Методика создания ГИС-проекта на основе данных дистанционного зондирования Земли с целью оценки пожароопасности территории

Квалификационная работа.

(Без сохранения форматирования)

Автор Пошлякова Л.П. Руководитель проф. Писецкий В.Б.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение.............................................................................................................................................................................. 4

1. Прием данных MODIS со спутника Terra на наземную приемную станцию

1.1.1. ЕОСкан............................................................................................................................................................. 5

1.2. Центры приема данных дистанционного зондирования Земли .............................................................. 5

1.3. Основные характеристики спутника Terra .................................................................................................... 7

1.4. Состав и основные характеристики станции ЕОСкан ............................................................................. 12

1.5. Прием данных ...................................................................................................................................................... 14

2. Методика обработки спутниковой информации ................................................................................................ 19

2.1. Сравнение программного обеспечения с возможностями других пакетов

2.2. по обработке данных дистанционного зондирования Земли ................................................................. 19

2.3. Предварительная обработка данных в приложениях ScanViewer и IMAPP ...................................... 21

2.3.1. Назначение и основные функции приложения ScanViewer............................................................. 21

2.3.2. Специальные функции приложения ScanViewer для работы с данными

2.3.2.1. спектрорадиометра MODIS........................................................................................................... 22

2.3.3. Назначение и основные функции программы IMAPP....................................................................... 24

2.3.4. Описание программ, входящих в пакет IMAPP .................................................................................. 24

2.3.5. Обработка данных спектрорадиометра MODIS средствами

2.3.5.1. программ ScanViewer и IMAPP..................................................................................................... 25

2.3.6. Архивация и каталогизация данных MODIS....................................................................................... 27

2.4. Вторичная обработка данных в программной среде ENVI ..................................................................... 30

2.4.1. Назначение и основные функции программы ENVI.......................................................................... 30

2.4.2. Обработка данных спектрорадиометра MODIS в программе ENVI

2.4.2.1. и перенос их в геоинформационную систему........................................................................... 33

3. Тематическая обработка изображений MODIS в приложении

3.1.1. Scanex Modis Processor.............................................................................................................................. 36

3.2. Функциональные возможности программы Scanex Modis Processor .................................................... 36

3.3. Геометрическая корреляция ............................................................................................................................. 37

3.4. Интерполяция яркостей ..................................................................................................................................... 38

3.5. Поддерживаемые форматы данных ............................................................................................................... 38

3.6. Методика обнаружения пожаров в программной среде

3.6.1. Scanex Modis Processor.............................................................................................................................. 40

3.7. Хранение сведений о пожарах в банке данных .......................................................................................... 43

4. Создание ГИС-проекта по данным дистанционного зондирования Земли с целью обнаружения очагов пожаров .............................................................................................................................................................................................. 45

Заключение...................................................................................................................................................................... 57

Список литературы......................................................................................................................................................... 58

ВВЕДЕНИЕ

Леса, будучи основным типом растительности России, занимают сорок пять процентов ее территории. Задача оперативного обнаружения и мониторинга очагов пожаров приобретает особую актуальность в связи с большой территорией, занятой лесами.

Своевременное обнаружение очагов пожаров - одна из серьезнейших задач. Наиболее распространенный способ ее решения в региональном масштабе - организация авиапатрулирования пожароопасных областей, что требует значительных материальных затрат. Резкое снижение ассигнований, выделяемых на охрану лесов, в наибольшей степени отразилось на авиационной охране лесов. Следствием этого стало существенно возросшее число выходящих из-под контроля лесных пожаров, принимающих характер стихийных бедствий.

В этой связи возникает необходимость привлечения всех доступных средств оперативного обнаружения пожаров на ранней стадии их развития, что объясняет возрастающую роль в этом спутниковых систем дистанционного зондирования Земли. Космический мониторинг имеет ряд преимуществ, по сравнению с авиаразведкой: высокую оперативность, большую площадь охвата земной поверхности и меньшие операционные расходы. На охраняемой территории спутниковые данные служат существенным дополнением к традиционным методам обнаружения, а на неохраняемой - единственным средством мониторинга и оценки последствий лесных пожаров.

Целью данной работы является создание ГИС-проекта по данным дистанционного зондирования Земли, принятых спектрорадиометром MODIS со спутника Terra, для оценки пожароопасности территории.

В работе были использованы материалы, предоставленные Уральским региональным компьютерным центром «УралРИКЦ».

1. 1. ПРИЕМ ДАННЫХ MODIS СО СПУТНИКА TERRA НА НАЗЕМНУЮ

2. ПРИЕМНУЮ СТАНЦИЮ ЕОСКАН

1. 1.1 Центры приема данных дистанционного зондирования Земли

4. Дистанционное зондирование природных ресурсов России с использованием средств космического базирования осуществляется в рамках программы создания и развития Государственного банка цифровой геологической информации (ГБЦГИ). Цели и направления деятельности системы дистанционного зондирования природных ресурсов России определены приказом МПР России от 30 апреля 1999 года № 95 и приказом от 30 декабря 2003 года № 1191.

5. В 1998 году начато формирование ведомственной сети центров приема данных дистанционного зондирования Земли. В настоящее время они базируются на использовании станций приема информации ЕОСкан (рис. 1.1.1) и УниСкан, разработанных специалистами инженерно-технологического центра «СканЭкс». Центры функционируют в Москве (ФГУ «РФИ МПР России», Геолфонд, ИТЦ «СканЭкс»), Южно-Сахалинске (Дальинформгеоцентр), Иркутске (Байкальский РИКЦ ВостСибНИИГГиМС), Якутске (Сахагеоинформ), Екатеринбурге (УралРИКЦ), Геленджике, Санкт-Петербурге (рис. 1.1.3, табл. 1). C 1998 года эти центры осуществляют прием информации со спутников NOAA, «Метеор-3М», Terra, IRS.

6.

7.

1. Рис. 1.1.1. Наземная станция приема спутниковой информации

9.

1. Рис. 1.1.3. Станции и зоны устойчивого приема спутниковой информации ведомственной сети данных дистанционного зондирования Земли МПР России

11.

12. Таблица 1

13. Ведомственная сеть региональных центров приема космической информации

15. На основе полученных данных сформированы Центральный (в ГИЦ «Недра», г. Москва) и региональные (в гг. Южно-Сахалинск, Якутск, Иркутск) автоматизированные архивы данных дистанционного зондирования Земли на машинных носителях.

16. Информационное обслуживание пользователей данными дистанционного зондирования осуществляется через Центральный банк данных дистанционного зондирования Земли и автоматизированные архивы данных в региональных центрах.

1. В Екатеринбурге «Уральский региональный центр приема данных дистанционного зондирования Земли в Уральском регионе» на базе «УралРИКЦ» был организован решением МПР РФ в 2002 году для создания и ведения архива спутниковых данных, передаваемых в центральный архив спутниковой информации в Российский Фонд информации МПР РФ.

18. Из современных спутников для целей оперативного пожарного мониторинга наибольшее применение нашел спутник Terra с установленным на нем радиометром MODIS с пространственным разрешением 250, 500, 1000 метров и полосой обзора 2330 километров.

1. 1.2 Основные характеристики спутника Terra
2. C начала 1980-х годов в Национальном Управлении по Аэронавтике и космонавтике (NASA) США разрабатывалась программа EOS (Earth Observing System).
3. Ее основные составляющие:
4. 1) серии искусственных спутников Земли, предназначенных для изучения глобальных изменений во всей их сложности;
5. 2) передовая компьютерная сеть для обработки, хранения и распространения данных (EOSDIS);
6. 3) научные коллективы по всему миру для анализа этих данных.
7. В рамках программы EOS 18 декабря 1999 года был запущен спутник EOS-AM1 под названием Terra.
8. Космический аппарат Terra (рис. 1.2.1) - спутник новой серии, на его борту установлена съемочная аппаратура нового поколения, которая позволяет более разносторонне и детально изучить процессы и явления на Земле.
9. Аппаратура на борту спутника Terra состоит из пяти съемочных систем, предназначенных для одновременного согласованного сбора информации о радиационном балансе Земли, атмосферной циркуляции, взаимодействии суши и океанов, биопродуктивности, свойствах поверхности суши:
11. Рис. 1.2.1. Вид спутника Terra
12. - ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) - гиперспектральная 14-канальная съемка в диапазоне от 0.52 до 11.65 мкм с разрешением 15-90 м и стереосъемка в диапазоне 0.76-0.86 мкм,
13. - MISR (Multi-angle Imaging Spectro-Radiometer) - четырехзональная съемка под 9 углами наклона в диапазоне от 0.42 до 0.87 мкм с разрешением от 250х275 до 1100х1100 м,
14. - CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System) - съемка в трех широких спектральных зонах в диапазоне от 0.3 до более 100 мкм с разрешением от 20 км (в надире),
15. - MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere) - двухзональная съемка (4.7 и 2.2 - 2.4 мкм) с разрешением 22 км,
16. - MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer) - гиперспектральная 36-канальная съемка в диапазоне от 0.45 до 14.36 мкм с разрешением 250-1000 м.

