B105. Трансформация в географические проекции, экспорт в ГИС и тематическая обработка изображений MODIS

36B5.1. Функциональные возможности программы SCANEX MODIS PROCESSOR

Программа ScanEx MODIS Processor предназначена для реше­ния следующих задач:

- геометрической коррекции пространственных данных, полу­ченных со спутников оборудованных сканером MODIS.

- обеспечения возможности оперативной обработки космиче­ских снимков с использованием масок: выделения пожаров, облачно­сти, расчет вегетационных индексов NDVI и EVI (Enhanced Vegetation Index);

- использования специальных методов интерполяции для по­лучения заданного пространственного разрешения пикселей изобра­жения;

- получения цветосинтезированного изображения из несколь­ких разновременных снимков одной территории, позволяющего на­глядно представить процессы пространственно-временного изменения территории;

- получения единого изображения из нескольких снимков на одну территорию, в том числе с использованием снимков разного раз­решения;

- устранения дефектов изображения по заданному контуру (помехи при приеме, облачность и т.д.) с использованием дополни­тельных снимков;

- просмотра результатов трансформации на экране компьюте­ра с загрузкой трансформированного растра, в том числе совместно с цифровыми векторными картами. Кроме стандартных возможностей просмотра (изменение масштаба, передвижение по изображению) про­грамма позволяет создавать и редактировать файлы геометрических поправок и опорных точек (TIC-файлы), необходимые для выполнения дополнительной трансформации;

- сохранения оттрансформированных данных в формате про­граммы тематического дешифрирования ScanExNeris;

- вывода снимков с сохранением координатной привязки в формате наиболее распространенных ГИС (ArcInfo, ArcView, MapInfo);

- вывода изображения в файл в формате, воспринимаемом стандартными графическими программами для последующего вывода на твердые копии в неискаженном виде.

Геометрическая коррекция. В программе реализованы две сте­пени глубины геометрической коррекции:

1. Начальная коррекция снимка, осуществляемая по орбиталь­ным данным спутника. При этом возможны достаточно грубые систе­матические ошибки, связанные с ошибкой определения орбитальных характеристик спутника.

2. Следующая степень коррекции, осуществляемая по кон­трольным (реперным) точкам, для изображения, полученного после начальной коррекции. При этом используются два метода преобразо­ваний:

- исправление систематических аффинных ошибок (поворот и изменение масштаба). Данный вид преобразования (Affine) использу­ется для устранения систематических ошибок, одинаковых для всех точек снимка;

- исправление ошибок проекционного характера. Данный вид преобразования (Projective) рекомендуется, например, для исправления перспективных ошибок, возникающих при съемке под большим попе­речным углом.

Описанные виды геометрической коррекции затрагивают сни­мок в целом. При наличии на изображении локальных искажений, вы­званных, например, спецификой рельефа, используют метод «резино­вой пленки» (Rubber sheet), позволяющий исправить отдельные ло­кальные ошибки.

Интерполяция яркостей. Для интерполяции яркостей пиксе­лей при геометрической коррекции используют два специальных ме­тода:

1. Билинейную интерполяцию фотометрических характери­стик в центре трансформированного пикселя по фотометрическим ха­рактеристикам исходного изображения (Linear). Рекомендуется при­менять при незначительном изменении пространственного разреше­ния, она сохраняет резкие яркостные и цветовые переходы исходного изображения.

2. Вычисление усредненных фотометрических характеристик по всему пикселю за счет интегрирования фотометрических характе­ристик его прообраза (Integral). Рекомендуется применять при незна­чительном изменении пространственного разрешения снимка с целью сохранения локальных фотометрических характеристик изображения (при тематической дешифровке снимков).

B735.2. Поддерживаемые форматы данных

Программа ScanEx MODIS Processor поддерживает следую­щие форматы данных: растровые, векторные, служебные.

Растровые форматы

А. Входные растровые форматы. Как входные в программе ScanEx MODIS Processor используются данные, полученные со спутников, оборудованных сканером MODIS, в формате HDF. Данные в формате HDF имеют два уровня упаковки: Level 1A и Level 1B. Формат Level 1A представлен двумя группами файлов:

1. Файлы "MOD01 .n\i;i_(|iaH.ia.HDF" содержат некалиброван­ные данные дневных и ночных спектральных каналов в разрешении 1 км, 500 м, 250 м. В программе они обозначаются соответственно суф­фиксами _Day и _Night.

2. Файлы "MOD03.имя_файла.HDF" содержат информацию о географической координатной привязке для файлов формата Level 1A.

Формат Level 1B представлен четырьмя группами файлов:

1. Файлы "MOD02 KM.имя_файла.HDF" содержат калибро­ванные данные спектральных каналов с разрешением 1 км в пикселе. В программе эти каналы обозначаются суффиксами _Refl и _Emiss.

2. Файлы "MOD02HKM.имя_файла.HDF" содержат калибро­ванные данные спектральных каналов с разрешением 500 м в пикселе.

3. Файлы "MOD02QKM.имя_файла.HDF" содержат калибро­ванные данные спектральных каналов с разрешением 250 м в пикселе.

4. Файлы "MOD02OBC.имя_файла.HDF" содержат информа­цию географической координатной привязки для файлов формата Level 1B.

Б. Выходные растровые форматы. Растровые форматы для использования в ГИС:

*.BIL -- многослойный растровый файл, пригодный для ис­пользования в программе ArcView, ArcInfo и др.

*.TAB -- файлы с описанием географической привязки растра для программы MapInfo.

Графические растровые форматы:

*.BMP -- Windows Bitmap файл.

