y + b3xy ,.

• квадратичным: х* = а0+ ахх + а2у + а3ху + а4×2 + а5у2, y* = b0 +b]x + b2y + b3xy + blx2 +Ъ5у2 ,.

• кубическим: х* = а0+а, х+. + а8×3+а9у3, для 3-х и более ОТМдля 4-х и более ОТМдля 6-и и более ОТМдля 10-и и более ОТМ, y*=b0 +Ь, х+. +Ънх+Ъ9у, где (х*, у*), (х, у) — соответственно плоскостные координаты одноименных точек на карте и изображенииa, b — векторы коэффициентов полинома.

Географическая привязка данных спектрального сканирования, отличающихся низким пространственным разрешением, осуществляется на основе алгоритма, описанного в п. 3.2, на последнем этапе производится преобразование экваториальной инерциальной системы в экваториальную вращающуюся систему с помощью матрицы перехода.

В результате получается так называемый след орбиты, то есть координаты (широты и долготы) подспутниковых точек с некоторым шагом во времени. Программа, реализующая этот алгоритм, входит в состав пакета программ «Баллист» .

Данное программное обеспечение предназначено для экспрессобработки видеоинформации метеорологического характера, когда требуется нанесение географической сетки без трансформации в проекцию карты в режиме реального времени. Программа, применяющая данный алгоритм, использовалась при нанесении географической сетки на видеоинформацию, принимаемую с КА «Метеор», «Океан» и «NOAA» (рисунок 26) [87,99].

Рисунок 26 — Пример географической привязки без трансформации в проекцию карты.

3.3.6 Геометрическая коррекция изображений.

Геометрическая коррекция спутниковых изображений является обязательной процедурой предварительной обработки [149]. Процесс трансформирования изображения в заданную картографическую проекцию с пространственной привязкой с использованием ОТМ выглядит следующим образом [33]: т, п) — плоскостные координаты снимка.

Ф = Fv (m, n), l = Fx (m, n), где F, Fxаналитические зависимости ф, X) — географические координаты х = /ЛсрА), y = fy (q>, X), где fx, f — аналитические зависимости х, у) — координаты картографической проекции x* = Gx (x, y), y* = Gy (x, y), где Gx, Gy — регрессионные зависимости на основе ОТМ (л-*, у*) — скорректированные координаты картпроекции.

Формально этот процесс можно записать как fxС^ф (т, п), Fx (т, п)), fy (Fv (т, п), Fx (т, п)) У* =Gy (fx (Fv (т, п), Fx (т, п)), fy (т, п), Fx (т, п))).

Искомые зависимости Gx, Gy определяются с помощью аппроксимирующих функций:

Pi.

X =Gx (x, y)=Yz <*ji-jXJyl~J (x, y), 1=0 7=0 Pi. у* = Gy (X, у) = X z bj, i-j XV 7 Iх' y)' /=0 7=0 где P — степень полинома- • и bjjj, i = 0, P, j = 0, i, — подлежащие определению на основе ОТМ параметры.

Существует множество программных модулей геометрической коррекции, встроенных в распространенные геоинформационные системы (ГИС ERDAS, ArcGis, ErMapper и др.) Однако, автором разработана программа для преобразования спутниковых изображений в ряд стандартных картографических проекций для последующей точной географической привязки изображения к картографическим материалам. Необходимость данной программы обусловлена возможностью дальнейшей ее адаптации к разрабатываемым на языке С++ специальным комплексам программ обработки спутниковых изображений. Программа преобразует изображения в проекции НПИ (номинальная), Гаусса-Крюгера, Меркатора, стереографическую. Выполнить геометрическую нормализацию можно с одним из трёх типов яркостной интерполяции: билинейной, кубической и по ближайшему целому (Рисунок 27).

Параметры обработкиВ.

Вий J Формат) Коррекция привязки | Аннотирование | НИ.

Геометрическая нормализация——г Ориентация осей регистрации.

Г Баллистическая ориентация (* Станаартная ориентация г Проекция—г йркостная интерполяция—.