40. Таблица 2

41. Характеристики аппаратуры на борту спутника Terra

43. ASTER - это одна из пяти съемочных систем на борту спутника Terra, сочетающая широкий спектральный охват и высокое пространственное разрешение в видимом, ближнем инфракрасном (БИК), среднем инфракрасном (СрИК) и тепловом инфракрасном диапазоне. Система позволяет получать снимки Земли высокого разрешения (от 15 до 90 м) в 14 диапазонах электромагнитного спектра.

44. ASTER является единственным инструментом высокого разрешения на борту Terra. Он служит как бы увеличительным стеклом для других инструментов, что особенно важно для изучения динамики, взаимной калибровки съемочных систем, проверки алгоритмов обработки данных, а также для изучения процессов на поверхности Земли. В отличие от других систем на борту Terra, ASTER ведет наблюдения не постоянно, а в среднем 8 минут на каждой орбите. Пиковая скорость передачи данных составляет 89,2 Мбит/с.

45. MISR - это первая съемочная система в космосе, позволяющая определять отражательные характеристики объектов в девяти разных направлениях.

46. MISR является не имеющим аналогов инструментом нового поколения, с его помощью можно узнать количество солнечного света, рассеиваемого или отражаемого в естественных условиях по разным направлениям. Он включает 9 камер, ведущих съемку по 9 разным направлениям: в надир, а также с отклонением под разными углами вперед и назад по направлению полета. Камеры позволяют получать изображения всей планеты в четырех спектральных диапазонах (голубом, зеленом, красном и ближнем инфракрасном) со средним и низким пространственным разрешением.

47. Радиометрическое разрешение сырых данных составляет 12 бит. Полоса обзора MISR составляет 360 км. Полный охват земной поверхности съемкой возможен за 9 дней. Информационный поток достигает 9 Мбит/с.

48. CERES - это съемочная система для изучения влияния облачного покрова на радиационный баланс Земли.

49. CERES продолжает долгосрочные измерения радиационного баланса Земли в 2 участках теплового диапазона. На борту спутника имеются 2 одинаковых прибора, которые измеряют суммарный радиационный баланс Земли и (совместно с данными MODIS по облачному покрову) обеспечивают оценку характеристик облачности, что позволяет оценить влияние облачности на тепловое излучение Земли.

50. CERES позволяет изучать долговременные и сезонные изменения радиационного баланса Земли, влияние природных катастроф (вулканических извержений, наводнений, засух), региональных изменений почвенно-растительного покрова.

51. MOPITT - это съемочная система, предназначенная для изучения загрязнения нижних слоев атмосферы. Данные, получаемые этим инструментом, позволяют прослеживать источники поступления, распространение, перенос и осаждение оксида углерода (угарного газа) и метана в тропосфере. Измерения ведутся в трех спектральных диапазонах (2.3, 2.4, 4.7 мкм). Пространственное разрешение MOPITT составляет 22 км в надире, ширина полосы обзора 640 км.

52. MODIS - это вторая, наряду с ASTER, гиперспектральная система на борту спутника Terra.

53. Аппаратура MODIS, данные которой принимает сеть станций МПР России, в том числе и станция в Екатеринбурге, состоит из двух сканирующих спектрометров, один из которых (MODIS-N) снимает в надир, а ось съемки другого (MODIS-T) может быть отклонена. 36 спектральных зон MODIS охватывают диапазон с длинами волн от 0,4 до 14,4 мкм. Съемка в двух зонах (620-670 и 841-876 нм) ведется с разрешением 250 м, в пяти зонах видимого и ближнего инфракрасного диапазона с разрешением 500 м, а в остальных (диапазон от 0,4 до 14,4 мкм) - 1000 м.

1. MODIS дает возможность съемки одной и той же территории 1-2 раза в сутки и является «наследником» таких инструментов, как AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) и CZCS (Coastal Zone Color Scanner), однако у него значительно улучшены радиометрическое и спектральное разрешения, а также взаимная геометрическая привязка каналов. Высокие стандарты калибровки обусловлены требованием EOS к долговременной непрерывной серии спутниковых наблюдений, призванной регистрировать даже слабые изменения в глобальном климате и природных объектах Земли.

55. Радиометрическое разрешение исходных снимков весьма высоко: 12 бит. Пиковая скорость передачи данных составляет 10,6 Мбит/с.

56. Траектория движения носителя и угол обзора системы 110° (ширина полосы обзора 2330 км) позволяют MODIS за сутки получать изображение почти всей поверхности Земли, за исключением узких промежутков между полосами сканирования в низких широтах.

57. На рисунке 1.2.2 показан фрагмент синтезированного снимка MODIS в естественных цветах на территорию Аральского моря. Дата съемки - 3 декабря 2001 года.

58.

59.

60. Рис.1.2.2. Фрагмент синтезированного снимка MODIS на территорию Аральского моря, 3 декабря 2001 года

61.

62. Работа с данными спектрорадиометра MODIS, которые принимает сеть станций ЕОСкан, определяется стандартной технологической схемой, разработанной специалистами ИТЦ «СканЭкс». Впервые такую схему применили к данным спутников серии «Ресурс-О1». В настоящее время она дополнена рядом функций с учетом специфики данных MODIS.

1. 1.3 Состав и основные характеристики станции ЕОСкан
2. Станция ЕОСкан производства «ИТЦ СканЭкс» предназначена для приема информации, передаваемой спектрорадиометром MODIS со спутника Terra.

65. В состав станции ЕОСкан входят:

66. - антенная система,

67. - лабораторный настольный блок,

68. - интерфейс связи с компьютером,

69. - персональный компьютер,

70. - программное обеспечение.

71. Антенная система станции ЕОСкан (рис. 1.3.1) - зеркальная параболическая, на антенно-поворотном устройстве (АПУ). Станция может быть укомплектована двумя типами антенных систем:

72. - с зеркалом диаметром 2.3 метра на двухосном АПУ,

73. - с зеркалом диаметром 3.0 метра на трехосном АПУ.

74. Масса антенных систем - 150 и 800 килограмм соответственно.

75. На антенне установлен облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты.

77.

78. Рис. 1.3.1. Антенная система станции ЕОСкан

79. Антенная система НЧ и ВЧ кабелями (до 50 м) соединена с лабораторным настольным блоком (рис. 1.3.2), в который входят демодулятор, декодер, имитатор, устройства управления антенной, вторичные источники питания.

80. Настольный блок цифровым кабелем соединен с платой интерфейса, которая устанавливается в слот расширения ПЭВМ на шине PCI. В составе станции используется обычный персональный компьютер с процессором Pentium. Вся станция питается от бытовой сети 220В, 50Гц.

81.

82.

83. Рис. 1.3.2. Лабораторный настольный блок

84.

85. При открытом горизонте станция обеспечивает уверенный прием без потери данных в диапазоне углов места:

86. - от 5 до 65 градусов с двухосным АПУ,

87. - от 5 до 90 градусов с трехосным АПУ.

1. Станция базируются на IBM-совместимых ПЭВМ и полностью управляется программно.

89. Программное обеспечение станции разработано для Windows 98. Оно обеспечивает автоматический прием данных, их просмотр и оценку в формате Level0, преобразование в форматы Level1A/1B.

1. Программное обеспечение, входящее в комплект поставки станции ЕОСкан, состоит из приложений, обеспечивающих:
2. - управление станцией и приемом данных,
3. - просмотр данных в форматах Level0 и Level1,
4. - преобразование данных в форматы Level1,
5. - создание, пополнение и работу с базой космоснимков.

95. 1.4 Прием данных

96. Станция ЕОСкан обеспечивает прием данных со спутника Terra только в режиме Direct Broadcast - прямое вещание, в котором на Землю передаются данные со спектрорадиометра MODIS. Выходные данные спектрорадиометра и вспомогательные данные подразделяются на блоки, именуемые пакетами. Каждый пакет содержит псевдослучайную последовательность (ПСП) как признак начала пакета, служебную информацию и определенный объем данных. Пакеты объединяются в группы, которые в зависимости от содержания могут быть «дневными» и «ночными». Дневная группа состоит из двух пакетов длиной по 4980 бит, ночная группа - из одного пакета длиной 2052 бита. В любом режиме работы, дневном или ночном, в одной «научной» группе содержится изображение определенного участка подстилающей поверхности во всех 36 спектральных каналах (дневного режима) или с 20-го по 36-канал (ночного режима). Размер участка соответствует одному отсчету всей линейки из 10 датчиков километрового разрешения (т.е. примерно 1х10 км в окрестности надира).

97. На борту спутника пакеты данных переупаковываются в кадры[1] для последующей передачи по радиоканалу на Землю. В каждом кадре передается ПСП, определенный объем данных и служебная информация. Размер кадра - 1024 байта. Для повышения помехозащищенности передаваемый поток данных со спутника последовательно кодируется сначала по алгоритму Рида-Соломона, затем по алгоритму Витерби. Декодирование выполняется в аппаратной части приемной станции. Распаковка кадров и восстановление пакетов MODIS выполняется программно в темпе приема. Выходной поток записывается как последовательность пакетов MODIS.

