Методика создания гис-проекта на основе данных дистанционного зондирования Земли с целью оценки пожароопасности территории Квалификационная работа (стр. 7 из 9)
Тематическая обработка позволяет представить один или несколько специфических компонентов изображения, которые полезны для решения конкретных задач в более удобном для восприятия и использования виде. При этом остальная информация в преобразованном снимке, как правило, видна хуже или пропадает.
3.1 Функциональные возможности программы Scanex Modis Processor
Программа Scanex Modis Processor (рис. 3.1.1) разработана в ИТЦ «СканЭкс» для обработки данных MODIS.
Приложение Scanex Modis Processor предназначено для решения следующих задач:
- геометрической коррекции пространственных данных, полученных со спутников оборудованных сканером MODIS. Геометрическую коррекцию можно проводить, как по орбитальным данным спутника, так и по данным пользователя с преобразованием изображения в одну из наиболее распространенных картографических проекций. Имеется возможность преобразования космических снимков в произвольную (указанную пользователем в виде числовой матрицы трансформированных координат) картографическую проекцию,
Рис. 3.1.1. Интерфейс программной оболочки Scanex Modis Processor
- 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.
Интерфейс программы организован в виде многостраничного документа, что позволяет в любой момент вернуться к предыдущим «настройкам» и изменить параметры.
Программа поддерживает проекции Меркатора, Ламберта, Полярную стереографическую, Альберса, Гаусса-Крюгера, UTM, а также содержит средства для выполнения трансформации в произвольную проекцию, подготовленную пользователем.
3.2 Геометрическая коррекция
В программе Scanex Modis Processor 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 три 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.
3.3 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).
3.4 Поддерживаемые форматы данных
Программа Scanex Modis Processor поддерживает следующие форматы данных:
- растровые;
- векторные;
- служебные.
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.имя_файла.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.
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.
Графический растровый формат:
*.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.
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).
*.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.
3.5 Методика обнаружения пожаров в программной среде Scanex Modis Processor
Методика обнаружения пожаров основана на сравнении температур (интенсивностей входного сигнала, полученного радиометром MODIS) каждого пикселя в двух инфракрасных спектральных каналах, 21 канал (4 мкм T4) и 31 канал (11 мкм T11). Эта методика реализована в рамках программы Scanex Modis Processor с возможностью диалоговой настройки входных и выходных параметров (рис. 3.5.1)
При этом считается, что чем выше температура пикселя в 21 канале, тем больше вероятность пожара. Аналогично, чем больше разность температур в каналах 4 мкм. и 11 мкм. (dT411), тем больше вероятность пожара.
Получение масок пожаров возможно для MOD02 файлов с разрешением 1 км.
Рис. 3.5.1. Интерфейс настройки параметров маски пожаров
Потенциальный очаг пожара выявляется двумя способами:
1. Абсолютные значения каждой из вышеназванных величин в пикселе (T4 и dT411) превышают допустимые пределы, заданные в параметрах маски пожаров (например, T4 выше 360оК днем или dT411 больше 25о днем).
2. Значение интенсивности сигнала в канале 4 мкм некоторого пикселя сильно отличается от окружения (например, T4 > T4b + pT4.s.d.c.*dT4b - температура текущего исследуемого пикселя в канале 4 мкм больше средней температуры окружающих пикселей + стандартное отклонение температуры окружающих его пикселей умноженное на эмпирический коэффициент (standard deviation coefficient, обычно pT4.s.d.c = 3)).
В программе Scanex Modis Processor имеется некоторый набор параметров, который может отсеивать ложные сигналы. С учетом этих параметров пиксели с обнаруженным пожаром, но отбракованные, отсеиваются. Все эти параметры программно могут быть изменены в процессе работы.
В результате работы алгоритма создается файл отчета (Fire.log, табл. 2), куда записываются дата и время проведения детектирования, имя исходного (MOD021KM) файла, и в табличном представлении выводится: