Разработка технологии автоматической кросс-калибровки спутниковых данных методом анализа гистограмм

На базе возможностей центра коллективного пользования (ЦКП) «ИКИ-Мониторинг» была разработана технология кросс-калибровки в автоматическом режиме произвольных спутниковых данных, имеющихся в архивах центра, по эталонным спутниковым данным. Метод основан на сравнении гистограмм серий одновременных пар спутниковых изображений, где одно является эталонным, а другое оценивается. В рамках проводимых ранее работ по кросс-калибровке было доказано, что такой метод корректен и применим. Теперь же на его основе была создана технология, позволяющая организовать в полностью автоматическом режиме сбор данных (как калибруемых, так и эталонных) из различных территориально распределённых источников и их последующую кросс-калибровку. Далее в данном параграфе описана актуальность проведения подобных работ, кратко описана суть метода, основные элементы разработанной технологии и примеры некоторых результатов применения технологии.

Необходимость проведения подобных работ объясняется тем, что качество калибровки данных спутниковых приборов дистанционного зондирования Земли определяет точность измерений физических характеристик снимаемых объектов, таких как КСЯ и радиояркостная температура. Точность радиометрических измерений в свою очередь позволяет разрабатывать и, что более важно, устойчиво применять стандартные алгоритмы обработки данных для получения различных продуктов ДЗЗ. Поэтому полётная калибровка приборов является одним из важных элементов функционирования космических систем ДЗЗ. К сожалению, часть современных приборов на российских и зарубежных космических аппаратах не имеет качественной штатной калибровочной схемы на борту, поэтому применяются различные методики полётной калибровки, в том числе и кросс-калибровка по данным совместных измерений с различных космических аппаратов. Имея данные со спутников, точность которых можно считать достаточно высокой и далее называемых эталонными, можно попытаться провести кросс-калибровку, то есть откалибровать «некачественные» данные по значениям эталона. Такими эталонными могут быть, например, данные прибора MODIS спутников Aqua и Terra, прибора MSI спутника Sentinel-2, данные прибора AHI спутника Himawari-8 и другие.

В основе технологии лежит метод оценки измерительных характеристик (калибровочной кривой) прибора путем сравнения гистограмм изображений одних и тех же районов на поверхности Земли с различных аппаратов в одних условиях (время и угол съёмки). Суть предлагаемого метода сводится к приведению гистограммы яркостей изображения, снятого одним прибором к гистограмме изображения того же точно объекта (территории), полученного другим прибором (эталоном). Таблица преобразования яркости одного изображения в яркость на другом изображении (далее look-up-table или LUT) строится путём сопоставления частичных интегралов площадей гистограмм изображений, приведённых к одинаковому пространственному разрешению. Если сравниваемые приборы хорошо откалиброваны, изображения нормализованы в одинаковый диапазон яркостей (для каждого прибора), то такие таблицы LUT будут одинаковые для всех исследуемых пар одновременных снимков. В частности, если калибровки данных линейные (что обычно принято для хранящихся в архивах данных), то и построенные LUT будут линейными функциями. Для наглядной демонстрации этого факта на рисунке 1.1.1.1 приведены сделанные за отдельные случайно выбранные даты 2018-2019 годов по разработанной технологии таблицы преобразования данных в канале 11 мкм, получаемых с прибора MODIS на спутниках Aqua/Terra, на основе эталонных данных близкого ему канала 11 мкм прибора AHI геостационарного спутника Himawari-8.

Рисунок 1.1.1.1 — LUT за отдельные случайно выбранные даты 2018-2019 годов данных 11 мкм MODIS (Aqua / Terra) на основе 11 мкм AHI (Himawari-8)

Созданная на основе описанного метода технология кросс-калибровки включает следующие этапы обработки:

• С учётом модели движения космических аппаратов поиск в архиве всех пригодных для проведения обработки пар снимков (эталонный и калибруемый), имеющих близкие углы и время съёмки одних и тех же участков земной поверхности.
   
• Извлечение каждой пары из архива, при этом автоматически осуществляется запрос данных блоками только по полученной на предыдущем этапе необходимой области. Также на этом этапе происходит выборка необходимых спектральных каналов. Все операции на этом этапе выполняются «по месту хранения» данных, с использованием тех ресурсов, где данные физически находятся.
   
• сервере, выделенном для обработки, для каждой пары происходит приведение данных к одному размеру и проекции.
   
• Создание таблицы преобразования яркостей (далее LUT) методом анализа гистограмм для каждой пары, формирование архива LUT.   

Полученные таблицы преобразования яркостей могут в дальнейшем как использоваться для оценки стабильности работы аппаратуры, так и применяться при предоставлении данных из архивов ЦКП «ИКИ-Мониторинг».

Приведём примеры кросс-калибровки по разработанной технологии данных в канале 11 мкм, получаемых с прибора MSU-MR на спутнике Meteor-M2, на основе эталонных данных близкого ему канала 11 мкм прибора AHI геостационарного спутника Himawari-8. На рисунке 1.1.1.2 приведены графики таблиц преобразования за один день (16 октября 2019 года и 1 ноября 2019 года соответственно), на рисунке 1.1.1.3 такая же таблица преобразования за весь ноябрь 2019 года. Различное количество данных в разные дни обусловлено особенностями их поступления, а отдельные явные выбросы связаны со сбоями в исходных калибруемых данных со спутника «Метеор-М» № 2. Но даже при фильтрации этих ситуаций явно прослеживается нестабильность калибровки данных канала 11 мкм прибора MSU-MR на спутнике «Метеор-М» № 2.
Отметим, что использованные в приведённом примере данные спутника Himawari 8 предоставляются Дальневосточным центром НИЦ «Планета» и по разработанной технологии получаются и обрабатываются в автоматическом режиме с использованием ресурсов самого центра.

 
Рисунок 1.1.1.2 — LUT за 16 октября 2019 года и 1 ноября 2019 года данных 11 мкм MSU-MR («Метеор-М» № 2) на основе 11 мкм AHI (Himawari-8)

 
Рисунок 1.1.1.3— LUT за ноябрь 2019 года данных 11 мкм MSU-MR («Метеор-М» № 2) на основе 11 мкм AHI (Himawari-8)

В качестве выводов отметим следующее. В результате проведения кросс-калибровки различных данных по разработанной технологии стало ясно, что метод очень чувствителен к сбоям и различным артефактам в исходных данных, поэтому необходим дополнительный этап фильтрации и/или интерполяции полученных таблиц преобразований. В остальном на основе созданной технологии можно как оценивать качество и применимость различных данных, так и при необходимости проводить достаточно простую и «дешёвую» калибровку спутниковых данных.