автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка программно-технологического комплекса регионального центра космического мониторинга окружающей среды

На правах рукописи

КОПЫЛОВ Василий Николаевич

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА РЕГИОНАЛЬНОГО ЦЕНТРА КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 05.13.1S - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ханты-Мансийск* 2006

Работа выполнена в Югорском научно-исследовательском институте информационных технологий Ханты- Мансийского автономного округа

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пяткин Валерий Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Киричук Валерий Сергеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Крупчатников Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор Марков Николай Григорьевич

Ведущая организация:

Институт космических исследований РАН (г.Москва).

Защита состоится " 27 " июня 2006 года в ¿0 часов на заседании диссертационного совета Д 003.061.02 в Институте вычислительной математики и математической геофизики (ИВМ и МГ) СО РАН по адресу:

630090, Новосибирск- 90, проспект академика Лаврентьева, б .

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ИВМ и МГ СО РАН.

Автореферат разослан " мая 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор С.Б. Сорокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Научная обоснованность прогнозов и комплексная оценка состояния окружающей среды, рекомендации по рациональному использованию природных ресурсов невозможны без наличия достоверной информации об объектах исследования. Эффективность охраны природы, управления качеством окружающей среды, использования и воспроизводства природных ресурсов напрямую зависит от уровня развития и степени внедрения в практику систем контроля состояния окружающей среды.

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

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

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

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

Актуальность теоретических и прикладных исследований и разработок в вышеперечисленных областях определяется:

♦ расширением области применения спутниковой информации при решении широкого спектра научных, хозяйственных и экологических задач, отраженным в работах российских и зарубежных ученых;

♦ необходимостью повышения уровня автоматизации процессов приема, обработки и распространения информации с целью улучшения качества получаемой информации и повышения оперативности ее доведения до пользователей;

♦ отсутствием комплексного подхода к проблемам разработки программно-технологического обеспечения центров приема и обработки спутниковых данных, ориентированных на региональный космический мониторинг окружающей среды.

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

Цель н задачи исследований. Основная цель - комплексное исследование научных, технических и прикладных проблем создания программно-технологического комплекса Центра космического мониторинга окружающей среды регионального уровня (РЦКМ) на базе разработанных математических моделей объектов и процессов РЦКМ, реализация численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для приема, обработки и интерпретации космической информации.

Основные задачи исследований включали:

♦ разработку принципов информационного обеспечения мониторинга окружающей среды на базе современных информационно- космических технологий;

♦ разработку и анализ концепции аппаратно-программного обеспечения типового регионального Центра космического мониторинга окружающей среды;

♦ разработку и исследование математических моделей, алгоритмизацию процессов приема и обработки спутниковой информации, их реализацию в виде комплекса взаимосвязанных программ, обеспечивающего функционирование наземного комплекса: автоматическое ведение антенн, оцифровку и регистрацию данных, предварительную, тематическую обработку, распространение данных в типовом Центре космического мониторинга окружающей среды;

♦ апробацию разработанного программно- технологического комплекса в виде оперативных технологий решения практических задач экологии и гидрометеорологии.

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

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

Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов:

• предложена н обоснована структура комплекса для приема и обработки спутниковой информации, обеспечивающая его функциональную полноту, гибкость, способность к развитию;

• впервые предложена и обоснована Intranet- архитектура программно-технологического комплекса регионального Центра космического мониторинга окружающей среды;

• предложены методы и созданы быстрые алгоритмы для расчета координат движения антенн, регистрации информации, предварительной обработки изображений, учитывающие особенности процесса съема информации и специфику решаемых задач;

• создано новое методическое и программное обеспечение для решения ряда прикладных задач космического мониторинга окружающей среды;

• разработан и практически реализован современный программно-технологический комплекс РЦКМ мирового уровня.

Практическая значимость и реализация научных результатов работы.

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

• "Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмических изображений", гос. per. № 79044183,1979-1981гг.;

• «Пакет прикладных программ обработки изображений для ЭВМ БЭСМ-6», гос. per. № 79044185,1982г.;

• «Пакет прикладных программ "БАРС», гос. per. № П007372,1983г.;

• «Пакет прикладных программ "ЭЙДОС"», гос. per. № П007372,1983г.;

• "Центр обработки геоинформации. Создание системного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений", гос. per. №81032966,1981-1984гт;

• "Разработка и создание инструментального комплекса анализа картографической базы данных Западной Сибири с предоставлением сетевых информационных услуг для обеспечения фундаментальных исследований", грант РФФИ №96-07-89489,199б-1998гг.;

• «Космический мониторинг нефтяных загрязнений и нефте- и газопроводов», грант ERUNET Европейского космического агентства (ESA) и Международной федерации астронавтики (1AF), 2004-2006гг.;

• «Всепогодное обнаружение лесных пожаров и оценка их последствий в северной Сибири», грант ID3110 (CatI) Европейского космического агентства, 2005-2006 гг.;

• «Мониторинг наводнений в северной Сибири с применением ДЗЗ и ГИС», граиг ID3161 (Catl) Европейского космического агентства, 20052006гг.;

• «Космический мониторинг загрязнения окружающей среды в районах добычи нефти», грант Ю3159 (Catl) Европейского космического агентства, 2005-2006IT.;

• «Организация окружного центра хранения и распространения авиационных, спутниковых и векторных данных для решения задач рационального недропользования и охраны окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа», гос. per. Jfe 0120.0 508576,2005г.;

• «Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в Ханты-Мансийском автономном округе- Югре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования», гос. per. № 0120.0 508578,2005-200бгг.;

• «Создание технологии Internet- доступа к результатам космического мониторинга природных и техногенных явлений на территории Западной Сибири и Урала на базе Ханты-Мансийского суперкомпьютерного центра», грант РФФИ Ка 04-07-90-378-В, 2004-2006гг..

Результаты исследований реализованы и внедрены в виде пакетов прикладных программ и наборов программных модулей в ряде организаций России: в ГУ НИЦ "Планета11 (г.Москва), в филиале ГУ НИЦ "Планета"-центре приема и передачи спутниковой информации в г.Обнинск, в Алтайском государственном университете ( г.Барнаул ), в Дальневосточном региональном центре приема и обработки данных (г.Хабаровск), в автономных пунктах приема спутниковой информации в г. Надым и г Кызыл, в НПЦ «Мониторинг» (г.Ханты- Мансийск), в Гидрометцентре ЗападноСибирского межрегионального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЗапСиб УГМС), в лаборатории русловых процессов рек Алтая Алтайского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г.Барнаул ).

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

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

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

Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы явились базой для создания курсов лекций «Дистанционные методы исследования геосистем» и «Технологии программирования», читаемых автором на факультете информатики и прикладной математики Югорского государственного университета (г. Ханты-Мансийск).

4

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

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

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

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на многих международных и российских конференциях (с 1979г.), в том числе с 2000г.: на 4-м Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (г. Новосибирск, 2000), на Международной конференции ENVIROMIS-2000 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» {г.Томск, 2000), на Международной конференции «Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг» (г. Ханты-Мансийск, 2001), на Региональной научно-практической конференции «Совершенствование защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (г, Новосибирск, 2001), на Международной конференции «Аэрозоли Сибири» (г.Томск, 2001), на Международной конференции «Суверенный Казахстан: 10-летний путь развития космических исследований» (г.Алма-Ата, 2001), на Международном симпозиуме «NOAA Image of Siberia» (г.Новосибирск, 2002), на Всероссийской конференции «Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях» (пХангы-Мансийск, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной информатизации и пути их решения» (г.Ханты-Мансийск, 2002), на Международной конференции

«Математические методы в геофизике» (г.Новосибирск, 2003), на 5-м Сибирском совещании по климато- экологическому мониторингу (г.Томск, 2003), на 7-й Региональной научно-практической конференции «Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО» (г.Ханты-Мансийск, 2003), на Международной конференции «Математическое моделирование экосистем» (г.Алматы, 2003), на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Электронная Россия» (г.Ханты-Мансийск, 2004), на Международной конференции "Vulnerabilities and Integrated Diagnostics Systems for Trunk Pipelines: Regional Aspects" (Испра, Италия, 2004), на 2-й Всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (г. Москва, 2004), на Международном научно-практическом семинаре «Мониторинг наводнений на северных реках с использованием данных ДЗЗ» (г. Уайтхорс, Канада, 2005), на Международной конференции "Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования" (г. Ханты-Мансийск, 2005г.), на 3-й Всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (г. Москва, 2005).

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

Разработка автора "Аппаратно-программный комплекс АРТ-монтаж" на конкурсе научно-практических работ Федеральной службы России по гидрометеорологии в 1995 году, заняла 1-е место.

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

Решением Российского космического агентства от 14.01.2005г. центр ДЗЗ ЮНИИ ИТ включен в состав наземного комплекса приема, обработки и распространения информации с планируемого к запуску КА детального наблюдения «Ресурс-ДК» Us 1 в качестве одного из двух планируемых для работы с КА центров.

В июне 2005г. в центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ состоялось официальное открытие первой в России станции приема и обработки радиолокационной информации с КА ERS-2 Европейского космического агентства. Личный вклад. Участие автора заключается в постановке рассматриваемых в диссертационной работе теоретических и прикладных проблем, разработке моделей, алгоритмов и большей части описанных в работе программных средств. Создание технологий решения прикладных задач выполнено под руководством автора и с использованием разработанного им программного обеспечения.

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

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка литературы. Материал изложен на 229 страницах, включая 65 рисунков, 26 таблиц и список литературы из 205 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и методы исследований, изложены тезисы, характеризующие научную новизну и практическую значимость работы, перечислены научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, в которых реализованы научные результаты диссертации, сформулированы основные результаты, выносимые на защиту, приведены структура, объем диссертации.

В разделе 1 диссертации с использованием отечественных и зарубежных литературных источников дан анализ современного состояния системы космического мониторинга окружающей среды в России и в мире. В подразделе 1.1 проведена классификация задач космического мониторинга. Все задачи космического мониторинга окружающей среды условно разбиты по их научному и практическому содержанию на следующие пять основных классов: экологический мониторинг, мониторинг природных ресурсов, прогнозирование и контроль природных катастроф и техногенных аварий, фундаментальные исследования Земли в интересах метеорологии, климатологии и др., задачи, решаемые в интересах различных отраслей и предприятий с целью оптимизации их взаимоотношений с природой.

Каждый класс характеризуется своими требованиями к спутниковым данным, проведен анализ этих требований.

В подразделе 1.2 проведен исторический анализ развития в мире систем дистанционного зондирования Земли из космоса и бортового съемочного оборудования различного тематического назначения. На основе анализа сделан вывод относительно функциональных возможностей и принципов построения наземных аппаратно-программных комплексов приема, обработки и распространения данных ДЗЗ (ДПОР), которые необходимы в настоящее время и будут востребованы в ближайшей перспективе. В подразделе 1.3 описаны существующие схемы организации ЦПОР: локальные, территориальные, отраслевые, региональные. В России пока нет концепции и опыта целенаправленного создания центров космического мониторинга окружающей среды регионального уровня (РЦКМ). В разделе показана актуальность системного исследования и разработки программно-технологического комплекса (ПТК) РЦКМ, базирующегося на современных информационно- космических технологиях.

Обязательными отличительными характеристиками данного ПТК должны быть:

. I. Возможность приема и обработки данных детального наблюдения (высокого пространственного разрешения 0,3-3 м);

II, Возможность приема и обработки данных радаров с синтезированной апертурой;

III. Возможность по техническим характеристикам приема потока данных с любого существующего в мире КА;

IV, Возможность информационного обеспечения решения комплексных задач мониторинга окружающей среды от глобального до локального масштаба;

V. Наличие в составе ПТК высокопроизводительной вычислительной техники и специализированного программного обеспечения.

Раздел 2 посвящен разработке структуры программно* технологического комплекса РЦКМ. В подразделе 2.1 автором предложена концепция наземного сегмента системы космического мониторинга окружающей среды, который должен состоять из государственного информационно-управляющего центра (ИУЦ), региональных и территориальных центров космического мониторинга окружающей среды (РЦКМ и ТЦКМ), территориальных и отраслевых центров тематической обработки спутниковых данных (ТЦТО и ОЦГО). ИУЦ должен выполнять функции обработки и формализации запросов пользователей данных, поступающих через региональные и территориальные центры, оптимального распределения орбитальных информационных ресурсов с целью наиболее полного удовлетворения пользователей и эффективного использования орбитальной группировки, распространения баллистических данных и данных о режимах работы бортовой аппаратуры, необходимых для предварительной обработки спутниковых данных. РЦКМ должны создаваться не по отраслевому принципу, а по территориальному, с выбором их географического местоположения по критерию оптимизации зон ответственности. Региональные центры должны располагать оборудованием для приема, обработки и распространения спутниковых данных со всех фрагментов орбитального сегмента, в том числе и с зарубежных орбитальных группировок, для решения задач глобального и регионального, а при необходимости и локального масштаба различного тематического назначения.

