CC BY
109
УДК 588.85
В.М. Брыксин, А.В. Евтюшкин, А.В. Филатов Технология создания комплексного банка космических снимков Земли
V.M. Bryksin, A.V. Yevtyushkin, A.V. Filatov
Technology of Creating Complex Bank of Earth Space Images
Рассмотрены особенности создания банка данных дистанционного зондирования Земли с различных сенсоров космического базирования.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, космические снимки, каталог, база данных, радарная интерферометрия.
The article considers features of creating data base of the Earth remote sensing from various sensors controlling space basing.
Key words: remote sensing, space images, catalogue, data base, radar interferometry.
Введение. Совершенствование технологий дистанционного зондирования Земли, лавинообразное возрастание объема получаемых данных вызвали бурное развитие поисковых систем [1, 2]. Как правило, каталоги метаданных и квиклуков (QL) имеют операторы всех спутниковых систем, запущенных за последние годы. Имеются средства каталогизации в дорогостоящих коммерческих пакетах Erdas Imagine, Arc Gis. Однако конечным пользователям, выполняющим тематическую интерпретацию спутниковых данных в ГИС приложениях в рамках корпоративной сети, необходимо также обеспечить оперативный доступ к исходным данным. В связи с этим в ЮНИИ ИТ ведется разработка и модернизация программного обеспечения для оперативного поиска космоснимков с возможностью доступа к исходным данным [3-4].
Предварительная обработка данных дистанционного зондирования Земли. В настоящее время в архиве ЮНИИ ИТ имеются космоснимки за 1973-2010 гг. со спутников Landsat 4-5/TM, Landsat 1-5/MSS, Landsat-7/ETM, SPOT-2/4/5, CBERS-2, Ресурс-Ф2М/МК-4, Ресурс-О/МСУ-Э/МСУ-СК,
Метеор-3М/МСУ-Э/МСУ-СМ, Ресурс-ДК, Мони-тор-Э, IRS/LISS3/PAN, TERRA/ASTER, TERRA и AQUA/MODIS, NOAA/AVHRR, ENVISAT/ASAR/ MERIS, ERS-1,2/SAR, JERS-1/SAR, SIR-C, ALOS, Radarsat-1, TerraSar-X, Q-Bird, GeoEye-1, Ikonos, WV-1. Также имеются цифровые модели местности с полным покрытием Земли GTOPO30, SRTM3, SRTM1 и растровые топокарты различных масштабов с геопривязкой.
В центре дистанционного зондирования Земли ЮНИИ ИТ с 2002 г. оперативный прием космоснимков осуществляется круглосуточно на антенные комплексы ТНА-9, ОПТЭКС и СКАНЭКС-М. Объем принимаемой в сутки информации со спутников TERRA, AQUA, NOAA, ERS-2 и МОНИ-
ТОР-Э составляет от 3 до 20 Гб. Первичная обработка данных выполняется на суперкомпьютере SUN FIRE 15K, архивация ведется на стримерных лентах DLT и DAT (ленточная библиотека), DVD и CD дисках. Пополнение архива радарных данных ALOS/ PALSAR проводится при поддержке научных грантов Японского агентства аэрокосмических исследований 07/JAXA/ASP №0704001 и 09/JAXA/AEO №0223001.
Наличие большого числа разнородных геоданных потребовало разработки специализированной поисковой системы, обладающей возможностью доступа к исходным кадрам для большого числа пользователей в локальной сети [4-6]. Использовались следующие технологии подготовки и импорта в поисковую систему координат углов кадров и квиклуков (QL):
- извлечение метаданных из построенных Geotif файлов в пакетном режиме обработки в Erdas Imagine и ENVI: ASTER_L1a, Landsat, ENVISAT, ERS-2/PRI, RadarSat-1, JERS-1, SPOT-2/4/5, Ресурс-Ф2, SRTM;
- обработка метафайлов: ALOS, ERS-2 DLT, SIR-C/X-SAR, Ресурс О1-3, Aster_TL, TerraSAR-X, WV-1, GeoEye-1, Ikonos;
- построение метафайлов по именам файлов исходных данных: Digital Maps;
- импорт метаданных и QL из СУБД NormSat-Reg приемного комплекса ТНА-9 для Метеор-ЗМ;
- импорт метаданных из СУБД IDEAS/PostgreSQL для ERS-2 DLT.
