Способ формирования единого сплошного динамического покрытия данными дистанционного зондирования Земли и информационно-аналитическая система для его осуществления
METHOD FOR FORMING A SINGLE CONTINUOUS DYNAMIC COVERAGE WITH EARTH REMOTE SENSING DATA AND AN INFORMATION AND ANALYTICAL SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области дистанционного зондирования Земли из космоса, а именно к средствам обработки данных дистанционного зондирования Земли для формирования геопространственных продуктов, обладающих потребительскими свойствами и пригодных для прикладного использования настольными и мобильными приложениями.
Под покрытием данными и продуктами ДЗЗ понимаются данные или продукты ДЗЗ, покрывающие заданную территорию и сохраняющие возможность визуализации и анализа с исходным пространственным разрешением.
Под динамическим покрытием понимаются разновременные данные ДЗЗ в виде исходных маршрутов (сцен) и производные на их основе информационные продукты.
Мозаичное покрытие (мозаика) – первая производная из динамического покрытия; единое изображение, полученное в результате пространственного совмещения исходных данных или продуктов ДЗЗ на заданную территорию. На основе мозаики возможно создание производных информационных продуктов.
Известны средства формирования покрытий данными дистанционного зондирования Земли – патенты на изобретения: RU 2 465 617, АО «Российские космические системы»; RU 2 646 370, АО «НИИ ТП»; RU 2 492 575, Centre national d'études spatiales и т.п. Предлагаемые способы и аппаратно-программные средства направлены преимущественно на формирование покрытий для оперативного мониторинга состояния атмосферы, подстилающей поверхности Земли и мирового океана. Достигаются задачи повышения оперативности и обеспечения возможности автоматизации процессов космического мониторинга, а также уменьшения времени планирования применения космических средств при увеличении количества космических съемок атмосферы и подстилающей поверхности Земли. Однако предлагаемые способы ограничены определенными типами исходных данных дистанционного зондирования Земли из космоса и не учитывают современные подходы к организации процессов хранения, обработки и распространения больших массивов накапливаемой информации. Кроме того, в предлагаемых решениях отсутствует возможность оперативного проведения ретроспективного анализа и выбора максимально гибких параметров для формирования производных продуктов на основе данных ДЗЗ. В целях повышения эффективности прикладного использования российского информационного ресурса дистанционного зондирования Земли из космоса необходимо усовершенствовать средства формирования покрытий и предложить методику формирования покрытия, пригодную для создания конкурентоспособных продуктов на мировом рынке технологий и услуг.
Предложен способ формирования единого сплошного динамического покрытия данными дистанционного зондирования Земли из космоса, предусматривающий иерархическое формирование исходного массива данных, полученных с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, на основании которого последовательно формируются динамические покрытия заданных типов, отвечающих уровню технологической готовности конечного пользователя и номенклатуре решаемых тематических задач по видам экономической деятельности. С целью создания исходного массива данных используют данные дистанционного зондирования, полученные с космических аппаратов из состава российской орбитальной группировки.
Из исходных данных формируется динамическое покрытие региона интереса, которое состоит из множества  сцен маршрутов съемки в пространстве ОХТ, где ось X задает координаты района интереса, ось T – время съемки в интервале (, таким образом:
,
где  – вектор, определяющий положение маршрута в пространстве OXT;
– размер окрестности, покрываемой  в пространстве OXT;
уровень обработки (по классификации по классификации Комитета по спутникам наблюдения за Землей – Committee on Earth Observation Satellites, далее  CEOS);
DC (Defining Conditions  определяющие условия), где облачность,  – пространственное разрешение, каналы/сенсор аппаратуры, степень сжатия,   - маска качества для каждого .
Интервал времени (может быть практически любым (неделя, месяц, квартал, год), что принимается () за единичный интервал мониторинга в зависимости от номенклатуры решаемых тематических задач.
j
Соответственно, при  расширении рассматриваемого периода времени появится необходимость рассмотрения множества D, состоящего из подмножеств типа А количества N на интервале (,..., + ), что схематически можно представить следующим образом (фиг. 1).
Динамическое покрытие может быть трех уровней обработки:
− уровня обработки 1C (по классификации CEOS) с географически привязанными данными;
− уровня обработки 2 CEOS из данных с восстановленными исходными геофизическими параметрами;
− динамическое покрытие уровня обработки не ниже ARD CEOS с разновременными, кросскалиброванными и геометрически совмещенными данными с субпиксельной точностью.
На основе перечисленных выше данных формируются потребительские продукты – мозаичные покрытия.
Мозаичное покрытие это динамическое покрытие со сведенными контурами смежных маршрутов, т.е.
,
где  – оператор, обеспечивающий сведение контуров смежных маршрутов покрытия и яркостного выравнивания результирующего покрытия для множества маршрутов  в пространстве ОХТ.
Предложенный способ формирования единого сплошного динамического покрытия данными дистанционного зондирования Земли в качестве исходных данных использует наборы данных (съемочные маршруты), полученные с космических аппаратов типа «Ресурс-П» (аппаратура «Геотон-Л1», КШМСА), «Канопус-В» (аппаратура ПСС, МСС), «Метеор-М» (аппаратура КМСС, МСУ-МР), «Электро-Л» (аппаратура МСУ-ГС).
