автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка информационной технологии повышения точности спутниковых измерений температуры морской поверхности

Севастопольский национальный технический университет

ХОЛОД Антон Леонидович

УДК 681. 3:622. 276

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.13.06 - информационные технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 / КОЯ 2014

Севастополь - 2014

005555948

005555948

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре информационных систем Севастопольского национального технического университета.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор

Доценко Станислав Васильевич,

Севастопольський национальный технический университет,

профессор кафедры информационных систем

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гайский Виталий Александрович,

Морской гидрофизический институт HAH Украины Заведующий отделом автоматизации

океанографических исследований

кандидат технических наук, доцент Сосновский Юрий Вячеславович, Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

доцент кафедры компьютерной инженерии и моделирования

Защита состоится «26» декабря 2014 г. в 15:30 часов на заседании специализированного ученого совета Д50.052.02 при Севастопольском национальном техническом университете по адресу: 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Севастопольского национального технического университета по адресу: 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 29.

Автореферат разослан « 2-fv> Нс£

2014 г.

Ученый секретарь . 0

специализированного ученого совета Д50.052.02 Е.А. Шушляпйн

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Температура морской поверхности является одним из основных параметров, характеризующих состояние Мирового океана. Ее знание обеспечивает решение задач прогнозирования погоды, состояния океана, изменения климата и т.п. Поэтому необходим непрерывный мониторинг ее состояния. Основным инструментом современной наблюдательной системы являются искусственные спутники Земли (ИСЗ). Они позволяют осуществлять дистанционные глобальные наблюдения физических полей океана, в том числе и над труднодоступными регионами. Сбор, обработка и передача получаемых данных проводится быстрее и дешевле по сравнению с системами, основанными на контактных средствах измерений.

При этом возникает задача оценки и повышения точности данных дистанционного зондирования температуры морской поверхности. Ее решение основано на сопоставлении спутниковых данных с данными контактных измерений, проводимых непосредственно в море, которые принимаются за эталонные. Однако, проведение судовых экспериментов в настоящее время осложнено по экономическим причинам, а создание стационарных буев и платформ возможно только в прибрежных районах моря. Поэтому были разработаны новые средства получения данных натурных измерений - дрифтеры. Они представляют собой автономные дрейфующие платформы сбора данных, оборудованные средствами контактных измерений интересующих параметров и аппаратурой спутниковой связи, обеспечивающей оперативную передачу данных в пункты обработки.

При сопоставлении данных дистанционного мониторинга температуры поверхности океана и контактных измерений возникает ряд проблем:

1. Проблемы дистанционного зондирования: температура поверхности океана, полученная с помощью ИСЗ, обладает следующими особенностями:

• измеряется в тончайшем верхнем слоем воды (порядка 10-20 мкм), в то время как дрифтер измеряет температуру на глубине 20-25 см;

• является осредненной по площади элемента разрешения сканера, в то время как измерения дрифтера являются «точечными»;

• приписывается центру элемента разрешения сканера, который в большинстве случаев не совпадает с точкой локализации контактных измерений.

2. Технические проблемы: старение аппаратуры, сбои в полученных данных

и др.

3. Проблемы искажения результатов дистанционных измерений, связанных с физическими факторами: приемник дистанционного измерителя, установленный на ИСЗ, измеряет яркостную температуру, а не термодинамическую температуру, необходимую потребителям. Кроме того, на результаты измерения оказывают влияние состояние атмосферы, взволнованность и загрязнение морской поверхности, а также другие факторы, которые снижают точность получаемых данных.

По этим причинам возникает задача создания информационной технологии (ИТ) повышения точности спутниковых измерений температуры морской

поверхности на основе сопоставления с новыми данными, полученными с помощью дрифтерных экспериментов. ИТ должна учитывать пространственно-временную рассогласованность дистанционных и контактных измерений, отличаться оперативностью и эффективностью своей работы. Для корректного сопоставления спутниковых и контактных измерений необходимо восстанавливать траекторию движения буя наилучшим образом. Это потребовало разработки усовершенствованного подхода, основанного на методе локальной аппроксимации, который учитывает инерционные колебания буя. Кроме того, при автоматизированной обработке информации предлагается использовать методы робастной статистики, позволяющие эффективно обнаруживать и анализировать сильно выделяющиеся отклонения сопоставляемых • величин. В результате определяются причины возникновения аномальных отклонений и возможные способы их устранения.

Таким образом, задача разработки ИТ повышения точности спутникового мониторинга температуры морской поверхности на основе использования данных контактных измерений свободноплавающих буев - дрифтеров является важной и актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационные исследования выполнялись в рамках тематических планов НИР Морского гидрофизического института HAH Украины и вошли в итоговые отчеты по госбюджетным темам «Разработка новых методик тематической обработки космической информации для исследования морей и океанов» (шифр «Методика», №0107U007964), «Комплексные гидрофизические и гидрохимические исследования морской среды с целью устойчивого, экологически и техногенно безопасного использования ее ресурсного потенциала» (шифр «Океанография», №0107U004396), «Создание и развитие на основе современных технологий междисциплинарной океанографической системы мониторинга и прогноза состояния Черного моря» (шифр «Оперативная океанография», №0106U001407), «Создание национального модуля Черноморских прогнозов как элемента единой Европейской системы» (шифр «Черноморский прогноз», №0110U000964), «Дрифтерные технологии для изучения деятельного слоя и приводной атмосферы в Мировом океане и Азово-Черноморском бассейне» (шифр «Дрифтерные технологии», №0111U001421), «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем Черного и Азовского морей, на основе современных методов контроля состояния морской среды и гридтехнологий» (шифр «Фундаментальная океанология», №011Ш001420), «Черное море как имитационная модель океана» (шифр «Черное море», №0112U001884), «Климатические сценарии, мониторинг и риски» (шифр «Риски», №0112U000709).