Основой иерархической структуры центров являются объемы информационных потоков, которыми должны оперировать центры.

Таким образом, представленная концепция организации системы космического мониторинга окружающей среды предполагает распределенную обработку и хранение спутниковых данных. Предпосылками создания такой системы является высокий уровень развития современных сетевых информационных технологий хранения, интерактивной обработки и оперативной передачи спутниковых данных по сети Internet, Web-технологий, сетевых геоинформационных систем (ГИС) и баз данных,

составляющих основу формирования программно-технологического комплекса цетра космического мониторинга.

Место и роль РЦКМ в предлагаемой концепции системы космического мониторинга окружающей среды явились основой для выработки функциональных требований к ПТК. Основные функции центра:

1. Сбор и обобщение заявок пользователей на съемку объектов в пределах зоны ответственности, передача их в ИУЦ.

2. Подготовка данных для управления комплексом приемных средств центра.

3. Прием и регистрация спутниковых данных в режиме реального времени.

4. Предварительная обработка спутниковых данных.

5. Тематическая обработка спутниковых данных.

6. Архивация данных, ведение базы данных.

7. Ведение каталога базы данных с обеспечением доступа к ней всем потенциальным пользователям.

8. Распространение спутниковых данных и результатов их обработки.

В подразделе 2.2 в соответствии с основными функциями РЦКМ сформулированы функциональные требования к входящим в ПТК системам подготовки данных для управления, приема и регистрации, предварительной обработки, тематической обработки, архивации и ведения каталога, распространения данных и сбора заявок.

Функциональные требования к системам стали определяющими при выборе в подразделе 2.3 структуры ПТК РЦКМ. Требования высокой надежности и адаптируемости к изменяющимся потребностям привели к выбору распределенной многомашинной системы, как основы архитектуры. Отдельные компьютеры будут осуществлять прием, обработку и распространение информации по направлениям космических систем, при этом они будут образовывать локальную сеть. Реализация локальной сети должна быть осуществлена на основе существующих систем передачи данных и разработанных протоколов обмена информацией, в том числе TCP/IP и HTTP, широко применяемых в современных Intranet- системах. Intranet-системы могут обеспечить своевременную доставку информации, коммуникации внутри центра, а также доступ к базам данных с настольных рабочих мест, независимо от используемых компьютерных платформ или типа сетевого оборудования. Сеть с аппаратное программной Intranet -архитектурой обладает гибкостью и способностью к постепенному расширению, не требующему крупных изменений в системном математическом обеспечении. В дополнение к обеспечению внутренних коммуникаций, системы Intranet можно использовать для обеспечения связи с удаленными пользователями и телекомпьютерами. В этом случае информационное пространство центра является частью виртуального Internet / Intranet пространства. Преимуществами такого решения являются, во-первых, методологически единая информационно-программная база открытых систем (клиент-серверные ОС, БД, ГИС), дающих многообразные возможности интеграции разнородных данных, размещенных на серверах

региональных служб и, во-вторых, возможность построения технологии центра, легко адаптируемой к новым техническим задачам (наращивание информационных ресурсов и функциональное развитие).

Предложенная структура явилась основой создания Центра космического мониторинга Сибири (ЦКМС, г,Новосибирск,) на базе ЗапСиб РЦПОД (http://www.rcpod.siberia.net/fr_main.htm) и Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМ и МГ) СО РАН, описанного в подразделе 2.4. В организационном плане ЦКМС состоит из трех фрагментов, расположенных в г.Новосибирске и территориально удаленных друг от друга на расстояние до 40км. С точки зрения архитектуры ЦКМС представляет собой интегрированную информационную систему (ИИС) с Intranet- архитектурой, ИИС создана в виде Intranet- сети, в которой обмен информацией как между фрагментами, так и с конечными пользователями осуществляется с использованием стандартных технологий Internet: Web-серверов, TCP/IP и HTTP. На рис.1 приведена схема одного из подкомплексов ЦКМС.

Комплекс технических и программных средств, реализованный в ЦКМС, выполняет все функций РЦКМ, перечисленные выше. В составе центра используются как специальные устройства, предназначенные для работы со спутниковыми данными, так и типовые средства вычислительной техники.

Для реализации трудоемких алгоритмов и обработки больших массивов данных в ИВМ и МГ технически организован выход из ЛВС ЦКМС в Сибирский суперкомпьютерный центр (ССКЦ) СО РАН, расположенный в здании института. ССКЦ создан в рамках проекта суперкомпьютинга СО РАН при поддержке РФФИ (проект №99-07-90422) на базе многопроцессорной ЭВМ RM600.

Совместно с Институтом космических исследований (ИКИ, г. Москва) и научно-исследовательским центром «Планета»(г. Москва) в сети Internet на сервере ИКИ был создан каталог природно-ресурсной информации Росгидромета (http ://spu tn ik .infospace.ru/res u rs/r u s_win/r esur s.h tm).

В подразделе 2.5 представлен другой пример реализации ПТК РЦКМ -центр ДЗЗ Югорского научно-исследовательского института информационных технологий (ЮНИИ ИТ) (г.Ханты-Мансийск, http://www.urütru/dzz/i.htm ). В соответствии с функциональными требованиями к системе приема и регистрации в Центре реализована структура приемного комплекса с дублированием приемных станций по диапазонам частот приема (рис.2).

Основу системы составляет Высокоинформативный пункт приёма и обработки информации (ВППОИ) на базе приемной антенны диаметром 9 метров производства Российского НИИ космического приборостроения, г. Москва. Комплекс обеспечивает приём, запись, каталогизацию и архивацию информации, поступающей в Х-диапазоне (8000-8400 МГц) частот со скоростью до 320 Мбит/сек. На момент ввода в эксплуатацию в 2004г. ВППОИ был первым действующий в России комплексом, позволяющим принимать поток информации до 320 Мбит/сек. Комплекс способен

принимать информацию со всех существующих отечественных и зарубежных КА с аппаратурой высокого пространственного разрешения.

ЛВС

пункта приема

Базовая сеть «Магистраль-Телеком» Доступ в Internet Передача данных

Маршрутизатор (ОС "UNIX")

п

Цифровой выделенный канал

Система передачи данных Росгидромета

ВОЛС |,г

ЗапСиб РЦПОД Новосибирск

ВОЛС

ИВМиМГ СО РАН

Ретрансляция через ИСЗ «Электро»

Запись на цифровые носители

Модем, коммутируемый канал

Internet FTP-сервер WWW- сервер E-mail_

Запись на цифровые носители

Internet FTP-сервер WWW- сервер E-mail

Запись на цифровые носители

Рис.1 Подкомплекс ЦКМС распространения данных, сбора заявок и данных о КА

Отличительной особенностью ГГТК центра ДЗЗ является возможность его доступа к компьютерному ядру ЮНИИ ИТ, состоящему из двух мощных суперкомпьютеров производства Sun Miciosystems. Суммарная пиковая мощность компьютеров составляет около 130 гигафлоп. В состав суперкомпьютеров входит уникальное оборудование для хранения и обработки больших объемов данных.

ЛВС

Х-диапазон

Поток до 320 Мбит/сек

И

□

ВППОИ

L-диапазон Х-диапазон

Поток до 128 Мбит/сек

□

УППОИ

L-диапазон

Поток до 15 Мбит/сек

«СканЭкс»

Q

j3I&l

Рис. 2 - Система приема и регистрации центра ДЗЗ ЮНИИ ИТ

Сеть хранения информации (Storage Area Network) включает трехуровневую систему накопителей (дисковые массивы, ленточная библиотека, оптическая библиотека CD/DVD) и позволяет надежно хранить десятки Тбайт данных,

В разделе 3 описаны исследования и разработки по математическому и программному обеспечению автоматизации приема, обработки и распространения спутниковой информации. Исследования касались всех звеньев технологии приема и обработки: предсеансной подготовки, приема, регистрации, предварительной обработки, тематической обработки, архивации данных, создания новых видов продукции, распространения данных по глобальным вычислительным сетям. В подразделе 3.1 приведен перечень программного обеспечения, необходимого для функционирования РЦКМ, сформулированы требования к качеству программного обеспечения.

Подраздел 3.2 посвящен математическому и программному обеспечению подготовки данных для управления ПТК, приема и регистрации спутниковых данных. Решаются следующие основные задачи:

12

1) Расчет с заданной заблаговременностью на основе орбитальных данных расписаний сеансов связи с КА.

2) Расчет координат движения антенн во время сеансов связи с КА. Рассматривался как случай антенн с широкой диаграммой направленности (до 30 градусов), так и с узкой диаграммой ( от 3 градусов до 20 минут).

3) Оптимизация распределения и использования вычислительных ресурсов в процессе регистрации информации в режиме реального времени.

Основой решения первых двух задач является модель оскулирующей орбиты, реализованная в виде быстрого и экономичного алгоритма расчета положения КА, движущегося по орбите, близкой к круговой. Для учета постоянно действующих сил в рамках метода оскулирующих элементов для каждого момента времени истинная орбита моделируется в виде некоторой Кеплеровой орбиты. Преимуществом этого алгоритма является его совместимость с повитковым прогнозом движения КА, при котором рассчитываются оскулирующне элементы орбиты спутника на начало каждого витка, что нужно для решения первой задачи. При расчете координат КА достигается точность, необходимая для решения второй задачи.

Алгоритм разделяется на следующие этапы:

♦ определение средних элементов орбиты, то есть элементов, получаемых с учетом вековых и долгопериодических возмущений движения КА;

♦ расчет короткопериодических возмущений положения КА в орбитальной системе координат;

♦ вычисление прямоугольных экваториальных координат КА;

На основе этого алгоритма разработана программа, рассчитывающая расписания входа КА в зону радиовидимости пункта приема. Для определения координат движения антенны (целеуказаний) с узкой диаграммой направленности в алгоритме используется разложение гравитационного потенциала в ряд по сферическим гармоникам с удержанием 16 первых гармоник. Коэффициенты ряда взяты из модели, описывающей форму геоида с точностью до 2,5 м. Для более точного учета влияния атмосферы используются параметры динамической модели DENSIT, принятой в России в качестве стандартной для баллистического обеспечения полетов КА

Вышеперечисленные алгоритмы реализованы в пакете программ "Баллист", блок-схема которого приведена на рис. 3. Пакет реализован в операционной системе Windows и включает программы, объединенные оболочкой-меню.

Регистрация информации на компьютере в темпе приема с КА - процесс, протекающий в режиме реального времени и потому требующий тщательного подхода к алгоритму записи во избежание потерь информации. Автором разработан алгоритм регистрации информации на жесткий диск персонального компьютера в режиме прерываний с буферизацией в оперативной памяти.

Рис. 3 - Блок-схема пакета программ "Баллист".

В подразделе 3.3 описаны метода н реализованный на их основе программно-алгоритмический комплекс предварительной обработки спутниковых данных. Под понятием «предварительная обработка» спутниковых данных здесь понимается совокупность следующих функций, выполняемых последовательно так, что каждая из них определяет приращение на одну ступень уровня обработки:

1) Фрагментация сырых данных, завершается созданием массивов данных, выделенных из общего потока и соответствующих отдельным бортовым устройствам. Для всех типов КА решались следующие задачи:

• разделение поступающего потока данных по видам информации, которые определяются бортовыми устройствами;

• фрагментация многоспектральной видеоинформации;

• приведение к стандартным и универсальным форматам данных.

2) Устранение импульсных помех и сбойных строк, возникающих в ходе передачи сигнала по радиоканалу от КА к антенному комплексу, что приводит к некоррелированному изменению яркости отдельных пикселов. Сглаживание шума обеспечивается путем низкочастотной фильтрации с помощью шумоподавляющей маски. В процессе фильтрации окрестность анализируется на наличие перепадов яркости (контуров) с целью изменения маски, это позволяет избежать подавления мелких деталей, понижающего информативность изображения. Процесс фильтрации импульсных помех осуществляется в 2 этапа. Сначала происходит анализ изображения и набор статистики, на основании которой принимается решение о типе применяемых алгоритмов. На втором этапе происходит собственно фильтрация помех. Качество фильтрации зависит от характера обрабатываемого снимка.

