Методика текущего планирования и применения космических средств при управлении системой дистанционного зондирования Земли

Система дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) обеспечивает получение и обработку данных о подстилающей поверхности. При этом завершающий этап интерпретации данных посвящен созданию информационной продукции о некотором объекте или явлении на местности или в приземном слое атмосферы. Сбор данных – снимков местности – ведется в сложных внешних и внутренних для системы условиях, в частности – с борта космических средств. Одним из существенных ограничений при съемке является облачность, практически всегда покрывающая большую часть планеты.

Сегодня преобладающее количество данных регистрируется с помощью бортовых оптикоэлектронных специальных комплексов (БОЭСК).

В силу использования адаптированных к условиям съемки методов регистрации изображений о распределенных объектах и явлениях, получаемые данные являются пространственными. Для практического использования данных оптико-электронной космической съемки в России и зарубежных странах развит и внедрен специализированный класс информационных систем – географических информационных систем (ГИС), в общем сочетающих возможности представления, обработки и анализа пространственных данных.

Традиционно считается, что информационной основой современной ГИС некоторого уровня (глобального, федерального, регионального и т.п.) являются базовые слои данных, часто разрабатываемые на основе данных космической съемки. В этом случае не всегда удается использовать данные, полученные в близкие отсчеты времени, и к разработке принимаются архивы за

ВЕСТНИК 2015

предыдущие периоды времени. Базовые слои в зависимости от области применения обладают свойством актуальности, которое определяется периодом от единиц до десятка лет. В ходе многолетней практики технология получения базовых слоев, включающая этапы планирования и применения средств, является отработанной и повсеместно внедрена. При решении отдельных задач по оперативному мониторингу малоразмерных объектов при природных и техногенных катастрофах указанная технология не обеспечивает высокой результативности применения космической системы ДЗЗ.

Анализ проблемной ситуации

Получение исходных данных для построения базовых слоев выполняется с существующей методикой планирования и применения космических средств [1], применяемой отечественным оператором космических систем ДЗЗ – Научным центром оперативного мониторинга Земли. Методика включает основные этапы: предварительное, долгосрочное, оперативное и текущее планирование. Эти мероприятия выполняются на периоды в один год, на 30 суток, на 2–10 суток и на 0,5–2 суток соответственно. На этапах долгосрочного, оперативного и текущего планирования по многолетним климатическим данным и средне-/краткосрочным метеопрогнозам учитывается вероятность наличия облачности в моменты выполнения съемки. Аналогичные технологии используются и в зарубежных странах, имеющих собственные системы ДЗЗ.

Объективно существует нестационарная и сложнопрогнозируемая оптическая помеха – облачность, способная экранировать изображения объектов на получаемых снимках. Оправды-ваемость краткосрочных прогнозов облачности, характеризующихся обобщенностью и разрабатываемых для крупных однородных синоптикоклиматических районов, при планировании космической съемки составляет примерно 80% [2]. Если принять, что ошибка прогноза имеет симметричное распределение, то около 10% получаемых данных будет непригодным для решения поставленных задач. Также при решении срочных задач мониторинга регистрация данных может выполняться и без учета прогнозируемой метеообстановки, что снижает процент успешной съемки.

Кроме того, современные космические средства ДЗЗ высокого пространственного разрешения, например космический аппарат «Ресурс-П», регистрируют данные, покрывающие площадь шириной более 30 км и длиной до 100 км. Если целевые объекты съемки являются малоразмер- ными с габаритами в единицы километров, то такие данные будут характеризоваться высокой пространственной избыточностью. Доля данных о малоразмерном объекте может составлять единицы процентов от общего объема зарегистрированных данных. Сегодня для решения конкретной задачи по малоразмерным объектам требуется ожидать передачи всего объема данных по космическим каналам связи с ограниченной пропускной способностью.

Частичная компенсация сложностей, связанных с передачей данных, не пригодных из-за покрытия объекта облачностью и характеризующихся пространственной избыточностью, достигается за счет применения бортовых методов и средств компрессии данных [3; 4]. При этом на практике для обеспечения получения качественных данных используют небольшие коэффициенты сжатия в 2–4 раза. Исходные параметры и содержание процесса бортовой компрессии инвариантны к условиям съемки и не требуют выполнения дополнительных процедур при планировании.

В настоящее время предлагается ряд методов бортовой обработки, обеспечивающих отбраковку данных по признаку покрытия объекта облачностью и сокращение пространственной избыточности данных при съемке малоразмерных объектов [5; 6]. Реализация данных методов требует, в первую очередь, частичной доработки и расширения возможностей БОЭСК, включающего оптико-электронную систему регистрации целевых данных и данных об условиях съемки, а также вычислительный комплекс аппаратнопрограммных средств бортовой обработки. Указанная задача является сложной, самостоятельной и требует проведения отдельных исследований.

