автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Программно-аппаратный комплекс обработки спутниковых данных и его применение для задач гидрометеорологии и мониторинга природной среды

0 e g -

Lf-0l~-f/lis-а'

На правах рукописи

АСМУС Василий Валентинович

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ЗАДАЧ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05 Л 3.18 - математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

ДИССЕРТАЦИЯ _ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Космическая наука и техника, а также достижения в области информационных технологий играют все возрастающую роль при решении задач связанных с прогнозом погоды, мониторингом стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций. Большой потенциал имеет использование спутниковых данных для хозяйственной деятельности и рационального природопользования. Космические средства наблюдения дают уникальную информацию для изучения экосистемы Земли и влияния на нее человеческой деятельности.

Методы космического зондирования, обеспечивающие получение своевременной, точной и недорогой информации о Земле и ее ресурсах особенно важны для России, обладающей огромной территорией при низкой плотности населения.

Быстрое развитие космического сегмента систем дистанционного зондирования -увеличение числа космических аппаратов (КА) и совершенствование аппаратуры сбора данных (улучшение спектрального и пространственного разрешения) вызывает необходимость создания адекватных наземных программно-аппаратных комплексов (НПАК). Основные задачи такого НПАК:

• прием данных с КА;

• проведение предварительной обработки;

• архивация и каталогизация данных;

• проведение тематической (целевой) обработки;

• доставка информации потребителю.

Трудности построения НПАК в основном обуславливаются следующими причинами.

Первая причина - большой разброс требований пользователей информации. Для удовлетворения этих требований НПАК должен быть обеспечен данными дистанционного зондирования (ДЦЗ) Земли различной периодичности (от 30 мин до 15 суток и более), пространственного разрешения (от 1 м до 8 км) и спектрального состава (видимый, ИК и СВЧ диапазоны), производить и доставлять удаленному потребителю информацию с различной гаратавностъю (от 20 мин с момента приема данных до 2-3 месяцев). Поэтому архитектура • uiK должна позволять работать с КА различного назначения (метеорологические, природно-"рсные, океанографические).

вторая причина - гигантские объемы ДЦЗ (информационные потоки до 128 Мбит/сек, при

^ дного изображения до 1 Гбайт, суточный объем принимаемо! формации до 60

i) и многомерный характер данных (две пространственные координаты, одна спектральная •-■мотая, дополнительными координатами могут быть угол съемки и поляризация), повышенные требования к эффективности алгоритмов, быстродействию и размерам

памяти вычислительных устройств, пропускной способности телекоммуникационных сетей.

Третья причина - специфика самих спутниковых данных. Во-первых, ДЦЗ содержат в себе различного рода искажения, определяемые геометрией съемки, особенностями работы бортовой аппаратуры и канала связи. Поэтому перед тематической обработкой необходимо выполнить предварительную обработку (геометрическая и радиометрическая коррекция). Во-вторых, ДЦЗ являются косвенными измерениями интересующих потребителя параметров. В связи с этим, использование статистических и других методов общего назначения извлечения из данных полезной информации необходимо сочетать с физическими моделями формирования спектрального образа изучаемых объектов. В-третьих, невозможность или невыгодность с вычислительной точки зрения полной формализации большинства задач тематической обработки и использование при дешифрировании дополнительных данных об исследуемых объектах. Это приводит к необходимости организации оперативного участия человека для наблюдения и управления ходом решения задачи, а также обеспечения комплексирования в НПАК космических данных с данными других источников информации.

Общую задачу обработки ДЦЗ можно сформулировать как задачу определения географически привязанных параметров атмосферы и поверхности Земли по характеристикам их электромагнитного излучения. Условно можно выделить два типа систем решающих указанную задачу: численные модели и геоинформационные системы (ГИС). Численные модели в основном используются для текущего анализа и предсказания состояния погоды, климата и океана. В этих системах данные спутниковых наблюдений усваиваются в виде численных значений геофизических параметров. Сначала проводится описание «текущего» состояния, а затем строится прогноз.

ГИС, в основном, используется для решения на локальном и региональном уровнях задач природопользования, чрезвычайных ситуаций и др. ГИС должна обеспечить ввод данных (разных источников, содержания и форматов), их совместную обработку и формирование выходных продуктов (обычно, в виде тематических карт).

Эффективность этих двух типов систем определяется не только их технологическими характеристиками, но также «качеством» и «свежестью» входных данных. Поэтому необходимым элементом НПАК является постоянно пополняемый архив данных, усваивающий регулярно поступающие ДЦЗ. Поддержание архива такого колоссального объема и обеспечение оперативного доступа к нему еще одна трудная задача.

С точки зрения прикладного программно-методического обеспечения НПАК, в целом наиболее сложным и наименее проработанным является вопрос тематической обработки ДЦЗ, в особенности, комплекс проблем распознавания (дешифрирования). Создание систем автоматизированного дешифрирования порождает целый спектр проблем, связанных с

атематическим моделированием и разработкой соответствующих эффективных численных етодов решения возникающих при этом задач. Здесь, под моделью, понимаются не только . изико-математические модели, но и информационные модели, как совокупность всей нформации об объекте (спутниковые данные, карты, экспертные знания и другая априорная нформация).