Наибольший процент ошибок алгоритма обнаруживается в областях сильной текстурной неоднородности. Скорость фильтрации зависит от процента зашумления.

3) Радиометрическая коррекция, устраняющая неравномерность чувствительности детекторов, или другие искажающие факторы съемочных устройств, и определяющая коэффициенты калибровки. В случае отсутствия бортовых калибровочных данных проводится операция выравнивания поля яркости с целью сведения чувствительности отдельных элементарных детекторов к чувствительности одного из них, принимаемого за эталонный. Эту операцию точнее назвать «относительной радиометрической коррекцией». Далее, по эталонным элементам определяется функция, обеспечивающая вычисление физической величины входной интенсивности в видимом и ближнем НК- диапазоне на основе значений пикселов исходного изображения.

Обычно же нормализация изображений проводится с использованием калибровочной радиометрической коррекции. Перед ее проведением необходимо сначала сформировать базу калибровочных уровней. Данная операция производится однократно при наличии файлов изображений с эталонными калибровочными уровнями, сформированными средствами предполетной калибровки. В последствии база калибровочных уровней может обновляться при наличии более новых файлов с калибровочными уровнями, сформированными средствами бортовой калибровки. На рис. 4 приведен пример работы разработанного программного обеспечения радиометрической коррекции.

Рис, 4 - Пример устранения структурных искажений: А- исходное изображение, Б- обработанное.

4) Атмосферная коррекция, реализующая пересчет входной интенсивности в величину, пропорциональную коэффициенту отражения подстилающей поверхности в видимом и ближнем инфракрасном

15

диапазонах. Задача атмосферной коррекции - одна из самых сложных среди задач восстановления данных дистанционного зондирования Земли. Прежде всего, это связано с тем, что для ее решения необходима информация об оптической толщине атмосферы т над снимаемыми объектами. Наилучшим способом ее решения была бы установка по всей поверхности Земли обширной сети солнечных спектрофотометров, измеряющих интенсивность солнечного излучения I, прошедшего через атмосферу, в различных участках спектра. Чаще всего используют данные с немногих, установленных на поверхности суши спектрофотометров, или применяют косвенные методы коррекции.

В процессе создания центра ДЗЗ ЮНИИ ИТ был изготовлен и установлен силами Института оптики атмосферы СО РАН солнечный фотометр SP-6 с пакетом программного обеспечения для автоматизированных измерений сигналов спектральной прозрачности в полосах поглощения газов и "окнах прозрачности" атмосферы в целях последующего восстановления общего содержания аэрозоля (аэрозольная оптическая толщина) и ряда парниковых газов.

5) Локализация данных, имеющая целью их привязку к координатам земной поверхности. Автором был разработан пакет программ для географической привязки спутниковых изображений. При расчете картографической сетки учитываются параметры орбиты, полученные на основе орбитального прогноза, кривизна и вращение Земли, нелинейность развертки сканирующих устройств. При необходимости аналитическая модель расчетов уточняется по опорным точкам местности и телеметрическим данным об ориентации объекта. Реализовано несколько видов корректирующего полинома: линейный, билинейный, квадратичный, кубический.

Географическая привязка данных спектрального сканирования, отличающихся низким пространственным разрешением, осуществляется на основе алгоритма, описанного в подразделе 3.2, на последнем этапе производится преобразование экваториальной инерциальной системы в экваториальную вращающуюся систему. В результате получается так называемый след орбиты, то есть координаты (широты и долготы) подспутниковых точек с некоторым шагом во времени. Программа, реализующая этот алгоритм, входит в состав пакета программ "Баллист" (рис. 4). Программа предназначена для экспресс- обработки видеоинформации метеорологического характера, когда требуется нанесение географической сетки без трансформации в проекцию карта в режиме реального времени.

6) Геометрическая коррекция, обеспечивающая преобразование исходного снимка в заданную картографическую проекцию, что позволяет однозначно привязать к земле любой элемент изображения.

Существует множество программных модулей геометрической коррекции, встроенных в распространенные геоинформационные системы (ГИС ERDAS, ArcGis, ErMapper и др.) Однако, автором разработана программа для преобразования спутниковых снимков в ряд стандартных картографических

проекций для последующей точной географической привязки изображения к картографическим материалам. Необходимость данной программы обусловлена возможностью дальнейшей ее адаптации к разрабатываемым на языке С++ специальным комплексам программ обработки спутниковых изображений. Программа преобразует изображения в проекции НПИ (номинальная), Гаусса-Крюгера, Меркатора, стереографическую. Выполнить геометрическую нормализацию можно с одним из трёх типов яркостной интерполяции: билинейной, кубической и по ближайшему целому. Программа геометрической нормализации используется, в том числе, и в пакете прикладных программ «APT- монтаж», описываемом ниже (п.4.1).

Подраздел 3.4 посвящен программному обеспечению архивации и распространения спутниковых данных. В контексте выполнения РЦКМ региональных функций особое значение имеют вопросы архивации получаемых спутниковых данных на весь регион, организации оперативного доступа региональных и других пользователей к каталогам и архивам. Автором рассматривались вопросы структурной организации, а также технические и программные вопросы ведения архивов и каталогов, процедуры доступа к ним локальных и удаленных пользователей. В рамках ЦКМС была создана система хранения космических сканерных снимков, обеспечивающая функции удалённого манипулирования данными. Система хранения построена по принципу распределенной базы данных. Разработана концептуальная модель хранения данных, описывающая типы данных и связи между ними. Для ускорения процесса манипулирования данными с учетом большого объема сеансов спутниковых данных один сеанс разбивается на несколько фрагментов, каждый из которых требует отдельного описания и хранения этой информации в базе данных. Поэтому в базе данных организована основная таблица сеансов, в которой содержатся записи с информацией по всему сеансу приёма данных. Для того, чтобы система архивации и ведения каталога удовлетворяла функциональным требованиям, наилучшим вариантом является создание архивов в виде баз данных на аппаратных платформах с высокопроизводительными процессорами в конфигурации с расширенной оперативной и дисковой (RAID- технологии) памятью. В ЦКМС реализован двухкомпонентный архив (иа цифровых носителях- CD, DVD, стримерные ленты) и на RAID- массивах (http://www.rcpod.siberia.net/archive/archive.htm).

В Центре ДЗЗ ЮНИИ ИТ для решения геоинформационных задач на суперкомпьютере SunFire 15000 используется ArcSDE или Spatial Database Engine - служебное программное обеспечение для связи ГИС-приложений с системами управления реляционными базами данных (РСУБД). Это программное обеспечение построено на клиент- серверной технологии и предназначено для хранения, управления и быстрого получения пространственных данных из РСУБД, таких как Oracle, Microsoft SQL Server, IBM DB2 и Informix, Проведены работы no осуществлению доступа пользователей Internet к спутниковым архивам ЮНИИ ИТ (http://www.urHt.ru/dzz/arh_data.htm]), Механизм доступа основан на использовании Oracle9i Application Server - продукта универсального класса,

позволяющего решать широкий спектр задач по поддержке приложений в Internet, Intranet и Extranet-системах,

В состав суперкомпьютера входит уникальное оборудование для хранения и обработки больших объемов данных. Сеть хранения информации включает трехуровневую систему накопителей (дисковые массивы, ленточная библиотека, оптическая библиотека CD/DVD) и позволяет хранить десятки Тбайт данных.

Раздел 4 посвящен разработке методик и реализации их в виде комплексов программ для уточнения гидрометеорологических прогнозов по спутниковым данным. В подразделе 4.1 описан разработанный уникальный аппаратно- программный комплекс для приема и экспресс- обработка данных с метеорологических КА, который был одним из первых в СССР комплексов оперативного назначения на базе персональных компьютеров. Пакет программ для экспресс- обработки спутниковых данных, поступающих в режиме непосредственной передачи (съемка-передача) (Automatic Picture Transmission- APT) "АРТ-монтаж" обеспечивает полный технологический цикл приема и обработки видеоинформации с метеорологических КА серий "МЕТЕОР** и "NOAA". Данный пакет программ вместе с техническими средствами представляет собой систему экспресс- обработки информации, в которой время получения конечных результатов является одним из наиболее важных факторов процесса обработки. Все алгоритмы и программы, входящие в пакет "АРТ-монтаж", разрабатывались с учетом фактора времени. В пакете в автоматическом режиме реализованы все уровни обработки, описанные в п, 3.3. Для получения целостной картины распределения облачности над обширными территориями, соизмеримыми с основными синоптическими объектами, в конечном итоге составляется монтаж из изображений с нескольких последовательных витков (до 4-х). Аппаратно-программный комплекс «АРТ-монтаж» на конкурсе научно-практических работ Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 1995 году, занял 1-е место,

В подразделе 4.2 рассматривается задача создания алгоритмов и программ для уточнения прогнозов скорости перемещения крупномасштабных облачных систем и регионального прогноза осадков с использованием спутниковых данных. За основу работы была взята методика Гидрометцентра России (автор Федорова H.H.), связывающая скорость перемещения участков облачных систем со стадией развития систем, направлением перемещения и характером участков (передняя кромка, тыловая кромка и т.д.). Эта методика рекомендована к внедрению решением Центральной методической комиссии по гидрометеорологическим и гелиогеофизическим прогнозам России от 21.10.1992г.

Скорость перемещения основных частей облачных систем существенно зависит от стадии их развития. В соответствии с методикой выделяется пять стадий развития облачных систем. Скорости облачных систем зависят также от их траекторий (направлений перемещения). Другим существенным фактором является выбор для анализа участка облачной системы. Возможен

выбор передней, тыловой кромки, центральной, северной н южной частей. Во время расчета прогностической скорости данного участка вводится коэффициент ускорения (замедления) его фактической скорости, вычисленной по паре разновременных спутниковых снимков облачной системы. Коэффициент зависит от стадии развития и траектории перемещения облачной системы.

Для разработки алгоритма прогноза синоптического положения необходимо было формализовать вышеперечисленные закономерности, взятые из методики, перевести их в логические выражения. Результатом явился комплекс программ "Видеопрогноз», объединенный единой оболочкой в среде \Уш(1о\у5-98/2000/ХР. Значительные усилия были приложены для создания графического интерфейса для работы синоптика со спутниковыми изображениями, для интерпретации облачных систем и отдельных их участков.

Программное обеспечение позволяет в интерактивном режиме определить стадию развития облачной системы, выбрать нужный участок системы, при этом используются цветовые палитры, облегчающие процесс идентификации структур облачности. Вычисляется фактическая скорость и направление перемещения выбранного участка. На последнем этапе рассчитывается прогностическая скорость данного участка облачной системы с учетом стадии развития системы, характера участка и направления движения. Результатом является прогнозируемое местоположение участка системы через 10-20 часов, представленное графически на втором изображении (рис. 5).

Рис.5 • Пример работы программы «Видеопрогноз»

Автором также решалась задача адаптации спутниковых данных к численной модели прогноза осадков в Сибирском регионе, разработанной в Сибирском НИИ гидрометеорологии (СибНИГМИ). Основная проблема здесь заключалась в адекватном моделировании спутниковых данных об облачности в виде, доступном для решающей численной модели, то есть в разработке метода формализации спутниковых данных. Была разработана форма представления спутниковых данных в виде кодов, соответствующих параметрам синоптической обстановки в областях снимков, совпадающих с трапециями 5x5 градусов картографической проекции. Рассматриваются параметры: тип макроструктуры облачности (циклон, фронт и т.д.), форма облачности (кучевая, перистая и т.д.), процент закрытия области облачностью, процент яркой облачности. Далее значения этих параметров используются в статистической схеме в качестве предиктора для прогноза осадков на 1-3 дня. Разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять географическую привязку снимков, разбивку их на области, автоматическое определение значений параметров по областям.

В подразделе 4.3 рассматривается технология гидрологических прогнозов в период весеннего половодья в бассейне реки Оби на основе спутниковой и наземной информации. Научно-исследовательские работы по этой теме проводились совместно с Красноярским НИЦ гидрометеорологии и Красноярским институтом леса. За основу технологии прогноза была взята численная модель процесса формирования стока в русловой сети.

Эта модель учитывает процессы формирования стока на склонах и в русловой сети:

С(/ + ДО = + Д(- r)/„(r)¿r]+ Q„(t + Дг) + emi.

