ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 5, с. 44-49
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 528.852
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ДАННЫХ РАДИОМЕТРА MODIS (КА TERRA) ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ
© 2007 г. А. А. Романов*, В. Ю. Ромасько, В. Б. Кашкин
*Политехнический институт, Сибирский федеральный университет, Красноярск Сибирский филиал ФГУ ВНИИГОЧС (ФЦ), Красноярск *E-mail: arom_work@yahoo.com Поступила в редакцию 17.04.2007 г.
Дано краткое описание технических характеристик сканера MODIS (КА TERRA, США). Представлены форматы радиометрических данных, изложены основные способы их обработки. На примере продемонстрированы способы доступа и чтения файлов данных, в целях реализации алгоритмов ле-сопожарного мониторинга. Также рассмотрены существующие подходы к устранению так называемого "эффекта бабочки" (overlapping images), проявляющегося при обработке данных со сканера MODIS.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы для решения различных природоведческих задач в России все более широко применяются радиометрические данные сканера MODIS (Moderate Resolution Images Spectroradiom-eter). Главным образом это обусловлено работой космических аппаратов, на которых он установлен, в режиме прямого вещания, дающем свободный доступ к данным радиометра, при наличии станции приема, а также выдающимися характеристиками самого радиометра.
Прибор MODIS, установленный на борту двух космических аппаратов (КА) серии EOS - TERRA и AQUA (NASA) - был спроектирован для мониторинга поверхностей суши, Мирового океана и нижних слоев атмосферы. По замыслу разработчиков он должен был объединить в себе и расширить возможности сканеров AVHRR и HIRS, устанавливавшиеся на КА серии NOAA. Его 36 спектральных каналов охватывают диапазон с длинами волн от 0.4 до 14.4 мкм, причем в диапазонах 620-670 и 841-876 нм съемка ведется с разрешением в 250 м; еще в пяти диапазонах видимого и ближнего инфракрасного (ИК) диапазона - с разрешением в 500 м, а в остальных 29 каналах (диапазон 0.6-14 мкм) пространственное разрешение составляет 1000 м в надире. Полоса обзора сканера составляет около 2300 км. Точность оценки радиационной температуры поверхности суши и океана ~1 К. Данные кодируются 12-битными словами. Помимо этого радиометр MODIS имеет более высокий порог насыщения для пожарных каналов (4 мкм) 500 К против 300 К для AVHRR. Все это позволяет решать широкий круг задач в океанографии, экологическом мониторинге, сельском и лесном хозяйстве.
Для эффективного использования данных сканера MODIS на стадии его разработки были созданы специальные научные группы [1-4]. Их силами были разработаны алгоритмы тематической обработки многоспектральных измерений параметров атмосферы, суши и океанов, а также калибровки самого прибора. И в настоящее время они поддерживают процессы сбора и обработки данных мODIS в масштабе всего земного шара [5]. Однако эти материалы, имеющие глобальный характер, общий для всей планеты в целом, не всегда применимы для качественных исследований отдельно рассматриваемых регионов. При этом в силу некоторых особенностей распространяемых материалов, пользователям для подготовки конечных тематических продуктов (карт, схем, отчетов и т.д.) необходимо разрабатывать собственные информационные системы, учитывающие специфику конкретной задачи.
ОСНОВНЫЕ ФОРМАТЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ MODIS
Данные MODIS по степени обработки делятся на четыре уровня [6]. Продукты уровня Level 0 представляют собой первичный поток принятых пакетов данных - т.н. PDS-файлы (Production Data Set). В них поток пакетов записан так, как он формируется на борту КА (Instrument Packet Data) с учетом потерь пакетов при приеме. Продукты уровня Level 1 представляют собой результат распакованные данные Level 0. Растровые данные собраны из пакетов в многомерные массивы, удобные для оперирования с ними как с изображениями. При этом данные Level 1A более никакой обработке не подвергнуты, а данные Level 1B являются результатом калибровки данных Level
1A. Географическая привязка данных рассчитывается отдельно и применима к обоим вида растровых данных Level 1. Данные Level 2 представляют уже результаты тематической обработки собственно данных MODIS. Они могут рассчитываться в координатах исходного растра, а могут быть преобразованы в картографические проекции - это так называемые данные Level 2 Gridded. Данные Level 3 представляют собой данные Level 2, агрегированные за разные периоды времени - 1, 3, 7, 8, 16 сут. Цель этого агрегирования - избавление от всегда присутствующей на снимках облачности.
Для использования в приложениях наиболее удобны данные уровня Level 1B. Во-первых, они калиброваны, т.е. измерения уходящего излучения земной поверхности и атмосферы представлены в стандартных единицах и в них учтены все известные систематические ошибки самого сканера MODIS. Во-вторых, при всех их достоинствах они относительно легко получаются из первичных данных. На настоящий момент опубликовано два разных пакета c открытым исходным кодом для преобразования данных Level 0 в Level 1B [7, 8]. Преобразование одного витка данных занимает на современных компьютерах не более 20-40 минут. Все последующие стадии обработки гораздо более требовательны к ресурсам вычислительной техники. Далее в статье приводится информация применительно к данным, полученным с помощью пакета [7].