Современная методика планирования и применения космических средств не способна обеспечить использование перспективных методов расширенной бортовой обработки для повышения результативности процесса ДЗЗ [1]. Для указанных методов при текущем планировании требуется оценивание определенного набора исходных данных на момент и район съемки каждого объекта. Таким образом, разработка новой методики текущего планирования и применения космических средств при управлении системой ДЗЗ является актуальной задачей, решение которой совместно с реализацией предлагаемых методов бортовой обработки [5; 6] обеспечит революционное развитие методов и средств ДЗЗ.

Предлагается подробно не рассматривать состав традиционных параметров ведения съемки, содержащий моменты времени, режимы включения БОЭСК и опции бортового кодирования данных. При этом необходимо представить состав параметров, обеспечивающих отбраковку и сокращение избыточности данных в бортовом вычислительном комплексе.

Параметры бортовой отбраковки данных

Для текущего планирования на основе заявок от потребителей данных и информационной продукции систем ДЗЗ задается каталог объектов съемки OI { NO _} = { OI „₀ ^} _NO , [ no = 1 ( 1 ) NO ] , где OI _no – отдельный объект съемки, no – индекс объекта, NO – общее число объектов. Этот каталог является результатом объединения каталогов площадных объектов OI { _NO } и малоразмерных объектов OI { SNO } , то есть OI,_N = = OI® o O OI® _s).

{ ^NO } { NO B } { NO^S }

Бортовая отбраковка данных по признаку покрытия снимка объекта no облачностью требует задания меры отбраковки tECA_no и параметров оценивания облачности

TP™ = /(LT, UTA \ , [nt =1(1)NT],(1)

NT ;no , nt;no NT , где (LT, UT)nt;no - параметры пороговой обработки определенного nt бортового массива данных об облачности;

NT – общее число бортовых массивов данных об облачности.

Выполненные исследования показывают, что для определения облачности с высокой достоверностью достаточно массивов NT = 3 [5; 6], полученных при бортовой обработке данных от заданных спектральных каналов. Для оценивания параметров (1) целесообразно использовать обширные существующие архивы данных ДЗЗ или модели оптических свойств облачности.

Мера отбраковки tECA_no является числом, соответствующим максимально допустимому проценту облачности на снимке объекта. В коммерческом ДЗЗ, когда отбраковка непригодных данных выполняется после приема в наземных средствах, значение tECA_no задается, как правило, не более 25%. Таким образом, для отбраковки данных, регистрируемых в течение периода применения космического средства по признаку покрытия облачностью, необходимо знание множе^ств параметров { Tp NT.^„о } NO и { tECA no } no .

Параметры сокращения пространственной избыточности данных

Пространственную избыточность целевых данных следует сокращать в случае съемки малоразмерных объектов OI{no5}. Предполага- ется, что при съемке объекта no будет зарегистрирован одномерный массив целевых данных L[IK..о];no = |L-*;-oL,„о - [ik = 1(1)IKo;no ] -где IKo-no — размер массива, определяемый характеристиками и длительностью включения БОЭСК. Для извлечения данных о малоразмерном объекте no необходимо знать параметры децимации массива L , а именно:

[ IK О ; no ] - ^no

SEmin min max max no = (imno - ino ; imno - inno ),                     (2)

где im_n ^m _o ⁱⁿ, in_n ^m _o ⁱⁿ; im_n ^m _o ^ax, in_n ^m _o ^ax – координаты, задающие положение пространственного экстента объекта no в пространстве целевых данных.

Параметры SE_no оцениваются по баллистическому прогнозу движения космического средства, данным о режимах и стохастических параметрах съемки объекта no . Множество { SE_no } является набором параметров, необходимых д ^N л ^O я сокращения пространственной избыточности целевых данных на борту в течение периода применения средства.

Методика планирования и применения космических средств

Общая схема разработанной методики приведена на рис. 1, где раскрывается содержание этапов текущего планирования и применения космического средства. Все этапы планирования космической съемки выполняются на автоматизированных вычислительных комплексах оператора системы ДЗЗ. Этапы применения реализуются на автоматических бортовых вычислительных комплексах, функционирующих строго в соответствии с полученной рабочей программой (РП) космического средства.

