ПРОГРАММНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

ПРОГРАММНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

Научная статья

Якубайлик О.Э.^1, *, Кадочников А.А.², