Формирование архива геопривязанных данных МКС на базе ЦКП «ИКИ-Мониторинг»

Космические эксперименты (КЭ) «Ураган» и «Сценарий», проводимые на борту Международной космической станции (МКС), предназначены для регистрации потенциально опасных явлений, и своевременная обработка данных этих экспериментов позволит более оперативно реагировать на такие ситуации. Кроме того, полученные снимки представляют интерес из-за высокого пространственного разрешения, очень большого временного диапазона накопленных данных, а также частоты съёмки определённых территорий. Однако данные, полученные в ходе КЭ, не содержат информации о своей географической привязке, что существенно осложняет дальнейшую работу с такими снимками в геоинформационных системах (ГИС), а также приводит к высокой сложности автоматизации обработки этой информации.
Классические методы привязки на основе как строгих, так и общих моделей сенсора требуют наличия информации о параметрах КА, которую для поставленной задачи нельзя определить достаточно точно, так как отсутствует информация о точном положении фотокамеры на борту МКС, неизвестны угол визирования и азимутальный угол фотокамеры во время съёмки. Поэтому для решения этой проблемы и формирования архива геопривязанных данных, полученных в рамках КЭ «Ураган» и «Сценарий», проводимых на МКС, была разработана и реализована двухступенчатая схема подготовки снимков с первичным определением грубой привязки изображения и последующим уточнением привязки по опорным данным.

Привязка производится в два этапа: сначала определяется первичная привязка путём нахождения подспутниковой точки и, исходя из координат подспутниковой точки, выбираются опорные данные, затем по найденным опорным данным производится уточнение полученной привязки.

Для грубой географической привязки вычисляются координаты подспутниковой точки, исходя из времени, полученного из метаданных снимка, а также орбитальных элементов МКС на это время.

Опорное изображение подбирается из архивов Центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») с учётом грубой привязки исходного изображения и полученной ранее оценки её точности, вычисленной с помощью усреднения модуля разности координат точной привязки и подспутниковой точки для снимков, привязанных ранее. В качестве опорных данных использовались снимки спутников Landsat-5 и Landsat-8 в силу широкой полосы захвата, хорошего пространственного и спектрального разрешения, а также доступности таких данных.

  
 Рисунок 1 — Результат работы различных алгоритмов поиска контрольных точек: SURF (слева), SIFT (справа)

Для уточнения первичной привязки используются алгоритмы поиска и описания контрольных точек (в том числе BRISK, KAZE, ORB и SIFT) на имеющемся опорном изображении и на исходном, полученном с МКС, а также дополнительные преобразования для лучшей корреляции этих снимков друг с другом. Для решаемой задачи выбор был сделан в пользу алгоритма SIFT, так как он показал наиболее стабильную работу на исследуемых изображениях (рисунок 1).

Многие алгоритмы поиска контрольных точек заявляют инвариантность относительно поворота, масштаба, изменения яркости и т.д. Однако было выявлено, что существенное различие в пространственных разрешениях изображений приводит к некорректной работе алгоритмов поиска контрольных точек. Соотношение пространственных разрешений снимка с МКС и опорного изображения Landsat-8 оказалось критическим параметром в рассматриваемом случае. Разрешение данных с МКС варьируется от 3 до 50 м, данных Landsat — 30 м, поэтому необходимо уменьшить разницу между снимками для корректной работы алгоритмов поиска контрольных точек (в частности, используемого в работе алгоритма SIFT, рисунок 2).

  
 Рисунок 2 — Результаты работы алгоритма SIFT для снимка, уменьшенного до 15 % (слева), 35 % (справа) от исходного размера изображения

 
Рисунок 3 — Пример интеграции данных в систему «Вега-Science»

 

Итоговая схема реализации привязки данных, полученных с РС МКС, приведена на рисунке 4.

Необходимым для интеграции в ГИС и последующей обработки этапом подготовки данных является запись информации о привязке в изображение. Для этого к метаданным снимка в исходном разрешении добавляется информация о GCP (ground control points) – контрольных точках с географической привязкой.

Опорные изображения являются геопривязанными, для любого их пикселя можно определить географические координаты, в том числе и для полученных ранее контрольных точек. Каждой такой опорной точке соответствует точка на снимке с МКС. Набор сопоставленных контрольных точек исходного и опорного снимков позволяет поставить в соответствие точную широту и долготу опорной точки контрольной точке изображения, полученного с МКС. GCP предоставляют входные данные для трансформации изображения (например, средствами библиотеки GDAL) для последующей интеграции в картографические сервисы (рисунок 3).

 Рисунок 4 — Блок-схема привязки данных

В результате выполнения работы было разработано и реализовано решение для автоматизации привязки спутниковой информации по опорным данным и сформирован архив геопривязанных снимков с МКС, оценены параметры для подбора опорных данных, проанализированы результаты работы различных алгоритмов поиска контрольных точек, а также влияние соотношения пространственных разрешений снимков на работу выбранного алгоритма.

В настоящее время ведутся работы по исследованию возможностей использования данных спутника Sentinel-2A, -2B в качестве опорных данных, а также по уточнению полученной привязки.

Реализация предлагаемых методов и подходов существенно расширит возможности использования данных, получаемых с РС МКС, для решения различных научных и прикладных задач. Также такое программное решение может быть применено и для географической коррекции данных, полученных с автоматических КА, но не обладающих достаточно качественной привязкой.