Программная система отображения данных измерений

Программная система отображения данных измерений

Спектрорадиометра MODIS

Отчет по производственной и преддипломной практикам

 

 

Студент гр. з-90П-1

_______ Шамаев А.В.

«__» ________ 2016 г.

 

Руководитель

Профессор каф. АСУ

д-р техн. наук

_______ Катаев М.Ю.

«__» ________ 2016 г.

 

Томск 2016

Содержание

Введение.............................................................................................................. 3

1 Обзор................................................................................................................ 4

1.1 Актуальность спутниковых измерений (задачи)...................................... 4

1.2 Свойства данных дистанционного зондирования................................... 6

1.3 Бесплатные спутниковые данные............................................................ 13

1.4 Описание спектрорадиометра MODIS................................................... 14

1.5 Типы данных MODIS.............................................................................. 17

2 Разработка программного обеспечения....................................................... 20

2.1 Методы обработки спутниковых данных............................................... 20

2.2 Структура программы............................................................................ 27

3 Тестирование.................................................................................................. 29

3.1 Обзор программного обеспечения......................................................... 29

3.2 Индивидуальное задание........................................................................ 31

Заключение........................................................................................................ 32

Список использованных источников................................................................ 33

Введение

В научном мире широко обсуждаются проблемы глобального изменения климата, глобальных изменений природы Земли, усиления активности неблагоприятных природных процессов и явлений. Данные космических съёмок вместе с другой доступной информацией сделали возможным постоянное и надёжное наблюдение земной и водной поверхностей и атмосферы, что позволяет отслеживать все изменения в пространстве и во времени. Снимки, поступающие с космических кораблей, орбитальных станций, спутников много лет и хранящиеся в архивах разных стран, содержат объективную информацию о состоянии отдельных участков нашей планеты см. рисунок [1].

Рисунок - Планета Земля

Обзор

Бесплатные спутниковые данные

К спутниковым снимкам бесплатного доступа, которые используются для основной части экологических (научных и природоохранных) проектов относятся следующие:

- MODIS (все производные продукты - бесплатны)

- LandSat-8 (все снимки - бесплатны)

- ASTER (для научных, природоохранных и учебных целей можно получить бесплатно)

В таблице 1.1 представлены характеристики этих снимков, которые нужно учитывать при их выборе для проекта [5].

Таблица 1.1 - Характеристика снимков

Сенсор	Спутник	Годы работы	Число спектральных каналов	Общий спектральный диапазон (µm)	Пространственное разрешение (метров в 1 пикселе)	Временной интервал (сутки)
ASTER[6]	Terra	2000 - наст. время		0.52-11.65	15, 30, 90
LandSat-8 (OLI, TIRS)[7]	LandSat-8	2013 - наст. время		0.43-12.5	15, 30, 100
MODIS[8]	Terra, Aqua	1999, 2002 - наст. время		0.4-14.4	250, 500, 1000	1-2

 

 

Типы данных MODIS

Земная поверхность - одна из дисциплин, в рамках которой производится генерация ряда групп продуктов на базе данных MODIS. В рамках этой дисциплины создаются следующие группы продуктов (каждая из которых может включать один или несколько окончательных продуктов) см. таблицу 1.3 [12].

Таблица 1.3 - Типы продуктов MODIS

Описание	Префикс
Отражающая способность земной поверхности	MOD09
Температура и излучательная (эмиссионная) способность земной поверхности	MOD11
Классификация типов земной поверхности и их изменений	MOD12
Индексы растительности	MOD13
Тепловые аномалии/Пожары	MOD14
Индекс поверхности листовой пластинки/Доля фотосинтетически активной радиации (LAI/FPAR)	MOD15
Первичная продуктивность растительности	MOD17
Функция двунаправленного распределения отражающей способности	MOD43
Изменения растительности/Проективное покрытие растительности	MOD44

 

Уровень обработки

На данный момент, существует 3 типа продуктов на базе данных MODIS: 2G, 3, и 4. Тип продукта фактически соответствует уровню обработки исходных данных MODIS. На базе данных уровня 2G получают одно-, 8, 16, 32-дневные композиты продуктов уровня 3 и 4[12].

 

Единицы хранения данных

Для продуктов 2G и 3 - гранула (granule), для 4 уровня обработки - фрагмент (tile). Далее в описании, для удобства используется только термин "фрагмент". Одному фрагменту обычно соответствует один файл в формате HDF-EOS [12].

 

Система "нарезки" данных на фрагменты

Камера MODIS одновременно захватывает очень большую полосу съемки, примерно 2340 x 2330 км (размер гранулы). Для удобства распространения данные разбиваются на фрагменты, примерно 1120 x 1120 км (10 x 10 градусов на экваторе). После разбивки получается 460 фрагментов, 326 из которых захватывают земную поверхность.

Нумерация фрагментов начинается с 0,0 (номер фрагмента по горизонтали, номер фрагмента по вертикали) в верхнем левом углу и увеличивается слева направо (по горизонтали) и сверху вниз (по вертикали). Последний фрагмент имеет номер 35, 17 и располагается в нижнем правом углу [13].

