Программно-технологическое обеспечение для визуализации спутниковых данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программно-технологическое обеспечение для визуализации спутниковых данных

Якубайлик О.Э.

Кадочников А.А.

Токарев А.В.

Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск, Россия

Аннотация

Рассматриваются методы и технологии, программное обеспечение для визуализации многоканальных спутниковых снимков, размещенных в каталоге данных дистанционного зондирования Земли. Сервисы оперативной предобработки данных, принимаемых спутниковым приемным комплексом, формируют набор обзорных изображений небольшого размера («квик-луков») и многоканальных мультимасштабных растров, адаптированных для быстрого отображения в геоинформационной веб-системе. Пользовательский веб-интерфейс обеспечивает отображение наиболее распространенных, используемых на практике комбинаций спектральных каналов - композитных цветных изображений.

Ключевые слова: спутниковые данные, ДЗЗ, веб-сервисы, веб-ГИС, геоинформационная веб-система, каталог спутниковых снимков.

Abstract

Methods, technologies and software for visualization of multichannel satellite images placed in the Earth remote sensing data catalog are considered in the article. Services of online data pre-processing received by the satellite receiving complex form a set of small size survey images (“quick-looks”) and multichannel multi-scale rasters adapted for fast display in the geo-information web-system. User web-interface provides the display of the most common combinations used in practice of spectral channels - composite color images.

Keywords: satellite data, remote sensing data, web services, web GIS, web-based geo-information system, satellite imagery catalog.

Развитие систем дистанционного зондирования Земли в настоящее время обусловлено сочетанием таких факторов, как увеличение количества космических аппаратов и улучшение их эксплуатационных характеристик, увеличение доступности спутниковой информации, связанной с развитием Интернета: увеличение скорости и снижение стоимости доступа, развитие веб-сервисов и стандартов передачи геопространственных данных [1]. Новые технологии автоматизации приема и обработки данных ДЗЗ, создание сверхбольших архивов в специализированных дата-центрах позволили организовать принципиально новые способы обработки спутниковых данных, создать системы мониторинга природной среды в режиме реального времени нового поколения. В их основе лежат геоинформационные веб-технологии, интерактивные картографические онлайн-системы с прямым доступом к спутниковой информации, обеспеченные возможностью настройки различных параметров для визуализации геопространственных данных и формирования сложных аналитических запросов.

Современные веб-ГИС построены в так называемой сервис-ориентированной архитектуре, и их можно рассматривать как набор взаимосвязанных программных средств для обработки пространственных данных, таких как импорт/экспорт, каталогизация, визуализация, создание, обработка, распространение, и т.д. [2], [3]. Технологической основой для систем рассматриваемого класса являются, как правило, библиотеки программных интерфейсов, такие как Google Карты API, и Mapserver Mapscript, СКАНЭКС Геомиксер, и т.д. [4], [5]. Они обеспечивают доступ к функциям и контексту отображения картографических элементов веб-страницы - инструментам визуализации карты и пространственным метаданным, например, к данным по дорожной сети с информацией о пробках, параметрам рельефа местности, характеристикам объектов на карте, и проч. [6], [7]. В соответствии с этим подходом также разрабатывается программно-технологическое обеспечение системы спутникового мониторинга, поскольку она также представляет собой веб-ГИС.

В качестве технологической основы созданного авторами каталога спутниковых данных использовался комплекс инструментального программного обеспечения специализированной веб-ГИС. Разработанный как совокупность отдельных модулей, этот комплекс может развиваться и модернизироваться не только на этапе создания, но и в процессе своей эксплуатации [8].

Проектирование и реализация программ комплекса осуществляются на основе свободного и открытого программного обеспечения как в части геоинформационной составляющей, так и во всех остальных компонентах разработки. Рассматриваемое веб-приложение предоставляет пользователю средства для заполнения и редактирования системных данных и метаданных, поиска и классификации картографических ресурсов, веб-сервисы прямого доступа к данным на основе стандартных протоколов WMS / WFS, возможности аналитической обработки [9].