Цель и задача исследования. Целью работы является разработка информационной технологии, обеспечивающей улучшение эффективности процесса повышения точности спутниковых измерений температуры поверхности Черного моря, на основе использования данных измерений свободноплавающих буев — дрифтеров.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить ряд следующих задач:

• разработать структуру геоинформационной системы (ГИС) и информационной технологии, позволяющей оперативно получать, оценивать и повышать точность спутниковых измерений температуры поверхности моря (ТПМ);

• разработать структуру базы данных (БД) контактных измерений дрифтеров и функций-утилит для работы с ней. Включение в БД измерений дрифтеров, функционировавших в Черном море;

• разработать и реализовать усовершенствованную процедуру восстановления координат движения дрифтеров;

• разработать диалоговый программный комплекс, предназначенный для сопоставления данных дистанционного мониторинга ТПМ с данными контактных измерений, как основы реализации предлагаемой ИТ;

• провести точностной анализ теоретической погрешности, возникающей при сопоставлении спутниковых и контактных измерений температуры поверхности моря, ввиду эффекта различия элементов пространственного разрешения спутниковых и контактных датчиков;

• внедрить разработанную ИТ в оперативную многокомпонентную систему диагноза и прогноза состояния Черного моря, функционирующую в Черноморском экспериментальном центре морских прогнозов.

Объектом исследования являются процессы повышения точности спутниковых измерений температуры морской поверхности. Выбор объекта исследования обусловлен возрастающими потребностями в оперативных и достоверных данных о температуре поверхности океана.

Предметом исследования являются методы, модели и инструментальные средства для повышения точности спутниковых измерений температуры поверхности моря.

Методы исследования.

В диссертационной работе используются следующие методы:

• численно-аналитические методы для оценки величин эффектов, вносящих вклад в разности между сопоставляемыми спутниковыми и контактными ТПМ, вследствие несовпадения элементов пространственного разрешения спутниковых и контактных датчиков;

• метод локальной аппроксимации (МЛА) для реализации усовершенствованного алгоритма географической привязки данных координат дрифтеров;

• методы робастной статистики для выделения резко выделяющихся отклонений между спутниковыми и контактными данными измерений температуры поверхности моря;

Научная новизна полученных результатов:

• впервые разработана ИТ повышения точности спутниковых измерений температуры морской поверхности на основе сопоставления с данными дрифтерных измерений, которая учитывает пространственно-временную рассогласованность

дистанционных и контактных измерений, отличается оперативностью и эффективностью своей работы, позволяет повысить точность спутниковых измерений температуры поверхности моря;

• впервые предложен метод оценки точности спутниковых измерений температуры морской поверхности на основе сопоставления с данными дрифтеров, который отличается от известных использованием методов робастной статистики для автоматизированной обработки информации, что позволяет эффективно обнаруживать и анализировать сильно выделяющиеся отклонения;

• получил дальнейшее развитие метод восстановления траекторий движения свободноплавающих буев, который, в отличие от применяющихся ранее, позволяет учитывать инерционные колебания буя, что дает возможность более точно описать траекторию его перемещения.

Практическое значение полученных результатов. Полученные автором результаты доведены до конкретных инженерных методик, алгоритмов и программ, а именно — разработана ИТ повышения точности спутниковых измерений температуры поверхности моря.

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в информационную оперативную многокомпонентную систему диагноза и прогноза состояния Черного моря, функционирующую в Черноморском центре морских прогнозов МГИ HAH Украины, а также используются в учебном процессе Севастопольского национального технического университета при изучении курса «Информационные измерительные системы».

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают личный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами в работах [1, 3-17]. Вклад соавторов равновелик. В совместных работах [1,2,5-7] автором подготовлены массивы натурных измерений и набор функций-утилит для работы с ними, в [8,9] проведен точностной анализ теоретической погрешности сопоставления спутниковых и контактных измерений, в [10-16] предложен программный комплекс, как -основа предлагаемой ИТ повышения точности спутникового мониторинга температуры морской поверхности, проведены численные эксперименты, подтверждающие эффективность ее работы. Диссертационное исследование является самостоятельным и законченным трудом автора.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались на следующих украинских и международных конференциях: всеукраинская студенческая научно-техническая конференция «Изучаю компьютер - познаю вселенную» (г. Севастополь, 2005 г.), международный научно-технический семинар: «Системы контроля окружающей среды-2007» (г. Севастополь, 2007 г.), первая научная конференция: Наука о Земле и космосе - обществу» (г. Киев, 2007 г.), перша ВсеукраТнська конференция з запрошенням закордонних учаснишв «Аерокосм1чш спостереження в штересах сталого розвитку та безпеки. GEO-UA2008» (м. Кшв, 2008 р.), международная научная конференция «Морскому гидрофизическому

институту HAH Украины - 80 лет: прошлое, настоящее и будущее» (г. Севастополь, 2009 г.), Ш международный инвестиционный форум «Будущее Крыма» (г. Судак, 2009 г.), международная научная конференция «Функционирование и эволюция экосистемы Азово-Черноморского бассейна в условиях глобального изменения климата» (пос. Кацивели - Севастополь, 2010 г.), украино-российская научная конференция «Южные моря как имитационная модель океана» ( г. Севастополь, 2011 г.), украино-российская научная конференция «Южные моря как имитационная модель океана» (г. Севастополь, 2012 г.), научный семинар Центра аэрокосмических исследований Земли Института геологических наук HAH Украины, (г. Киев, 2012 г.), международная конференция по проекту РАН - НАНУ «Черное море как имитационная модель океана» (г. Москва, 2012 г.), международный симпозиум «Protection and Sustainable Management of the Black Sea» (г. Константа, Румыния, 2013 г.), международный симпозиум «GODAE Ocean View Symposium» ( г. Колледж-Парк, Мэрилэнд, США, 2013 г.), международная научная конференция «MyOcean Science Days» (г. Тулуза, Франция, 2014 г.), международная научная конференция «Современное состояние и перспективы наращивания морского ресурсного потенциала юга России» (пгт. Кацивели — Севастополь, 2014г.).