Данные Level 1 сохраняются в формате HDF (Hierarchical Data Format) [9]. Этот формат был разработан специально для обмена научными данными в гетерогенной вычислительной среде. Файл этого формата состоит из совокупности наборов данных - многомерный массивов и таблицы - и метаданных, позволяющих правильно интерпретировать сами данные. Для доступа к данным в формате HDF разработаны библиотеки, перенесенные на разные платформы, в том числе и широко распространенную ОС Windows. Специально для доступа к продуктам Level 1B был разработан еще один интерфейс - M-API (MODIS Application Program Interface) (см. рис. 1). Показанный на нем набор инструментариев SDP (Science Data Production) облегчает решение некоторых задач обработки спутниковых данных.
Непосредственный доступ к данным, хранящимся в файлах формата HDF, обеспечивают функции интерфейса HDF. Интерфейс M-API в некоторой мере упрощает процессы чтения радиометрических данных сканера MODIS, отстраняя разработчика пользовательского приложения от специфических особенностей формата HDF [10]. Более подробная информация о них представлена в [11].
Необходимо также отметить, что продукты MODIS Level1B (MOD02) и Geolocation Fields
SDP
Пользовательское приложение
M-API
HDF
Радиометрические данные MODIS
Рис. 1. Интерфейсы доступа к данным MODIS Level 1B в формате HDF.
(MOD03) используют для хранения радиометрических данных следующие объекты формата HDF:
- многомерный массив, SDS (Scientific Data Sets) - калиброванные данные, их ошибки, информация о точности измерения;
- наборы записей фиксированной длины, Vda-ta (Fixed length data) - метаданные;
- глобальные атрибуты (Global Attributes) - количество сканов, состояние прибора и т.п.
Данные различного пространственного разрешения всех 36-ти спектральных каналов в продуктах LevellB группируются в четыре разных массива. Это связано с тем, что у них разные размеры и к ним применяются различные виды калибровок (см. табл. 1) [12]. Полный список имен SDS-масси-вов, а также их характеристики представлены в [13]. Для проверки правильности работы пользовательского приложения полезно использовать свободно распространяемую утилиту "HDF Explorer", которая предоставляет доступ к содержанию рассматриваемого HDF-файла с данными MODIS в табличном виде [14].
БАЗОВЫЙ АЛГОРИТМ ЧТЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ СКАНЕРА MODIS
В минимальном объеме алгоритм чтения данных Level 1B можно представить в виде следующих действий:
1) открытие файла;
2) получение размеров SDS-массивов и калибровочных коэффициентов;
Таблица 1. Группировка каналов в продуктах Level1B
№ Впутреппее имя массива* Разрешение Число каналов Номера каналов Kоэффициенты для калибровок
1 "EV 250 RefSB" 250 м 2 1, 2 reflectance scales,
2 "EV_500_RefSB" 500 м 5 3-7 reflectance_offsets
3 "EV_1KM_RefSB" 1 км 15 8-19, 26
4 "EV 1KM Emissive" 1 км 16 20-25,27-36 radiance scales,
radiance_offsets
* RefSB - сокращение от Reflective Solar Band (яркостные каналы); Emissive - Emissive Bands (тепловые каналы)
Таблица 2. Функции доступа к радиометрическим данным MODIS (в стиле языка Си)
№ Oписание $yHKU,HH
1 Oткрытие файла openMODISfile(char *filename, char *access)
2 Чтение атрибутов getMODISfileinfo(MODFILE *file, char * attribute, char *data_type, long int * n_elements, void *value); getMODISardims(MODFIL *file, char *arrayname, char *groupname, char *data_type, long int *rank, long int dimsize[]); getMODISarinfo(MODFIL *file, char *ar-rayname, char *groupname, char *attribute, char *data_type, long int *n_elements, void *value)
3 Чтение данных getMODISarray(MODFIL *file, char *arrayname, char *groupname, long int start[], long int dimsizes[], void *data[])
4 Закрытие файла closeMODISfile(char *filename)
3) выделение памяти для массивов радиометрических данных;
4) загрузка данных в выделенные массивы;
5) фильтрация загруженных данных - отсев потерянных и неправильных значений;
6) преобразование радиометрических данных в физические величины (калибровка);
7) перевод энергетической яркости в радиационную температуру (для ИК-каналов);
8) коррекция "эффекта бабочки".
Первый, второй и четвертый пункты последовательности соотносятся с четырьмя основными функциями доступа интерфейса М-АР1 (см. табл. 2). В качестве параметров функций необходимо указывать: путь к HDF-файлу; имена SDS-массивов и имена коэффициентов для калибровки данных (см. табл. 1). Чтобы реализовать контроль ошибок, нужно проверять возвращаемое функциями значение: в случае неудачного выполнения оно будет равно "-1", иначе - "0".
Также в полученных массивах радиометрических данных следует отфильтровать потерянные и неправильные значения, которые могут образоваться при сбоях в работе ска
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.