Тема Мониторинг Разработка методов и технологий спутникового
мониторинга для научных исследований глобальных изменений и обеспечения
безопасности
Гос. Регистрация № 01.20.0.2.00164
Тема выполняется в следующих приоритетных направлениях
5.27, 5.28, 6.17,6.20, 6.21, 6.23, 6.24,6.26
Научные руководители: д.т.н. Е.А. Лупян, к.т.н. С.А. Барталев
Ответственный исполнитель: л.ф.-м.н. А.А. Мазуров
В 2006 году в рамках темы выполнялись работы по следующим направлениям:
Развитие методик построения
и базовых элементов автоматизированных систем сбора, хранения и распространения
спутниковых данных. Развитие технологий, обеспечивающих работу с информацией,
предоставляемой различными системами хранения данных. Создание базовых
интерфейсов, обеспечивающих работу и анализ информации, получаемой из архивов
спутниковых данных и результатов их обработки.
По
данному направлению в ИКИ РАН в 2006 году были проведены следующие основные
работы:
·
Разработана архитектура и методики создания систем
динамического представления спутниковых данных и результатов их обработки
удаленным пользователям. Основой задачей таких систем является обеспечение
возможности создания удобных динамических интерфейсов к географически
привязанной информации использующейся в различных системах спутникового мониторинга.
Для отработки предложенной архитектуры и методик в рамках российской информационной системы
дистанционного мониторинга лесных пожаров
создан действующий макет предназначенный для представления пользователям
ежедневной информации о пожарной обстановки на территории России. Пример
базового интерфейса приведен на рисунке
1.
Рис. 1 Действующий макет
динамического интерфейса доступа к ежедневным данным о пожарной обстановке на
территории России.
·
При поддержке проекта РФФИ 05-07-08014-офи-а разработана
архитектура и методика построения оперативно пополняющихся распределенных
архивов результатов обработки спутниковых данных обеспечивающих возможность
организации оперативного доступа пользователей к различным информации по
произвольным регионам наблюдения. Для отработки предложенных архитектуры и
методики и создания действующего макета распределенной системы хранения данных
в центрах приема НИЦ «Планета» (г. Москва), ЗапСибРЦПОД (г Новосибирск),
ДВРЦПОД (г, Хабаровск), ИЛ СО РАН (г.
Красноярск) проведена модернизация систем
автоматической обработки и архивации данных спутников TERRA и AQUA.
·
В рамках проектов Федеральной космической программы
разработана совместно со специалистами НЦ ОМЗ и ИРЭ РАН архитектура и методики
построения универсальных автоматизированных систем тематической обработки
ориентированной на работу с данными перспективных спутниковых систем.
·
В рамках проектов Федеральной космической программы
совместно со специалистами НИЦ «Планета» разработаны архитектурам
автоматизированных систем автоматической обработки и архивации данных
поступающих со спутников Электро и Метеор-М. Макетирование систем
проведено в центре приема НИЦ «Планета».
·
Разработана методика построения систем
обеспечивающих частичную репликацию баз данных использующихся в системах
мониторинга окружающей среды природных и антропогенных объектов. Методика
обеспечивает организацию автоматических репликаций подмножеств баз данных на
распределенный информационные узлы систем мониторинга. Отработка методики
производилась в рамках научно-исследовательских проектов Федерального агентства
по рыболовству, направленных на развитие отраслевой системы мониторинга.
·
В рамках проекта «Разработка научно-методических
основ и базовых элементов технологии обработки данных для проведения долговременного
спутникового мониторинга состояния растительности» (программа президиума РАН
«Поддержка инноваций») разработана архитектура системы, обеспечивающей
автоматическое ведение архивов результатов обработки спутниковых данных,
предназначенных для решения задач долговременного спутникового мониторинга
состояния растительности, созданы базовые элементы программного обеспечения для
ведения долговременных архивов, построения динамических интерфейсов и
автоматической интеграции данных в прикладные информационные системы, создан
действующий макет системы, рассчитанный на работу с данными прибора MODIS, установленного на спутниках TERRA и AQUA,
получаемыми из центра LP
DAAC USGS для отработки элементов разрабатываемой технологии.