Также результаты работы докладывались также на семинарах кафедры информационных систем Севастопольского национального технического университета, на семинарах отдела морских прогнозов МГИ НАНУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в изданиях, утвержденных ВАК, в том числе одна работа на английском языке.

Объем и- структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и четырех приложений. Общий объём работы составляет 147 страниц печатного текста, в том числе 42 рисунка (рисунков на отдельных страницах нет). Список используемых источников насчитывает 76 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задача, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, коротко изложено их содержание.

В первом разделе " Дистанционное зондирование температуры морской поверхности" выполнен обзор задач и методов дистанционного зондирования ТПМ, рассмотрены основные принципы получения спутниковых снимков температуры морской поверхности в ИК-диалазоне. Отмечено, что использование в качестве носителя измерительной аппаратуры ИСЗ имеет ряд преимуществ:

• осуществление глобальных наблюдений, в том числе и над труднодоступными регионами Земли;

• сбор, частичную обработку на борту и передачу глобальных данных в метеорологические центры быстрее и дешевле по сравнению с наземными системами связи;

• практически мгновенное исследование атмосферы и подстилающей поверхности в двух-трех измерениях;

С конца 70-х годов в МГИ HAH Украины функционирует комплекс аппаратно-программных средств приема, обработки и распространения спутниковой информации. В настоящее время он обеспечивает прием разнообразной спутниковой и гидрометеорологической информации, свободно распространяемой по радиоканалам и в сети Интернет, включая непосредственный прием спутниковых снимков морской акватории, передаваемых с борта космических аппаратов серии NOAA. В разделе наглядно показаны и проиллюстрированы основные этапы обработки данных дистанционного мониторинга температуры поверхности моря в приемном центре МГИ HAH Украины.

Во втором разделе "Инструментальные средства контактных измерений температуры морской поверхности" показано, что неотъемлемым компонентом современной системы оперативных наблюдений океана являются дрифтерные технологии. Эти технологии в настоящее время активно развиваются и их необходимо приспосабливать к имеющимся системам. Дрифтеры — это автономные дрейфующие платформы сбора данных, оборудованные аппаратурой спутниковой связи. Они вошли в число наиболее эффективных средств исследования верхнего слоя океана и пограничной с ним атмосферы. Приведены структура и основные технические характеристики дрифтеров.

Показано, что существующие алгоритмы и методы восстановления траекторий перемещения дрифтеров приводят к большим погрешностям в определении их местоположения. В разделе предложен усовершенствованный подход восстановления географических координат свободноплавающих буев, основанный на методе локальной аппроксимации. Предложено функцию, описывающую траекторию движения дрифтера, представлять в виде суммы полинома и тригонометрических функций:

<Р = ао + +... + cc„t" + an+l cosC^ + ar^jSinOu/), где <р - функция широты

, где Л - функция долготы В соответствии с методом локальной аппроксимации с каждым значением х связывается свой набор наблюдений z(s), соответствующих узлам х{?) из определенной окрестности х. Таким образом, набор наблюдений оказывается меняющимся (скользящим), определяемый каждый раз как некоторая окрестность х. В каждой такой окрестности строится аппроксимация и определяются оптимальные коэффициенты. Оценка, получаемая в соответствии с методом локальной аппроксимации, определяется на основе минимизации следующего функционала: yN (х, S) = cTNq>{0), cN = arg min y v (x, c, S)

1 N

Jn(X,c,S) = —YiP

x-x

F(zU) -cT<p{x-xM))

1-1 Ч у

где (р{х) вектор заданных координатных функций; вектор

неопределенных коэффициентов; с„ - оценка этого вектора, определяемая

минимизацией функционала JN по с; д- параметр локальности; -

неотрицательная функция потерь; р(и) - функция локальности, имеющая максимум в нуле и стремящаяся к нулю при |и| —> о°; уы (х, 8) - оценка значения

у{х) в точке х; т - символ транспонирования.

Для реализации процедуры локальной аппроксимации вводится специальная весовая функция локальности. Она обеспечивает наибольший вес в сумме слагаемым, соответствующим значениям наиболее близким к центру аппроксимации. Рациональный выбор параметра локальности является одним из ключевых вопросов непараметрического оценивания. Эффективным средством для нахождения оптимальности параметра локальности является деление наблюдений на два множества: обучающее и контрольное. Однако, при малом объеме выборки деление ее на два подмножества - недопустимое расточительство, ведущее к тому, что и оценка, построенная по уменьшенному обучающему множеству, будет плохой, да и контроль качества малодостоверным. Поэтому для выбора оптимального параметра локальности предложено использовать метод скользящего экзамена. Он заключается в формировании обучающего и контрольного множеств из одного массива данных путем многократного разбиения этого массива на две части, одна из которых используется для построения оценки, а оставшаяся, вторая, для контроля.

Дана оценка применимости рассматриваемого метода при выборе внешних параметров. Выполнены исследования по определению оптимальной степени полинома и выбора параметра локальности. Результаты приведены на рисунке 1.

Параметр локальности

Рис. 1- Семейство зависимостей среднеквадратической погрешности восстановления траекторий перемещения дрифтеров от параметра локальности при различных значениях максимальной степени аппроксимирующего полинома

Видно, что с повышением максимальной степени полинома зависимость точности от параметра локальности смещаются вправо. При этом величина

оптимального параметра локальности возрастает. Значение последнего лежит в интервале [0.3-0.5].

