Компьютерные методы обработки спутниковых данных

Целью обработки данных дистанционного зондирования (ДЗ) является получение снимков или изображений с требуемыми радио­метрическими и геометрическими характеристиками. Рассмотрим ос­новные этапы обработки данных.

Радиометрическая точность обеспечивается системами внут­ренней и внешней калибровки. Информация, необходимая для оконча­тельной калибровки данных, должна содержаться в структуре переда­ваемого на землю сигнала и учитываться при последующей обработке. Наземная система обработки данных предназначена для извлечения полезной информации из мультиспектральных данных ДЗ и передачи ее потребителям. Система обработки является промежуточным звеном между датчиком ДЗ и пользователем. Поэтому ее характеристики во многом зависят как от характера данных, так и в значительной степени от требований потребителей информации ДЗ.

Уровни обработки спутниковых данных

Таблица 2.1

В общем случае обработка данных дистанционного зондирова­ния включает три этапа:

- предварительную обработку;

- первичную обработку;

- вторичную (тематическую) обработку.

На первом этапе, после приема спутниковых данных, записи их на магнитный носитель и выполнение необходимых декодирующих и корректирующих операций, происходит преобразование данных (с учетом калибровок), переданных с космического аппарата, непосред­ственно в изображение или космический снимок (например, синтез радиолокационных изображений из радиоголограмм, переданных по радиолинии), а также преобразование их в форматы, удобные для по­следующих видов обработки.

На втором этапе проводят радиометрические и геометрические преобразования (коррекцию) для исправления радиометрических и геометрических искажений, вызванных нестабильностью работы кос­мического аппарата (КА) и датчика, а также географическую привязку изображения с наложением на него сетки координат, изменение мас­штаба изображения и представление изображения в необходимой гео­графической проекции (геокодирование). Первый и второй этапы об­работки в настоящее время могут быть выполнены на борту КА.

Третий этап -- тематическая обработка -- включает как цифро­вой анализ с применением статистических методов обработки (кла­стерный анализ, методы выделения признаков и классификацию для количественных оценок и т. п.), так и визуальное дешифрирование и интерпретацию. Тематическую обработку целесообразно проводить в интерактивном или полностью автоматизированном режиме. Для этих целей разработаны различные виды программного обеспечения тема­тической обработки с использованием специализированной компью­терной техники, в основном зарубежного производства.

Радиометрические преобразования используются для перевода необработанных мультиспектральных данных в радиометрически кор­ректное и совместимое множество измерений. Часто эти преобразова­ния используются для коррекции определенных типов искажений в системе сбора данных, таких как некомпенсированная нестабильность электронных устройств. Иногда вводится поправка на изменения па­раметров среды во время зондирования (состояние атмосферы, изме­нение освещенности и т.п.).

С помощью геометрических преобразований изменяют геомет­рию изображения либо корректируют геометрические искажения, вно­симые аппаратурой ДЗ. Искажения возникают в результате ограничен­ности разрешения каждой системы ДЗ, а также вследствие дефектов или погрешностей в системе регистрации данных. Геометрические искажения могут быть устранены или существенно уменьшены с по­мощью соответствующей обработки, если имеются данные, характери­зующие положение датчика в пространстве в момент съемки и геомет­рию подстилающей поверхности. «Совмещение» и «наложение дан­ных» -- это термины, которыми обозначаются процессы геометриче­ского выравнивания одного множества данных относительно другого. Например, одно множество может быть данными ДЗ океана, другое -­карты. Заметим, что существует большое разнообразие данных, кото­рые можно совместить или наложить друг на друга. Например, рас­пределение данных ДЗ океана в виде изображения или снимка можно наложить на данные о подводной топографии, о контактных подспут­никовых измерениях, о метеорологических параметрах и др. Масшта­бирование, преобразование проекций, исправление систематических искажений -- процедуры, необходимые для получения изображения в нужном масштабе или географической проекции и для устранения различных искажений, возникших из-за нестабильности платформы КА.

Представление данных -- один из важных видов обработки и анализа данных. Формы представления данных в значительной степе­ни зависят от характера приложений и от используемой процедуры обработки. Сжатие и архивация данных является наиболее важным элементом обработки, так как в процедуре ДЗ приходится обрабаты­вать огромные потоки данных и хранить обработанную информацию. Путем уменьшения формата или объема данных в коммуникационных системах можно понизить требования к передаче, хранению и обра­ботке данных, что в конечном итоге приводит к снижению стоимости системы обработки в целом.

Под улучшением изображений в широком смысле понимают процедуры улучшения любой разновидности данных, представленных в виде изображения, а в узком -- процедуры, улучшающие визуальное восприятие данных, представленных в виде изображения. Все проце­дуры улучшения изображений могут быть полезны безотносительно того, действительно ли данные ДЗ должны быть визуализированы. Например, фильтрация, позволяющая улучшить выделение контуров или границ, может быть частью более сложной процедуры. Другие операции предназначены для уменьшения различных видов аппара­турных шумов и тем самым могут быть использованы для улучшения последующего классификационного анализа.

Статистические методы применяют для распознавания тех или иных объектов ДЗ и классификации данных с помощью численных методов. Эти методы эффективны для количественных оценок в про­цедуре дистанционного зондирования. Результаты, полученные после обработки и анализа данных ДЗ, представляются в определенном виде и формате (таблицы, массивы данных, графики, схемы, карты).

На сегодня в системах обработки данных ДЗ стали стандартом рабочие станции и персональные компьютеры с высокоскоростными процессорами и накопителями большой емкости, что предъявляет со­ответствующие требования к процедурам обработки данных. Разрабо­тано множество пакетов прикладных программ различного уровня для обработки данных ДЗ и изображений -- от распространяемых бес­платно до дорогих.

2.5.