Функционал серверных компонент системы создан с использованием паттерна проектирования MVC (модель-представление-контроллер) и технологий “Веб 2.0” [10]. Использование этой архитектуры включает разделение данных приложения, пользовательского интерфейса и логики управления на три упомянутых отдельных компонента; предполагается что эти компоненты не зависят друг от друга, их можно по отдельности модифицировать. Данная возможность представляется очень важной, с учетом необходимости обеспечения возможности модернизации системы, уточнения технических требований к разработке.

В ходе проектирования и реализации обсуждаемой системы был создан ряд оригинальных программных компонент и библиотек, которые предполагается использовать в других проектах [11]. Это элементы пользовательского интерфейса, сервисы для работы с геопространственными базами данных, веб-интерфейсы и сервисы прикладного картографирования, и др.

Основная функциональность геоинформационной веб-системы обслуживается программными средствами Minnesota Mapserver и Autodesk MapGuide Open Source, гео-СУБД PostgreSQL/PostGIS, системой управления веб-контентом системы на основе Drupal CMS, набором библиотек разработки пользовательских интерфейсов и других компонент системы на JavaScript, авторскими программами на языках программирования PHP и jQuery, Fusion, TinyMCE и, ExtJS, MapScript, и проч.

Приоритетной задачей исследований и разработок текущего этапа было создание программных средств для работы с каталогом данных ДЗЗ. Разработанные программные инструменты обеспечивают решение первоочередных задач оперативной обработки данных ДЗЗ, поступающих с нового спутникового приемного комплекса УниСкан в ФИЦ КНЦ СО РАН, который был введен в эксплуатацию весной 2017 г.

Базовое программное обеспечение приемного спутникового комплекса ФИЦ КНЦ СО РАН формирует набор стандартных продуктов 1-го уровня - поканальные изображения (яркости спектральных каналов). Дальнейшие задачи, связанные с извлечением полезной информации, тематической обработкой данных, решаются отдельно, средствами специального программного обеспечения.

Система веб-визуализации спутниковой информации основана на наборах специально формируемых коллекций мультимасштабных снимков - с возможностью выбора в веб-интерфейсе комбинаций отображаемых каналов на мелких масштабах и в то же время - наличием детальных данных на максимально доступном пространственном разрешении. Ограничение в выборе комбинаций каналов на детальном уровне связано с экономией дискового пространства. Таким образом реализуется компромисс между системой класса «работаем с грубыми квик-луками» и системой уровня «все что угодно, с максимальной детализацией». Созданный веб-интерфейс обеспечивает просмотр архива спутниковых снимков. В нем реализована возможность выбора сенсора космического аппарата, выбора предопределенного набора каналов и продуктов у каждого снимка для простого анализа данных. Возможности созданного программного модуля позволяют комбинировать любые сочетания каналов, доступных в изображении без дополнительной настройки серверного программного обеспечения.

При формировании цветных изображений используется технология LUT (Look Up Table), в соответствии с которой вносятся «поправки» в каждый из трех каналов формируемого RGB-изображения. Разработанные алгоритмы обеспечивают корректировку исходных изображений, настройку их контрастности и цветовой палитры, 8/16-битные преобразования. Пример веб-интерфейса представлен на Рис. 1.

Рис. 1 - Интерфейс каталога спутниковых снимков ФИЦ КНЦ СО РАН

дистанционный зондирование данные спутниковый

Основные задачи разработки на данном этапе связаны с реализацией методов и алгоритмов обработки спутниковых данных. Технологические особенности работы с растровыми данными предопределяются необходимостью быстрого отображения файлов больших объемов. Эксперименты с различными форматами и их параметрами показали, что оптимальным выбором с точки зрения минимизации времени отображения в веб-браузере является формат TIFF с геопривязкой (GeoTIFF), с использованием структуры TILES (изображение состоит из отдельных фрагментов - тайлов), обзорных мультимасштабных изображений-слоев OVERVIEW. Все упомянутые этапы преобразования данных выполняются утилитами библиотеки GDAL.

Разработанные программные инструменты обеспечивают решение первоочередных задач оперативной обработки поступающих данных ДЗЗ, их каталогизации, интерактивной визуализации с помощью веб-приложения. Рассматривались следующие данные: MODIS TERRA/AQUA, Suomi NPP/NOAA-20.