98. Для нормального функционирования математического обеспечения станции ЕОСкан необходимо периодически выполнять следующие операции:

99. 1. Синхронизацию системного времени компьютера по времени меридиана Гринвича (не реже чем два раза в неделю).

100.2. Контроль свободного дискового пространства: при переполнении диска прием прекращается. Приложение не уничтожает самостоятельно ранее записанные файлы. Поэтому необходимо следить за объемом свободного пространства в каталоге, в который записываются данные.

101.3. Замену орбитальных элементов и расчет расписания: орбитальные данные должны заменяться через 5-7 дней (обновление осуществляется через Internet на общедоступном сайте http://www.celestrak.com/norad/elements/resource.txt). Новое расписание рассчитывается по истечении старого и рекомендуется это делать сразу после замены орбитальных элементов.

102.Таймер компьютера должен быть установлен с точностью не хуже 15 секунд, чтобы спутник оказался в диаграмме направленности антенны станции в начале витка. Чем ближе к кульминации витка, тем выше требования к точности установки времени, но эта проблема решается путем коррекции таймера компьютера по бортовому времени спутника.

103.После ввода расписания, система рассчитывает параметры слежения и переходит в режим ожидания очередного витка спутника. В этом состоянии непрерывно выполняется операция сравнения текущего времени со временем ожидаемого витка. За две минуты до наступления этого момента, антенно-поворотное устройство ориентируется по азимуту и углу возвышения и готово начать прием данных.

104.При появлении спутника в зоне видимости центра приема, включается система автоматического сопровождения и начинается прием информации. Средствами программы EOScan Receiver (рис. 1.4.1), принимаемые данные со спутника декодируются и в режиме реального времени отображаются в окне визуализации данных (режим Direct Broadcast). Параллельно с этим отображаются параметры приема (уровень сигнала, погрешности ориентации антенны и другие характеристики приемного тракта). По окончании расчетного времени приема или при потере сигнала от спутника комплекс автоматически переходит в состояние ожидания следующего витка (при этом антенная система пространственно ориентируется по параметрам приема будущего витка).

105.

106.

1. Рис. 1.4.1. Интерфейс приложения приема данных EOScan Receiver

108.

109.После того, как прием начался, он может быть прекращен:

110.- по команде пользователя,

111.- аварийно (приложение закрывает файл принятых данных, если их объем превышает минимальный установленный оператором, а данные сохраняются на диске в формате PDS (Production Data Set), Level0),

112.- автоматически по потере синхронизации (через 10 секунд после последнего успешного контроля кадровой синхронизации),

113.- автоматически по истечении расчетного времени витка.

114.Объем информации (в зависимости от качества приема) составляет 600 – 900 Мb. Время пролета спутника над центром приема примерно 12 минут. За это время принимается снимок территории с шириной захвата 2300 км. и 5000 км. вдоль траектории (примерно от острова Новая Земля до северных границ Пакистана, рис. 1.4.2, 1.4.3.). Сразу после приема, информация переносится на компьютеры узла обработки спутниковой информации, где далее осуществляется ее обработка.

115.

1. Рис. 1.4.2. Снимок со спутника Terra, 6 ноября 2003 года 12 ч. 35 мин
3. Рис. 1.4.3. Снимок со спутника Terra, 6 ноября 2003 года 14 ч. 13 мин.

2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Методика обработки данных дистанционного зондирования Земли включает в себя:

- первичную обработку данных в приложении ScanViewer и пакете программ IMAPP,

- архивацию принятых данных в программе ScanEx Catalog Manager,

- геометрическую трансформацию изображений в географические проекции в среде ENVI,

- экспорт в ГИС,

- использование алгоритмов обработки в программе Scanex Modis Processor.

2.1 Сравнение программного обеспечения с возможностями других пакетов по обработке данных дистанционного зондирования Земли

Главным в успешном применении данных дистанционного зондирования Земли является наличие простых в использовании и доступных программных средств. Чтобы извлекать из снимков наиболее полезную и точную информацию, эти средства с самого начала должны разрабатываться с пониманием всех аспектов дистанционного зондирования, включая конструкцию сенсора, его геометрию, радиометрические, орбитальные параметры и сложные форматы данных.

Программные продукты, использующиеся при обработке и анализе материалов дистанционного зондирования, разделяются на специальные и универсальные. Коммерческие пакеты программ, как правило, имеют универсальное ядро и настраиваемые на конкретные задачи модули. Специальные программные продукты привязаны к решению узкого класса задач и зачастую впоследствии за их счет наращивается количество модулей, связанных с универсальным ядром коммерческих программных пакетов.

Для обработки данных дистанционного зондирования Земли могут использоваться любые программные средства, обеспечивающие достоверность и качество получаемых результатов. Обязательным требованием при выборе программного обеспечения является возможность работать с данными дистанционного зондирования Земли, имеющими географическую привязку.

По результатам проведенных экспериментов для компьютерного дешифрования данных дистанционного зондирования Земли рекомендуется использовать следующие программы: ScanViewer, IMAPP, NeRIS (разработчик ИТЦ «СканЭкс»), ENVI (Research Systems Inc., USA), ERDAS IMAGINE (ERDAS Inc., USA).

При этом предпочтение отдается программному обеспечению NeRIS и ENVI. Программы универсальны и обладают огромными возможностями визуализации и анализа данных дистанционного зондирования Земли.

NeRIS и ENVI предусматривают все режимы векторизации результатов дешифрования и их экспорт в форматы наиболее распространенных ГИС – ArcInfo (ArcView) и MapInfo, которые рекомендуется использовать при оформлении карт.

В данном случае при обработке использовались такие программные продукты как ENVI, IMAPP, ScanViewer. Для тематической обработки была использована программа Scanex Modis Processor.

Общую схему системы приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли можно увидеть на рисунке 2.1.1.

Рис. 2.1.1. Общая схема системы приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли

Космический сегмент – это собственно спутник с системой управления, пространственного ориентирования, получения информации и передачи данных. Наземный сегмент – в данном случае это центр приема данных дистанционного зондирования Земли на базе «АПК ЕОСкан».

2.2 Предварительная обработка данны х в приложениях ScanViewer и IMAPP

Предварительная обработка данных имеет целью подготовку получаемых данных дистанционного зондирования к последующему анализу и тематической интерпретации.

2.2.1 Назначение и основные функции приложения ScanViewer

Приложение ScanViewer (рис. 2.2.1) предназначено для просмотра, общей предварительной оценки и фрагментации файлов изображений Земли из космоса, принятых с помощью станций ЕОСкан. Приложение предназначено для работы в среде MS Windows 98/NT и позволяет осуществлять следующие основные операции с изображениями:

- просмотр изображений на дисплее ПЭВМ в произвольном черно-белом, псевдоцветном или синтезированном цветном представлении с произвольным выбором размера и целочисленного масштаба фрагмента изображения;

- географическую привязку изображения по орбитальным элементам спутника с наложением на изображение координатной сетки, географической карты и возможностью коррекции привязки непосредственно по изображению;

- выбор произвольного фрагмента изображения для сохранения его в новом файле того же формата или экспорта в формат Windows BMP;

- вывод на печать отдельного изображения или группы изображений с наложением географической привязки.

В соответствии с назначением приложения (анализ качества изображений и пригодности их для дальнейшего тематического анализа, подготовка фрагментов для такого анализа) основной акцент при его построении делают на функциях загрузки и визуального восприятия. Приложение позволяет выбирать данные для загрузки, как по имени файла, так и по основным его атрибутам (имени спутника, времени записи и другим, в зависимости от типа данных).

Для работы с изображениями больших размеров предоставляется возможность «последовательного» выбора фрагментов – «одного из другого» с последовательным увеличением масштаба. Никаких ограничений на размер исходного файла изображения не накладывается. Число одновременно загруженных в память и отображаемых на дисплее фрагментов одного и того же или разных изображений ограничено только объемом памяти ПЭВМ и ресурсами Windows.

Рис. 2.2.1. Интерфейс приложения предварительного просмотра изображений ScanViewer

2.2.2 Специальные функции приложения ScanViewer для работы с данными спектрорадиометра MODIS

В состав приложения ScanViewer для работы с данными спектрорадиометра MODIS входит группа модулей, которая является частью приложения ScanViewer 4.0 и обеспечивает возможность просмотра и географической привязки данных спектрорадиометра MODIS в форматах Level0 (называемом также PDS), Level1A (продукт MOD01) и Level1B (продукты MOD021KM, MOD02HKM, MOD02QKM).

При просмотре возможен выбор любого фрагмента изображения и любой комбинации спектральных каналов для загрузки в собственные окна или RGB-синтеза. Предоставляется возможность управления преобразованием разрядности из 16 в 8 бит при загрузке.

Возможность создания новых файлов для записи фрагментов исходных данных предоставляется только для формата PDS. Фрагмент для сохранения в новом файле можно выбирать только по времени начала и окончания, селекция спектральных каналов и ограничение полосы обзора не допустимы. Привязку выполняют по независимым орбитальным данным формата NORAD/TLE.