Методика предполагает вычисление оптимального параметра локальности методом скользящего экзамена и использование его в дальнейшем в методе локальной аппроксимации. Произведя вычисления по описанной выше методике (максимальная степень полинома равна 3, параметр локальности равен 0.52) и сопоставив их с контрольным массивом измерений, получили значение среднеквадратической погрешности, представленное в таблице 1.

Таблица 1

Среднеквадратическая ошибка восстановления координат дрифтера различными методами_

Метод восстановления координат Среднеквадратическая ошибка, м

Линейная интерполяция 549.5

Сплайн интерполяция 492.2

Метод локальной аппроксимации 407.9

Полученные результаты отражают тот факт, что метод локальной аппроксимации обеспечивает более точное восстановление траектории движения дрифтера в морской среде. Иллюстрация данного преимущества показана на рисунке 2, где в качестве примера приведен участок траектории движения дрифтера, где видны инерционные колебания.

с.ш.

43,20°-

43,15°-

43,10°-

43,05°-

43,00°-,-_t_,_

31,50° 31,55° 31,60° 31,65° 31,70° В,Д.

Рис. 2 - Участок траектории движения дрифтера, восстановленный различными методами (пунктирная линия с маркерами - траектория движения, восстановленная с помощью линейной интерполяции; тонкая сплошная линия - траектория движения дрифтера, полученная по данным GPS; толстая сплошная линия - траектория движения, восстановленная с помощью MJIA)

В третьем разделе "Методологические проблемы сопоставления дистанционных измерений ТПМ с результатами ее прямых измерений"

проведены теоретические исследования влияния несоответствия результатов сопоставления дистанционных и контактных измерений в силу эффекта осреднения поля дистанционным прибором и несовпадения положения свободноплавающего буя - дрифтера и центра элемента разрешения дистанционного прибора. Показано, что общая погрешность сопоставления имеет две составляющие:

(1)

<?,2 = 2л }[1 - Н2 (а)]2в2 (а)аМа

(2)

= 4 яг |[1 - ^ (а1)]Н2 (а)в2 (а)айа

(3)

где а - двумерный вектор в волновом пространстве;

Н2 (а) - нормированная спектральная характеристика сканера дистанционного прибора, определяемая его аппаратной функцией;

двумерная спектральная плотность (двумерный энергетический спектр) поля ТПМ;

J0(x) - функция Бесселя нулевого порядка;

I - случайная величина кратчайшего расстояния между центром элемента разрешения сканера и точкой локализации дрифтера.

Выражение (2) оценивает ошибку, связанную с осреднением поля ТПМ дистанционным прибором и зависит от аппаратной функции прибора и статистической структуры поля. В свою очередь, выражение (3) позволяет найти ошибку, связанную с величиной пространственной несовмещенности центра элемента разрешения сканера и точки локализации дрифтера. При их совпадении имеем / = 0,./о(0) = 1 и е\ = 0.

Предполагая, что поле является изотропным, выражение (2) приведено к виду

I 2 г- ,1-3/2

е: =-

И1 - ехр

а- а.

N2

1 + ^-

а аУ

а а.

г \ а

где ах — характерная ширина спектра поля;

рх - характерный масштаб дистанционного прибора;

гх - характерный масштаб поля.

На рисунке 3 изображен полученный по приведенным соотношениям график зависимости этой ошибки от соотношения рх 1гх. Видно, что она имеет слабо нелинейный характер и растет с увеличением характерного масштаба аппаратной функции прибора по отношению к характерному масштабу поля.

Рис. 3 — Зависимость ошибки, связанной с осреднением поля ТПМ дистанционным прибором от соотношения рх / гх

Рис. 4 —Зависимость ошибки, связанной с величиной пространственной

несовмещенности центра элемента разрешения сканера и точкой локализации дрифтера в зависимости от соотношений <т0 !гх и рх!гх

Если случайную величину кратчайшего расстояния / описать законом Релея, то средний квадрат относительной погрешности, связанной с величиной пространственной несовмещенности центра элемента разрешения сканера и точкой локализации дрифтера примет вид:

ё22(/)

= 2 N1 - ехр

\ 2

>(1 +дг2)~3/2 ехр

хс/х

где х = агх.

На рисунке 4 представлена найденная численным методом зависимость 5\ от безразмерных параметров сг0 / и рх / гх.

Таким образом, при известных конкретных статистических параметрах поля температуры, технических характеристик радиометра и траектории его полета рисунки 3 и 4 позволяют количественно оценить погрешности сопоставления данных, полученных дрифтером и сканером спутника. Они дают возможность выработать рекомендации по применению данного радиометра с целью измерения температуры поверхности океана и усовершенствования соответствующих экспериментов для следующих проектов.

В этом разделе также предложен метод сопоставления дистанционных и контактных измерений температуры поверхности моря на основе использования робастной статистики. Основным его достоинством является то, что использование методов робастной статистики обеспечивает оценку среднего значения отклонений, существенно более устойчивую к наличию аномальных измерений по сравнению с

классической оценкой эмпирического среднего.

Основные шаги такого метода следующие:

1. оценка однородности массивов данных;

2. формирование подмножеств однородных и аномальных данных на основе использования методов робастной статистики;

3. анализ подмножества аномальных данных с привлечением всей доступной дополнительной информации для выяснения причин возникновения аномальных ситуаций;

4. исключение из подмножества аномальных данных сбоев, обусловленных несовершенством процедур подготовки исходных данных и ошибками в измерениях дрифтера;

5. расчет статистических оценок отклонений для однородного массива данных и массива данных, объединяющего однородные данные и данные из аномального подмножества, неоднородность которых либо осталась необъясненной, либо связана с физическими особенностями поля ТПМ.