Рис.
1 Web-интерфейс
информационной системы TerraNorte
Ведение и поддержка архивов спутниковых данных для научных исследований
глобальных изменений и обеспечения экологической безопасности
В
рамках этих работ в 2006 году в ИКИ РАН были выполнены следующие основные
работы:
·
Для расширения возможностей
ведения долговременных архивов данных проведена модернизация серверной группы
обеспечивающих работу со спутниковыми
данными результатами их обработки. В настоящее время серверная группа обеспечивает
возможность предоставление в непосредственном доступе около 10 Тбт данных.
Расширены возможности системы автоматической обработки данных. В группу
автоматической обработки данных в ходят в настоящее время более 10 рабочих
станций. Оборудована специальная серверная для ведения работ по теме
«Мониторинг». Общий вид модернизированной серверной приведен на рис. 3.
Рис.
3
Общий вид модернизированной серверной обеспечивающей выполнение работ по теме
«Мониторинг»
·
продолжалось
накопление архивов данных, поступающих со спутников серии NOAA по европейской территории России и
Западной Сибири (http://smisdata.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_reg.pl?db=noaa&lang=russian);
·
осуществлялось
ведение архивов данных прибора MODIS (спутники TERRA и AQUA) по различным регионам России (http://smis.iki.rssi.ru/dataserv/rus_ms/modis_tlm.htm).
·
В
рамках научно-исследовательских проектов Федерального агентства по рыболовству,
направленных на развитие отраслевой системы мониторинга. Совместно с ФГУП
«КЦСМ», Дальневосточным центром сбора и обработки спутниковых данных и НИЦ
«Планета» продолжалось накопление информации о состоянии облачности,
температуры морской поверхности и ледовой обстановки в районах Баренцева,
Белого, Балтийского, Черного, Каспийского, Японского Охотского и Берингова морей, полученной по данным приборов AVHRR
и MODIS
(http://x4n9.iki.rssi.ru/noaa-cgi/cat_all_prod.pl?db=center_noaa_products );
·
В
рамках научно-исследовательских проектов Федерального агентства по рыболовству,
направленных на развитие отраслевой системы мониторинга разработана технология
и началось наполнение архивов данных радиолокационных спутниковых систем (ERS, ENVISAT) по промысловым районам Черного, Охотского и Балтийского морей
(http://fms.infospace.ru/radar_products/html/select_product.shtml?target_url=http://fms.infospace.ru/FMS/map/ctrlform.m.html&target_window=fms_ctrlform_e5afb8aa95df73793a045500c725d063).
·
продолжилось
ведение многолетнего архива данных инструмента SPOT-Vegetation на всю территорию Северной
Евразии, в виде стандартных продуктов данных S10, представляющих собой композицию
наблюдений, выбранных за десятидневный период по критерию максимума NDVI;
·
совместно
с ФГУ «Авиалесоохрана», ИСЗФ СО РАН, ЦЭПЛ РАН и различными центрами приема и
обработки спутниковых данных накоплен архив информационных продуктов
спутникового мониторинга лесных пожаров на территории России в 2005 году (архив будет доступен
по адресу http://www.2006.aviales.ru)
·
продолжено
ведение и развитие архивов метеоданных по территории России (http://meteo.infospace.ru/wcarch/html/index.sht).
·
в
рамках проектов по эксплуатации и развитию системы мониторинга лесных пожаров
совместно ЗАО «Инфокомплекс» осуществлялось ведение архива данных системы
грозопеленгации покрывающей практически всю территорию России.
·
для
проведения анализа состояния растительности на территории Северной Евразии
создана автоматизированной система архивации продуктов обработки данных MODIS.
