ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 1, с. 56-72
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 528.88.042.4:630
ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2008 г. В. В. Козодеров*, Т. В. Кондранин**, Е. В. Дмитриев***, В. Д. Егоров***, В. В. Борзяк*
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова **Московский физико-технический институт (государственный университет) ***Институт вычислительной математики РАН, Москва E-mail: *vkozod@mes.msu.ru; **kondr@kondr.rector.mipt.ru Поступила в редакцию 15.10.2007 г.
Представлен новый подход к созданию программно-алгоритмического обеспечения решения задач распознавания образов природных объектов и количественной оценки их состояния по многоспектральным космическим изображениям высокого пространственного разрешения. В процессе реализации предлагаемой технологии на основе абсолютно калиброванных данных дистанционного космического зондирования решается задача классификации наблюдаемых объектов и поэлементного восстановления объема фитомассы для разных типов растительного покрова, породного состава лесной растительности и типов межкроновой растительности. Демонстрируются примеры обработки соответствующих изображений за разные даты съемки.
ВВЕДЕНИЕ
Достижения в исследованиях Земли из космоса ассоциируются в настоящее время с метеорологическими, экологическими и другими приложениями материалов космических съемок, представленных в форме многоспектральных изображений. В одних случаях используются обзорные изображения невысокого пространственного разрешения за разные даты съемок, в других — детальные изображения высокого пространственного разрешения для конкретных территорий. Большим спросом пользуются результаты компьютерного отображения материалов многоспектральных съемок в близких к реальным цветах. Так, например, в поисковой системе Google в доступной форме на картографической основе (с разной детализацией) можно найти цветные изображения большинства регионов и многих объектов на земном шаре. В настоящее время рынок насыщен разнообразными космическими снимками территорий и конкретных природных или техногенных объектов; при этом развитие технических возможностей аппаратуры дистанционного зондирования (ДЗ) стимулирует процессы усовершенствования существующих и создания новых методов и технологий обработки и анализа изображений. Тенденцией становится конкуренция космических держав и частных корпораций по совершенствованию аппаратуры ДЗ в различных областях спектра с миниатюризацией измерительных средств (уменьшение массогабаритных характеристик
аппаратуры, энергопотребления и т.д.). В этой связи наряду с тяжелыми космическими аппаратами (КА), оснащенными современными многофункциональными измерительными комплексами ДЗ, развивается рынок малых КА, ориентированных на решение специализированных, прикладных задач с использованием многоспектральных данных ДЗ. Для оснащения таких КА разрабатываются все более совершенные измерительные средства типа гиперспектрометров со многими десятками и даже сотнями спектральных каналов одновременно с получением изображений высокого пространственного разрешения. Возможности использования всей совокупности спектральных каналов таких аппаратурных комплексов ДЗ для решения прикладных задач далеко не очевидны. С одной стороны, понятно, что с помощью таких средств должно обеспечиваться повышение точности распознавания образов природных объектов по соответствующим многоспектральным изображениям. Но, в то же время, резкое возрастание потоков данных измерений неизбежно затрагивает приложения методов вычислительной математики при автоматизации процесса обработки получаемых изображений. Повышается роль методов математического моделирования формирования полей уходящего солнечного излучения, регистрируемого различными типами аппаратуры ДЗ, в том смысле, что модели классификации наблюдаемых объектов, атмосферной коррекции и трансформации исходных данных ДЗ становятся важнейшей составной частью про-
цесса обработки данных. Возникает необходимость создания нового алгоритмического и программного обеспечения обработки данных ДЗ.
В существующих средствах обработки, поставляемых в основном зарубежными фирмами, за-действуются достаточно стандартные операции: цветокодирование изображений; классификация объектов; построение гистограмм распределения разных классов объектов по относительным градациям исходных многоспектральных яркостей; подсчет площадей, занятых разными классами и т.п. Технологии географических информационных систем (ГИС) позволяют использовать базы данных различного назначения, предшествующие картографические материалы в конкретной предметной области, дополнительные материалы, способствующие улучшению результатов "визуального дешифрирования" — основной формы интерпретации информационной продукции обработки данных для конкретных регионов. Технологии ГИС эффективны с точки зрения обновления карт земельных ресурсов, уточнения отдельных нюансов конкретных территорий в плане обоснования потенциала промышленного и сельскохозяйственного производства, наблюдения особенностей дорожно-транспортной инфраструктуры регионов и др.