Í-1 «

где:

Q(t+-At) - расход воды в замыкающем створе; t — дата выпуска прогноза; ¿t — заблаговременностъ прогноза; п — число ландш афтно-гидрол огических районов; qi(t) — суммарный приток в русловую сеть с í-oro района; fqi(i) — кривая добегания бокового притока с i-oro района; Qw(t+At) — составляющая расхода воды, обусловленная истощением начального запаса воды в русловой сети;

Qmin — устойчивое (базисное) питание реки. Рассматриваемая методика предусматривает в ходе прогнозирования оперативную оптимизацию параметров прогностической модели с учетом спутниковых данных о заснеженности высотных зон горного Алтая. Осуществляется расчет оценки площади заснеженности по высотным зонам с учетом рельефа местности с применением элементов ГИС-технологий, Для выделения снега, облаков, почвы, растительности используется контролируемая классификация. Получаемая точность оценки площади заснеженности — 3- 5 % при покрытии в 30% и более.

Раздел 5 посвящен разработке методик и тематического программного обеспечения для решения задач оперативного мониторинга опасных явлений и чрезвычайных ситуаций. Благодаря большой периодичности наблюдений и высокой оперативности получения и обработки, данные ДЗЗ незаменимы при решении задач такого рода. В подразделе 5.1 приведены результаты разработки региональной комплексной информационной системы (ИС) мониторинга лесных пожаров, обеспечивающей оценку и прогноз пожарной опасности в лесах, раннее обнаружение пожаров, контроль их динамики, оценку последствий лесных пожаров по данным ДЗЗ. Аналогичные системы в разное время были созданы в Москве (Институт космических исследований), Красноярске (Институт леса им. В.Н. Сукачева), Иркутске (Институт солнечно-земной физики (ИСЗФ)), Томске (Институт оптики атмосферы (ИОА)). Перечисленные системы имеют разный набор функциональных подсистем и баз данных, применяют разные алгоритмы обнаружения пожаров и дают разную достоверность работы отдельных подсистем, дополняя, тем самым, друг друга. В работе сделан анализ этих систем и алгоритмов, результаты которого использованы при создании ИС.

Создание ИС проводились в рамках совместных работ ЗапСиб РЦПОД и Новосибирского регионального центра геоинформационных технологий СО РАН. Информационной базой системы является единый банк пространственно совмещенных картографических и фактографических данных о лесном фонде и происходящих в нем изменениях, В ИС прогнозирование пожарной опасности в лесах осуществляется на основе прогнозов погоды с использованием прогностических зависимостей между нарастанием показателей пожарной опасности, количеством и длительностью засушливых периодов, температурой воздуха и количеством атмосферных осадков. Первая версия разработанной системы спутникового мониторинга лесных пожаров базируется на данных с пятиканального сканирующего радиометра AVHRR (пространственное разрешение 1100м), размещенного на спутниках NOAA (США). За основу детектирования пожаров был взят пороговый алгоритм, использующий преимущества многоспектральных данных. Суть его состоит в том, что согласно закону Вина для лесного пожара с температурой зоны горения порядка 500 — 1000°К спектральный радиационный выход энергии максимален для длины волны близкой к спектральному диапазону третьего канала AVHRR (длина волны около 3,7 мкм). Задавая температурный порог для третьего канала, можно обнаружить высокотемпературный источник собственного излучения. Во второй версия ИС добавлен новый блок детектирования пожаров на базе данных с прибора MODIS с КА EOS-AM (Terra) и EOS-PM (Aqua) (США). Этот прибор имеет видимые каналы лучшего пространственного разрешения (250 м) и большее число каналов (всего 36, 7 из них используются в алгоритме), чем у прибора AVHRR, что может улучшить достоверность обнаружения пожаров. Многолетний статистический анализ показывает, что достоверность обнаружения пожаров, обусловленная, в том числе, радиометрическим и пространственным разрешением приборов AVHRR и MOD1S, составляет

70-75%. Структура ИС включает ГИС-компоненту, посредством которой происходит пространственное наложение результатов обработки данных ДЗЗ на картографическую основу и формирование отчетной документации (рис.6).

Рис.б - Пример представления местоположения лесного пожара с помощью ГИС-приложения.

Разработана и реализована методика эколого-экономической оценки последствий пожара, основанная на оперативном картировании выгоревших участков. Методика реализуется путем наложения контуров выгоревших участков на карту ландшафтных выделов видового состава деревьев с использованием средств ГИС.

Обе региональные системы мониторинга пожарной обстановки, созданные под руководством и при участии автора в ЗапСиб РЦПОД (г. Новосибирск) и ЮНИИ ИТ (г. Ханты-Мансийск) вошли в ИС дистанционного мониторинга лесных пожаров МПР РФ, в качестве центров сбора и обработки данных и информационных серверов (всего-5, в том числе в гг.Москве, Красноярске, Хабаровске) (http://www.nfrc.aviales.ru/rus/main.sht).

В подразделе 5.2 рассматриваются методологические и алгоритмические основы, а также программная реализация ГИС- технологии оперативного мониторинга паводковой обстановки на основе использования спутниковой информации и данных гидрологических постов. Разработка методики обработки спутниковых данных с целью определения паводковой обстановки заключалась в создании алгоритмов автоматизированной обработки изображений, при которой выделяются и классифицируются такие объекты, как облака, снег, тающий снег, лед, вода на льду, открытая вода и др. В

качестве спутниковых данных используются данные приборов АУНШ1 и МСЮК, имеющие наибольшую частоту обновления в течение суток, что особенно важно для оперативного мониторинга паводковой ситуации. Разделение облаков, снега и бесснежных участков производится с использованием алгоритма, упомянутого в п.4.3, В основу разделения тающего снега, влажной почвы, разрушенного льда, воды на льду положено различие спектральных яркостей 1-го и 2-го каналов для этих объектов.

Для обеспечения независимости от погодных условий и от .условий освещенности разработана также методика использования радиолокационных (РЛ) данных с бортовых аппаратов с синтезированной апертурой (длина волны— единицы сантиметров). Теоретической основой для измерения влажности снега и почвы является большое различие в диэлектрических свойствах воды и сухого вещества. На величину коэффициента обратного рассеяния радиосигнала влияет не только влажность, но и шероховатость, растительность, текстура и плотность почвы, льда или снега. Ввиду того, что вклад в величину коэффициента обратного рассеяния вносят сразу несколько физических причин, для того, чтобы делать выводы о состоянии почвы, льда или снега, исходя из имеющихся данных, важно иметь какую-либо дополнительную информацию о подспутниковом участке (например, гидрологических постов). В рамках международного проекта «Прогноз паводковых ситуаций и оценка их риска в северных регионах» совместно с коллегами университета Альберты (Канада) разработана методика и программное обеспечение обработки РЛ- снимков для интерпретации паводковой обстановки на северных реках. В работе использовались снимки радара с синтезированной апертурой с КА НАБАТ^АТ-! (Канада).

Исходные РЛ- снимки проходят два уровня обработки: получение географически привязанных данных (локализация) и преобразование в картографическую проекцию с использованием орбитальных данных КА (геометрическая коррекция).

Следующим этапом обработки является применение гидрографической маски, которое заключается в наложении на РЛ- снимок изображения этого же участка местности, полученного в оптическом диапазоне с КА Ьап&аи? или Метеор-ЗМ. Цель наложения- установление границ суша/вода и определение участков рек и островов с тем, чтобы в дальнейшем подвергать обработке только пиксели, относящиеся к рекам.

На следующем этапе производится устранение на РЛ- снимках спекл-эффекта (крапчатости), обусловленного когерентностью РЛ- сигнала и интерференцией отражений, исходящих от многочисленных центров рассеяния, располагающихся в пределах одной элементарной площадки (элемента разрешения). Устранение производится с помощью специальных адаптивных фильтров.

Заключительным этапом обработки является классификация областей снимка, относящихся к рекам. В связи с трудностью определения на РЛ-снимках обучающих выборок льда, воды, мокрого снега, мокрой почвы и др.

управляемая классификация на основе предположения нормального закона распределения яркости пикселов изображений является трудновыполнимой. Поэтому в данном проекте применяется алгоритм кластерного анализа, то есть процедура разделения пикселов на схожие между собой классы пикселов на основе пороговых критериев. При интерпретации экспертом результатов кластеризации рассматриваются, прежде всего, текстура отражающей поверхности и содержание воды. Другой известный подход- классификация с помощью искусственных нейронных сетей, который тоже требует участие эксперта. На рис. 7 показан пример классификации РЛ- снимка участка реки.

Рисунок 7 - Пример разделения РЛ - снимка участка реки на классы: 1. гладкий лед 2. слаборазрушенный лед

3. разрушенный лед 4. открытая вода

На основе приведенных методик и программного обеспечения разработана ГИС оценки паводковой обстановки, которая предназначена для использования при принятии решений в ходе возникновения и развития паводковой обстановки. Реализована процедура предоставления пользователям возможности использования ГИС в режиме реального времени посредством Шеше!.

В подразделе 5.3 рассмотрен методологический подход и программная реализация экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду с применением данных ДЗЗ. В качестве перспективного для оценки экологических последствий техногенного загрязнения атмосферы

рассматривается комплексный подход, основанный на совмещении санитарно-гигиенического и ландшафтно-геохимического подходов. Суть этого подхода к анализу воздействия нефтедобычи на природную среду сводится к наложению на ландшафтную карту совокупности зон загрязнения окружающей среды, обусловленных выбросами из различных источников, и определению площадей ландшафтных выделов, оказавшихся в пределах каждой из этих зон загрязнения. При практической реализации этого подхода возникают две сложные задачи:

• определение зон загрязнения атмосферы в результате деятельности нефтедобывающих предприятий;

• построение ландшафтных карт территории нефтедобывающего региона.

Эти задачи предлагается решать с применением математического моделирования зон загрязнения и с использованием ГИС и космических снимков.

При создании информационно-космической технологии для решения задач комплексного мониторинга окружающей природной среды приходится учитывать необходимость формирования в составе геоинформационного обеспечения развитого комплекса прикладных программ, используемых для комплексного анализа, моделирования и прогнозирования состояния природной среды региона. Такие геоинформационные комплексы предлагается называть геоинформационно- моделирующими системами (ГИМС).

Обобщенная структура ГИМС представлена на рисунке 8.

Рис. 8 - Обобщенная структура геоинформационно- моделирующей системы

Информационным ядром ГИМС являются база данных и подсистема цифровых карт. База данных содержит информацию о параметрах источников загрязнения атмосферного воздуха, о параметрах загрязняющих веществ, данные о розе ветров и другую информацию о состоянии

Г

Комплекс программ моделирования

)

ч

окружающей среды. Подсистема цифровых карт (картографическое обеспечение) включает топографическую основу и тематические слои.

Для моделирования зон загрязнения была применена методика, в настоящее время стандартизированная и принятая к применению в природоохранных службах России для автоматизации моделирования процессов рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере — методика Главной геофизической обсерватории (ОНД-86).

Для построения ландшафтных карт территории нефтедобывающего региона разработана обобщенная схема основных этапов обработки космических снимков (КС). Важным технологическим элементом процесса дешифрирования КС является использование базы данных, в которой содержатся информация о результатах наземных наблюдений на территории контрольных участков и лесотаксационные описания выдеяов на исследуемой территории. Классификация выделов на КС проводится с помощью программы, в которой реализованы два различных методических подхода к проведению классификации: с обучением и автоматический. Векторизация снимка проводится средствами пакета программ Агс^Че«', после чего определяются относительные площади каждого из выделенных типов ландшафтных вьщелов. Соотношение площадей различных выделов характеризует ландшафтную структуру территории. В работе проанализированы особенности применения КС высокого и среднего пространственного разрешения.

При апробации подхода в качестве объектов исследования были выбраны два контрольных участка (КУ) территории нефтедобычи на западе Томской области, на которых расположены Васюганская группа месторождений и Игольско- Таловое месторождение.

Рис. 9 - Зависимости относительной площади загрязненных ландшафтных выделов от объемов добычи нефти при 0,05 ПДК: А - Васюганская группа месторождений, Б — Игольско-Таловое месторождение;

1 - темнохвойный лес, 2 — сосновый лес, 3 — мелколиственный лес, 4 - болото.

На основе учета реальных объемов выбросов из всех факельных установок сжигания попутного нефтяного газа на территории КУ определялись площади природных выделов, оказавшихся в зонах загрязнения атмосферы. .Для уровней загрязнения 0,05, 0,1, 0,5 и 1 (от ПДК) для разных типов ландшафта были рассчитаны отношения площади загрязненного выбросами сажи или диоксида азота ландшафтного выдела к его общей площади в зависимости от уровня загрязнения атмосферы и объема добычи нефти. На рис. 9 для примера приведены зависимости относительной величины площади (у) ландшафтных выделов, загрязненных выбросами сажи, от объема сжигаемого попутного нефтяного газа (х), рассчитанные с использованием космических снимков.