Описанный выше метод реализован в программном комплексе для сопоставления спутниковых и контактных измерений ТПМ. Для эффективного функционирования данного комплекса разработаны специализированная база данных контактных измерений дрифтеров и набор функций-утилит для манипулирования с ней. База данных создана в новом европейском формате представления океанографических данных - пе^БР. Проверены, отфильтрованы и включены в базу данных измерения дрифтеров, функционирующих в Черном море с 2000 года по настоящее время.

В четвертом разделе "Геоинформационная система и информационная технология повышения точности спутниковых измерений температуры морской поверхности и полученные с помощью неё результаты" предложена структура геоинформационной системы «спутник-дрифтер», схема которой представлена на рисунке 5.

Датчик-температуры дрифтерных данных

поверхности моря

Рис. 5 — Структурная схема геоинформационной системы «спутник-дрифтер»

Рассматриваемая ГИС позволяет оценивать и повышать точность спутниковых измерений температуры морской поверхности за счет использования данных контактных измерений (они рассматриваются как эталонные измерения), проводимых непосредственно в море, с помощью свободноплавающих буев -дрифтеров. Соответственно в состав ГИС входит сам центр оценки точности спутниковых измерений и параллельно функционирующие две системы измерений температуры морской поверхности: дистанционная спутниковая и контактная дрифтерная системы. Подробно данные подсистемы рассмотрены в первой и второй главах диссертации. Для достижения поставленной цели была разработана и реализована информационная технология, которая обеспечивает обработку, хранение, передачу, отображение и использование информации о температуре морской поверхности в интересах пользователей с применением вычислительной техники. Структурная схема ИТ представлена на рисунке 6.

спутниковых измерений ТПМ Рис. 6 - Структурная схема ИТ для ГИС «спутник-дрифтер» Структурно ИТ можно разделить на три части:

1. Ввод данных в машинную среду путем взаимодействия с различными источниками информации. Здесь речь идет о том, что информация о поле ТПМ с датчика дрифтера и ШС-радиометра спутника оцифровывается и передается по радиоканалу в программно-технический комплекс (ПТК) центров приема и обработки дрифтерной и спутниковой информации соответственно.

2. На следующем этапе эти данные принимаются центрами приема и обработки, происходит первичная обработка исходной информации, преобразование к требуемому виду, конвертирование в необходимый формат и сохранение в БД. Схема обработки спутниковых данных в приемном центре МГИ НАНУ детально рассмотрена в первом разделе диссертации.

3. На третьем этапе осуществляется сопоставление спутниковых и дрифтерных измерений. Для этого оператором задается пространственно-временная рассогласованность между данными, временной интервал для сопоставления и др. На основании заданных критериев и разработанных интерфейсов формируется оперативная совместная выборка данных, которая далее подлежит анализу. Для нее рассчитываются различные статистические характеристики, строятся временные ряды, гистограммы, скатерограммы, которые сохраняются в архиве результатов сопоставления и выкладываются на специализированные \уеЬ-сайты и сервера. Эта информация является входной для системы поддержки принятия решений (СППР). Анализируя полученные результаты по заранее выработанным методикам, эксперт отправляет отчет в центр обработки дистанционных данных, который позволяет повысить точность спутниковых измерений ТПМ путем совершенствования алгоритмов и методов обработки спутниковой информации.

Подтверждена эффективность работы предлагаемой системы и ИТ на основе сопоставления данных дистанционных и контактных измерений температуры поверхности Черного моря с 2003 по 2009 г.г. За указанный период времени были доступны результаты измерений 40 дрифтеров. Полный объем данных о температуре водной поверхности составляет 66133 измерений. На рисунке 7 показаны траектории движения этих дрифтеров. Были использованы 6981 карт ТПМ, восстановленных по снимкам ИСЗ ЬГОАА в ИК-диапазоне, принятых и обработанных в приемном центре МГИ НАНУ.

Траектории дрифтеров с 2003 по 2009 гг.

Восточная долгота

Рис. 7 - Траектории движения дрифтеров с 2003 по 2009 гг.

Исходя из особенностей имеющихся данных, в частности, смене спутников и сроков выполнения дрифтерных экспериментов, сопоставление данных выполнялось для отдельных лет, т.к. общая совместная выборка данных является относительно неоднородной на всем рассматриваемом интервале времени. Результаты сопоставления спутниковых и дрифтерных измерений ТПМ с 2003 по 2009 гг. в Черном море приведены в таблице 2. Следует заметить, что в 2008 году сопоставление ТПМ не выполнялось из-за отсутствия дрифтерных экспериментов в Черном море и, как следствие, отсутствия контактных данных.

Таблица 2

Результаты сопоставления данных спутниковых измерений ТПМ с данными дрифтерных измерений с 2003 по 2009 гг. в Черном море