В файлах формата Level0 (PDS) поток данных записан так, как он формируется спектрорадиометром на борту спутника. Он представляет собой последовательность пакетов данных. Размеры пакетов могут быть различными и указываются непосредственно в пакетах. Каждый из них содержит либо некоторый объем выходных данных спектрорадиометра, либо вспомогательную информацию (в том числе необходимую для калибровки и географической привязки данных в процессе преобразования в форматы более высоких уровней), а также служебные и контрольные параметры, включая время съемки.

Данные формата Level0 (PDS) создает станция ЕОСкан непосредственно при приеме. Для их преобразования в форматы Level1A/1B используют пакет IMAPP (International MODIS/AIRS Processing Package), который разработан в Висконсинском университете (США) при поддержке NASA, адаптирован специалистами ИТЦ «СканЭкс» для MS Windows, распространяется бесплатно и поставляется в составе станций ЕОСкан.

Данные формата Level1A (продукт MOD01 по номенклатуре продуктов EOS) представляют собой результат распаковки данных формата Level0. В файлах MOD01 изображения записаны в растровом виде, и поэтому они считываются гораздо быстрее. Данные в файлах MOD01 не подвергнуты никакой обработке по сравнению с PDS. Один файл PDS преобразуется в один файл MOD01, который содержит всю исходную научную и служебную информацию.

Данные в файлах формата Level1B (продукты MOD02) откалиброваны и сопровождаются географической привязкой. В процессе преобразования из уровня 1А в уровень 1B данные разного пространственного разрешения разделяют на разные файлы. Всего существует четыре продукта MODIS этого уровня:

- MOD021KM (данные всех 38 каналов, приведенные к разрешению 1 км),

- MOD02HKM (данные 1 - 7го каналов, приведенные к разрешению 500 м),

- MOD02QKM (данные 1го и 2го каналов с разрешением 250 м),

- MOD02OBC (бортовые калибровочные данные) - этот продукт приложением ScanViewer не используется.

В файлах уровней 1A/1B данные записываются в 16-разрядных словах (одно слово на пиксел на канал). Максимальные значения могут соответствовать 12 битам в файлах уровня 1A и 15 битам - в файлах уровня 1B.

Все форматы продуктов MODIS, начиная с уровня 1А, являются производными формата HDF. Для чтения файлов этого формата в приложении ScanViewer используют динамическую библиотеку HDF NCSA, распространяемую свободно.

2.2.3 Назначение и основные функции программы IMAPP

Пакет программ IMAPP (International MODIS/AIRS Processing Package) предназначен для преобразования данных сканера MODIS из файлов формата Level0 (PDS) в продукты уровней Level1A и Level1B. Пакет был создан в Космическом научно-инженерном центре (SSEC) Висконсинского университета (США) на основе рабочего программного обеспечения обработки данных MODIS, используемого в NASA. Пакет IMAPP распространяется бесплатно на условиях лицензии GNU General Public License. Базовый вариант пакета и документация к нему свободно доступны в Интернет на сервере SSEC по адресу: http://cimss.ssec.wisc.edu/~gumley/IMAPP/IMAPP.html.

Пакет IMAPP используют для обработки данных MODIS уровня Level0 (PDS), полученных в режиме прямого вещания (Direct Broadcast). Эта обработка включает следующие операции:

- преобразование данных, представляющих собой последовательность CCSDS пакетов (уровня Level0), в файл формата HDF (Level1A),

- расчет географической привязки и геометрических параметров съемки для каждого пиксела километрового разрешения,

- калибровка данных MODIS в значения спектральной плотности энергетической яркости.

2.2.4 Описание программ, входящих в пакет IMAPP

Пакет IMAPP включает в себя следующие программы:

1. Программа распаковки данных - unpack.exe.

Программа предназначена для распаковки данных уровня Level0 в файлы уровня Level1a в формате HDF. Файл данных MODIS уровня Level0 содержит последовательность CCSDS пакетов, восстановленных из сигнала, принятого с борта спутника. В терминологии EOSDIS такой файл (точнее, набор файлов) называется Production Data Set (PDS). Файл данных MODIS уровня Level1a представляет собой стандартный продукт EOSDIS с кодовым названием MOD01. Он имеет формат HDF и содержит массивы данных, полученных детекторами, и данные бортовой телеметрии.

2. Программа геолокации - geolocate.exe.

Программа осуществляет географическую привязку файла данных MODIS и создает файл формата HDF, содержащий массивы значений широты и долготы, а также углы сканирования для каждого пиксела с разрешением 1 км. Выходной файл является продуктом MOD03 по номенклатуре EOS. IMAPP может вычислить поля геолокации, используя эфемериды спутника и дополнительную информацию, передаваемую непосредственно в потоке бортовой телеметрии. Это позволяет проводить привязку сразу после получения данных. К сожалению, информация, передаваемая в режиме прямого вещания (DB), может содержать погрешности, которые не позволяют гарантировать точность привязки лучше чем ~ 10 км. Пакет IMAPP позволяет также использовать точные эфемериды и данные об ориентации, получаемые и предоставляемые службами управления орбитальным сегментом. Благодаря использованию этих данных точность привязки может быть повышена до ~1 км. Недостаток использования точных данных заключается в том, что они имеют значительный объем и доступны только через несколько дней после приема.

3. Программа калибровки - calibrate.exe.

Последняя из трех основных программ пакета IMAPP предназначена для калибровки данных MODIS в абсолютные значения спектральной плотности энергетической яркости (в единицах Вт м-2 мкм-1 стер-1). В результате создается стандартный продукт MOD02. Выходной продукт содержит четыре отдельных файла:

- MOD02QKM - калиброванные данные 1-го-2-го каналов с разрешением только 250 v,

- MOD02HKM - калиброванные данные 3-го-7-го каналов с разрешением 500 м и 1-го-2-го каналов, приведенные к разрешению 500 м,

- MOD021KM - калиброванные данные каналов с разрешением 1 км, разделенных на две категории: видимые и БИК (8-19, 26) и тепловые ИК (20-36 за исключением 26). Также содержит данные каналов с разрешением 250 и 500 м, приведенные к разрешению 1 км,

- MOD02OBC - данные бортовой калибровки, содержащиеся в информации уровня Level1A.

В качестве входных программа калибровки использует файлы уровня Level1A и файлы геолокации, созданные на предыдущих этапах обработки.

2.2.5 Обработка данных спектрорадиометра MODIS средствами программ ScanViewer и IMAPP

В результате первичной обработки в программах ScanViewer и IMAPP, принятые снимки распаковываются, нарезаются на сцены, объем и качество которых определяются документом «Временные требования по предоставлению в государственный банк цифровой геологической информации и информации о недропользовании в России и использованию данных дистанционного зондирования земли, получаемых с помощью спектрорадиометра Modis космического аппарата Terra» (Москва, ГлавНИВЦ, МПР России, 2001 год).

Далее производится их предварительная геопривязка по баллистическим характеристикам спутника. Обработанные данные, полученные с двух дневных (нисходящих) витков нарезаются на CD – диски. Таким образом, формируется база данных космоснимков территории Российской Федерации. Однако при этой методике сцены нарезаются автоматически, начиная с момента приема спутниковой информации, по 80 сканов (118 секунд приема). При этом Свердловская область практически всегда попадает в разные сцены, т.е. северная часть области находится в одной сцене (файле), а южная часть в следующей.

По этой причине методика была несколько изменена. С помощью имеющегося программного обеспечения IMAPP и ScanViewer из всего снимка (PDS), вырезается только территория Свердловской области для текущего витка. В программе IMAPP имеется возможность вырезки из общего снимка фрагмента по заданному времени начала приема территории области и времени ее полной съемки (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2. Фрагмент снимка с наложенным шаблоном территории Свердловской области

Эта процедура заключается в следующей последовательности действий:

В программу ScanViewer загружается очередной снимок. На него накладывается координатная сетка и контуры Свердловской области (см. рис.1.4.2, 1.4.3). При перемещении курсора по снимку в строке состояния индицируется время, в которое была принята данная точка. Этим способом определяется время начала приема самой северной точки области. Время приема всей территории можно определить аналогично, но это требуется всего единожды. Экспериментально оно составляет 106 секунд (72 скана).

В программу IMAPP загружается этот же снимок. Затем через разделы меню «File\Export» в диалоговом окне вводятся временные параметры пролета спутника над территорией области (время начала приема и время пролета спутника или количество сканов). При нажатии на кнопку «Save» данные для выделенного участка распаковываются и сохраняются на диске в формате Level1A.

Файл данных MODIS уровня Level1A имеет стандартный (предопределенный) формат с кодовым названием MOD01. Он имеет формат HDF и содержит массивы данных, полученные радиометром, и данные бортовой телеметрии.

Обработку данных в программных средах ScanViewer и IMAPP можно отобразить в виде общей схемы (рис. 2.2.3):

Рис. 2.2.3. Схема обработки данных в программах ScanViewer и IMAPP

2.2.6 Архивация и каталогизация данных MODIS

По данным дистанционного зондирования ведутся каталоги и архивы, которые обеспечивают быстрый поиск и оценку качества информации.