Внутренний растровый формат:

*.STI -- служебный формат ScanEx, предназначенный для об­мена изображениями с программой ScanExNeris. Формат STI -- может содержать до 12 растровых слоев.

Векторные форматы

При проведении геометрической коррекции изображений воз­никает необходимость отображения векторных данных. Программа ScanEx MODIS Processor способна отображать векторные данные в обменном формате программы MapInfo -- *.MIF (MapInfo Interchange

Format).

Служебные форматы

*.HIS -- файлы, в которых запоминается информация о гео­метрической трансформации растра, которая может быть использована при последующей коррекции.

*.TIC -- файлы информации для коррекции растра по опор­ным точкам (для каждой опорной точки указываются ее координаты, и координаты, которые она должна получить после трансформации). Координаты записывают в текстовом виде через пробел в том порядке, как они указаны выше, одна строка -- для одной опорной точки. Пер­вой записывают горизонтальную, второй -- вертикальную координаты точек.

41B5.3. Функция наложения масок облаков и очагов пожаров

Маска облаков. Получение масок облаков возможно для MOD02 файлов с пространственным разрешением 1 км (рис. 7).

Рис. 7. Наложение маски облаков на маску индекса вегетации (NDVI) в приложении ScanEx MODIS Processor

В алгоритме определения облаков реализовано определение облачности по разности температур пикселя в 11 нм (31-й канал) и 3.7 нм (20-й канал).

Пределы значений разности температур каналов для гаранти­рованного отсутствия облаков (Free) и гарантированного их наличия (Cloud) отдельно определяются в дневное время суток (Day) для суши (Land) и воды (Sea) и в ночное время (Night) для суши (Land) и воды (Sea). Доступ к ним осуществляется нажатием кнопки Change Params на странице MODISView мастера.

Если значение разности температур пикселя в каналах 11 и 3.7 нм меньше или равно порогу Free -- пиксель полностью свободен от облаков (0 в результирующей маске), если значение разности больше или равно порогу Cloud -- пиксель полностью занят облаками (255 в результирующей маске). Значение разности находящееся между поро­гами линейно определяет вероятность присутствия облаков от 0 до 1 (от 0 до 255 в результирующей маске).

Примечания:

1. Над пустынными регионами в дневное время яркие участки могут ошибочно определяться как облака.

2. Значения всех порогов «по умолчанию» определялись Algorithm Technical Background Document (atbd-mod-06).

3. Желательно наличие в файлах mod03 маски Land/Sea (Су- ша/Море) для различных времен года.

4. В дальнейшем возможно подключение дополнительных па­раметров определения облачности.

Маска пожаров. Получение масок пожаров возможно для MOD02 файлов с разрешением 1 км (рис. 8).

В данном алгоритме используются две основные величины -­это значение температуры пикселя в канале 4 нм (T4, чем выше темпе­ратура, тем больше вероятность пожара) и разница между температу­рами пикселя в 4 нм (21-й канал) и 11 нм (31-й канал) (dT411, чем больше разность, тем больше вероятность пожара).

Пожар выявляется двумя способами:

- абсолютные значения каждой из вышеназванных величин в пикселе (T4 и dT411) превышают допустимые пределы (например, T4 выше 360 К днем или dT411 больше 25 К днем);

- значение величины в пикселе сильно отличается от окруже­ния (например, T4 > T4b + pT4.s.d.c.*dT4b -- температура пикселя в 4­м канале больше средней температуры окружающих пикселей + стан­дартное отклонение температур окружающих пикселей умноженное на коэффициент (обычно pT4.s.d.c = 3).

Пиксели с обнаруженным пожаром, но определенные как сол­нечный блик отсеиваются.

В результате работы алгоритма создается файл отчета, куда записываются: дата и время проведения детектирования, исходный файл, координаты пикселей с обнаруженными пожарами, сила пожара в пикселях и их число.

Рис. 8. Наложение маски пожаров на маску индекса вегетации (NDVI) в приложении ScanEx MODIS Processor

Примечания:

1. Значения всех порогов «по умолчанию» определялись Algorithm Technical Background Document MODIS FIRE PRODUCTS (atbd-mod-14). Поэтому эффективные пороги будут разными для раз­личных региональных и климатических зон и в особенности для раз­личных времен года.

2. Желательно наличие в mod03 файлах маски Land/Sea (Су- ша/Море).

3. Необходимо наличие в mod02 файлах атрибута RANGEBEGINNINGDATE.

Для выявления и оперативного обнаружения пожаров в про­грамме ScanEx MODIS Processor используют алгоритмы, разработан­ные специально для спектрорадиометра MODIS и позволяющие опре­делить местоположение пожаров и их силу. Программа использует также дополнительные средства для повышения достоверности опре­деления пожаров (маску воды, автоматически вычисляемую маску об­лаков, алгоритм подавления ложных бликов). Наличие в приборе MODIS каналов достаточно высокого разрешения (250 м) позволяет уточнить местоположение очага пожара и состояние окружающей тер­ритории. На рис. 8 представлены изображения MODIS с наложением масок облаков, пожаров, вегетационного индекса (NDVI) в сочетании с разным пространственным разрешением (1 000, 500 и 250 м).

Точность определения координат очагов пожаров в режиме реального времени составляет до 10 пикселей, а при дополнительной геометрической коррекции -- в пределах одного пикселя (до 1 км и выше при использовании каналов более высокого разрешения).

Результат работы программы может быть выдан на экран для ручного определения координат пожаров, а также записан в виде элек­тронной карты или файла отчета.