Анализируемый год Метод МНК оценки Статистические характеристики At, час

0.5 1 2 3

2003 Классическая МНК N, шт 325 857 1777 2863

ц. 'с 0.02 -0.06 -0.06 -0.09

а, "С 0.71 0.76 0.78 0.76

Робастная МНК N, шт 306 834 1722 2778

П.-С 0.04 -0.06 -0.05 -0.08

а, 'С 0.60 0.69 0.69 0.69

2004 Классическая МНК N, шт 550 1260 2494 3661

И, 'С 0.48 0.50 0.50 0.50

<т, "С 0.65 0.70 0.69 0.71

Робастная МНК N, шт 522 1194 2376 3469

Ц, "С 0.49 0.50 0.50 0.50

су, "С 0.55 0.55 0.54 0.55

2005 Классическая МНК N, шт 708 1403 2810 4226

ц, °С 0.21 0.21 0.21 0.23

а, "С 0.67 0.66 0.67 0.67

Робастная МНК N, шт 691 1359 2726 4111

М, 'С 0.19 0.20 0.20 0.22

а, 'С 0.61 0.59 0.60 0.61

2006 Классическая МНК N, шт 482 959 1842 2751

П. "С -0.32 -0.34 -0.32 -0.33

ег.'С 0.84 0.83 0.80 0.82

Робастная МНК N, шт 455 913 1758 2621

ц, -с -0.29 -0.30 -0.29 -0.29

а,' С 0.52 0.53 0.54 0.54

2007 Классическая МНК N, шт 113 232 461 693

Ц,"С- -0.27 -0.28 -0.27 -0.26

а.'С 0.52 0.50 0.50 0.51

Робастная МНК N, шт 113 231 455 683

ц.*с -0.27 -0.28 -0.27 -0.26

о,'С 0.52 0.49 0.48 0.49

2009 Классическая МНК N. шт 389 781 1582 2353

ц, -с -0.20 -0.21 -0.21 -0.21

сг, 'С 0.55 0.55 0.56 0.57

Робастная МНК N. шт 362 737 1487 2202

-0.13 -0.14 -0.14 -0.15

с, °С 0.42 0.44 0.44 0.44

В таблице 2 приняты следующие сокращения:

N - общее число совместных измерений ТМП;

ц - эмпирическая оценка среднего отклонения между спутниковыми и контактными измерениями ТМП;

ст - эмпирическая оценка среднеквадратического отклонения между спутниковыми и контактными измерениями ТМП;

А1 - разность времен между спутниковыми и контактными измерениями ТМП.

Статистические характеристики отклонений между спутниковыми и контактными измерениями ТМП, представленные в таблице 2, рассчитывались на основе использования двух вариантов оценивания:

1. классические оценки среднего и среднеквадратического отклонений;

2. робастные оценки.

На основании анализа содержимого таблицы 2 видно, что классическое среднее значение остается практически таким же, как и для робастной оценки, в то время как оценка стандартного отклонения стала заметно меньшей по сравнению с робастной. Таким образом, использование разработанной ИТ позволило улучшить точность спутниковых измерений ТПМ с 2003 по 2009 гг. в среднем на 30%. Это подтверждает эффективность работы предлагаемой ИТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана структура геоинформационной системы и создана информационная технология, которая оперативно получает, оценивает и улучшает точность спутниковых измерений температуры морской поверхности. С 2003 по 2009 год точность спутниковых полей ТПМ улучшилась на 30%.

2. Впервые проведен точностной анализ теоретической оценки погрешности, возникающей вследствие несоответствия результатов сопоставления дистанционных и контактных измерений температуры поверхности моря в силу двух причин:

• эффекта осреднения поля дистанционным прибором и сравнения его с точечным измерением;

• несовпадения положения дрифтера, в котором проводятся контактные измерения, и центра разрешения дистанционного прибора, которому приписываются результаты измерения спутником.

• Ее значение составило 0.3°С.

3. Разработана и реализована усовершенствованная процедура восстановления координат движения свободноплавающих буев на основе метода локальной аппроксимации. Результаты работы процедуры подтверждают тот факт, что метод локальной аппроксимации обеспечивает более точное восстановление траектории движения дрифтера в морской среде, чем применявшийся ранее метод линейной интерполяции. Точность воспроизведения траектории движения дрифтера улучшилась на 25%.

4. Впервые разработана структура специализированной базы данных контактных измерений дрифтеров в Черном море и набор функций-утилит для быстрого доступа к интересующей информации на пакетах программ MatLab и Fortran. Проверены, отфильтрованы и включены в базу данных измерения дрифтеров в Черном море с 2000 года по настоящее время. База данных создана в новом европейском формате представления океанографических данных - netCDF.

5. Предложен метод для эффективного обнаружения и анализа сильно выделяющихся отклонений, возникающих при сопоставлении спутниковых и контактных данных. Он реализован на основе использования методов робастной статистики, что позволяет получать надежные статистические оценки при автоматизированной обработке информации.

6. Разработана подсистема сопоставления данных дистанционного мониторинга ТПМ с данными контактных измерений дрифтеров. Подсистема реализована, оттестирована и работает в виде программного комплекса. Она является основой реализации предлагаемой ИТ.

7. Разработанная ИТ внедрена в многокомпонентную систему диагноза и прогноза состояния Черного моря. Она является неотъемлемой частью этой системы и функционирует-в оперативном режиме в Европейском центре морских прогнозов в МГИ HAH Украины.

8. С помощью ИТ выполнена оценка точности спутниковых измерений температуры поверхности Черного моря с данными дрифтерных экспериментов с 2003 по 2009 гг. По результатам сопоставления выработан ряд предложений по усовершенствованию как программных, так и технических средств приема и обработки данных дрифтерных измерений. Точность спутниковых измерений ТПМ повысилась.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ратнер Ю.Б. База данных дрифтерных экспериментов в Черном море / Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, A.JI. Холод, Е.Г. Лунев // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. / HAH Украины. МГИ: - Севастополь, 2007. - С.112-115.

2. Холод А.Л. Усовершенствованная процедура географической привязки данных измерений дрифтеров, полученных в период с 2001 по 2007 г.г. / А.Л. Холод // Системы контроля окружающей среды: Сб. науч. тр. / HAH Украины. МГИ: -Севастополь, 2007. - С.122-125.

3. Ратнер Ю.Б. Структура и результаты опытной эксплуатации многокомпонентной системы диагноза и прогноза динамики Черного моря / Ю.Б.

Ратнер, M.B. Иванчик, M.B. Мартынов, Т.М. Баянкина, Е.В. Плотников, A.JI. Холод // Аэрокосмические наблюдения в интересах устойчивого развития и безопасности. «Наукова думка» Киев, 2008. - С.195-197.