Новые задачи обработки данных, получаемых аппаратурой ДЗ нового поколения, диктуют и более высокие требования к ТТХ соответствующей аппаратуры. На первый план выдвигается реализация возможности получения для конкретного зондируемого объекта абсолютно калиброванных данных. Это, в частности, обеспечивает однозначную увязку измерительных данных и результатов математического моделирования формирования многоспектральных яркостей, что позволяет реализовать новые подходы количественной оценки состояния наблюдаемых объектов при-родно-техногенной сферы.
СУЩЕСТВУЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И НОВЫЕ РЕШЕНИЯ
В настоящее время широкую доступность для развития приложений космического ДЗ получили данные аппаратуры MODIS/Moderate-Resolu-tion Imaging Spectroradiometer ("Видеоспектрора-диометр среднего разрешения") КА Terra. Применительно к рассматриваемой в настоящей работе проблеме оценки состояния растительности (лесных экосистем) существующие подходы, основанные на использовании данных MODIS и других аналогичных материалах, изложены в работе [1]. Эти подходы позволяют:
— строить карты вегетационных индексов, которые в первом приближении дают представление о типах и состоянии наблюдаемых объектов;
— получать композитные изображения за несколько суток непрерывных наблюдений (для частичного устранения влияния облачности, осреднения информации за несколько сроков наблюдений и т.п.);
— проводить классификацию типов растительности в среде ГИС для наглядного отображения имеющихся информационных слоев конкретной территории, включая текущие данные дистанционного космического зондирования;
— получать оценки лесистости (проективного покрытия территорий лесами) за достаточно длительные периоды космических наблюдений;
— создавать технологии эмпирической оценки таких характеристик, как "площадь листовой поверхности" (Leaf Area Index — LAI), на интуитивном уровне описывающих плотность полога соответствующих видов растительности;
— развивать эмпирические возможности построения моделей биологической продуктивности, оценки урожайности сельскохозяйственных культур, состояния лесного фонда без проведения дорогостоящих полевых измерений на больших площадях (в моделях используются также дискретные данные наземных сетевых наблюдений: среднесуточных значений влажности атмосферы, минимальной и максимальной температуры воздуха, суммы атмосферных осадков и солнечной радиации и др.).
Основным недостатком существующих приложений данных ДЗ является отсутствие доведенной до технологической стадии методики решения обратных задач восстановления количественных параметров состояния природных объектов. Для растительного покрова одним из таких параметров является, например, объем зеленой фито-массы, как основной показатель нормального или стрессового состояния экосистем под влиянием дефицита увлажнения, загрязнений окружающей среды и других факторов. В приложениях по атмосферной оптике известны компиляции программных средств типа LOWTRAN, MODTRAN, HITRAN и др., обеспечивающие соответственно низкое (low), среднее (moderate) и высокое (high) разрешение расчетной сетки спектрального разбиения кривых энергетики приходящего и уходящего излучения. Программы позволяют проводить расчеты полей солнечного излучения на разных уровнях атмосферы, включая верхнюю границу и уровень земной поверхности. В этих программах заложены возможности описания переноса солнечного излучения в моделях атмосферы разной степени замутнения при заданных граничных условиях на верхней границе атмосферы и земной поверхности. Однако упомянутые программные комплексы оказываются практически неприемлемыми при решении задач в сопряженной постановке, в основе которых лежит необхо-
димость "сквозного" моделирования всего тракта: от формирования сигнала на границе (поверхность Земли) до регистрирующей абсолютные значения яркости в конкретном спектральном канале аппаратуры ДЗ на борту КА. Поэтому актуальной является разработка программных средств, учитывающих эти принципиальные особенности новых задач.
Другим недостатком существующих разработок в области использования данных ДЗ является то, что на практике при построении тематических карт вегетационных индексов или аналогичных "информационных продуктов" используется лишь ограниченное число спектральных каналов. В частности, применительно к данным радиометра MODIS, в основном, два спектральных канала используются во многих приложениях: это каналы, охватывающие полосу поглощения хлорофилла (основного пигмента фотосинтезирующей листовой поверхности) и область максимума спектральной отражательной способности вегетирующей растительности в ближней инфракрасной части спектра. Наибольшее распространение среди подобных информационных продуктов получил "вегетационный индекс нормализованной разности" (NDVI/Nor-malized Difference Vegetation Index), который соответствует разности значений яркост
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.