Совместный анализ моделей зон загрязнения и ландшафтной обстановки, полученной по космическим снимкам, позволяет делать прогнозы воздействий нефтедобычи на природную среду в зависимости от объемов добычи и выявить наиболее уязвимые участки территории.

В заключении представлены основные результаты работы:

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

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

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

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

5. Создано функциональное программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных, которое позволяет проводить разноуровневую обработку данных с КА метеорологического и

природно-ресурсного назначения. Пакет программ легко адаптируется к новым видам спутниковых видеоданных и используется во всех перечисленных в предыдущем пункте центрах.

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

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

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

Публикации:

1. Копылов В.Н., Пяткин В.П, Сжатие изображении и улучшение их изобразительных свойств. И Всесоюзная конф. по автоматизация научных исследований: Тез. докл.- Новосибирск, 1979.- С.39-40

2. Копылов В.Н., Малыхин А.Е., Юшин П.Е. Комплекс программно-технических средств географической привязки спутниковой информации в оперативном режиме. // В сб.: Математические и технические проблемы обработки изображений,- Новосибирск, 1986.- С.95-97.

3. Копылов В.Н., Малыхин А.Е., Юшин П.Е. Комплекс программно-технических средств обработки спутниковой информации в оперативном режиме. // Серия: Изучение верхних слоев атмосферы и спутниковая гидрометеорология.- Гидрометеоиэдат, Москва, 1988, - С. 1-3,

4. Копылов В.Н. Автоматизация первичной обработки спутниковой метеорологической видеоинформации. //Всесоюзная конф. по проблемам гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири: Тез.докл.- Красноярск, 1988.-С.56-57.

5. Копылов В.Н., Крысов В. П., Костоманов В.И. Космический мониторинг окружающей природной среды. //В кн.: Состояние окружающей природной среды в Новосибирской области в 1994 году.- Новосибирск, 1995,-С. 155-156

6. Копылов В.Н., Крысов В.П. Комбинированный способ оценки состояния природной среды Сибири по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. // Региональная конф. по созданию единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири: Тез. докл.- Новосибирск, 1996.- С.54-60.

7. Алексеев A.C., Ерохин Г.Н. Копылов В.Н. О создании центра космического мониторинга в Сибири. // Интеллектуальные автоматизированные системы в управлении. Материалы научно- практ. конф. 15-16 апреля 1997.- Новосибирск, 1997,- С.26-30.

8. Алексеев A.C., Копылов В.Н., Пягкнн В.П. Космический мониторинг и исследования климата. //Климатоэкологический мониторинг. Тез. докл. Сибирского совещания 16-18 апреля 1997.- Томск, 1997.- С. 9-12.

9. Копылов В.И., Ерохин Г.Н. О создании центра космического мониторинга природных ресурсов и процессов Сибири. // Научно- практ. семинар пользователей природно-ресурсных и океанографических космических данных: Материалы семинара.- Москва, 1997.- С. 44-45.

10. Копылов В.Н. Организация космического мониторинга окружающей среды в Сибири./ Совместно с A.C. Алексеевым, В.И. Зиненко и др.// Сибирский стандарт жизни: экология, образование, здоровье. Тез. докл. Регион, научно-практ. конф. 10-12 декабря 1997г.-Новосибирск, 1997.-С.21-23.

11. Копылов В.Н. Информационно-космические технологии- база мониторинга регионов Сибири. / Совместно с A.C. Алексеевым, Г.Н. Ерохиным и др. // Космический мониторинг Сибири. Материалы Междунар. семинара 25-26 февраля 1998г.-Новосибирск, 1998.-С.З-5.

12. Копылов В.Н. Космический мониторинг окружающей среды в Сибири. / Совместно с A.C. Алексеевым, ГЛ. Ерохиным и др. //Контроль и реабилитация окружающей среды. Тез. докл. Междунар. симпозиума 17-19 июня 1998г.- Томск, 1998. -С.39-40.

13. Копылов В.Н. Дистанционные космические методы мониторинга окружающей среды в Сибири. /Совместно с А.Г. Зацепиным, М.Н. Короткевич и др. //Природные ресурсы стран СНГ. Тез.докл. Междунар. выставки-конф. ноябрь 1998.- Санкт-Петербург, 1998.- С.37-40.

14. Копылов В.Н. Состояние и проблемы развития космического мониторинга в Сибири. / Совместно с A.C. Алексеевым, Г.Н. Ерохиным и др .//Применение спутниковой информации при решении задач дистанционного зондирования территорий Сибири. Тез. докл. Междунар. конф.15 декабря 1998г.- Новосибирск, 1998.- С. 5-6.

15. Экологический мониторинг в России. Космические и наземные системы действующие и планируемые. //Окружающая среда и здоровье населения. Труда Междунар. семинара 8-11 июня 1999г.- Якутск, 1999.-С.11-13.

16. Копылов ВЛ. Технология обнаружения и мониторинг лесных пожаров Западной Сибири по спутниковым данным, /Совместно с Г.Н, Ерохиным, Барулиным В.Ю, Никулиным Д.В. //Актуальные проблемы снижения риска и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Сибирском регионе. Тез.докл. регион, научно- практ,конф. - Новосибирск, 1999.- С, 86-88

17. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н. Организация работы по космическому мониторингу Сибири. Перспективы использования информационных комплексов космической системы «Ресурс-О» для решения задач дистанционного зондирования Сибири, //Развитие системы экологического мониторинга. Тез. докл. Всероссийской конф. 7-9 декабря 1999г.- Томск, 1999,-С. 30-33.

18. Копылов ВЛ., Ерохин Г.Н. Мониторинг речных пойменных затоплений по данным оперативной космической съемки с ИСЗ «Ресурс-01» №3. //Новые технологии и инвестиционные проекты. Материалы Всероссийской выставки-конф., 10-13 апреля 2000г.- Якутск, 2000.- С. 17-18.

19. Копылов В.Н., Ерохин Г.Н. Проблемы космического мониторинга Сибири. //Региональные проблемы Сибири и Дальнего Востока. Труды Четвертого Сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике 26 июня- 1июля 2000г.- Новосибирск, 2000. - С 4-8.

20. Копылов В.Н. Космический мониторинг окружающей среды. //Контроль и реабилитация окружающей среды. Материалы 2-го Международного симпозиума 19-21 июля 2000г.- Томск, 2000.- С. 27-28.

21. Алексеев A.C., Ерохин Г.Н., Зиненко В.И., Копылов В.Н. Вопросы развития центра космического мониторинга Сибири и создания многодисциплинарных технологий мониторинга. //Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне. Труды Международной конф. Enviromis-2000, 24-28 октября 2000,- Томск, 2000.- С. 50-53.

22. Алексеев A.C., Ерохин Г.Н., Зиненко В.И., Копылов В.Н. Состояние и перспективы развития космического мониторинга в Сибири. //Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг. Труды Международной конференции 14-16 июня 2001г., Ханты-Мансийск. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. - С. 9 - 15.

23. Асмус В.В., Копылов ВЛ., Милехин O.E. Система государственных центров космического мониторинга окружающей среды. //Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг. Труды Международной конференции 14-16 июня 2001 г., Ханты-Мансийск. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. - С. 158 - 163.

24. Копылов В.Н. Опыт создания и использования регионального центра космического мониторинга окружающей среды в задачах рационального природопользования J Современные проблемы информационных технологий и космический мониторинг. Труды Международной конференции 14-16 июня 2001г., Ханты-Мансийск. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. - С. 67 - 72.

25. Копылов В.Н. Технологии оперативного космического мониторинга опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций на территории Сибирн.//Совершенствование зашиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Материалы научно-практической конференции 19-20 сентября 2001.- Новосибирск, 2001г.-С. 75-77.

26. Алексеев A.C., Ерохин Г.Н., Зиненко В.И., Копылов В.Н. Космический мониторинг для безопасности окружающей среда. //Совершенствование защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Материалы научно-практической конференции 1920 сентября 2001.- Новосибирск, 2001г. - С. 197-199.

27. Алексеев A.C., Ерохин Г.Н. Копылов В.Н. Региональная система космического мониторинга территорий Сибири. //Суверенный Казахстан: 10-летний путь развития космических исследований. Труды Международной научно-практической конференции, Алма-Ата, 29-30 октября 2001, с,11-17.

28. Копылов В.Н. Оперативные технологии в области регионального космического мониторинга // Труды Междунар. науч.-пракг. конф. "Суверенный Казахстан: 10-летний путь развития космических исследований". — В кн. Известия МОН и АН Казахстана. — Серия физико-математическая. 6(220), ч.2. -Алматы: НИЦ "Фылым", 2001. - С. 95 -100.

29. Рапута В.Ф„ Копылов В.Н. Исследование процессов регионального переноса пыли от площадных источников.// Аэрозоли Сибири. Тезисы докл. Междунар. конф. 27-30 ноября 2001.- Томск, 2001.- С.74.

30. Копылов В.Н. Программно-технологический комплекс регионального центра космического мониторинга окружающей среды,- Новосибирск, НГУ, 2001,-83 с.

31. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н, «Использование NOAA/AVHRR данных для оперативного космического мониторинга окружающей среды Сибири», труды международного симпозиума «NOAA Image of Siberia», Новосибирск, 21 апреля 2002г„ с.85-91.

32. Алсынбаев К.С., Голомолзин В.В., Ерохин Г.Н., Копылов В.Н., Система приема и обработки спутниковой информации Югорского НИИ информационных технологий, Научно-практическая конференция «Проблемы региональной информатизации и пути их решения», сборник трудов конференции, Ханты-Мансийск, 2002 г.- с.128-130

33. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н., Полищук Ю.М., Токарева О.С. Информационно-космические технологии в задачах экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду. -ГПНТБ СО РАН, Новосибирск, 2003.-106 с.

34. Копылов В.Н., Хамедов В.А. Разработка методических вопросов и технологии обработки и архивации данных ДЗЗ с космических аппаратов детального наблюдения // Труды Межд. Конф. «Математические методы в геофизике» (Новосибирск, 8-12 октября 2003 г.)-Новосибирск, Изд. ИВМиМГ СО РАН, 2003.-с.595-598.

35.Ерохин Г.Н., Копылов В.Н., Полищук Ю.М. Применение методов дистанционного зондирования Земли в задачах экологического анализа

воздействий нефтедобычи на природную среду // Труды Межд. Конф. «Математические методы в геофизике» (Новосибирск, 8-12 октября 2003 г.). - Новосибирск: Изд. ИВМиМГ СО РАН, 2003. -с. 589 - 594.

36. Алексеева М.Н., Дюкарев А.Г., Копылов В.Н., Полнщук Ю.М., Пологова H.H. Геоинформационно-космическая методология анализа структуры растительного покрова лесоболотных территорий // Материалы докладов Пятого Сибирского совещания по климаго-экологическому мониторингу. 25-27 июня 2003. -Томск: Изд. ИОМ СО РАН, 2003 - с. 197-201.

37. Алексеева М.Н., Дюкарев А.Г., Копылов В.Н, Полнщук Ю.М. ГИС-технологня анализа пространственной структуры лесоболотных комплексов Сибири // Материалы докладов Пленума «Самоорганизация и динамика геоморфосистем», 25 августа - 2 сентября 2003 г., -Томск, 2003,-с. 73-78.

38.Копылов В.Н, Полищук ЮМ., Хамедов В.А. Комплексная оценка воздействия нефтедобычи на природную среду с использованием информационно-космических технологий // Пути реализации нефтегазового потенциала ХМАО. Труды 7-й научно-практической конференции 1-5 декабря 2003г.- Ханты Мансийск: Изд.дом «ИздатНаукаСервис»- 2004.-Т.З.-С. 328-333.

39. Копылов В.Н., Полищук Ю.М., Хамедов Б.А. Геоинформационные технологии оценки воздействия нефтедобычи на природную среду с использованием данных дистанционного зондирования. // В кн. Информационные технологии и космический мониторинг: Материалы 3-й научно-практической конференции «Электронная Россия», г. Ханты-Мансийск, 2004г. —Екатеринбург: «Издательство Баско», 2004, С.14-19.

у 40. Копылов В.Н. Разработка и реализация аппаратно-программного . /комплекса центра дистанционного зондирования Земли для решения задач V космического мониторинга окружающей среды Севера Сибири. // Исследование Земли из космоса. — 2004,— № 6.— С. 81-88.