Архитектура системы представлена на рис. 4. В настоящее время в системе
накоплено более 15 Тбт данных. Система создавалась при поддержке программ РАН «Биоразнообразие
и динамика генофондов» и «Поддержка инноваций», а также НИОКР Федерального
агентства лесного хозяйства. (доступ к каталогу архива можно получить по адресу
http://193.232.9.113/)
Рис 4. Архитектура системы
ведения долговременных архивов для анализа состояния растительности
·
в
рамках различных проектов осуществлялась поддержка систем сбора, обработки,
архивации и представления данных в следующих центрах приема: НИЦ «Планета» (г. Москва), ЗапСибРЦПОД (г
Новосибирск), ДВРЦПОД (г, Хабаровск), ИЛ
СО РАН (г. Красноярск), ГНТЦ «Природа» (г. Москва), ФГУ «Авиалесоохрана» (г.
Пушкино, г. Иркутск), ФГУ КЦСМ (г. Петропавловск-Камчатский);
Развитие методов
спутникового мониторинга бореальных экосистем в связи с изменениями климата.
Развитие методологии картографирования наземных экосистем Северной Евразии по
спутниковым данным среднего пространственного разрешения.
В
рамках данного направления в 2006 году выполнен целый цикл работ (см. список
публикаций), наиболее важными из них
следует считать следующие:
· Проведен комплекс разработок по развитию метода построения очищенных от влияния облачного покрова, теней и аппаратных сбоев композитных изображений, с использованием ежедневных спутниковых данных Terra/Aqua-MODIS с разрешением 250 и 500 метров. Для пространственной и временной фильтрации данных наблюдений используются данные о величине пространственного разрешения в зависимости от угла наблюдений, а также разработанные алгоритмы детектирования облачного покрова, теней от облаков и снега на наблюдаемой поверхности. Временные серии такого рода композитных продуктов дают значительные преимущества при решении ряда не требующих высокой оперативности задач мониторинга растительного покрова и позволяют изучать фенологическую и межгодовую динамику растительности. Их использование эффективно при построении карт растительности, выявлении вырубок лесов, оценки последствий повреждений лесов пожарами и насекомыми, а также во многих других приложениях спутникового мониторинга. Примеры композитных изображений, полученных для различных периодов вегетационного сезона, приведены на рисунке 5.
Рис. 5 Примеры композитных изображений по данным ежедневных наблюдений прибором Terra-MODIS
· Проведена теоретическая и экспериментальная работа, направленная на создание алгоритма автоматизированного построения карт наземных экосистем с обучением по опорным данным. В качестве опорных данных используется созданная ранее в ИКИ РАН карта наземных экосистем Северной Евразии, полученная по спутниковым данным прибора SPOT-Vegetation с пространственным разрешением 1 км. В качестве входных спутниковых данных для построения обновленной карты используются композитные изображения Terra-MODIS с пространственным разрешением 250 м. Различное пространственное разрешение, наличие изменений в растительного покрова, а также возможные ошибки в опорной карте затрудняют ее непосредственное использование для определения спектральных характеристик различных типов экосистем. Поэтому для построения обучающей выборки разработана методика автоматической фильтрации участков, не содержащих изменения в экосистемах или ошибок классификации. Полученная обучающая выборка охватывает Европейскую часть территории России и может быть расширена на территорию Северной Евразии. Классификация экосистем осуществляется методом максимального правдоподобия. В силу наличия зональных различий в спектральных характеристиках экосистем используемые для классификации сигнатуры являются пространственно зависимыми и определяются по обучающей выборке в пределах скользящего окна. Сравнение результатов классификации некоторых типов наземных экосистем по данным SPOT-Vegetation и Terra-MODIS представлено на рисунке 6.