4. Nardelli B.B. A re-analysis of Black Sea Surface Temperature / Bruno Buongiorno Nardelli, Simone Colella, Rosalia Santoleri, Maurizio Guarracino, Anton Kholod // Journal of Marine Systems. July 2009. - 40p.

5. Ратнер Ю.Б. Создание базы данных мониторинга Черного моря с использованием дрейфующих поверхностных буев / Ю.Б. Ратнер, А.П. Толстошеев, А.Л. Холод, C.B. Мотыжев // Морской гидрофизический журнал. - №3 май-июнь 2009. - С.50-69.

6. Ратнер Ю.Б. Сопоставление температуры поверхности Черного моря по результатам модельных расчетов и измерений дрифтерами в 2006 и 2007 г.г. / Ю.Б. Ратнер, А.Л. Холод // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научн. трудов, вып.16. МГИ HAH Украины: — Севастополь, 2008. - С.145-155.

7. Ратнер Ю.Б. Результаты сопоставлений скоростей поверхностных течений, полученных на основе данных дрифтерного эксперимента и расчета по модели динамики Черного моря в сентябре-декабре 2007 г. / Ю.Б. Ратнер, Б.А. Скороход, A.JI. Холод // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научн. трудов, вып.16. МГИ HAH Украины: — Севастополь, 2008. - С.156-183.

8. Доценко C.B. Оценка погрешности восстановления спутниковых измерений температуры морской поверхности / C.B. Доценко, A.JI. Холод // Вестник СевНТУ: информатика, электроника, связь: сб. науч. тр. — Севастополь, 2010. - Вып. 101. - С. 20-23.

9. Доценко C.B. Теоретические основы калибровки дистанционной измерительной системы по результатам прямых измерений / C.B. Доценко, А.Л. Холод // Вестник СевНТУ: информатика, электроника, связь: сб. науч. тр. -Севастополь, 2010. - Вып. 101. - С. 24-28.

10. Ратнер Ю.Б. Многокомпонентная система контроля динамики Черного моря / Ю.Б. Ратнер, Т.М. Баянкина, М.В. Иванчик, Е.В. Плотников, А.Л. Холод // Труды первой научной конференции:"Наука о Земле и космосе - обществу" г.Киев, 25-27 июня, 2007. - С.26-29.

11. Баянкина Т.М. Структура и результаты опытной эксплуатации многокомпонентной системы диагноза и прогноза динамики Черного моря / Т.М. Баянкина, М.В. Иванчик А.И. Кубряков, Ю.Б.Ратнер, АЛ.Холод, Н.Н.Воронина, Е.В.Плотников. М.В. Мартынов // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научн. Трудов МГИ HAH Украины: - Севастополь, 2009. - С. 182-188.

12. Коротаев Г.К. Национальный модуль черноморских прогнозов как элемент европейской системы / Г.К. Коротаев, Ю.Б. Ратнер, Т.М. Баянкина, М.В. Иванчик М.В. Мартынов, А.Л. Холод, Н.В. Инюшина, С.Ф. Пряхина, А.И. Кубряков, В.М. Бурдюгов, Е.П. Давыдова, М.В. Шокуров, B.C. Барабанов, В.Н. Сытов, Ю.И. Попов, Ю.О. Паламарчук, И.П. Неверовский, Л.А. Савтер, В.В. Украинский, М.А.

Щоголева // НАУКА ТА 1ННОВАЦЫ Украшський оглядовш журнал майбутнього, №1 2012.-С.5-10.

13. Коротаев Г.К. Архитектура и результаты работы Международного Черноморского центра морских прогнозов, созданного на базе МГИ HAH Украины в рамках проекта Европейского союза "МОЙ ОКЕАН" / Г.К. Коротаев, С.Г. Демышев,

B.Л. Дорофеев, В.В. Кныш, А.И. Кубряков, В.М. Суслин, Т.М. Баянкина, H.H. Воронина, А.М.Иванчик, М.В. Иванчик, М.В. Крыль, Н.Л. Мамчур, Ю.Б. Ратнер, А.Л. Холод, Н.В. Илюшина, А.И. Макаев, М.В. Мартынов, М.В. Шокуров II Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научн. трудов, вып.27. МНИ HAH Украины: -Севастополь, 2013. - С.128-133.

14. Коротаев Г.К. Итоги развития Экспериментального Центра морских прогнозов МГИ HAH Украины в 2011-2013 г.г. / Г.К. Коротаев, А.И. Кубряков, Т.М. Баянкина, H.H. Воронина, А.М.Иванчик, М.В. Иванчик, М.В. Крыль, Н.Л. Мамчур, Ю.Б. Ратнер, А.Л. Холод, Н.В. Илюшина, М.В. Мартынов, B.C. Барабанов, М.В. Шокуров // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научн. трудов, вып.27. МНИ HAH Украины: - Севастополь, 2013. - С.134-138.

15. Korotaev G. Satellite maritime monitoring (operational oceanography) / G. Korotaev, S. Demyshev, M. Lee, Y. Ratner, S. Stanichny, E. Akimov, T. Bayankina, V. Burdyugov, N. Voronina, E. Davyudova, V. Dorofeev, A. Ivanchik, M. Ivanchik, E. Kalinin, S. Korolev, E. Korchemkina, M. Kryl, A. Kubryakov, A. Kubryakov, A. Kucheiyavyi, E. Lunev, N. Mamchur, A. Mizyuk, S. Motizhev, V. Pustovoytenko, D. Solov'ev, R. Stanichna, V. Souetin, V. Suslin, A. Tolstosheev, A. Kholod, T. Churilova // Space research in Ukraine. 2012-2014 / Ed. O. Fedorov. — К. : Akadem periodyka, 2014. — P. 87-94.