Общая емкость RAID накопителей 5-го уровня EonStor ES A080-C2412, обеспечивающих пользователям поисковой системы для локальной сети online доступ к спутниковым данным в исходных форматах, составляет 18 Тб.
Структура основного архива космоснимков представлена в таблице.
Объем архива космоснимков
Спутник Съемочная аппаратура Кол-во кадров
МЕТЕОР-3М МСУ-Э, CM 32273
РЕСУРС-О МСУ-Э, СК 4965
РЕСУРС-Ф1М МК-4 80
Ресурс-ДК MS, PAN 31
TERRA ASTER 69379
LANDSAT 1-7 MSS, TM, ЕТМ 22015
LANDSAT7 ЕТМ (MrSID формат) 881
LANDSAT 5 TM (MrSID формат) 606
ERS-2 (DLT формат) SAR 70550
ERS-2 (PRI формат) SAR 40539
ERS-1, 2 (tandem) SAR 11
TerraSAR-X SAR 7
ENVISAT ASAR 78
SIR-C (STS) SAR 149
SPOT-2, 4, 5 HRG, HRV, HRVIR, PAN 190
CBERS-2 MS 46
ALOS PALSAR 112
ALOS AVNIR-2, PRISM 64
TERRA, AQUA MODIS 10112
NOAA AVHRR 10934
Создание архива радарных кадров ERS-2.
В Центре дистанционного зондирования Земли ЮНИИ ИТ с 2005 г. ведется создание архива радарных космоснимков ERS-2 на зону радиовидимости приемной антенны ТНА-9. Демодулятор ERS-2 предоставлен Европейским космическим агентством (ESA) для выполнения грантов Category-1 ID 3110, 3158, 3159, 3161, 3162, 3166, 5762 в течение 2005-2012 гг. Регистрация данных ERS-2/SAR выполняется на сервере SGI Challenge, включающем в себя ЦПУ на базе четырех процессоров с тактовой частотой 250 МГ ц.
Разработана оригинальная технология пакетного построения кадров в формате PRI радарных изображений ERS-2, хранящихся на DLT в исходном формате. Создана сервисная программа для управления нажатием виртуальной мыши при построении кадров в формате PRI в лицензионном программном обеспечении Production Monitor разработки фирмы ACS (Италия) с дополнительной клиентской машины SGI О2, работающей в Х-терминале операционной системы IRIX. Установлено, что по окончании работы модуля быстрого преобразования Фурье (БПФ) свертки с перекрытием при синтезе апертуры возможен запуск следующей программы Production Monitor. Время построения кадра в формате PRI составляет 50-60 минут и зависит от времени чтения DLT. Окончание работы модуля БПФ (прямого и обратного) составляет 33-35 минут от момента запуска. При одновременной работе двух модулей Production Monitor с последовательной задержкой запуска в 15 минут исключается простой дорогостоящего оборудования и возможно восстановление до 42 кадров в сутки.
Производительность повышена в три раза по сравнению с интерактивным режимом, что позволяет оперативно подготавливать кадры ERS-2 для целей мониторинга чрезвычайных ситуаций, таких как ледостав, прохождение паводка, лесные пожары.
Интерферометрическая обработка данных ERS-2. В ЮНИИ ИТ накоплен значительный архив (более 70 тыс. кадров) оперативно принимаемых радарных данных ERS-2/SAR, который работает на орбите с апреля 1995 г. В результате выхода из строя систем ориентации аппарата на орбите после аварии в 2001 г. получаемые снимки имеют большую ошибку в геопривязке (до 1200 м) и являются малопригодными для интерферометриче-ской обработки. Только для определенных пар кадров, у которых разница допплеровских центроидов не превышает половины частоты повторения зондирующих импульсов (1680Hz), возможно получить достаточно информативную интерферо-грамму [7].