Инициализация этапа текущего планирования основывается на получении ориентировочного плана съемки, содержащего данные о пространственном положении объектов и требуемых параметров выполнения их съемки (пространственное разрешение, спектральные каналы, угол съемки и т.д.). Кроме того, на данном этапе требуется оценивание возможностей наземных средств по приему зарегистрированных данных с борта космического средства.

Согласно предложенной методике, непосредственно на этапе текущего планирования сначала выполняются традиционные этапы баллистического, экспонометрического и метеорологического прогнозов, по результатам которых производится уточнение каталога снимаемых объектов на период применения. Также активируется обратная связь с этапом оперативного планирования для определения возможного ряда объектов из ориентировочного плана, съемка которых не

ВЕСТНИК 2015

ВЕСТНИК 2015

Оперативное планирование (от 2 до 10 суток)

новые этапы планирования и применения потребителем в ГИС

Рис. 1. Схема методики планирования и применения космического средства с возможностями расширенной бортовой обработки данных

может быть выполнена на планируемом этапе применения из-за существующих ограничений. Для объектов из уточненного каталога OI { _NO } выполняется оценивание стандартных параметров съемки (углов разворота платформы, числа шагов накопления и т.д.). Далее оцениваются новые параметры съемки для бортовой отбраковки данных { TP^ T;_no } NO , { tECA no } no и бортового сокращения избыточности данных { ^SEno } NO . Общая цель текущего планирования, выполняемого на вычислительных средствах оператора системы ДЗЗ, состоит в формировании конкретной РП БОЭСК, которая трансформируется в РП космического средства за счет добавления параметров работы других бортовых комплексов и плана работы наземных средств по приему данных.

Этап применения космического средства начинается с закладки РП на борт космического средства, в соответствии с которой автоматически выполняется регистрация целевых данных об объектах съемки. Синхронно с этими данными регистрируются данные о фактическом поле облачности над объектами съемки. Все данные сохраняются в бортовой памяти космического средства. В случае съемки малоразмерного объекта по параметрам (2) выполняется сокращение пространственной избыточности данных согласно следующему правилу децимации n -iC Sik s n -inr, n=lm™ (1W" ]^ L^IK„_j,. ^ L;,,K...]„., (3) где L^^IKo ];no - массив целевых данных с сокра- щенной пространственной избыточностью, то eCTb ф lKО; no < lK О; no .

По зарегистрированным данным об облачности выполняется оценивание покрытия облачностью объекта съемки в соответствии с параметрами (1). Результат оценивания для каждого объекта no представлен значением ECA_no , характеризующим покрытую полем облачности долю объекта. Отбраковка целевых данных, состоящая в удалении массивов из бортовой памяти, выполняется в случае выполнения критерия отбраковки

ECA no >  tECA no . (4)

По мере завершения процедур вычисления оценок ECA_no и отбраковки целевых данных для всех объектов съемки [ no = 1 ( 1 ) NO J данные об облачности удаляются из бортовой памяти. Не-отбракованные полные и сокращенные целевые данные подвергаются обработке, состоящей в их компрессии и помехоустойчивом кодировании, передаются по высокоскоростной радиолинии на сеть наземных средств.

Получение целевых данных в наземных средствах определяет начало этапа наземной обработки с декодированием записанного потока. По составу полученных данных определяется перечень объектов, съемка которых была неудачной из-за покрытия облачностью. Перечень неснятых объектов доводится на средства оперативного планирования, где они при возникновении возможности будут включены в очередной план съемки. Целевые данные успешной съемки подвергаются процедурам первичной и вторичной обработки, направленным на получение информационной продукции, в частности – для использования в ГИС конечного потребителя.

Применение рассмотренной методики по средствам с расширенной бортовой обработкой позволит сократить долю непригодных или ненужных для решения прикладных задач данных. Этот факт позволяет высвободить определенный ресурс в каналах высокоскоростных радиолиний и использовать его для передачи дополнительных объемов качественных целевых данных, увеличивая таким образом результативность ведения космической съемки.

Заключение

В работе исследуется проблема использования результатов космической деятельности, реализуемой с применением космических оптикоэлектронных средств. Современная технология дистанционного зондирования Земли не всегда обеспечивает высокую результативность съем- ки объектов, так как процесс протекает в комплексе нестационарных внешних и внутренних условий. В исследовании на основе существующих предложений по модификации космических средств предлагается новая методика текущего планирования и применения, позволяющая априорно оценить параметры отбраковки и сокращения пространственной избыточности целевых данных на борту. Снижение общего объема целевых данных позволяет освободить ресурсы для съемки дополнительных объектов, повышая результативность процесса дистанционного зондирования.