41. Копылов В.Н. Вопросы создания регионального центра космического мониторинга окружающей среды на базе современных информационных технологий //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы 2-й Всероссийской конференции 16-18 ноября 2004г. - Москва: Изд. GRANP polygraph. - 2005. -С. 149 - 156.

42. Erokhin G., Alsynbaev К., Kopylov V. Forest fire detection technology based on research work of Ugra remote sensing Centre // Proceedings of the Interational symposium 'View of Norheast Asia forest fire from cosmos", Sendai, Miyagi, Japan- January 17-18, 2005.- Sendai, Japan: Tohoku University Cooperation Print Division. 2005. - p. 1-7.

43. Копылов В.Н. Международный проект мониторинга паводковой обстановки в северных территориях с использованием данных ДЗЗ // Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования. Материалы Междунар. конференции 12-14 апреля 2005г. - Ханты-Мансийск: ГП «Полиграфист». - 2005, - С. 181 - 184.

44. Копылов В Л., Полищук Ю.М., Хамедов В.А. Геоинформационная * технология оценки последствий лесных пожаров с использованием данных

дистанционного зондирования. //Геоинформатика.— 2006.— Ла 1. —С. 56-61.

Копылов Василий Николаевич

Разработка программно-технологического комплекса регионального центра космического мониторинга окружающей среды

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 17.05.2006 Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 2. Уч.-изд. л. 2. Печать цифровая Тираж 100 экз.__Заказ №590_

Отпечатано в ОАО «Информационно-издательский центр» 628006, г. Ханты-Мансийск, ул. Мира, 5

Введение.

1 Задачи космического мониторинга окружающей среды и основные типы систем спутникового дистанционного зондирования.

1.1 Задачи космического мониторинга окружающей среды.

1.2 Основные типы систем спутникового дистанционного зондирования.

1.3 Наземные центры приема, обработки, архивации и распространения пользователям данных зондирования.

2 Структура программно- технологического комплекса регионального центра космического мониторинга окружающей среды.

2.1 Концепция создания системы космического мониторинга окружающей среды.

2.2 Функциональные требования к программно-технологическому комплексу РЦКМ.

2.3 Структура программно- технологического комплекса.

2.4 Практическая реализация программно- технологического комплекса в Центре космического мониторинга Сибири.

2.5 Практическая реализация программно- технологического комплекса в Центре ДЗЗ Югорского НИИ информационных технологий.

3 Математическое и программное обеспечение основных функций регионального центра космического мониторинга окружающей среды.

3.1 Функциональные требования к программному обеспечению

3.2 Математическое и программное обеспечение подготовки данных для управления ПТК, приема и регистрации спутниковых данных.

3.3 Программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных.

3.3.1 Фрагментация данных.

3.3.2 Устранение импульсных помех и сбойных строк.

3.3.3 Радиометрическая коррекция данных.

3.3.4 Атмосферная коррекция данных.

3.3.5 Локализация данных.

3.3.6 Геометрическая коррекция изображений.

3.4 Программное обеспечение архивации и распространения спутниковых данных.

4 Методики и комплексы программ для уточнения гидрометеорологических прогнозов по спутниковым данным.

4.1 Экспресс- обработка данных с метеорологических КА.

4.2 Уточнение метеорологических прогнозов по спутниковым данным.

4.3 Технология гидрологических прогнозов в период весеннего половодья в бассейне реки Обь на основе спутниковой и наземной информации.

5 Комплексы программ обработки спутниковых данных в задачах мониторинга опасных явлений и чрезвычайных ситуаций.

5.1 Мониторинг лесных пожаров космическими средствами.

5.2 Оперативный космический мониторинг паводковой обстановки.

5.3 Экологический анализ воздействий нефтедобычи на природную среду.

5.3.1 Геоинформационное и картографическое обеспечение экологического анализа.

5.3.2 Математические и программные средства моделирования зон техногенного загрязнения атмосферы в нефтедобывающих регионах.

5.3.3 Особенности определения зон техногенного воздействия с использованием космических снимков среднего и высокого пространственного разрешения.

5.3.4 Примеры оценки воздействий загрязнений атмосферы на лесоболотные комплексы с применением космических снимков.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Практическая значимость и реализация научных результатов работы

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

• "Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмических изображений", гос. per. № 79044183, 1979-1981гг.;

• «Пакет прикладных программ обработки изображений для ЭВМ БЭСМ

6», гос. per. № 79044185, 1982г.;

• «Пакет прикладных программ "БАРС», гос. per. № П007372, 1983г.;

• «Пакет прикладных программ "ЭЙДОС"», гос. per. № П007372, 1983г.;

• "Центр обработки геоинформации. Создание системного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений", гос. per. № 81032966, 1981-1984гг ;

• "Разработка и создание инструментального комплекса анализа картографической базы данных Западной Сибири с предоставлением сетевых информационных услуг для обеспечения фундаментальных исследований", грант РФФИ №96-07-89489, 1996-1998гг.;

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

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

• «Мониторинг наводнений в северной Сибири с применением ДЗЗ и ГИС», грант ID3161 (Catl) Европейского космического агентства, 20052006гг.;

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

• «Организация окружного центра хранения и распространения авиационных, спутниковых и векторных данных для решения задач рационального недропользования и охраны окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа», гос. per. № 0120.0 508576, 2005г.;

• «Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в Ханты-Мансийском автономном округе- Югре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования», гос. per. № 0120.0 508578, 2005-2006гг.;

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

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

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Выход

Рисунок 25 - Диалоговое окно формирования калибровочных уровней

3.3.4 Атмосферная коррекция данных

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

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

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

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

Значимость атмосферной коррекции космических снимков возрастает с повышением детальности снимков.

3.3.5 Локализация данных

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

Tnm - матрица перехода из орбитальной движущейся системы координат OXtYtZ( (О- центр масс Земли), зафиксированной на момент tn= to+nF, to -момент начала кадра, F - строчная частота; п = [0, N-l], N- число строк изображения; в систему PXdYdZd ;

Rnm = rn-DmAnp , ги = Ftn r = (r,,0,0)r-радиус-вектор OP в системе OXtYtZt , An = At ; At- матрица перехода из относительной геоцентрической (гринвической) системы OXgYgZg в систему OXtYtZt ; Dm - матрица, учитывающая движение КА, р- радиус-вектор OS (S- визируемая точка земной поверхности ), компоненты которой равны: и ег - длина большой полуоси и эксцентриситет референц -эллипсоида соответственно; Н- высота местности точки с координатами B,L.

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

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

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

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

Реализовано несколько видов корректирующего полинома, который может быть:

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

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

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

• квадратичным: х* = а0+ ахх + а2у + а3ху + а4х2 + а5у2, y* = b0 +b]x + b2y + b3xy + blx2 +Ъ5у2 ,

• кубическим: х* = а0+а,х+. + а8х3+а9у3, для 3-х и более ОТМ; для 4-х и более ОТМ; для 6-и и более ОТМ; для 10-и и более ОТМ , y*=b0 +Ь,х+ . +Ънх+Ъ9у , где (х*, у*), (х, у) - соответственно плоскостные координаты одноименных точек на карте и изображении; a, b - векторы коэффициентов полинома.

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

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

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

Рисунок 26 - Пример географической привязки без трансформации в проекцию карты

3.3.6 Геометрическая коррекция изображений

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

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

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

Искомые зависимости Gx,Gy определяются с помощью аппроксимирующих функций:

Pi

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

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

Параметры обработкиВ

Вий J Формат) Коррекция привязки | Аннотирование | НИ

Геометрическая нормализация----г Ориентация осей регистрации

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

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

С Меркатора Г Кубическая

Стереографическая ---

- Фотометрическая нормализация

Г Статистическая I- Калибровочная

R Совмещение СП К датчика МСУЭ

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

Показать

DK

Отмена

I Применить | Справка

Рисунок 27 - Графический интерфейс программы геометрической нормализации

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

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

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

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

3.4 Программное обеспечение архивации и распространения спутниковых данных

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Абушевский Н.А. и др. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в России. Итоги, проблемы, перспективы: Аналит. обзор / ГПНТБ СО РАН.-Новосибирск. - 2003, 135 с.

2. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Народнохозяйственные и научные космические комплексы. -М: Машиностроение, 1985. 147 с.

3. Аковецкий В.И. Аэрокосмос и ноосфера. М.: Недра, 1989. - 177 с.

4. Алексеев А.С. и др. Космический мониторинг окружающей среды в Сибири. / А.С. Алексеев, Г.Н. Ерохин, В.Н. Копылов // Контроль и реабилитация окружающей среды.-Тез. докл. Междунар. симпозиума.-Томск, 17-19 июня 1998, с.39-40.

5. Алексеев А.С. и др. Состояние и проблемы развития космического мониторинга в Сибири. / А.С. Алексеев, Г.Н. Ерохин, В.Н. Копылов //

6. Применение спутниковой информации при решении задач дистанционного зондирования территорий Сибири.- Тез. докл. Междунар. конф., Новосибирск, 15 декабря 1998, с. 5-6.

7. Алексеев А.С., Калантаев П.А., Пяткин В.П. Новые информационные технологии в дистанционных исследованиях Земли из космоса // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. "Современные проблемы геодезии и оптики". -Новосибирск, 1998.-С. 18-20.

8. Ю.Алексеев А.С., Пяткин В.П., Копылов В.Н. Космический мониторинг и исследования климата. // Климатоэкологический мониторинг: Тез. докл. Сибирского совещания, Томск, 16-18 апреля 1997,с. 9-12.

9. Востока и Арктики". Томск: Изд-е МИЦФОСЭ ТНЦ СО РАН, 2001. -С.331 -335.

10. Алексеева М.Н., Полищук Ю.М. Методические вопросы использования космоинформации в решении экологических проблем добычи нефти // Материалы 2-й науч.-практ. конф. "Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа".-Томск: STT,2001.-C. 121 123.

11. Ананьин В. Интранет как инструмент корпоративного управления // СУБД. -1997.-№3,-С. 53 -58.

12. Анфимов Н.А., Лукьященко В.И., Моисеев Н.Ф. и др. Проект государственной космической программы России на 1993 2000 гг. // Космонавтика и ракетостроение. - 1993. - № 1. - С. 14-27.

13. Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы проектирования траекторий носителей и спутников Земли. -М.: Наука, 1987. 440 с.

14. Афонин С.В., Белов В.В. Информационно-методические основы построения эффективных систем спутникового мониторинга лесных пожаров // Вычисл. технологии. 2003. - Т. 8, спец. вып. - С. 35 - 46.

15. Баррет Э., Куртис JI. Введение в космическое землеведение. М.: Прогресс, 1979.-368 с.

16. Барталев С.А. и др. Организация оперативного спутникового мониторинга территории России в целях службы пожароохраны лесов /С.А. Барталев, Е.А.Лупян, В.Е. Щетинский //. Препринт ИКИ РАН. Пр-1981.-М., 1998.-18с.

17. Белан Б.Д., Зуев В.Е., Панченко М.В. Основные результаты самолетного зондирования аэрозоля в ИОА СО РАН (1981 1991 гг.) // Оптика атмосферы и океана. - 1995.-Т. 13.-№ 1 -2.-С. 131 - 155.

18. Белов В.В. и др. Тематическая обработка и атмосферная коррекция аэрокосмических изображений / В.В. Белов, С.В.Афонин, Ю.В.Гриднев, К.Т. Протасов // Оптика атмосферы и океана. 1999. - Т. 12, № 10. - С. 991-1000.

19. Берлянт A.M. Виртуальные геоизображения. М.: Научный мир, 2001. - 56с.

20. Берлянт A.M. Картография и телекоммуникация. М.: Астрея, 1998. -76 с.

21. Бернстайн Ф. Middleware: модель сервисов распределенной системы // СУБД. 1997. - № 2. - С. 76 - 80.

22. Беспамятнов Г.Н., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде.-JI.: Гидрометеоиздат, 1985.-366с.

23. Бугаевский Л.М. Теория картографических проекций регулярных поверхностей. М.: Златоуст, 1999. - 144 с.

24. Букс И.И., Фомин С.А. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду: Учеб.-метод, пособие. Кн. 1. М.: Изд-во МНЭПУ, 1999.- 128 с.

25. Букчин М.А., Гершензон В.Е., Захаров М.Ю., Лупян Е.А., Плюснин И.А. Возможность создания и перспективы использования недорогих станций приема данных со спутников серии NOAA // Исследование Земли из Космоса. 1992. N6. С. 85-90.