Для обработки архива снимков ERS-2 в формате PRI разработан комплекс программ для отбора интерферометрических пар, пригодных для расчета смещений земной поверхности на основе разности допплеровских центроидов и длины базовой линии. Использование результатов, полученных при помощи данного комплекса, совместно с поисковой системой Baselmages позволяет выбрать из архива интерферометрические пары, пригодные для построения ЦМР и карт смещений.
Одна из целей обработки архива кадров ERS-2 -накопление достаточного объема данных для применения метода интерферометрии устойчивых отражателей PSI - Persistent Scatterers Interferometry.
Данный подход позволяет анализировать отдельные когерентные точки на интерферограммах, соответствующие объектам нефтедобычи [8], дающие высокий и устойчивый во времени уровень обратного отражения, и получать смещения с точностью до 1 мм.
В 2008 и 2010 гг. ESA проводились миссии по кросс-интерферометрической тандемной съемке Земли на основе ERS-2/SAR и ENVISAT/ASAR. При тандемной съемке спутники сканируют одну и ту же территорию земной поверхности с интервалом в 30 минут, что позволяет исключить временную декорреляцию и строить точные ЦМР либо отслеживать вертикальные подвижки [7]. Однако с учетом срока эксплуатации ERS-2/SAR прогнозируется низкий процент пригодных интерферомет-рических пар тандемной съемки. Доработка комплекса программ позволит применять его для обработки архива радарных данных тандемной миссии ERS-ENVISAT.
Поисковая система для локальной сети. Каталог поисковой системы для ИНТРАНЕТ сети построен на базе СУБД MS SQL Server 2000. Серверная часть с защитой от записи пользователем находится на сервере приемного комплекса ТНА-9. Клиентские приложения работают на рабочих местах пользователей в локальной сети через так называемого толстого клиента. Индексная структура базы данных для спутников среднего и низкого разрешения [5] представлена на рисунках 1 и 2. Пример заполнения базы данных с различных сенсоров показан на рисунке 3.
Реализован поиск космоснимков по следующим критериям: точка, прямоугольник, область произвольной формы с заданием вершин, полилиния, SPH файл, название или дата витка или кадра, временной интервал (рис. 4). При запросе предоставляется возможность настройки цветовой палитры для одновременного отображения контуров кадров при поиске нескольких сенсоров. Результаты поиска отображаются в виде контуров кадров на фоне области поиска и QL с возможностью интерактивного выбора кадра. Для каждого кадра в результатах поиска (рис. 5) отображается QL, картосхема с контуром кадра, координаты углов, дата съемки.
В поисковой системе для локальной сети также предусмотрена подготовка KML файлов отобранных кадров для целей дальнейшего отображения
в сервисе Google Earth [9]. Пользователю предоставляется возможность передачи схемы отобранных кадров в Google Earth через файл формата KML. При этом, помимо схемы кадров, передаются ссылки на QL, хранящиеся на сервере базы.
На базе версии поисковой системы и базы данных космоснимков для локальной сети разработаны WEB интерфейсы, доступные по адресам dzz.uriit.ru, www.ucgd.ru,metageo.uriit.ru. Поисковая система для сети Internet построена на базе My SQL и сервера Apache. Картосхемы масштаба М 1:1000000 для каждого кадра построены программным способом на основе модуля, разработанного в среде Delphi.
В связи с возрастающей популярностью сервиса Google Maps в WEB интерфейс поисковой системы был внедрен интерактивный блок выбора области поиска и просмотра результатов, использующий технологию Google Maps API. При создании интерактивного интерфейса применялись технология AJAX, языки WEB программирования JavaScript и PHP.