При практическом использовании предложенного способа получают динамическое покрытие, состоящее из данных дистанционного зондирования Земли уровня обработки не ниже 1С CEOS. Из исходных архивных или оперативных данных уровня 0 CEOS автоматически формируется динамическое покрытие сцен/маршрутов уровня 1С/D CEOS, которые в дальнейшем обрабатываются до уровня 2 CEOS (фиг 2). Для сокращения времени и усилий пользователей по использованию данных дистанционного зондирования Земли динамическое покрытие предоставляется в виде уровня 2 CEOS – данные с восстановленными исходными геофизическими параметрами, в частности, коэффициентами спектральной яркости или яркостной температурой на нижней границе атмосферы. Сцены/маршруты уровня 2 CEOS являются основой для создания динамических продуктов (индексов, трендов, классификаций).
В целях оценки изменения свойств объектов подстилающей поверхности для всех сцен динамического покрытия должно обеспечиваться единство пространственного положения – привязка с субпиксельной точностью, а также радиометрических характеристик – кросскалибровка с ранее накопленными данными рассматриваемой целевой аппаратуры и кросскалибровка с данными дистанционного зондирования Земли, имеющими аналогичные характеристики. Оптимальным уровнем обработки маршрутов (сцен) динамического покрытия является уровень, обеспечивающий максимальную готовность данных для анализа, то есть уровень ARD CEOS – кросскалиброванные и геометрически совмещенные с субпиксельной точностью разновременные данные дистанционного зондирования Земли, в том числе полученные с различных, но однотипных сенсоров. На основе полученных данных формируются динамические продукты, а также многомерные мультивременные кубы данных.
В комплект каждого маршрута (сцены) динамического покрытия должна входить маска качества и маска облачности для дальнейшего создания мозаичных покрытий. На основе динамического покрытия создаются производные продукты – результаты автоматической тематической обработки, включающие различные индексы, например, вегетационные, слои классификации различных природных объектов (ландшафтное покрытие, маски леса, водных объектов, облачности и др.), а также мультивременные тренды изменений параметров отражения от поверхности и их производных(в т.ч. мультивременные композиты). Создание мозаичных покрытий определяется наличием облачности, периодом наблюдений и границами района интереса, а также свойствами исходных данных и потребительских продуктов. Условия создания мозаичных покрытий могут комбинироваться произвольным образом, в зависимости от целевой задачи потребителя.
С целью уточнения географической привязки отдельных сцен/маршрутов из состава динамического покрытия ввиду ограниченной точности навигационной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, а также в случае ее возможных сбоев и/или отказа используются опорные покрытия с подтвержденными геометрическими характеристиками точности позиционирования. Для формирования опорного покрытия используются данные дистанционного зондирования Земли с верифицированной точностью (по результатам независимых исследований) геопозиционирования без дополнительных точек наземной опоры. В обеспечение проверки параметров точности используются опорные точки, плановые и высотные координаты которых определены геодезическими методами. Для повышения геометрических характеристик динамического покрытия также используются опорные цифровые модели рельефа/местности.
Мозаичное покрытие формируется с учетом заданных условий облачности, периода и района интереса на основе сцен/маршрутов динамического покрытия уровня 1С/D CEOS. Мозаика дополнительно может проходить этап цветового и тонового выравнивания используемых фрагментов и конвертироваться в вариант для массового использования (стандартный растровый формат со сжатием в виде набора тайлов для использования в геопорталах и геосервисах). Мозаики могут регулярно обновляться в зависимости от выбранного временного интервала и наличия исходных кондиционных данных (в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конечному продукту, по геометрической и радиометрической точности).
Из сцен/маршрутов динамического покрытия уровня 2 CEOS с учетом заданных условий может формироваться и регулярно обновляться мозаичное покрытие с сохранением физических величин (коэффициент спектральной яркости подстилающей поверхности). Мозаичные продукты формируются как на основе мозаичного покрытия уровня 2 CEOS, так и на основе объединения динамических продуктов. В перспективе мозаичное покрытие уровня 2 CEOS заменяется мозаичным покрытием уровня ARD CEOS, которое также становится информационным источником для формирования мультивременных кубов данных (конечная стадия стандартной обработки, непосредственно предшествующая тематическому анализу).
В результате могут быть получены следующие виды мозаичных покрытий:
безоблачные/облачные – к полному или практически полному отсутствию облачности относится значение до 5% площади облаков от общей площади района интереса;
однократные/периодические – мозаики, формируемые однократно или обновляемые через заданные интервалы времени;
глобальные/региональные – мозаики, покрывающие всю территории Земли или отдельные территории по условиям потребителя;
одноканальные/многоканальные – мозаики с выбором отдельных спектральных каналов в зависимости от типа целевой аппаратуры;
бесшовные – мозаики с выполненным выравниванием яркости и тона (границы фрагментов сцен/маршрутов визуально неразличимы при стандартной подстройке гистограммы);
сплошные – мозаики, полностью покрывающие заданную территорию за требуемый период времени;
абсолютные – мозаики, содержащие значения восстановленных исходных геофизических параметров в каждом спектральном канале. На основе мозаик данного типа возможно создание производных мозаичных продуктов – индексов, классификаций и трендов аналогично динамическим продуктам;
массовые – мозаики в стандартном растровом формате со сжатием, предназначенные для массового использования в качестве базового покрытия в геопорталах и геосервисах, в том числе в виде набора тайлов или веб-сервиса.