26. Бураков Д.А., Кашкин В.Б. Прогностическая модель стока для рек Севера Красноярского края. // 2-я Всероссийская конференция по математическим проблемам экологии. Тез. докл. Новосибирск, 1994., с. 29-36.

27. Бураков Д.А., Сухинин А.И., Ромасько В.Ю. и др. Методика определения заснеженности речного бассейна по спутниковым данным для оперативного прогноза стока // Метеорология и гидрология. 1996. - № 8. - С. 100 - 109.

28. Бучнев А.А., Калантаев П.А., Пяткин В.П. ИНТРАНЕТ архитектура региональной интегрированной системы для обработки аэрокосмических изображений // VIII-ая Междунар. конф. по компьютерной графике и визуализации ГРАФИКОН-98. - Москва, 1998. - С. 82 - 85.

29. Бучнев А.А., Калантаев П.А., Пяткин В.П. Региональная ГИС для обработки аэрокосмических изображений // Материалы Междунар. конф. "ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий". Барнаул, 1998. - С. 106 - 112.

30. Бучнев А.А., Пяткин В.П. Программный комплекс для обработки аэрокосмических изображений // Труды IV-ой Междунар. конф. РОАИ-4-98. -Новосибирск, 1998.-С. 251-253.

31. Вызова Н.А. Экспериментальное исследование атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примесей. J1.: Гидрометеоиздат, 1991. - 278 с.

32. Валендик Э.Н., Доррер Г.А., Сухинин А.И. Система дистанционного контроля и оперативного прогнозирования распространения лесных пожаров // Космические методы изучения природной среды Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Наука, 1983.-С. 136- 155.

33. Васильев С.В. Воздействие нефтегазодобывающей промышленности на лесные и болотные экосистемы. Новосибирск: Наука, 1998. - 127 с.

34. Вострякова Н.В., Комлев A.M. Об оценке динамики снежного покрова для прогноза весеннего половодья в Горном Алтае по данным спутниковых наблюдений.- Труды ГГИ, вып. 237, 1976, 57 с.

35. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Изд-во А и Б, 1997. - 296 с.

36. Геоинформационные системы: Сб. М.: CDS- Club, 1996. - 167 с.

37. Геоинформационные технологии в решении региональных проблем: Сб. -Тула, 2000.- 124 с.

38. Герман М.А. Спутниковая метеорология. -JL: Гидрометеоиздат, 1975 368с.

39. Головчин В.Р., Тищенко А.П. Пространственная привязка спутниковых сканерных изображений по траекторным данным // Аэрокосмические исследования Земли. Методы обработки видеоинформации с использованием ЭВМ. М.: Наука, 1978. - С. 56 - 65.

40. Гонин Г.Б. Космическая фотосъемка для изучения природных ресурсов. Д.: Недра, 1980.-320 с.

41. Горелов В.А., Лукашевич Е.Л., Стрельцов В.А. Состояние и тенденции развития космических средств ДЗЗ высокого разрешения // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 2002. - № 4 (36). - С. 6-11.

42. Гриднев Ю.В. Выделение облачных полей на космических снимках алгоритмом сегментации, основанным на свойствах локальной однородности данных // Там же. 1998. - Т. 11, № 4. - С. 430 - 432.

43. Гриценко А.И., Акопова Г.С., Максимов В.М. Экология. Нефть и Газ. М.: Наука, 1997.-598 с.

44. Дейвис Ш.М. и др. Дистанционное зондирование: количественный подход. -М.: Недра, 1983.-415 с.

45. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н. «Использование NOAA/AVHRR данных для оперативного космического мониторинга окружающей среды Сибири», труды международного симпозиума «NOAA Image of Siberia», Новосибирск, 21 апреля 2002г., с.85-91.

46. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н. Мониторинг речных пойменных затоплений по данным оперативной космической съемки с ИСЗ "Ресурс-О 1" № 3

47. Материалы Всерос. выставки-конф. "Новые технологии и инвестиционные проекты" (Якутск, 10-13 апреля 2000 г.). С. 17 - 18.

48. Ерохин Г.Н., Копылов В.Н., Полищук Ю.М., Токарева О.С. Информационно-космические технологии в задачах экологического анализа воздействий нефтедобычи на природную среду. -ГПНТБ СО РАН, Новосибирск, 2003. -106 с.

49. Жеребцов Г.А. и др. Использование данных AVHRR с ИСЗ NOAA для обнаружения лесных пожаров / Г.А. Жеребцов, В.Д. Кокуров, В.В. Кошелев, Н.П. Минько // Исследование Земли из космоса. 1995. - № 5. - С. 74 - 77.

50. Жеребцов Г.А., Захаров М.Ю., Кошелев В.В., Лупян Е.А., Мазуров А.А., Минько Н.П., Назиров P.P. Возможности и опыт работы региональных центров приема и обработки спутниковых данных. Уфа, 1995. Проблемы экологического мониторинга. Часть И.

51. Захаров М.Ю. и др. Построение архивов данных метеорологических спутников на основе технологий глобальных сетей ИНТЕРНЕТ / Препринт ЖИ РАН. Москва, 1998. - 24 с.

52. Захаров М.Ю., Лупян Е.А., Мазуров А.А. и др. Организация системы оперативного доступа удаленных пользователей к спутниковым данным // Исследования Земли из космоса. 1996. - № 5. - С. 67 - 72.

53. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

54. Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т. Медведева. М.: Изд-во "Гардарики", 2002. - 687 с.

55. Информационный бюллетень "О состоянии окружающей среды ХМАО в 2001 году". Ханты-Мансийск: НПЦ "Мониторинг", 2002. - 122 с.

56. Использование снимков со спутников SPOT // Ракетно-космическая техника. 1996.-№ 11-12.-С. 6.

57. Киенко Ю.П. Основы космического природоведения. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1999.-285 с.

58. Клепиков И.Н., Покровская И.В., Шарков Е.А. Спутниковые и радиодистанционные исследования мезомасштабной атмосферной турбулентности в предтайфунных ситуациях // Исследование Земли из Космоса. 1995. N3. С. 13-24.

59. Кондратьев К.Я. Метеорологические спутники. Д.: Гидрометеоиздат, 1963.-311 с.

60. Кондратьев К.Я. Новые зарубежные метеорологические спутники. Д.: Гидрометеоиздат, 1975. - 38 с.

61. Кондратьев К.Я. Приоритеты глобальной экологии и задачи дистанционного зондирования окружающей среды и биосферы // Исследования Земли из космоса, 1991,-№5.-С. 3-9.

62. Кондратьев К.Я. Радиационная аппаратура метеорологических спутников США// Метеорология и гидрология. 1968. - № 12. - С. 89 - 102.

63. Кондратьев К.Я. Мелентьев В.В. Космическая дистанционная индикация облаков и влагосодержания в атмосфере Д.: Гидрометеоиздат. 1987. 263 с.

64. Коновалова Н.В., Капралов Е.Г. Введение в ГИС: Учеб. пособие. М.: ООО "Библион", 1997.-160 с.

65. Копылов В.Н. Автоматизация первичной обработки спутниковой метеорологической видеоинформации // Тез. докл. Всесоюз. конф. "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири". Красноярск: Изд-во КНЦ СО РАН, 1988. - С. 56 - 58.

66. Копылов В.Н. Программно-технологический комплекс регионального центра космического мониторинга окружающей среды. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2001.-71 с.

67. Копылов В.Н. Разработка и реализация аппаратно-программного комплекса центра дистанционного зондирования Земли для решения задач космического мониторинга окружающей среды Севера Сибири. // Исследование Земли из космоса. 2004- № 6. - С. 81-88.

68. Копылов В.Н., Ерохин Г.Н. Проблемы космического мониторинга Сибири. // Региональные проблемы Сибири и Дальнего Востока,- Труды Четвертого Сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике, 26 июня-1 июля, Новосибирск, 2000, с 4-8.

69. Копылов В.Н., Ерохин Г.Н. Экологический мониторинг в России. Космические и наземные системы действующие и планируемые // Труды Междунар. семинара "Окружающая среда и здоровье населения". Якутск: Изд-во АН Саха (Якутии), 1999. - С. 11 - 13.

70. Копылов В.Н., Зацепин А.Г., Ерохин Г.Н. Дистанционные космические методы мониторинга окружающей среды в Сибири. // Природные ресурсы стран СНГ. Тез.докл.Междунар.выставки-конф.,Санкт-Петербург, ноябрь 1998, с.37-40.

71. Копылов В.Н., Крысов В.П., Костоманов В.И. Космический мониторинг окружающей природной среды. // В сб. Состояние окружающей природной среды в Новосибирской области в 1994 году., Новосибирск, 1995, с.155-156

72. Копылов В.Н., Малыхин А.Е., Юшин П.Е. Комплекс программно-технических средств обработки спутниковой информации в оперативном режиме. М.: Гидрометеоиздат, 1988. - С. 1 - 3. - (Серия: Изучение верхних слоев атмосферы и спутниковая гидрометеорология).

73. Космическая система "Метеор-ЗМ" № 1: Справ, материалы / Под ред. Г.М. Полищука. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. - 104 с.

74. Кошкарев А.В., Каракин В.П. Региональные геоинформационные системы. М.: Недра, 1987. - 126 с.

75. Кошкарев А.В., Тикунов B.C. Геоинформатика. М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 1993.-213 с.

76. Крайнев А.Г., Лупян Е.А. и др. Первичная обработка данных метеорологических спутников на локальных станциях приема // Исследование Земли из космоса. 1994. - № 5. - С. 112-117.

77. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. М.: Мир, 1988. - 343 с.

78. Крутиков В.А., Полищук Ю.М. Геоинформационное обеспечение мониторинга окружающей среды и климата // Оптика атмосферы и океана. -2002. Т. 15,№ 1.-С. 12-20.

79. Кугаенко Б.В., Эльясберг П.Е. Долгосрочный прогноз движения ИСЗ по почти круговым орбитам с учетом произвольного числа зональных гармоник // Математические методы моделирования в космических исследованиях. -М.: Наука, 1971.-С. 106-119.

80. Ладыженский Г.М. Архитектура корпоративных информационных систем //СУБД,- 1997.-№5-6.-С. 18-24.

81. Либерман Н.Р., Исаев Л.И. Вредные вещества в промышленности: Справочник. Л.: Химия, 1985. - 464 с.

82. Липаев В.В. Системное проектирование сложных программных средств для информационных систем. М.: Синтег, 1999. - 224 с. - (Сер. " Информатизация России на пороге XXI в.").

83. Лупян Е.А., Мазуров А.А. Данные спутникового дистанционного зондирования в глобальных компьютерных сетях ИНТЕРНЕТ // ГИС-обозрение. 1997. - № 3. - С. 40 - 41.

84. Мазур И.И. Экология нефтегазового комплекса. Наука. Техника. Экономика. М.: Недра, 1993. - 493 с.

85. Моисеенко А.Е. Современное состояние и перспективы использования средств дистанционного зондирования Земли из космоса в целях изучения природных ресурсов и экологии: Обзор. М.: Наука, 1994. - 103 с.

86. Параметры Земли 1990 г.(ПЗ~90) /Под ред. В.В. Хвостова,- М., 1998.-40с.

87. Паренаго О.П., Давыдова С.Л. Экологические проблемы химии нефти // Нефтехимия. 1999. - Т. 39, № 1. - С. 3 - 13.

88. Полищук Ю.М. и др. Геоинформационный анализ воздействий загрязнения атмосферы на растительные биосистемы с использованиемкосмоснимков / Ю.М. Полищук, О.С. Токарева, В.В. Рюхко, М.Н. Алексеева //Геоинформатика.-2002,-№2.-С. 10-13

89. Полищук Ю.М. и др. Региональные экологические информационно-моделирующие системы / Ю.М. Полищук, В.А. Силич, В.А.Татарников, И.А. Ходашинский, Т.А. Ципилева. Новосибирск: ВО "Наука", 1993. - 133 с.

90. Полищук Ю.М. Имитационно-лингвистическое моделирование систем с природными компонентами. Новосибирск: Изд-во "Наука", 1992. - 229 с.

91. Полищук Ю.М., Токарева О.С. Анализ экологических последствий нефтедобычи в Западной Сибири с использованием ГИС // Материалы 4-ой Междунар. конф. "Химия нефти и газа". Томск: Изд-во STT, 2000. - Т. 2. -С. 400-405.

92. Полищук Ю.М., Токарева О.С. Методика оценки воздействия техногенного химического загрязнения атмосферы на лесоболотные комплексы в нефтедобывающих районах Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. - Т. 10, № 5. - С. 659 - 668.