Туре
РК ID
Name D¡r_T¡f DirJpg D¡r_Data DirJtJpg CopyData
Scene
РК ID
Type_Satelllte
Scene_Name
Date
X1
Y1
X2
Y2
X3
Y3
X4
Y4
Scenelmg
PK KevID
ID Image
Рис. 1. Структура базы данных для космоснимков среднего и высокого разрешения
DataLong
PK ID
Satellite Date Time FileName DiskName Day Night
ImageLong
PK ID
Daylmg Nightlmg
Рис. 2. Структура базы данных по космоснимкам низкого разрешения
ID Name Dir TIF Dir JPG Dir Data Tv'pe.JF'G StartDate ErsDate Cop;
► 1 SPOT A \\Vp p о і s є rv-p c\Q L\S PO WVppois0rv-pc\QL\SPO WVp p о і s є rv-p cV^rch ¡ ve_ True 111Б 17 False Tru
2 LandSat 7 ETM WVppo і serv-pc\QL\Lanc WVppo і seiv-pc\QL\Lanc WVp p о і s e rv-p cVArch ¡ ve_ True 91315 False Tru
3 LandSat 4-5 TM WVppo і serv-pc\QL\Lanc WVppo і serv-pc\QL\Lanc WVp p о і s e rv-p c^Archi ve_ True 91315 False Tru
4 LandSat 4-B MSS WVppo і seiv-pc\QL\Lanc WVppo і seiv-pc\QL\Lanc WVp p о і s o rv-p cV^rch ¡ V0_ True 91315 False Tru
5 LandSat 1-3 MSS WVppo і serv-pc\QL\Lanc WVppo і seiv-pc\QL\Lanc WVp p о і s e rv-p cVArch ¡ ve_ True 91315 False Tru
6 Terra Aster USGS \\Vp p о і s e rv-p c\Q L\Te rr WVppoiserv-pc\QL\Terr WVp p о і s e rv-p c^Archi ve_ True 01315 False Tru
7 ERS-2 SAR PRI WVppo і seiv-pc\QL\ERS WVppo і seiv-pc\QL\ERS WVp p о і s o rv-p cV^rch ¡ V0_ True True Tru
Рис. 3. Таблица Type
♦ Поиск кадров
Поиск по базе Настройка Круг Прямоуольник Полигон
. X
Полилиния 11 БНР Файл | КМ1_ Файл | Название Имя БНР файла |С:\sensor\X_M AP\wood\wood6\05_okt_Nе1_гедюп05_с!д.$Ьр Использовать для поиска | Все шейпы Количество шейг
Ni Имя шейпа І Номер шейпа I
1 С: \sensor\X_M AP\R U S S IA_rusVsubject_R F. shp Все шейпы
2 C:\sensor\X_MAP\RUSSIA_rus\purovskaya1 -v1 .shp Все шейпы
3 С: \sensor\X_MAP\R IT E K2005\ritek_all_2005.shp Все шейпы
4 C: \sensor\X_MAP'C><MA0\XMA0_adm\hmao_adm_2005_D G. shp Все шейпы
5 CAsensorW MAP\wood\woodG\05 okt Net region05 dg.shp Все шейпы
□ ALDS AVNIR2
□ ALDS PALSAR
□ ALDS PRISM
□ CBERS_2
□ ENVISAT ASAR APP
□ ENVISAT ASAR IMP
□ ENVISAT ASAR IMS
□ ENVISAT ASAR WSM
□ ENVISAT MERIS
□ ERS TANDEM SLC
□ EFIS£SAFIDLJ
□ ERS-2 SAR RAW "
□ ERS-2 SAR SLC
□ GeoEye-1
□ Ikonos
i_________________
□ IRS LISS3 □ Maps 050k
□ IRS PAN □ Maps 100k
□ JERS_1 □ Maps 100k KHMAO
□ LandSat 1 MSS □ Maps 200k
□ LandSat 1-3TL □ Maps 500k
□ LandSat 2 MSS □ Meteor 3M MSU-E
□ LandS at_3 MSS □ Meteor 3M MSU-SM
□ LandS at_4 MSS □ MRSID 1ЭЭ0
□ LandS at_4 TM □ MRSID 2000
□ LandSat 4-5 TL □ QB_lnternet_Sk
□ LandS at_5 MSS □ Q-Bird Google
O LandSat 5 TM □ Q-Bird MS
□ LandS at_7 ETM □ RadarS at-1 SAR
□ LandS at_7 TL □ Resurs DK
□ Maps 001m □ Resurs F2 MK4
□ Maps 025k □ Resurs_o1-3 MSU-E
Период съемки or 01.01.1970 '■
до ое. 12.2010 '■
MÜDIS и N0AA
►
Снять все Инвертировать
/ На
Всего кадров: 30G41G
© Брыксин В.М., Югорский НИИ ИТ, Лаборатория СиТ, 2006-2008. Версия 01.03.11.10
ж Выход