Технологические достижения последнего времени в области локальных и глобальных компьютерных сетей, радикальное улучшение характеристик устройств обработки, хранения и отображения данных, развитие ГИС и цифровых методов обработки изображений дают основу для решения вышеперечисленных проблем и создания крупного НПАК Федерального уровня нового поколения, обеспечивающего реальное использование ДЦЗ в интересах широкого круга потребителей.

Конечной целью создания НПАК является обеспечение доступа пользователя к космическим данным и результатам их обработки. Здесь возможны два решения: либо расширять сеть приемных центров, либо развивать телекоммуникационные технологии доступа. Первый подход получил развитие при создании центров приема и обработки метеорологической информации ввиду относительной простоты и дешевизны необходимого оборудования и математического обеспечения. Развертывание систем, работающих с информацией более высокого разрешения, требует финансовых затрат на порядки больше, в то же время развитие в последнее время глобальных компьютерных сетей позволяет решать вопрос обеспечения потребителей и без создания дополнительных центров. Поэтому количество крупных НПАК в мире относительно невелико, число их в последнее время, практически, не растет, и обслуживают они, как правило, несколько стран. Координация развития таких центров, согласование требований к выходной информации, архивам и каталогам, обеспечение совместимости по форматам данных и пр. проводится на международном уровне в рамках WMO, CGMS, CEOS. Рассматриваемый в работе НПАК Федерального уровня входит в мировую систему крупных центров, создавался с учетом соответствующих международных стандартов в этой области и одной из его задач является выполнение обязательств России по международному обмену спутниковой информацией.

Исследования проводились в научно-исследовательском Центре космической гидрометеорологии «Планета» (в 1976-2001 г.г.) по Государственным контрактам с Росгидрометом, Росавиакосмосом и Миннаукой в рамках:

• Федеральной целевой программы «Федеральная космическая программа России»;

» Федеральной целевой программы «Развитие системы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Российской Федерации»;

• Федеральной целевой программы «Мировой Океан»;

• Федеральной целевой программы «Предотвращение опасных изменений климата и их последствий»;

• Федеральной целевой программы «Возрождение Волги»;

• Федеральной ЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения»;

• грантов РФФИ;

• Межведомственной программы «Создание национальной компьютерной сети для образования и науки»;

• Программы МЧС России «Использование средств наблюдения и контроля космического базирования для предупреждения и оперативного контроля чрезвычайных ситуаций», а также международных комплексных проектов (EUROPA-RISK, Наука-НАСА, ICEWATCH и др.) с ESA, CNES, NASA, EUMETSAT, DLR и в рамках европейских научно-исследовательских программ (EPS/METOP, ADEMA и др.).

Цель работы.

• Создание теоретической, программно-аппаратной и технологической базы для построения высокоразвитого распределенного НПАК Федерального уровня, реализующего сквозную технологию приема, обработки, архивации и распространения ДЦЗ.

• Исследование, моделирование и разработка типовых алгоритмов и методов организации вычислений при тематической обработке. Создание соответствующего прикладного программного и информационного обеспечения.

• Разработка на основе созданного математического обеспечения технологий и решение ряда актуальных задач гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды.

При решении указанных проблем ориентация должна быть взята на разработку методов, эффективных в реальной ситуации, то есть в условиях полного или частичного отсутствия априорной информации об исследуемых объектах и наличия в ДЦЗ наряду с полезной информацией шумовых компонент. Для этого постановка задач должна быть рассмотрена в возможно более общем виде (например, без обычных ограничений на вид функции распределения данных), а алгоритмы должны использовать, в основном, информацию, которую можно получить из анализа самих ДЦЗ (спектральные, пространственные, временные характеристики). Кроме того, методы должны быть достаточно просто реализуемы на вычислительной технике и оптимальным образом поддерживать человеко-машинное взаимодействие. Все алгоритмы должны быть типизированы и разработаны параллельные и последовательные методы их реализации.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, многомерного статистического анализа, теории переноса излучения, марковских случайных полей, распознавания образов, теории графов, системного и прикладного программирования, цифровой обработки изображений.

Для исследования эффективности разработанных алгоритмов и методов проводились экспериментальные исследования и математическое моделирование изучаемых процессов и объектов на тестовых и реальных данных.

Научная новизна.

1. Сформулированы требования, разработаны концепция и архитектура распределенного НПАК. Гибкое сочетание возможностей мощного программно-алгоритмического обеспечения, глобальных и локальных сетевых технологий, актуализированных архивов данных, унифицированного методического и информационного обеспечения позволило перевести сложный и ресурсоемкий процесс приема, обработки, архивации и распространения ДДЗ на качественно новый уровень эффективности.