Г НПИ С По ближайшему целому f Гаусса-Крюгера, а Билинейная.

С Меркатора Г Кубическая.

Стереографическая —;

— Фотометрическая нормализация.

Г Статистическая IКалибровочная.

R Совмещение СП К датчика МСУЭ.

Предполагаемые «(ЭЗСЗхЭОБЭ размеры вых. касра размер файла, MB [28.91.

Показать.

DK.

Отмена.

I Применить | Справка.

Рисунок 27 — Графический интерфейс программы геометрической нормализации.

Программа геометрической нормализации используется, в том числе, и в пакете прикладных программ «APTмонтаж», описываемом ниже (п. 4.1), при получении монтажа нескольких изображений в единое, покрывающее большую территорию изображение. На рисунке 28 показан пример обработки изображения.

Рисунок 28 — Аисходное изображение с КА «Ресурс-О» № 3, сканер МСУ-СК, Б — изображение после устранения структурных искажений и преобразования в картографическую проекцию Гаусса-Крюгера.

В настоящее время спутниковые данные наряду с традиционной картографической информацией составляют информационную основу ГИС-технологий [103, 104, 167, 168]. Благодаря их оперативности, расширению возможностей съемочного оборудования наблюдается постоянное увеличение удельного веса спутниковых данных по сравнению с оцифровкой имеющихся бумажных карт. Это обуславливает тенденцию к интеграции ГИС и средств работы со спутниковыми данными, которая прослеживается в развитии программного обеспечения [29, 30, 39, 40, 160]. Так известный программный пакет для обработки спутниковых данных «ERDAS IMAGINE» приобрел развитые черты ГИС, а классические ГИС, первоначально предназначенные для работы с векторными данными, такие как «ARC/INFO», «ArcView GIS», активно развивают средства для работы с растровыми данными [47, 48, 145].

В этих условиях автором были проведены исследования возможных путей интеграции спутниковых данных, принимаемых и обрабатываемых в ЦКМС, в наиболее распространенные геоинформационные системы. Одним из подходов явилась разработка конверторов для преобразования BRS-формата, используемого в ЦКМС в качестве рабочего, в форматы растровых данных, принятых в распространенных ГИС. Другой подход связан с ограниченным в ГИС числом картографических проекций, несовпадением их наборов в разных ГИС и реализует методы экспорта спутниковых изображений, преобразованных в нужные проекции, в ГИС, не поддерживающие такие проекции.

3.4 Программное обеспечение архивации и распространения спутниковых данных.

В контексте выполнения РЦКМ региональных функций особое значение имеют вопросы архивации получаемых спутниковых данных на весь регион, организации оперативного доступа региональных и других пользователей к каталогам и архивам.

Автором рассматривались вопросы структурной организации, а также технические и программные вопросы ведения архивов и каталогов, процедуры доступа к ним локальных и удаленных пользователей. В ЦКМС реализован архив спутниковых данных на компактдисках. В архив помещается текущая оперативная природно-ресурсная, метеорологическая, а также перезаписанная архивная информация с устаревших магнитных лент с высокой плотностью записи со специализированных магнитофонов ML-0601 (Франция). Для организации перезаписи был разработан аппаратнопрограммный интерфейс между ML-0601 и IBMсовместимым компьютером. Также разработана технология перезаписи на компакт-диски архива спутниковых данных на фотоносителях, имеющегося в ЗапСиб РЦПОД. Сложнейшей проблемой здесь является задача совмещения многоспектральных данных.

Как упоминалось в п. 3.3.1, большие объемы данных, поступающих с КА во время одного сеанса, предопределяют возможность фрагментации архивных данных, передачи их пользователям с сохранением в заголовке файлов сопутствующих орбитальных данных, данных о режимах работы бортовых устройств и т. д. Важным моментом при создании такого архива является выбор формата, позволяющего создать простой и удобный аппарат фрагментации. В качестве формата для хранения природно-ресурсных данных был выбран формат BRS, разработанный в Институте космического приборостроения (г. Москва). Была разработана методика фрагментации, в том числе и для оперативной передачи файлов по глобальным вычислительным сетям с возможностью конвертирования в другие распространенные форматы.

