Развитие подходов и систем дистанционного мониторинга природных и антропогенных различных объектов

В последние годы становится все более актуальной задача массового дистанционного мониторинга различных объектов. Решение данной задачи практически невозможно без использования максимально автоматизированных методов обработки и анализа спутниковой информации. Для решения данной задачи в ИКИ РАН в рамках ЦКП «ИКИ-Мониторинг» развивается унифицированная автоматизированная подсистема наблюдений за природными и антропогенными объектами, которую можно легко масштабировать на различные тематические задачи и интегрировать в любые информационные сервисы, разрабатываемые в ИКИ РАН и функционирующие по технологии GEOSMIS. С помощью этой подсистемы в автоматическом режиме осуществляется мониторинг объектов контроля на основе пополняющихся многолетних рядов спутниковых данных различного пространственного разрешения с использованием ресурсов ЦКП «ИКИ-Мониторинг». Объекты контроля должны представлять собой произвольные полигоны, которые заводит эксперт, работающий в специализированном картографическом веб-интерфейсе, указывая период наблюдения — временное окно для поиска спутниковых сцен в архиве, по которым будет проводиться мониторинг, либо указывая постоянное наблюдение за объектом. Под мониторингом (аннотацией) понимается расчёт статистики внутри границ объектов по имеющимся в архивах сценам спутниковых данных. В качестве статистик рассчитываются многоканальные спектральные индексы (показатели) с необходимыми характеристиками: среднее значение, среднеквадратическое отклонение, площадь целевых пикселов и т.п.

Основными функциональными элементами подсистемы, которые представлены на рисунке 1.1.2.1, являются:

• база данных объектов контроля, включая данные о типе объекта (например «отвал»), атрибуты объекта, его контур, наблюдения по спутниковых данным, атрибуты наблюдений;
• библиотека доступа к базе данных объектов контроля и их наблюдений;
• база данных показателей, рассчитываемых в аннотации по спутниковым данным;
• библиотека доступа к базе данных показателей;
• веб-интерфейс, позволяющий работать с показателями, заводить новые, редактировать, удалять;
• систему постобработки (аннотацию) по спутниковым данным из распределённых архивов, включая блок формирования очередей обработки;
• картографический веб-интерфейс, позволяющий работать с объектами контроля, заводить новые и редактировать существующие, визуализировать значения показателей на карте;
• модуль анализа временных рядов значений показателей.

Рисунок 1.1.2.1 — Основные функциональные элементы подсистемы

Для создания подсистемы использовались различные возможности ЦКП «ИКИ-Мониторинг», а также технологий и программного обеспечения обработки, архивации и анализа спутниковых данных, разработанные в ИКИ РАН, в том числе:

• технология GEOSMIS — программный комплекс для построения интерфейсов работы c пространственной информацией в системах дистанционного мониторинга, включающий в себя картографический веб-сервис SMISWMS;
• программное обеспечение для ведения распределённых унифицированных архивов спутниковых данных (UNISAT);
• программное обеспечение для получения вычисляемых «виртуальных» информационных продуктов из больших распределённых архивов спутниковых данных (UnisatVirtualProducts);
• программный комплекс для ведения БД дистанционных наблюдений различных лесных объектов (ObjectsServeysSMIS_les);
• программный комплекс для создания систем для организации управления и контроля работоспособности распределённых систем сбора, обработки и распространения спутниковых данных (ControlSMIS);
• блок инструментов графического анализа рядов данных SmisCharts.

Базовый функционал подсистемы, а именно БД объектов контроля и их наблюдений поддерживает программный комплекс ObjectsServeysSMIS_les. Комплекс обеспечивает выполнение следующих функций: ввод и хранение объектов наблюдения, их атрибутов, ввод наблюдений объектов, в том числе их геометрического описания; отображение карт наблюдений объектов в картографических интерфейсах; поиск и представление данных в пользовательских интерфейсах.

В рамках подсистемы была, в том числе, разработана унифицированная схема описания показателей (спектральных индексов), обеспечивающая сквозную интеграцию данных о показателях в картографическом интерфейсе, инструменте графического анализа, блоке аннотации. Она была разработана на основе специализированной БД показателей, имеющей гибкую структуру, которая позволяет для каждого показателя определять произвольный набор необходимых параметров.

Рисунок 1.1.2.2 — Блок-схема сервиса аннотации

Для автоматического получения на основе различных спутниковых данных для различных объектов был реализован сервис аннотации объектов по спутниковым данным, блок-схема которого представлена на рисунок 1.1.2.2. Сервис аннотации работает в двух режимах: с высоким приоритетом, когда заводится новый объект (процесс на поиск новых объектов запускается ежеминутно); с низким приоритетом, когда рассчитывается статистика внутри уже существующих объектов по новым сценам, появившимся в архивах, либо, когда в БД заводятся новые показатели, рассчитываемые по тем тематическим продуктам или канальным данным, которые ещё не были посчитаны для объектов (процесс запускается ежедневно).

На вход процесса аннотации поступает информация о типе объектов и приоритете процесса, далее происходит поиск объектов, попадающих под заданные условия. Для указанного типа объектов запрашивается список необходимых для расчёта показателей, далее по правилам, описанным в источниках данных показателей, формируются блоки запросов на поиск спутниковых сцен в распределённых архивах ЦКП ИКИ-Мониторинг с помощью программного обеспечения UNISAT. Для всех сцен спутниковых данных многопоточно загружаются маски облачности. Сцены, покрытые облачностью внутри объекта более чем на 50 процентов, отсеиваются. Далее в параллельном потоке загружаются tiff-файлы со значениями показателя или канальными данными по всем сценам, tiff-файлы фильтруются по маске облачности, рассчитывается статистика, значения записываются в БД объектов наблюдений.

Сбор статистики в автоматическом режиме внутри контура одного нового объекта по сценам спутниковых данных, доступных в распределённых архивах, занимает порядка нескольких минут.

Таже были разработаны схемы и программное обеспечение, позволяющие визуализировать и вести анализ данных по различным объектам как в картографических интерфейсах, так и в интерфейсах анализа временных рядов наблюдений.

В настоящее время созданная подсистема наблюдения объектов уже используется в проектах:

• мониторинг рек бассейна Амударьи (ИС EcoSatMS http://suvo.geosmis.ru/);
• мониторинга зон техногенных отходов и отвалов (ИС «Вега-Science» http://sci-vega.ru/).