Рис. 4. Интерфейс поисковой системы для локальной сети
Рис. 5. Возможности доступа к исходным данным по результатам поиска кадров ERS-2
Заключение. Основные показатели созданного каталогизированного архива геоданных: объем исходных данных - 23 Тб, объем данных в оперативном доступе на ЯЛШ массивах - 14 Тб, объем рь -180 Гб, число кадров - 318 тыс.
Поисковая система космоснимков [4] используется в ЮНИИ ИТ при выполнении проектов по планированию геофизических профилей, разработки методики картирования видового состава лесов, изучении дина-
мики термокарстовых озер, мониторинге факельных установок по сжиганию попутного нефтяного газа, разработки технологии мониторинга состояния посевных площадей, картировании просадок земной поверхности методом радарной интерферометрии, решении задач поиска залежей нефти на основе ком-плексирования результатов дешифрирования космоснимков, палео- и неотектонических исследований и ряда других комплексных задач.
Библиографический список
1. Шокин Ю.И., Пестунов И.А., Смирнов В.В. и др. Распределенная информационная система сбора, хранения и обработки спутниковых данных для мониторинга территорий Сибири и Дальнего Востока // Журнал Сибирского федерального университета. Сер.: Техника и технологии. - 2008. - Т. 1, №4.
2. Мальцев Е.А., Маглинец Ю.А. Инфраструктура центра приема спутниковой информации Сибирского федерального университета // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. -2010. - Т. 7, №2.
3. Брыксин В.М., Евтюшкин А.В., Еремеев А.В., Ко-чергин Г.А. Поисковая система космоснимков для локальной сети с доступом к исходным данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2009. - Т. 6, №2.
4. Брыксин В.М. Система интерактивного поиска и копирования космоснимков в локальной сети Intranet (Base Images): свидетельство о гос. регистрации программы на ЭВМ №2009611711 от 31.03.2009.
5. Брыксин В.М. База географически распределенных данных дистанционного зондирования Земли: свидетель-
ство о гос. регистрации базы данных №2009620133 от 31.03.2009.
6. Брыксин В.М. База радиолокационных кадров ЕЯ8-2 в формате РЫ (ERSPRIData): свидетельство о гос. регистрации базы данных №2010620129 от 19.02.2010.
7. Евтюшкин А.В., Филатов А.В., Васильев Ю.В., Мартынов О.С., Радченко А.В. Использование данных PALSAR при выполнении геодинамического мониторинга нефтегазовых месторождений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. -2010. - Т. 7, №2.
8. Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Технология построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений методом радарной интерферометрии // Вестник Новосиб. гос. ун-та. Сер.: Информационные технологии. - 2009. -Т. 7, вып. 1.
9. Брыксин В.М., Евтюшкин А.В., Кочергин Г.А. Каталог данных дистанционного зондирования // ГЕО-Сибирь-2010: сб. мат. VI Междунар. науч. конгресса. -Новосибирск, 2010.