Менеджер каталога ScanEx Catalog Manager позволяет создавать и использовать каталог спутниковых снимков (рис. 2.2.4). В каталоге сохраняется набор параметров, позволяющий в дальнейшем быстро находить снимки по заданным критериям и просматривать сохраненные параметры, не извлекая из архива сами снимки. Регистрация снимков в каталоге осуществляется автоматически путем считывания информации непосредственно из файлов с изображениями. Кроме параметров снимка в каталоге также сохраняется метка тома диска и расположение файла на нем, что позволяет при необходимости легко его отыскать. Кроме заносимой автоматически информации пользователь имеет возможность связать с записями о снимках изображение в формате BMP или JPEG и произвольный текстовый комментарий.

Каталог организован в виде набора таблиц. Первые три таблицы создаются автоматически при первоначальной установке каталога и не могут быть удалены, поскольку имеют специальное назначение.

Global catalog и Local catalog - таблицы, предназначенные для хранения основного каталога. Сюда необходимо заносить снимки, которые будут составлять основу постоянного каталога. Таблицы организованы одинаково. Две основные таблицы позволяют вести два независимых каталога.

Last query - временная таблица, в которую заносят записи, отобранные в результате поиска в основном каталоге. При каждой операции поиска эта таблица перезаписывается.

Рис. 2.2.4. Интерфейс приложения ScanEx Catalog Manager

Для того, чтобы сохранить результаты поиска и отбора снимков, пользователь имеет возможность создавать новые таблицы путем сохранения существующих под другим именем.

Пакет состоит из двух приложений - Catalog Manager и Ingest Manager. Первое предназначено для внесения информации в каталог, ее поиска и поддержки каталога. Ingest Manager предназначен только для внесения данных в каталог и предоставляет для этого дополнительные возможности по сравнению с Catalog Manager (поддержка данных спектрорадиометра MODIS).

Приложение Ingest Manager предназначено для автоматического извлечения метаданных из файлов спутниковых изображений и внесения их в каталог для дальнейшего использования с программой Catalog Manager. Это приложение предоставляет ряд дополнительных возможностей при занесении данных в каталог. Среди них - автоматическое создание и регистрация изображений для предварительного просмотра и протоколирование выполняемых операций. Кроме того, в текущей реализации каталога - это единственный способ регистрации данных спектрорадиометра MODIS.

Ingest Manager позволяет выполнять только две операции: регистрацию метаданных снимков в каталоге и создание и сохранение в виде BMP-уменьшенных изображений (без занесения в каталог). Последнюю операцию можно использовать для визуальной оценки набора снимков или подбора параметров создания уменьшенных изображений, при этом в базы данных каталога не вносят никаких изменений. Обе операции выполняются над всеми файлами данных поддерживаемых форматов, расположенными в указываемой пользователем директории.

Для согласованного ведения архива и возможности упрощенного обмена данными необходимо выполнять следующие указания:

Долговременному хранению в архиве подлежат данные MODIS уровня 1А (т.е. продукт MOD01). Для обработки принятых с помощью станций ЕОСкан и УниСкан данных до этого уровня необходимо использовать программный пакет IMAPP. Визуальный контроль качества исходных (уровень 0, или PDS) и обработанных данных осуществляется с помощью приложения ScanViewer.

В архиве предлагается хранить только снятые в дневном режиме относительно безоблачные (не более 50% облачности) фрагменты по возможности одинакового размера. В особых случаях (например, при необходимости частого мониторинга заранее определенных территорий) возможно изменение критериев отбора данных. Фрагментация исходных изображений на фрагменты осуществляется автоматически приложением unpack пакета IMAPP.

Основным носителем для архивирования и передачи данных служат компакт-диски однократной записи (CD-R). Запись дисков осуществляется с помощью штатного программного обеспечения, поставляемого с аппаратурой записи. Использование других типов носителей или нестандартных форматов записи требует согласования со специалистами ИТЦ «СканЭкс». Эта организация поставляет и осуществляет поддержку программного обеспечения, необходимого для проведения операций по архивированию данных.

На рабочем месте оператора должны быть установлены следующие программные пакеты: ScanViewer, IMAPP, программное обеспечение записи данных на CD-R. На рабочем месте операторов также рекомендуется иметь краткую памятку с описанием порядка работы, адаптированную к конкретному рабочему месту (т.е. с указанием действительных для данной машины директорий для хранения PDS, MOD01 и промежуточных файлов, а также присвоенного данному центру идентификатора для архивных дисков).

В архиве хранятся отобранные файлы MOD01, записанные на компакт-диски. Размер стандартного фрагмента - около 215 Мб. Таким образом, на один стандартный компакт-диск может быть записано 3 фрагмента. Меньший размер файла может быть вызван либо тем, что в нем содержится количество сканов меньше стандартного (80), он содержит данные, полученные в ночном режиме. Все записываемые архивные диски должны иметь уникальные метки дисков (Volume label), которые присваиваются в процессе записи. Это необходимо для возможности автоматического учета и каталогизации данных. Диски, подлежащие передаче, должны иметь метку, состоящую из двух частей: постоянного идентификатора приемного центра (несколько букв, которые должны быть предварительно согласованы с получателем информации) и порядкового номера, увеличивающегося на единицу для каждого последующего диска.

2.3 Вторичная обработка данных в программной среде ENVI

2.3.1 Назначение и основные функции программы ENVI

ENVI является наиболее совершенным и в то же время очень простым в управлении программным обеспечением для работы с данными дистанционного зондирования. Программа ENVI (рис. 2.3.1) настолько проста в использовании, что она полностью изменяет подход к работе с данными дистанционного зондирования Земли.

ENVI включает в себя функции:

- по обработке и глубокому анализу гиперспектральных снимков,

- по исправлению геометрических и радиометрических искажений,

- поддержки объемных растровых и векторных форматов,

- по интерактивному улучшению изображений,

- по интерактивному дешифрированию и классификации,

- выбора области обработки,

- векторного отображения,

- оцифровки,

- правки,

- построения запросов,

- по анализу снимков в радиодиапазоне.

В отличие от других пакетов по обработке снимков в ENVI встроен удобный язык программирования IDL (Interactive Data Language), так что можно расширить функциональные возможности ENVI или создать собственные подпрограммы.

ENVI версии 4.4 обеспечивает поддержку новых типов снимков, новых методов получения информации из данных дистанционного зондирования, более удобный способ отображения на экране как растровых, так и векторных данных. ENVI обеспечивает наиболее развитый на сегодняшний день набор функций обработки данных дистанционного зондирования и их интеграции с данными ГИС.

ENVI идеально подходит для извлечения данных радарной дальномерной съемки, панхроматической съемки, многодиапазонной съемки, гиперспектральных снимков и других цифровых снимков и изображений.

Рис. 2.3.1. Программная среда ENVI с загруженным космическим снимком

В ENVI для каждого снимка или набора данных ГИС можно выбирать один или несколько способов отображения информации в окне или окнах. Только окно крупного масштаба показа снимка, окно показа всего снимка и окно крупного масштаба показа, окно крупного масштаба показа снимка и окно для перемещения по снимку, все три окна – показа полного снимка, части снимка в крупном масштабе и окно перемещения по снимку. Окна, относящиеся к одному снимку, могут двигаться по экрану совместно.

Также можно выявлять изменения на разновременных черно-белых и тематических снимках.

Повышение резкости изображения в заданном диапазоне спектра на основе информации со снимка большого разрешения не приводит к изменению спектра первого снимка. Определение близких по характеристикам участков на снимке на основе классификации снимка, используя новый генератор стратифицировано‑случайных точек. Определение материала подстилающей поверхности в пределах одного пикселя спектрального снимка, используя несколько характеристических кривых поглощения в улучшенном инструменте подбора спектральных характеристик (Spectral Feature Fitting).

В ENVI можно выбирать волновое число (обратная величина длины волны в см.) или длину волны на оси Х на графике спектра. Волновое число часто используется в спектроскопии вместо длины волны. В инструментах спектрального анализа, можно напрямую читать двоичные файлы библиотек спектров созданных широко используемыми спектрорадиометрами фирмы Analytical Spectral Devices, Inc

Можно использовать анализатор спектра для определения спектра неизвестного материала прямо из мастера работы со спектрами. Мастер работы со спектрами, который был введен в ENVI 3.5, позволяет последовательно по шагам, через «Увеличительное стекло» ENVI определять на многозональных и гиперспектральных снимках материалы подстилающей поверхности и наносить такие участки на карту.

Также можно разрезать, объединять и складывать узлы на слоях векторов. Можно также создавать цифровую модель рельефа по векторам контуров, в которых информация о высоте хранится как атрибутивная.

Можно выбирать цвет заливки рамки и зарамочного оформления карты и все параметры стиля оформления линий градусной сетки карты для быстрого составления карт и создания повторно используемых шаблонов оформления карт.

В окне составления и показа мозаик снимков показывается макет всей мозаики и все линии обреза исходных снимков.

ENVI не имеет собственного формата. Вместо этого пакет позволяет создавать отдельный файл заголовка, связанный с бинарным файлом в формате BSQ, BIL или В1Р. Поэтому растровые данные ENVI можно использовать без конвертации в форматы других ГИС и пакетов обработки изображений, которые поддерживают соответствующий формат файла заголовка. Это удобное свойство для системы обработки снимков, учитывая большие размеры файлов изображений.