93. Полищук Ю.М., Токарева О.С., Булгакова И.В. Оценка воздействий загрязнений атмосферы на лесные комплексы в нефтедобывающих районах с применением космоснимков // Оптика атмосферы и океана. 2003. - № 5 -с. 6-10.

94. Прокачева В.Г., Усачев В.Ф. Наводнения и дистанционные средства для их наблюдения. С.-Петербург, ГГИ, 1996, 74 с.

95. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. -Т. 1. М.: Мир, 1982. -311с.

96. Пяткин В.П., Салов Г.И. Непараметрические статистические критерии в задачах дистанционного зондирования // Труды IV-ой Междунар. конф. РОАИ-4-98. Новосибирск, 1998. - С. 368 - 372.

97. Рапута В.Ф., Копылов В.Н. Исследование процессов регионального переноса пыли от площадных источников. // Аэрозоли Сибири,- Тезисы докладов Международной конференции, Томск, 27-30 ноября 2001, с.74.

98. Руководство по использованию спутниковых данных в анализе и прогнозе погоды. Под ред. И.П. Ветлова и Н.Ф. Вельтищева. Л.: Гидрометеоиздат. 1982. 300 с.

99. Рюхко В.В., Полищук Ю.М. Геоимитационное моделирование и оценка воздействия химического загрязнения атмосферы // Материалы 7-го Междунар. симп. "Оптика атмосферы и океана". Томск: Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН, 2000. - С. 155.

100. Селиванов А.С. Космическое телевидение на службе науки и народного хозяйства // Техника кино и телевидения. 1977. - № 10. - С. 61 - 67.

101. Селиванов А.С., Тучин Ю.М. Региональная станция приема и обработки спутниковой информации // Дистанционное зондирование и решение задач природопользования и экологии на федеральном и региональном уровнях. -М.: РКА ЦПИ, 1996.-С. 69-71.

102. Соловьев B.C. Спутниковый мониторинг в Якутии // Космофизические исследования в Якутии. Якутск: ЯФ изд-ва СО РАН, 2001. - С. 302 - 308.

103. Сорокин И.В. Космические системы ДЗЗ: научно-коммерческие системы: Аналит. обзор. Справочник. -М.: РКК "Энергия", 1994. -420 с.

104. Справочник потребителя спутниковой информации / Под ред. В.В. Асмуса, О.Е. Милехина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. - 106 с.

105. Теллин С. Интранет и адаптивные инновации: переход от управления к координации в современных организациях //СУБД 1996 - № 5-6- с. 68-79.

106. Тикунов B.C. Моделирование в картографии М.: Изд. МГУ,1997.-405с.

107. Токарева О.С. Программа "Оценка воздействия загрязнения атмосферы на природную среду", зарегистрирована в Роспатенте, свидетельство № 2002611530 от 30 августа 2002 г.

108. Уткин В.Ф., Анфимов Н.А., Лукьященко В.М. и др. Концепция построения космической программы России // Проблемы авиационной и космической техники. 1995. - № 8. - С. 6 - 8.

109. Хижниченко В.И. Алгоритмическое обеспечение задач нанесения широтно-долготных сеток, геометрической коррекции и поддержки банка опорных точек./ Труды ГосНИЦИПР, М., 1986, вып. 27, с. 14-23.

110. Чекалин В.Ф. Ортотрансформирование фотоснимков.-М.: Недра, 1986168 с.

111. Чижов Б.Е. Лес и нефть Ханты-Мансийского автономного округа. -Тюмень: Изд-во Ю. Мандрики, 1998. 144 с.

112. Экоинформатика. Теория, практика, методы и системы / Под ред. В.Е. Соколова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 520 с.

113. Экологический энциклопедический словарь. М.: Издат. дом "Ноосфера", 1999.-930 с.

114. Экология Ханты-Мансийского автономного округа / Под ред. В.В. Плотникова. Тюмень: Изд-во "СофтДизайн", 1997. - 287 с.

115. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета ИСЗ. -М.: Наука, 1965. 540 с.

116. Эльясберг П.Е. Определение движений по результатам измерений. М.: Наука, 1976.-416 с.

117. Эскобал П. Методы определения орбит. М.: Мир, 1970. - 386 с.

118. Abushenko N.A. et al. Near real-time satellite monitoring of Russia for forest fire protection // Mapping Science and Remote Sensing. 1999. - Vol. 36, № 1. -P. 54-61.

119. Avery Т.Е., Berlin G.L. Fundamentals of Remote Sensing and Airphoto Interpretation, 5th Ed., 1992, MacMillan Publ. Co. -472 p.

120. Baret F., Guyot G. Potentials and limits of vegetation indices for LAI and APAR assessment//Remote Sensing of Environment- 1991-№ 35-p.161-173.

121. Bernhardsen T. Geographic Information Systems. N.Y.; London: Join Wiley & Sons, 1992.-318 p.

122. Bernstein R. Image Geometry and Rectification / Chapter 21 in The Manual of Remote Sensing. R.N. Colwell, ed. Bethesda, MD, American Society of Photogrammetry, 1983. - № 1. - P. 875 - 881.

123. Blackburn, J. and Hicks, F.E. "Suitability of Dynamic Modelling for Flood Forecasting During Ice Jam Release Surge Events", American Society of Civil Engineering: Journal of Cold Regions Engineering , 2002, 17(1): p. 18-36.

124. Brookshire G., Nadler M., Lee C. Automated Stereophotogrammetry // Computer Vision, Graphics and Image Processing 1990. - № 52. - P. 276 - 296.

125. Buchnev A.A., Kalantaev P.A. Pyatkin V.P. An Integrated Information System for Processing Aerospace Images // Pattern Recognition and Image Analysis. -1998. Vol. 8, № 3. - P. 287 - 289.

126. Coops N.C., Waring R.H. The use of multiscale remote sensing imagery to derive regional estimates of forest growth capacity using 3-PGS // Remote sensing in Environment. 2001. - Vol. 75,1. 3. - P. 324 - 334.

127. Curran P.J. Remote Sensing Methodologies and Geography // International Journal of Remote Sensing. 1997. -№ 8. - P. 1255 - 1275.

128. DeMers M. Fundamentals of Geographic Information Systems. N.Y.; London: Join Wiley & Sons, 1996. - 320 p.

129. Drury S. A. A Guide to Remote Sensing: Interpreting Images of the Earth. -Oxford: Oxford University Press, 1990. 425 p.

130. Ferrare R., Fraser R.S., Kaufman Y.J. Satellite measurements of large-scale air pollution measurements of forest fire smoke // J. Geophys. Res. 1990. V. 95 (D7). P. 9911-9925.

131. Healy, D. and Hicks, F, "A Comparison of the ICEJAM and RIVJAM Ice Jam Profile Models", American Society of Civil Engineering: Journal of Cold Regions Engineering, 1999, 13(4): p. 180-198.

132. Hoots F.R. A Short, Efficient Analytical Satellite Theory // AIAA Paper № 801659, August 1980.-297 p.

133. Hoots F.R., Roehrich R.L. Models for Propagation of NORAD Element Set (Pakage Compiled by T.S. Kelso) SPACETRACK Report N3 Defense Documentation Center. Alexandria. 1988. 49 p.

134. Hsio F.-B., Guan W.-L. Establish a University-class Satellite Ground Station for Space Technology Education and Student Traning // 2nd International

135. Symposium on "Reducing the Cost if Spacecraft Ground Systems and Operations" 21-23 July 1997. Proceedings Oxford, UK. P. 64.1-64.10

136. Kaufman Y.J. Atmospheric effects on remote sensing of surface reflectance. SPIE // Remote Sensing. 1984. - Vol. 475. - P. 20 - 33.

137. Khamarin V.I., Protasov K.T., Serykh A.P. Supervised classification of RESURS MSY-E data for recognized predominant cone-bearing tree regions // Proceedings of SPIE. 1999. - Vol. 3983. - P. 186 - 191.

138. Kneizis F., Anderson G. et al. Users guide to LOWTRAN-7. AFGL-TR-88-0177, 1988,- 137 p.

139. Krutikov V.A., Polishchuk Yu.M. Geoinformation software for environmental and climatic monitoring // Atmospheric and Oceanic Optics, 2002. Vol. 15, № 1. -P. 8-15.

140. LeeH.-Y. An application of NOAA AVHRR thermal data to the study of urban heat islands // Atmospheric Environ. 1993. V. 27B. P. 1-13.

141. Lillesand T.M., Kieffer R.W. Remote Sensing and Image Interpretation, 3rd Ed., 1994, J. Wiley & Sons. 750 p.

142. Lo C.P., Quattrochi D.A., Luvall J.C. Application of high-resolution thermal infrared remote sensing and GIS to assess the urban heat island effect // International journal ofremote sensing. 1997. - Vol. 18, № 2. -P. 123 - 130.

143. Madden R., Parsons C. A technique for real time quantitative display of APT scanning radiometer data //J. Appl. Meteorol.- 1973,- Vol. 12, № 2,- P. 381-385.

144. McPherson E., Nowak D. et al. Quantifying urban forest structure, function and value: The Chicago Urban Forest Climate Project. Urban Ecosystems. 1997. -№ l.-P. 49-61.

145. Nemani R.R., Running S.W. Estimation of Regional Surface Resistance to Evapotranspiration from NDVI and Thermal-IR AVHRR Data // J. of Applied Meteorology. 1989. - № 28. - P. 276 - 284.

146. O'Brien D.M., Mitchell R.M. An Error Budget for Cross-Calibration of AVHRR Shortwave Channels against ATSR-2 // Remote sensing in Environment. 2001. - Vol. 75, № 2. - P. 216 - 229

147. Polichtchouk Y. et al. Geoinformation systems for regional environmental studies / Y. Polichtchouk, E.Kozin, V. Ryuhko, 0. Tokareva // Proceedings of SPIE.- 1999. -Vol. 3983. -P. 572-577.

148. Polichtchouk Y. Geoinformation Systems and Regional Environmental Prediction // Safety Science. 1998. - Vol. 30. - P. 63 - 70.

149. Polichtchouk Y., Tokareva O. Analysis of impact of atmospheric pollution on the forest-swamp ecosystems of Siberian oil producing regions // Atmospheric and oceanic optics. 2000. - Vol. 13, № 10.-P. 882-885.

150. Polichtchouk Y., Tokareva O. Geoinformation Analysis of Atmosphere Pollution Impact on Landscape of Siberian Oil -Producing Territories // Proceedings of SPIE. 2000. - Vol. 4341. - P. 571 - 576.

151. Polichtchouk Yu.M., Salmina N.Yu., Tsipileva T.A. Modelling of the Structure of Chemical Compounds and Prediction of Ecological-Toxicological State of the Environment//Chemistry for Sustainable Development 1996- Vol. 4-p. 21-31.

152. Pyatkin V.P. Extraction of Structures of Arbitrary Shape in Aerospace Images // Pattern Recognition and Image Analysis. 1998. - Vol. 8, № 3. - P. 327 - 329.

153. Rahman H., Dedieu G. SMAC: a simplified method for the atmospheric correction of satellite measurements in the solar spectrum // Int. J. Remote Sensing. -1994.-Vol. 15,№ i.p. 123- 143.

154. Richardson A., Wiegand C. Distinguishing vegetation from soil background information // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1997. - № 43.-P. 1541 - 1552.

155. Russ J. C. The Image Processing Handbook. Boca Raton, FL: CRC Press, 1992.-445 p.

156. Sabins Jr. F.F., Remote Sensing: Principles and Interpretation. 3rd Ed. N.Y.: W.H. Freeman & Co., 1996. - 496 p.

157. Seeker J., Staenz K., Gauthier R., Budkewitsch P. Vicarious calibration of airborne hyperspectral sensors in operational environments // Remote sensing in Environment.-2001.-Vol. 75, №l.l.-P. 81-92.

158. The cataloque of SPOT products and services. SPOT IMAGE, 1989. 55 p.

159. Ward K., Barrington-Brown J., Gardner S. Small low cost ground station Capabilities // 2nd International Symposium on "Reducing the Cost if Spacecraft Ground Systems and Operations" 21-23 July 1997. Proceedings Oxford, UK. P. 35.1-35.10

160. Wegmuller U., Werner C., Nuesch D. Land surface analysis using ERS-1/SAR interferometry, ESA Bulletin, 02, 1995. № 81. - P. 30-37.

161. Zakharov M.Yu., Loupian E.A., Nazirov R.R., Mazurov A.A., Flitman E.V. Experimental System for Satellite Data Acquisition and Processing // Space Bulletine 1995. V 2. N4. P. 22-24.