 

Названия фрагментов

Название фрагмента (granule ID или tile ID) расшифровывается следующим образом:

ESDT.AYYYYDDD.hHHvVV.CCC.YYYYDDDHHMMSS.hdf

где:

ESDT - Тип данных (Earth Science Data Type) (например MOD14A1)

YYYYDDD - Дата съемки, год (YYYY) и дата по Юлианскому календарю (DDD: 1..365)

hHH - Номер фрагмента по горизонтали (0-35)

vVV - Номер фрагмента по вертикали (0-17)

CCC - Номер коллекции (версии данных)

YYYYDDDHHMMSS - Дата обработки фрагмента: Год, дата по Юлианскому календарю и время UTC

hdf - расширение формата HDF [11].

 

Коллекция (версия) данных

Продукты MODIS подвергаются многократной обработке (фактически несколько раз переделываются заново), необходимость ее повторения связана с совершенствованием алгоритмов обработки, улучшением параметров радиометрической и геометрической коррекции. Версия продукта называется коллекцией и заложена в названии продукта. Таким образом, каждый продукт на базе данных MODIS, может иметь несколько версий (коллекций). Рекомендуется для работы использовать последнюю версию продукта [11].

 

Исходная проекция данных

Исходно, данные MODIS, коллекций 1 и 3 распространяются в равноплощадной проекции ISIN - Integerized Sinusoidal, которая не поддерживается большинством пакетов ПО ГИС. Данные из коллекции 4 имеют проекцию Sinusoidal. Продукты других дисциплин, например Snow and Ice могут распространяться в других проекциях. Для работы с данными, необходимо сначала перевести их в более привычный формат и систему координат/проекцию [12].

Структура программы

Каждое спутниковое измерение можно представить в виде:

I(x,y,λ,t), где x-широта, у-долгота, λ-длина волны, t-время.

Сами спутниковые данные несут лишь информацию о процессах атмосферы и поверхности, и эту информацию нужно извлекать. Это происходит с помощью методов обработки. Чтобы обработать данные, их нужно сохранять и потом извлекать, быстро и точно. Кроме того, полученные после обработки результаты необходимо визуализировать.

Рисунок 2.2 - Структура данных

 

Выборка данных для обработки, визуализации и анализа

Проблема выборки данных из набора, представленных на рисунке 2.2 в том, что их структура является пространственно-временной и спектральной, что соответственно вызывает множество вариантов. Эти варианты представляют собой однотипные данные: точка, линия, матрица, куб (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Варианты выборки данных

№ п/п	x	y	λ	t
	весь диапазон	весь диапазон	фиксировано	весь диапазон
	весь диапазон	весь диапазон	весь диапазон	фиксировано
	заданный диапазон	заданный диапазон	фиксировано	заданный диапазон
	заданный диапазон	заданный диапазон	заданный диапазон	фиксировано
	фиксировано	фиксировано	фиксировано	весь диапазон
	фиксировано	фиксировано	фиксировано	заданный диапазон
	фиксировано	фиксировано	весь диапазон	фиксировано
	фиксировано	фиксировано	заданный диапазон	фиксировано

 

Для отображения данных измерений спектрорадиометра MODIS необходимо разработать программную систему, способную обрабатывать многомерные матрицы данных большой размерности. См. рисунок 2.3.

 

Рисунок 2.3 - Структура программы

Тестирование

Заключение

При прохождении преддипломной практики была изучена предметная область. На примере многочисленных задач показана актуальность спутниковых измерений. Рассмотрены свойства данных дистанционного зондирования. Изучена информация о спектрорадиометре MODIS и типах данных. Рассмотрены методы обработки спутниковых данных. Был проведен обзор программ, работающих с геопространственными данными. Изучены программы: QGIS, GRASS GIS. Разработана структура программы. Написано приложение для обработки спутниковых данных — синтез изображения на основе значений вегетационных индексов (NDVI).

Программная система отображения данных измерений

Спектрорадиометра MODIS

Отчет по производственной и преддипломной практикам

 

 

Студент гр. з-90П-1

_______ Шамаев А.В.

«__» ________ 2016 г.

 

Руководитель

Профессор каф. АСУ

д-р техн. наук

_______ Катаев М.Ю.

«__» ________ 2016 г.

 

Томск 2016

Содержание

Введение.............................................................................................................. 3

1 Обзор................................................................................................................ 4

1.1 Актуальность спутниковых измерений (задачи)...................................... 4

1.2 Свойства данных дистанционного зондирования................................... 6

1.3 Бесплатные спутниковые данные............................................................ 13

1.4 Описание спектрорадиометра MODIS................................................... 14

1.5 Типы данных MODIS.............................................................................. 17

2 Разработка программного обеспечения....................................................... 20

2.1 Методы обработки спутниковых данных............................................... 20

2.2 Структура программы............................................................................ 27

3 Тестирование.................................................................................................. 29

3.1 Обзор программного обеспечения......................................................... 29

3.2 Индивидуальное задание........................................................................ 31

Заключение........................................................................................................ 32

Список использованных источников................................................................ 33

Введение

В научном мире широко обсуждаются проблемы глобального изменения климата, глобальных изменений природы Земли, усиления активности неблагоприятных природных процессов и явлений. Данные космических съёмок вместе с другой доступной информацией сделали возможным постоянное и надёжное наблюдение земной и водной поверхностей и атмосферы, что позволяет отслеживать все изменения в пространстве и во времени. Снимки, поступающие с космических кораблей, орбитальных станций, спутников много лет и хранящиеся в архивах разных стран, содержат объективную информацию о состоянии отдельных участков нашей планеты см. рисунок [1].

Рисунок - Планета Земля

Обзор