ENVI поддерживает много растровых форматов данных, включая ERDAS 8.x, Terra, SPOT, RadarSat, Windows bmp и другие. Используя возможности IDL, пользователь легко может ввести в ENVI функции экспорта и импорта любых данных. Векторное обеспечение ENVI достаточно для решения большинства задач дистанционного зондирования, связанных с обработкой космоснимков. Пользователи могут визуализировать многочисленные векторные слои в форматах AutoCAD DXF, обменного формата ARC/INFO и USGS DLG и/или импортировать их во внутренний векторный формат ENVI. Файлы аннотаций и областей интереса (внутренние векторные форматы данных) могут быть привязаны к картографическим координатам и выведены в DXF-файл.

Основная задача ENVI - обеспечить специалистов в области дистанционного зондирования наилучшими возможностями именно в области обработки изображений, а не ГИС. ENVI является пакетом для обработки изображений, дополняющим существующие ГИС, но ни в коем случае не устраняющим их из процесса обработки. Этим объясняется и невысокая цена пакета при очень приличных возможностях в области дистанционного зондирования. Функции экспорта и импорта DXF-файлов предоставляют гибкие возможности работы с векторными данными, исключая их прямое редактирование. Эта функция оставлена для ГИС-пакетов.

Пакет поддерживает большое число картографических проекций и координатных систем, в том числе широко используемую в России проекцию Гаусса-Крюгера. ENVI позволяет создавать мозаику из снимков с различным пространственным разрешением. Сшивка изображений может идти вдоль любого выделенного контура (например, дорога, река и т.д.).

ENVI содержит исчерпывающий набор инструментов для выполнения основных и многих расширенных функций обработки изображений. Скорость вывода изображений на экран и их аналитической обработки высока. Впечатляют возможности IDL, в частности, функции визуализации данных.

С точки зрения простоты в использовании и основных возможностей обработки изображений, ENVI является одной из наиболее доступных и дешевых (если вы покупаете только ENVI, без IDL) систем обработки изображений для дистанционного зондирования.

Основные преимущества ENVI выявляются при работе с многоспектральными и радиолокационными данными.

2.3.2 Обработка данных спектрорадиометра MODIS в программе ENVI и перенос их в геоинформационную систему

Обработка данных спектрорадиометра MODIS в программе ENVI состоит из нескольких этапов. Предварительно следует отметить, что для создания полноцветного RGB изображения с высоким разрешением (250 м.) необходимо иметь информацию по трем спектральным каналам.

Радиометр MODIS предоставляет информацию с таким разрешением только в двух каналах. Поэтому по ходу обработки данных происходит искусственный синтез RGB изображения из каналов с различным пространственным разрешением.

Опытным путем показано, что наилучшее (наиболее приближенное к реальной цветопередаче) изображение получается при смешении каналов 1-4-3. Имеется в виду, что красный цвет берется из 1 канала (0.620-0670 мкм 250 м.), зеленый цвет из 4 канала (0.545-0.565 мкм 500 м.) и синий из 3 канала (0.459-0.479 мкм 500 м.). Во-вторых, необходимо иметь в виду, что из-за особенностей геометрии съемки спектрорадиометра MODIS, возникают геометрические искажения на краях снимка. Это связано с большой полосой захвата территории (~2300 км).

Порядок операций по дешифрированию снимка и привязки изображения к топооснове выглядит следующим образом:

1. Устранение геометрических искажений и RGB-синтез спектральных каналов.

Входными данными для этой процедуры служат калиброванные данные уровня Level1B (MOD02QKM и MOD02HKM). На этом этапе происходит геометрическая коррекция данных в выбранных каналах (3,4 разрешение 500 м. и 1 разрешение 250 м.) и искусственное приведение каналов с 500 метровым разрешением к разрешению 250 м., используя пиксельное представление этого канала.

2. Оптимизация RGB-синтеза каналов для улучшения визуализации изображения.

На предыдущем этапе было создано полноцветное спутниковое изображение с разрешением 250 метров. Однако для улучшения его качества, необходима цветовая нормализация данных 1 канала по спектральным характеристикам каналов 3 и 4. Эта процедура выполняется на этом этапе.

3. Геометрическая трансформация снимка для включения в ГИС-проект.

До настоящего времени программа ENVI работала со спутниковыми данными как с растровым изображением, безотносительно к координатной привязке, т.е. без использования данных геопривязки (MOD03). На данном этапе происходит попиксельная привязка изображения к выбранной картографической проекции и системе координат. Для спутниковых данных MODIS применительно к Свердловской области методика рекомендует использовать проекцию Гаусса – Крюгера (зона 10 57^о восточной долготы) и Мировую геодезическую систему 1984 года (WGS84). В результате обработки данных создается файл формата TIFF/GeoTIFF, который можно использовать в любой геоинформационной системе для визуализации этого растрового изображения на любой векторной топооснове.

Дальнейшие операции осуществляются в программной среде ArcView v3.2. Предварительно, для этой среды необходимо инсталлировать дополнительный модуль Spatial Analist v2.0. Для упрощения дальнейших действий, также можно создать шаблон проекта, например, Свердловской области (т.е. проект ArcView, но без включения в него растровых данных, (рис. 2.3.2)). В дальнейшем к этому проекту добавляются растровые данные и сохраняются. Таким образом, создается полнофункциональный ГИС – проект, работающий с полноцветным космическим снимком на топооснове Свердловской области.

Рис. 2.3.2 Шаблон проекта Свердловской области

3. ТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ MODIS В ПРИЛОЖЕНИИ SCANEX MODIS PROCESSOR

Тематическая обработка позволяет представить один или несколько специфических компонентов изображения, которые полезны для решения конкретных задач в более удобном для восприятия и использования виде. При этом остальная информация в преобразованном снимке, как правило, видна хуже или пропадает.

3.1 Функциональные возможности программы Scanex Modis Processor

Программа Scanex Modis Processor (рис. 3.1.1) разработана в ИТЦ «СканЭкс» для обработки данных MODIS.

Приложение Scanex Modis Processor предназначено для решения следующих задач:

- геометрической коррекции пространственных данных, полученных со спутников оборудованных сканером MODIS. Геометрическую коррекцию можно проводить, как по орбитальным данным спутника, так и по данным пользователя с преобразованием изображения в одну из наиболее распространенных картографических проекций. Имеется возможность преобразования космических снимков в произвольную (указанную пользователем в виде числовой матрицы трансформированных координат) картографическую проекцию,

Рис. 3.1.1. Интерфейс программной оболочки Scanex Modis Processor

- обеспечения возможности оперативной обработки космических снимков с использованием масок: выделения пожаров, облачности, расчет вегетационных индексов NDVI и EVI (Enhanced Vegetation Index),

- использования специальных методов интерполяции для получения заданного пространственного разрешения пикселей изображения,

- получения цветосинтезированного изображения из нескольких разновременных снимков одной территории, позволяющего наглядно представить процессы пространственно-временного изменения территории,

- получения единого изображения из нескольких снимков на одну территорию, в том числе с использованием снимков разного разрешения,

- устранения дефектов изображения по заданному контуру (помехи при приеме, облачность и т.д.) с использованием дополнительных снимков,

- просмотра результатов трансформации на экране компьютера с загрузкой трансформированного растра, в том числе совместно с цифровыми векторными картами. Кроме стандартных возможностей просмотра (изменение масштаба, передвижение по изображению), программа позволяет создавать и редактировать файлы геометрических поправок и опорных точек (TIC-файлы), необходимые для выполнения дополнительной трансформации,

- сохранения оттрансформированных данных в формате программы тематического дешифрирования ScanExNeris,

- вывода снимков с сохранением координатной привязки в формате наиболее распространенных ГИС (ArcInfo, ArcView, MapInfo),

- вывода изображения в файл в формате, воспринимаемом стандартными графическими программами для последующего вывода на твердые копии в неискаженном виде.

Интерфейс программы организован в виде многостраничного документа, что позволяет в любой момент вернуться к предыдущим «настройкам» и изменить параметры.

Программа поддерживает проекции Меркатора, Ламберта, Полярную стереографическую, Альберса, Гаусса-Крюгера, UTM, а также содержит средства для выполнения трансформации в произвольную проекцию, подготовленную пользователем.

3.2 Геометрическая коррекция

В программе Scanex Modis Processor реализованы две степени глубины геометрической коррекции:

1. Начальная коррекция снимка, осуществляемая по орбитальным данным спутника. При этом возможны достаточно грубые систематические ошибки, связанные с ошибкой определения орбитальных характеристик спутника.

2. Следующая степень коррекции, осуществляемая по контрольным (реперным) точкам, для изображения, полученного после начальной коррекции. При этом используются три метода преобразований:

- исправление систематических аффинных ошибок (поворот и изменение масштаба). Данный вид преобразования (Affine) используется для устранения систематических ошибок, одинаковых для всех точек снимка,

- исправление ошибок проекционного характера. Данный вид преобразования (Projective) рекомендуется, например, для исправления перспективных ошибок, возникающих при съемке под большим поперечным углом,

Описанные виды геометрической коррекции затрагивают снимок в целом. При наличии на изображении локальных искажений, вызванных, например, спецификой рельефа, используют метод «резиновой пленки» (Rubber sheet), позволяющий исправить отдельные локальные ошибки.