В рамках ЦКМС была создана система хранения космических сканерных снимков, обеспечивающая функции удалённого манипулирования данными [21]. Система хранения построена по принципу распределенной базы данных. Разработана концептуальная модель хранения данных, описывающая типы данных и связи между ними (Рисунок 29). Для ускорения процесса манипулирования данными с учетом большого объема сеансов спутниковых данных один сеанс разбивается на несколько фрагментов, каждый из которых требует отдельного описания и хранения этой информации в базе данных. Поэтому в базе данных организована основная таблица сеансов, в которой содержатся записи с информацией по всему сеансу приёма данных.

Каждой записи в таблице сеансов соответствует набор записей в таблице фрагментов, содержащих информацию о фрагментах.

Заключение

.

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований автором получены следующие основные результаты:

1. Предложена новая Intranetархитектура программно-технологического комплекса Регионального центра космического мониторинга окружающей среды (РЦКМ). Архитектура реализована в действующих комплексах — в Центре космического мониторинга Сибири (ЦКМС, г. Новосибирск) и в Центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ (г.Ханты-Мансийск).

2. Разработано программное обеспечение, реализующее набор функций управления и обмена данными между разнородными устройствами и фрагментами комплекса технических средств РЦКМ. Программное обеспечение передано для практического использования в семь организаций: в ГУ НИЦ «Планета» (г.Москва), в филиал ГУ НИЦ «Планета» — центр приема и передачи спутниковой информации в г. Обнинск, в Алтайский государственный университет (г.Барнаул), в Дальневосточный региональный центр приема и обработки данных (г.Хабаровск), в автономные пункты приема спутниковой информации в г. Надым и г Кызыл, в НПЦ «Мониторинг» (г. ХантыМансийск).

3. Разработана технология архивации спутниковых данных с оперативным обновлением и удаленным доступом к каталогам и архивам. Используется в ЦКМС, Западно-Сибирском региональном центре приема и обработки спутниковых данных, в центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ.

4. Предложены алгоритмы и на их основе разработан пакет программ для расчета на ПК расписаний сеансов связи с КА, координат движения антенн нескольких типов, следа орбит. Пакет используется в четырех Региональных центрах приема и обработки спутниковых данных: в Хабаровске, Новосибирске, Обнинске, Ханты-Мансийске.

5. Создано функциональное программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных, которое позволяет проводить разноуровневую обработку данных с КА метеорологического и природно-ресурсного назначения. Пакет программ легко адаптируется к новым видам спутниковых видеоданных и используется во всех перечисленных в предыдущем пункте центрах.

6. Предложены методики, алгоритмы и на их основе разработаны пакеты программ для тематической обработки видеоинформации с метеорологических КА: экспрессобработки для синоптического анализа, уточнения метеопрогнозов, корректировки гидрологических прогнозов. Пакеты внедрены в автономных пунктах приема спутниковой информации в г. Надым (Ямало-Ненецкий автономный округ) и г Кызыл (республика Тыва), в Гидрометцентре Западно-Сибирского межрегионального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г.Новосибирск), в лаборатории русловых процессов рек Алтая Алтайского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Барнаул).

7. Создано математическое и программное обеспечение оперативных технологий космического мониторинга окружающей среды: долгосрочного и краткосрочного прогнозов притока воды в Новосибирское водохранилище в период весеннего половодья, мониторинга паводковой обстановки на реках, раннего обнаружения и мониторинга лесных пожаров. Технологии используются в оперативном режиме в Западно-Сибирском межрегиональном управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, в Западно-Сибирской и Ханты-Мансийской авиабазах охраны лесов, в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров Рослесхоза МПР РФ.

8. Предложена методика и создано программное обеспечение экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду на базе космических снимков. Используется Управлением по охране окружающей природной среды Ханты-Мансийского автономного округа.