2. Исследованы и разработаны новые модели и алгоритмы обработки ДДЗ, функционально покрывающие предметную область распознавания. На базе них разработана адаптивная система дешифрирования с комплексным использованием спектральных, пространственных и временных характеристик. Функциональное наполнение системы создано по принципу полноты, т.е. путем реализации ограниченного набора алгоритмов, которые своим сочетанием обеспечивают полное покрытие предметной области.

3. Разработаны и экспериментально проверены новые алгоритмы:

- фильтрации помех, включая гомоморфную линейную фильтрацию полупрозрачной облачности;

- коррекции смешанных точек;

- построения, отбора признаков и оценки параметров решающих правил второго порядка;

- гибридной классификации;

- редактирования и генерализации результатов распознавания;

- кластерного анализа;

- оптимального представления (проектирование в пространство меньшей размерности и коррекция для цветного синтеза);

- пространственно-временной адаптации обучающих данных;

- анализа разновременных снимков.

4. Показано, что разработанные алгоритмы сводятся к вычислению базовых выражений

четырех типов: преобразование по таблице, многомерное линейное преобразовани многомерная свертка и квадратичная форма. Предложены новые методы реализации эти преобразований при последовательной и параллельной обработке. Оценены вычислительны затраты.

5. На основе разработанных программно-технологических средств реализован р методик и крупных прикладных проектов космического мониторинга, в том числ международных:

- оценка заснеженности территорий;

- оперативное картирование наводнений;

- оценка состояния почвенного покрова;

- инвентаризация с/х культур;

- мониторинг опустынивания;

- оценка сейсмического риска;

- оценка ледовой обстановки в полярных регионах;

- оценка загрязнения поверхностных вод суши;

- оценка экологического состояния территорий и др.

6. При реализации прикладных проектов получен ряд важных результатов:

- изучены многолетние процессы изменения границ однолетнего и многолетного льда (Западный сектор Арктики);

- изучены траектории и скорости дрейфа айсбергов (Антарктика);

- изучена многолетняя динамика процессов опустынивания (Калмыкия);

- построены карты разломных зон и изучена сейсмическая опасность (Северная Армения);

- построены карты риска загрязнений (Сургутский район);

- проведено картирование почвенного покрова (Сыртовое Заволжье);

- оценено экологическое состояние водоемов (оз. Балатон, Азовское море);

- изучены закономерности процессов наводнения (Волго-Ахтубинская пойма) и др.

Практическая ценность.

Научные результаты диссертационной работы были использованы при создании наземной сети спутниковых центров Росгидромета и, в частности, наземного комплекса НИЦ «Планета» приема, обработки, архивации и распространения ДЦЗ, а также при определении архитектуры наземного сегмента для перспективных отечественных космических комплексов серий Метеор, Электро, Ресурс и разработке соответствующих нормативно-технических и директивных документов.

Наземный комплекс НИЦ «Планета» находится в оперативной производственной ■ксплуатации и по объему (более 30 Гбайт/сутки) и номенклатуре принимаемых данных (КА хрий Метеор, Электро, Океан, Ресурс, NOAA, METEOSAT, GMS, GOES, SPOT, EOS/Terra, КС «Мир»), а также номенклатуре выходной информации (более 40) является одним из самых ^упных в мире. Объем цифрового архива (имеет статус Госфонда) составляет 4600 Гбайт, фотоархив - 180000 негативов. Наземный комплекс имеет подсистему сбора данных через КА Метеосат/Электро) с платформ наземного и воздушного базирования (единственная в России система такого типа). В 2001 г. более 50 организаций регулярно получали информацию НИЦ «Планета», среди них такие крупные потребители, как Гидрометцентр России (2,5 Гбайт/сутки), МО и др. Комплекс сертифицирован Центром сертификации ракетно-космической техники Росавиакосмоса.

Результаты исследований позволили сформулировать требования к прикладному математическому обеспечению и определить его состав. Разработанные автором комплексы программ используются в течение многих лет при обработке, в том числе и оперативной, ДЦЗ, полученных бортовой аппаратурой низкого, среднего^ высокого разрешения (МСУ-М, МСУ-С, МСУ-СК, МСУ-Э, МСУ-В, «Фрагмент», МКФ-6, РЛС БО, РМ-08, МР-900, комплекс Болгария-1300, КАТЭ-200, КФА-1000, Торос, Нить, MSS, ТМ, MVIRI, AMI-SAR, HRV, AVHRR и др.) для решения гидрометеорологических, экологических, геофизических и других задач. Математическое обеспечение фильтрации помех и анализа разновременных данных нашло применение в медицине при цифровой обработке рентгенограмм (субтрактивная ангиография).

Программное обеспечение внедрено в ряд организаций России: Главный и региональные центры приема и обработки спутниковой информации Росгидромета, Гидрометцентр России, Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт сельскохозяйственной метеорологии (ВНИИСХМ), Институт глобального климата и экологии (ИГКЭ), Государствен