3.3 Интерполяция яркостей

Для интерполяции яркостей пикселей при геометрической коррекции используют два специальных метода:

1. Билинейную интерполяцию фотометрических характеристик в центре трансформированного пикселя по фотометрическим характеристикам исходного изображения (Linear). Рекомендуется применять при незначительном изменении пространственного разрешения, она сохраняет резкие яркостные и цветовые переходы исходного изображения;

2. Вычисление усредненных фотометрических характеристик по всему пикселю за счет интегрирования фотометрических характеристик его прообраза (Integral). Рекомендуется применять при незначительном изменении пространственного разрешения снимка с целью сохранения локальных фотометрических характеристик изображения (при тематической дешифровке снимков).

3.4 Поддерживаемые форматы данных

Программа Scanex Modis Processor поддерживает следующие форматы данных:

- растровые;

- векторные;

- служебные.

Как входные в программе Scanex Modis Processor используются данные, полученные со спутников, оборудованных сканером MODIS, в формате HDF. Данные в формате HDF имеют два уровня упаковки: Level 1A и Level 1B.

Формат Level 1A представлен двумя группами файлов:

1. Файлы «MOD01.имя_файла.HDF» - содержат некалиброванные данные дневных и ночных спектральных каналов в разрешении 1 км, 500 м, 250 м. В программе они обозначаются соответственно суффиксами _Day и _Night.

2. Файлы «MOD03.имя_файла.HDF» - содержат информацию о географической координатной привязке для файлов формата Level 1A.

Формат Level 1B представлен четырьмя группами файлов:

1. Файлы «MOD02 KM.имя_файла.HDF» - содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 1 км в пикселе. В программе эти каналы обозначаются суффиксами _Refl и _Emiss.

2. Файлы «MOD02HKM.имя_файла.HDF» - содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 500 м в пикселе.

3. Файлы «MOD02QKM.имя_файла.HDF» - содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 250 м в пикселе.

4. Файлы «MOD02OBC.имя_файла.HDF» - содержат информацию географической координатной привязки для файлов формата Level 1B.

Растровые форматы для использования в ГИС:

*.BIL - многослойный растровый файл, пригодный для использования в программе ArcView, ArcInfo и др.

*.TAB - файлы с описанием географической привязки растра для программы MapInfo.

Графический растровый формат:

*.BMP - Windows Bitmap файл.

Внутренний растровый формат:

*.STI - служебный формат ScanEx, предназначенный для обмена изображениями с программой ScanExNeris. Формат STI - может содержать до 12 растровых слоев.

При проведении геометрической коррекции изображений, возникает необходимость отображения векторных данных. Программа Scanex Modis Processor способна отображать векторные данные в обменном формате программы MapInfo - *.MIF (MapInfo Interchange Format).

Служебные форматы:

*.HIS - файлы, в которых запоминается информация о геометрической трансформации растра, которая может быть использована при последующей коррекции.

*.TIC - файлы информации для коррекции растра по опорным точкам (для каждой опорной точки указываются ее координаты, и координаты, которые она должна получить после трансформации). Координаты записывают в текстовом виде через пробел в том порядке, как они указаны выше, одна строка - для одной опорной точки. Первой записывают горизонтальную, второй - вертикальную координаты точек.

3.5 Методика обнаружения пожаров в программной среде Scanex Modis Processor

Методика обнаружения пожаров основана на сравнении температур (интенсивностей входного сигнала, полученного радиометром MODIS) каждого пикселя в двух инфракрасных спектральных каналах, 21 канал (4 мкм T₄ ) и 31 канал (11 мкм T₁₁ ). Эта методика реализована в рамках программы Scanex Modis Processor с возможностью диалоговой настройки входных и выходных параметров (рис. 3.5.1)

При этом считается, что чем выше температура пикселя в 21 канале, тем больше вероятность пожара. Аналогично, чем больше разность температур в каналах 4 мкм. и 11 мкм. (dT₄₁₁ ), тем больше вероятность пожара.

Получение масок пожаров возможно для MOD02 файлов с разрешением 1 км.

Рис. 3.5.1. Интерфейс настройки параметров маски пожаров

Потенциальный очаг пожара выявляется двумя способами:

1. Абсолютные значения каждой из вышеназванных величин в пикселе (T₄ и dT₄₁₁ ) превышают допустимые пределы, заданные в параметрах маски пожаров (например, T₄ выше 360^о К днем или dT₄₁₁ больше 25^о днем).

2. Значение интенсивности сигнала в канале 4 мкм некоторого пикселя сильно отличается от окружения (например, T₄ > T_{4 b} + pT_{4. s . d . c} .*dT_{4 b} - температура текущего исследуемого пикселя в канале 4 мкм больше средней температуры окружающих пикселей + стандартное отклонение температуры окружающих его пикселей умноженное на эмпирический коэффициент (standard deviation coefficient, обычно pT_{4. s . d . c} = 3)).

В программе Scanex Modis Processor имеется некоторый набор параметров, который может отсеивать ложные сигналы. С учетом этих параметров пиксели с обнаруженным пожаром, но отбракованные, отсеиваются. Все эти параметры программно могут быть изменены в процессе работы.

В результате работы алгоритма создается файл отчета (Fire.log, табл. 2), куда записываются дата и время проведения детектирования, имя исходного (MOD021KM) файла, и в табличном представлении выводится:

1. Координаты пикселей с обнаруженными пожарами (долгота, широта).

2. Сила пожара в этих пикселях, выраженная в Ватт/м^-2 .

3. Зарегистрированная температура в канале 4 мкм в градусах Кельвина.

4. Предположительная вероятность возгорания (состояние).

Количество пикселей в таблице чаще всего не равно количеству пожаров, например, географические координаты пикселей № 3, 4, 5, 6 отличаются между собой на несколько угловых минут, что укладывается в погрешность съемки (250м.). Поэтому можно предположить, что они принадлежат одному очагу возгорания.

В программе имеется набор параметров, которые отвечают за то, будет тот или иной пиксель регистрироваться как очаг пожара или нет. Сочетание этих параметров (маски пожаров) существенно зависят от региона. Например, лесостепная территория Курганской области и Ивдельская тайга имеют различные спектральные характеристики отражения в тепловом диапазоне, принимаемом радиометром MODIS. Кроме того, комбинация этих параметров зависит от сезона (зима, весна, лето, осень) и даже от времени приема.

В результате обработки в среде Scanex Modis Processor формируется файл формата «BIL» (многослойный растровый файл, пригодный для использования в геоинформационной системе ArcView и др.). После такой обработки в среде ArcView необходимо включить в созданный ранее ГИС проект растровые данные маски пожаров (BIL файл).

Таблица 3

Содержимое файла Fire.log

На рисунке 3.5.2 показан участок территории Свердловской области с выявленными очагами пожаров.

В соответствии с «Временными требованиями…»[2] , спутниковая информация принимается только с дневных витков. Однако при наступлении пожароопасного периода для повышения оперативности необходима информация и с ночных снимков. Ночные снимки отличаются от дневных набором передаваемых каналов. Так, если дневные снимки содержат весь набор каналов, то в ночных снимках имеются только каналы с километровым разрешением.

С другой стороны для детектирования пожаров программа Scanex Modis Processor использует данные только километровых каналов, т.е. для создания маски пожаров могут использоваться и ночные снимки. Однако при этом будет отсутствовать растровое изображение территории. Для дополнения ГИС проекта таким изображением может использоваться любой имеющийся космический снимок области, подходящий по сезонному периоду.

Рис. 3.5.2. Участок территории Свердловской области с выявленными очагами пожаров. Снимок со спутника Terra 1 июля 2003 года 11:41, RGB - синтез каналов 1-4-3, разрешение 250 метров

3.6 Хранение сведений о пожарах в банке данных

Все полученные данные с обнаруженными очагами пожаров накапливаются в банке данных, структура которого образует совокупность атрибутивных данных, цифровых карт и спутниковых изображений.

Атрибутивная составляющая банка данных включает данные о лесных пожарах, метеорологические данные, данные о ресурсах службы охраны, данные о лесах и нормативно-справочную информацию.

В банке данных есть сведения о каждом пожаре, зарегистрированном на охраняемой территории, что представляет собой основу для ведения ежегодно обновляемого архива для ретроспективного анализа горимости лесов. Информация по каждому пожару включает свыше 40 показателей, которые характеризуют его местоположение, условия и причину загорания, время и способ обнаружения пожара, длительность его распространения до локализации, время и способ тушения, размеры и структуру пройденной огнем площади.

Оперативные данные о лесных пожарах содержат информацию о каждом крупном пожаре и интегральные характеристики горимости лесов за каждый день пожароопасного сезона.

База метеорологических данных формируется на основе оперативной (фактической и прогнозной) информации Гидрометеоцентра России. Эта информация используется для оценки и прогноза степени пожарной опасности в лесах по условиям погоды и построения соответствующих оперативных карт.