|
|
|
Рис. 6 Сравнение результатов классификации некоторых типов наземных экосистем по данным SPOT-Vegetation и Terra-MODIS
·
На примере Европейской части России
проведен комплекс исследований по разработке метода автоматического
детектирования изменений в лесах, прежде всего связанных с воздействием
импактных факторов (таких как вырубки и пожары) по данным наблюдений прибором MODIS. Для проведения исследований
использовались данные ежедневных спутниковых наблюдений в период 2002 - 2005
годов. Выполняемая на первом этапе
метода предварительная обработка спутниковых данных включает построение
очищенных от влияния облачного покрова помесячных композитных изображений и их
контекстную яркостную нормализацию для компенсации влияния межгодовых различий
фенологической динамики растительности. Благодаря использованию адаптивных
пороговых критериев процедура контекстного детектирования позволяет выявлять
изменения в лесах на большой территории. Тематическая интерпретация изменений
происходит на основе анализа временных
профилей спектральных яркостей. В результате работы использования метода
построена карта вырубок и гарей в лесах Европейской части России за период с
2002 по 2005 год (рис. 7).
Рис. 7 Пример выявления вырубок
в лесах по данным MODIS
· Проведен
комплекс научных исследований, позволивших создать новый метод и технологию картографирования
повреждений растительного покрова пожарами на основе ежедневных данных
наблюдений спутниковым инструментами Terra/Aqua-MODIS. Данные Terra/Aqua-MODIS позволяют с большей точностью и оперативностью
выявлять пройденные огнем площади. Разработанный метод был апробирован на
территории Сибирского региона и показал значительные преимущества, по сравнению
с результатами работы технологии, основанной на декадных данных прибора SPOT-Vegetation. Этим
положено начало формированию уточненной
базы многолетних данных о воздействии пожаров на бореальные экосистемы с
разрешением 500 метров. Дальнейшие работы в данном направлении связаны с
распространением географического охвата использования метода на глобальный
уровень бореальных экосистем планеты. Сравнение результатов выявления
повреждений растительного покрова Центральной Сибири пожарами 2003 года по
данным спутниковых наблюдений SPOT-Vegetation и MODIS представлено на рисунке 8.
по данным SPOT-Vegetation
по данным Terra-MODIS
Рис.
8 Выявление участков повреждения растительного покрова Центральной Сибири
пожарами в 2003 году по различным данным спутниковых наблюдений
Разработка научно-методических основ и элементов для построения систем
мониторинга в интересах природопользования и охраны окружающей среды.
В рамках данного направления были выполнены следующие основные работы:
·
В интересах проекта «Регион-Валидация»,
выполняющегося в рамках Федеральной космической программы разработаны
научно-методические основы построения российской системы валидации продуктов
обработки спутниковых данных. Разработаны предложения по созданию технологии и системы валидации
тематических информационных продуктов, полученных на основе обработки
спутниковых данных
·
Разработаны
научно-методические подходы к организации систем спутникового мониторинга
загрязнений в промысловых районах экономической зоны России. В рамках НИОКР
Федерального агентства по рыболовству проведены эксперименты по организации
мониторинга в тестовых Черного и Охотского морей.
·
Разработана
методика адаптации алгоритма детектирования пожаров по данным MODIS (MOD14) к различным условиям наблюдений и особенностям лесорастительных
условий. Основной особенностью предложенной методики является возможность
проведения адаптации алгоритма фактически без использования наземной
информации. Это позволит провести адаптацию алгоритма к широкому классу условий
наблюдения. Работы по адаптации алгоритма для оптимальной работы на всей
территории России начаты в рамках НИОКР Федерального агентства лесного
хозяйства.
·
В рамках НИОКР выполняемых в интересах ФЦП «Снижение
рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» разработана методологическая
база и технические предложения организации мониторинга и прогнозирования пожарной
опасности и последствий пожаров в чрезвычайных лесопожарных ситуациях.
·
В рамках НИОКР МЧС России МЧС России разработана
программа мероприятий по обеспечению безопасности населения и территорий от
чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Арктическом регионе
России.