Для быстрого и удобного поиска в каталоге спутниковых данных, для минимизации нагрузки на серверное программно-аппаратное обеспечение подготовлен набор серверных приложений для предварительной обработки спутниковых данных, включающих следующие этапы обработки:

1. Конвертация первичных данных (растр) в формат GeoTIFF с преобразованием исходной проекции в азимутальную равновеликую проекцию Ламберта (Lambert Azimuthal Equal Area) (код EPSG:3576), являющуюся обязательной для работы сервисов Open Geospatial Consortium.

2. Создание для всех сцен каталога цветных изображений в грубом разрешении («квик-луков») в растровом формате PNG, с прозрачностью. Такие изображения используются для быстрого обзорного отображения спутниковых данных, зарегистрированных в каталоге, с одновременной визуализацией набора таких «квик-луков» в окне веб-браузера, с масштабированием на стороне клиента, без перезагрузки/докачки данных через Интернет.

3. Создание мультимасштабного набора многоканальных изображений формата GeoTIFF. Каждое такое изображение, созданное в определенном пространственном разрешении, содержит несколько «значимых» каналов, из которых в веб-приложении «на лету» генерируются некоторый набор цветных композитных изображений. Например, для сенсора TERRA/MODIS мультиканальное изображение содержит 1, 2, 3, 4, 7, 31 каналы, на основе которых динамически формируются набор обычно используемых на практике композитных R-G-B изображений: 1-4-3 («естественные цвета»), 7-2-1 («пожары»), 3-6-7 («снег и лед»), а также одноканальные изображения с палитрами - 31 («температура»), 2-1/2+1 (NDVI).

Создание эффективного программно-технологического инструментария для задач регионального спутникового мониторинга на основе технологий геоинформационных веб-систем имеет значительные перспективы. Развиваемый подход может стать основой в решении актуальных практических задач, связанных с развитием экономики региона, повышением конкурентоспособности и обеспечения безопасной жизнедеятельности.

Список литературы / References

1. Kashnitskii A.V. Technology for designing tools for the process and analysis of data from very large scale distributed satellite archives / A. V. Kashnitskii, E. A. Lupyan, I. V. Balashov, A. M. Konstantinova // Atmospheric and Oceanic Optics. 2017. - V. 30. - № 1. - P. 84-88.

2. Pinde F. Web GIS: principles and applications / F Pinde, S Jiulin - Esri Press, 2011. - 300 p.

3. Songnian L. Advances in Web-based GIS, Mapping Services and Applications / L. Songnian, S. Dragicevic, B. Veenendaal - CRC Press, 2011. - 400 p.

4. Lobell D. B. A scalable satellite-based crop yield mapper / D. B. Lobell, D. Thau, Ch. Seifert, E. Engle, B. Little // Remote Sensing of Environment. - 2015. - V. 164. - P. 324-333.

5. Bastin L. Open-source mapping and services for Web-based land-cover validation / L. Bastin, G. Buchanan, A. Beresford, J. F. Pekel, G. Dubois // Ecological Informatics. - 2013. - V. 14. - P. 9-16.

6. T. Sample. Geospatial Services and Applications for the Internet / J. T. Sample, K. Shaw, S. Tu, et al. - Springer-Verlag US - 2008. - 179 p.

7. Mari R. A GIS-based interactive web decision support system for planning wind farms in Tuscany (Italy) / R. Mari, L. Bottai, C. Busillo, F. Calastrini et al. // Renewable Energy. - 2011. - V. 36. - P. 754-763.

8. Yakubailik O.E. Web geographic information system and the hardware and software ensuring rapid assessment of air pollution / O. E. Yakubailik, A. A. Kadochnikov, A. V. Tokarev // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2018. - V. 54. - P. 243-249.

9. Yakubailik O.E. Applied software tools and services for rapid web GIS development / O. E. Yakubailik, A. A. Kadochnikov, A. V. Tokarev // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM2015 Conference Proceedings. Book 2. - 2015. - V. 1. - P. 487-494.

10. Rinner C. The use of Web 2.0 concepts to support deliberation in spatial decision-making / C. Rinner, C. KeЯler, S. Andrulis // Computers, Environment and Urban Systems. - 2008. - V. 32. - P. 386-395.

11. Shaparev N. Usage of web mapping systems and services for information support of regional management / N. Shaparev, O. Yakubailik // MATEC Web of Conferences. - 2016. - V. 79. - № 01081.

Размещено на Allbest.ru