Картографическая часть банка данных включает цифровые карты следующих основных типов: топографическая основа, административное деление, производственная организация территории.

Получая информацию о каждом прошедшем пожаре, о погодных условиях, о причинах возникновения пожаров, а также получая информацию с метеостанций и со станции направленного поиска молний, можно с большой вероятностью определить возможность возникновения лесного пожара в том или ином месте охраняемой территории.

Вся система мониторинга лесных пожаров позволяет:

- осуществлять контроль лесопожарной обстановки практически на всей территорией Российской Федерации;

- оценивать и предоставлять информацию о параметрах лесных пожаров: координатах и площади очагов горения, удаленность очагов от объектов инфраструктуры, направление распространения пожаров;

- выявлять зоны и площади задымления от лесных пожаров с указанием населенных пунктов, оказавшихся в зонах задымления;

- обнаруживать не только действующие лесные пожары, но и пожары в стадии начала их развития;

- определять возможность возникновения лесных пожаров в том или ином месте охраняемой территории.

4. СОЗДАНИЕ ГИС-ПРОЕКТА ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С ЦЕЛЬЮ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВ ПОЖАРОВ

Прием и обработка данных со спутника Terra производилась в Уральском региональном центре приема данных дистанционного зондирования Земли в Уральском регионе на базе «УралРИКЦ».

«УралРИКЦ» выполняет функции регионального банка данных геолого-геофизической информации в составе Государственного банка цифровой геологической информации (ГБЦГИ) в рамках Единой информационной системы недропользования (ЕИСН) России, и осуществляет деятельность по сбору, обработке, хранению и использованию геолого-геофизической информации на территориях Свердловской, Челябинской, Тюменской и Курганской областей, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов.

Данные со спутника Terra принимались приемной антенной, установленной на крыше 5 этажа промышленного здания по улице Вайнера 55. Вследствие того, что имеются ограничения на длину кабеля от антенны до блока приема и управления (не более 50 м), узел приема информации расположен в этом же здании на 5 этаже, арендуемом у ОАО «Уральская геолого-съемочная экспедиция».

Обработка данных и обнаружение пожаров производилось по снимкам территории Свердловской области, принятых спектрорадиометром MODIS со спутника Terra наземной станцией ЕОСкан в мае-июне 2004 года. Всего для обработки было взято четыре снимка:

1. Снимок со спутника Terra 20 мая 2004 года, 12:48, RGB - синтез каналов1-4-3, разрешение 250 метров.

2. Снимок со спутника Terra 27 мая 2004 года, 11:16, RGB - синтез каналов1-4-3, разрешение 250 метров.

3. Снимок со спутника Terra 5 июня 2004 года, 13:00, RGB - синтез каналов1-4-3, разрешение 250 метров.

4. Снимок со спутника Terra 21 июня 2004 года, 11:22, RGB - синтез каналов1-4-3, разрешение 250 метров.

После того, как снимки были приняты приемной станцией ЕОСкан, сначала была произведена их предварительная обработка в программах ScanViewer и IMAPP. В результате этой обработки снимки подверглись предварительной оценке и фрагментации файлов изображений. Была сделана географическая привязка изображения по орбитальным элементам спутника с наложением на изображение координатной сетки. Были получены следующие выходные файлы:

- MOD021KM,

- MOD02HKM,

- MOD02QKM,

- MOD02OBC.

Далее была совершена вторичная обработка снимков в программной среде ENVI. В результате чего были устранены геометрические искажения, произведен RGB-синтез спектральных каналов и геометрическая трансформация снимка для включения его в ГИС-проект. Здесь же была сделана попиксельная привязка изображения к картографической проекции Гаусса – Крюгера (зона 10 57^о восточной долготы) и Мировой геодезической системе 1984 года (WGS84). В результате обработки были созданы файлы формата TIFF/GeoTIFF, которые далее были использованы в геоинформационной системе ArcView для создания ГИС-проекта Свердловской области.

Для создания ГИС-проекта в среду ArcView были загружены растровые данные, т.е. полученные после обработки космоснимки, затем векторные данные (топооснова Свердловской области - административные районы области, районные центры и водные объекты).

Затем снимки были подвергнуты тематической обработке в программе Scanex Modis Processor. После расчета масок пожаров были созданы файлы отчета (Fire.log), куда записались дата и время проведения детектирования, имя исходного (MOD021KM) файла, и в табличном представлении:

1. Координаты пикселей с обнаруженными пожарами (долгота, широта).

2. Сила пожара в этих пикселях, выраженная в Ватт/м^-2 .

3. Зарегистрированная температура в канале 4 мкм в градусах Кельвина.

4. Предположительная вероятность возгорания (состояние).

Результаты расчета маски пожаров приведены в таблицах 4, 5, 6, 7.

После обработки в среде Scanex Modis Processor был сформирован файл формата «BIL». Затем этот BIL файл с растровыми данными маски пожаров были включены в ГИС-проект Свердловской области, который был создан ранее в среде ArcView.

Таблица 4

Результаты расчета маски пожаров для снимка от 20 мая 2004 года

Таблица 5

Результаты расчета маски пожаров для снимка от 27 мая 2004 года

Таблица 6

Результаты расчета маски пожаров для снимка от 5 июня 2004 года

Таблица 7

Результаты расчета маски пожаров для снимка от 21 июня 2004 года

Таким образом, после всех обработок был получен ГИС-проект Свердловской области с геопривязанными спутниковыми изображениями и выявленными очагами пожаров.

На полученных изображениях видны очаги возгорания лесов, красными точками показаны пожары, рядом с точками координаты пикселей с обнаруженными пожарами.

Ниже приведены эти изображения с наложенной маской пожара:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате обработки и анализа космических снимков, принятых со спутника Terra, был создан ГИС-проект Свердловской области, состоящий из векторных данных (административные районы области, районные центры и водные объекты), растровых данных (космические снимки) и масок пожаров.

В ходе работы было обработано четыре космических снимка территории Свердловской области за период май-июнь 2004 года.

При создании проекта была освоена методика подготовки данных и дешифрирования космических снимков, полученных в «Уральском региональном центре приема данных дистанционного зондирования Земли в Уральском регионе», методика маскирования пожаров, разработанная совместно ИТЦ «СканЭкс» (г. Москва) и ФГУП «ВостСибНИИГиМС» (г. Иркутск). Принятые снимки прошли полный цикл обработки, конечным этапом которого, явилось создание ГИС-проекта, с включением в него геопривязанных спутниковых изображений Свердловской области и масок пожаров.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что применение данных дистанционного зондирования Земли для мониторинга и оперативного обнаружения очагов пожаров в Свердловской области необходимо и самое главное возможно. Системы спутникового мониторинга позволяют своевременно принимать меры к тушению пожаров и вовремя обнаружить очаг возгорания. А это очень важно, так как лесные пожары остаются одним из мощных факторов, влияющих на глобальные изменения окружающей среды. Следы этих катастрофических явлений можно найти повсюду. Часто возникают такие ситуации, при которых все известные технологии борьбы с огнем не приносят результата, и только системы космического мониторинга помогают остановить вырвавшуюся из-под контроля огненную стихию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

120. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования земли. - М.: Издательство А и Б, 1997. - 296 с.

121. Исаев А.С., Сухих В.И., Калашников Е.Н. Аэрокосмический мониторинг лесов. – М.: Наука, 1991.

122. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование земли из Космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие. - М.: Логос, 2001. - 264 с.

123. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. Основы и методы дистанционных исследований в геологии. - М.: Мир, 1998.

124. Перцова А.В. Аэрокосмические методы геологических исследований. - СПб.: ВСЕГЕИ, 2000. - 316 с.

125. Сухих В.И. Дистанционные методы в лесном хозяйстве и охране природы. «Лесное хозяйство», 1979, № 3, 41-45 c.

126. Сухинин А.И. Вероятность обнаружения лесных пожаров дистанционными методами. Лесные пожары и борьба с ними. - Красноярск: ВНИИПОМ, 1994 56-69 с.

127. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации № 1(33) - 2(34) 2002 год.

128. Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации № 2(4) 1996 год.

129. Временные требования по представлению в Государственный банк цифровой геологической информации и информации о недропользовании в России и использованию данных дистанционного зондирования Земли, получаемых с помощью спектрорадиометра MODIS космического аппарата TERRA.- М.: ГлавНИВЦ, 2001 - 28 с.

130. Методические рекомендации по приему, архивации, обработке и предоставлению в пользование информации ведомственной системы ДЗЗ МПР России.

131. Отчет «Прием и обработка данных дистанционного зондирования Земли из космоса в целях решения задач мониторинга паводковой обстановки, обнаружения и оценки последствий лесных пожаров» за 2003 год. - Ект.: УралРИКЦ, 2003 - 72 с.

132. http://www.dataplus.ru/

133. http://www.scanex.ru/

134. http://www.sovzond.ru/

135. http://www.transparentworld.ru/

136. http://www.gisa.ru/

137. http://www.ntsomz.ru/

138. http://gis-lab.info/

[1] в оригинальной терминологии – «transfer frame»

[2]