16. Коротаев Г.К. Спутниковый мониторинг морских акваторий (оперативная океанография) / Г.К. Коротаев, СГ. Демышев, М.Е. Ли, Ю.Б. Ратнер, C.B. Станичный, Е.А. Акимов, Т.М. Баянкина, В.М. Бурдюгов, H.H. Воронина, Е.П. Давыдова, В.Л. Дорофеев, А.М. Иванчик, М.В. Иванчик, Е.И. Калинин, С.Н. Королев, E.H. Корчемкина, М.В. Крыль, A.A. Кубряков, А.И. Кубряков, A.A. Кучерявый, Е.Г. Лунев, Н.Л. Мамчур, А.И. Мизюк, C.B. Мотыжев, В.В. Пустовойтенко, Д.М. Соловьев, P.P. Станичная, B.C. Суетин, В.В. Суслин, А.П. Толстошеее, А.Л. Холод, Т.Я. Чурилова // KocmÍ4hí дослщження в Украйи. 20122014 / Ред. : О.П. Федоров ; ПСД НАНУ та ДКАУ. - К. : Академперюдика, 2014. —

C. 91-100.

17. Ратнер Ю.Б. Использование данных измерений с дрейфующих буев SVP-ВТС и ARGO для валидации результатов прогноза температуры воды в прибрежной области Черного моря / Ю.Б. Ратнер, А.И. Кубряков, А.Л. Холод, Т.М. Баянкина, М.В. Иванчик // Морской гидрофизический журнал, №5,2014. - С.33-48.

АННОТАЦИЯ

Холод АЛ. Разработка информационной технологии повышения точности спутниковых измерений температуры морской поверхности. — Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 — Информационные технологии. — Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2014.

В диссертационной работе предложена структура геоинформационной системы «спутник-дрифтер» и для нее разработана информационная технология, которая позволяет оценивать и повышать точность спутниковых измерений температуры морской поверхности. Для эффективного функционирования ИТ создана база данных дрифтерных измерений и набор функций-утилит для работы с ней, предложена и реализована усовершенствованная процедура восстановления координат перемещения дрифтеров. Процедура реализована на основе метода локальной аппроксимации и учитывает инерционные колебания буя. В работе определена теоретическая погрешность, возникающая при сопоставлении спутниковых и контактных измерений температуры поверхности моря ввиду эффекта различия элементов пространственного разрешения спутниковых и контактных датчиков. Разработанная система и информационная технология применена для оценки и повышения точности спутниковых измерений температуры поверхности Черного моря с 2003 по 2009 гг. в приемном центре МГИ HAH Украины.

Ключевые слова: геоинформационная система, информационная технология, температура поверхности моря, дистанционные методы, спутник, дрифтер, оценка точности, погрешность.

АНОТАЦЫ

Холод АЛ. Розробка шформашйноТ технологи тдвшцення точноеп супутникових BHMipiß температури морськоТ поверхнь — Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещалыпстю 05.13.06 - 1нформацшш технологи. — Севастопольський нацюнальний техшчний ушверситет, Севастополь, 2014.

У дисертацшнш poöoTi запропонована структура геошформацшноТ системи «супутник-др1фтери» i для неТ розроблено шформацшну технолопю, яка дозволяе оцшювати i шдвищувати точшсть супутникових BHMipiß температури морськоТ noeepxHi. Для ефективного функцюнування IT створена база даних дрифтерних BHMipie i Ha6ip функцш-утшнт для роботи з нею, запропонована i реатзована вдосконалена процедура вщновлення координат пepeмiщeння дрифтер1в. Процедура реал'пована на основ1 методу локально! апроксимацн i враховуе ¡нерцШш коливання буя. В poöoTi визначена теоретична похибка, що виникае при 31ставленш супутникових i контактних вим1рювань температури поверхш моря зважаючи ефекту вщмшноеп елеменпв просторовоТ роздшьно! здатност1 супутникових i контактних датчик1в. Розроблена система i ¡нформац1Йна технолог1я застосована для

ощнки та пщвшцення точнос-п супутникових BiiMipiB температури noeepxHi Чорного моря з 2003 по 2009 pp. в приймальному центр! МГИ НАН Украши.

Ключов! слова: геошформацШна система, ¡нформацшна технолопя, температура поверхн1 моря, дистанцшш методи, супутник, др1фтери, оцшка точносп, похибка.

ABSTRACT

Kholod A.L. Development of the information technology to improve the accuracy of satellite measurements of sea surface temperature. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences, specialty 05.13.06 - Information Technology. - Sevastopol National Technical University, Sevastopol, 2014.

The thesis proposed a structure of geographic information system "satellite-drifter" and information technology developed for it, which allows to assess and to improve the accuracy of satellite measurements of sea surface temperature. The database of drifter's measurements and set of functions to work with it were created for the effective functioning of the IT, proposed and implemented an improved procedure for restoring the motion of drifters coordinates. The procedure is implemented on the basis of the local approximation method and takes into account the inertial oscillations of the buoy. The theoretical error that occurs when comparing the satellite and contact measurements of sea surface temperature due to the effect of differences in the elements of the spatial resolution of satellite and contact sensors is defined. The developed system and information technology is used to assess and to improve the accuracy of satellite measurements of surface temperature of the Black Sea from 2003 to 2009 at the reception center of MHI NASU.

Keywords: geographic information system, information technology, sea surface temperature, remote methods, satellite, drifter, accuracy assessment, error.

Холод Антон Леонидович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальность 05.13.06 - Информационные технологи

Подписано в печать 20.10.2014 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать ризографе. Услов. печ. лист. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 18

Издательство СевНТУ

Адрес: 299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33, НМЦ. т. +7 (8692) 435-019 E-mail: root@sevgtu.sebastopol.ua Свидетельство субъекта издательского дела ДК № 1272 от 17.03.2003 г.