Развитие методов и автоматизированных технологий спутникового мониторинга районов
сельскохозяйственной деятельности.
В рамках развития системы мониторинга сельскохозяйственных земель создана и введена в ведена в опытную эксплуатацию подсистемы оценки урожайности по году аналогу используются в настоящее время практически во всех системах мониторинга сельскохозяйственной деятельности. Основной задачей подсистемы является:
· анализ условий развития сельскохозяйственной растительности в различных регионах в текущем году;
· анализ исторических данных для выбора года аналога;
· преставление оценок по ожидаемой урожайности с использованием данных об урожайности различных культур, которые наблюдались в годе аналоге.
Система
обеспечила в возможность работы с долговременными архивами данных, выбор года
аналога для различных территорий и получение информации об урожайности
различных культур. Общая схема работы подсистемы приведена на рис. 9. Опытная эксплуатация подсистемы в 2006 году
показала возможность ее использования для получения оценок урожайности и
позволила определить основные задачи ее совершенствования и развития. С
возможностями системы можно ознакомиться на сервере системы мониторинга
сельскохозяйственных земель по адресу:
http://www.agrocosmos.gvc.ru/satdata/adm_index/agro/predict_harvest.pl
Рис. 9 Принципиальная схема
работы подсистемы оценки урожайности по году аналогу.
Разработан
метод автоматического выявления находящихся в активном сельскохозяйственном
использовании пахотных земель по временным сериям спутниковых данных. Метод
основан на анализе многолетних рядов данных спутниковых наблюдений и учете
априорных знаний о различиях межсезонной динамики и закономерностях сезонного
развития сельскохозяйственной и естественной растительности. Разработанный
алгоритм детектирования пахотных земель, обладающий свойством автоматической
адаптивности к специфике наблюдаемых регионов, позволил осуществить выявление в
основных сельскохозяйственных регионах России пахотных земель используемых в
период 2002-2005 годов по данным прибора
Terra-MODIS. Созданная автоматическая технология была впервые
использована при проведении
Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 года.
Рис. 10
Карта используемых пахотных земель по результатам анализа временных серий данных спутниковых наблюдений прибором MODIS за период 2002-2006 годов
Разработка научно-методических
основ, методов и технологий мониторинга состояния внутренних водоемов с
использованием спутниковых данных (на примере создания системы мониторинга
Ладожского озера)
В рамках данного направления были выполнены следующие основные работы:
·
Сформированы
архивы спутниковых данных по региону Ладожского озера.
·
Проведены
работы по оценке возможности использования различных спутниковых данных для
оценки состояния внутренних водоемов.
·
Разработаны
элементы программного обеспечения для работы с данными радиолокационных
спутниковых систем (ERS, ENVISAT) для обеспечения подготовки данных для выделения
возможных зон загрязнений.
Основные работы в
РАМКАХ НИОКР выполняемых в рамках различных ведемств и ФЦП
‑ «Проведение работ по информационно-техническому обеспечению и развитию системы постоянного сбора и обработки данных спутникового мониторинга в интересах системы мониторинга сельскохозяйственных земель» МСХ РФ
‑ «Разработка методов мониторинга и прогнозирования природных пожаров и их последствий с использованием геоинформационных технологий» МЧС
‑
«Совершенствование технологий оперативного сбора, обмена данными и технологии
ведения баз данных ОСМ» Росрыболовство
‑«Совершенствование блока спутникового
мониторинга состояния окружающей среды в отраслевой системе мониторинга»
Росрыболовство
‑«Создание блока
взаимодействия с единой системы информации об обстановке в Мировом океане в
НЦМС” (ЕСИМО) ФЦП “Мировой океан”
‑ «Участие в работах по развитию системы дистанционного мониторинга лесных пожаров и очагов массового размножения вредных насекомых и болезней леса (лот №8)» Рослесхоз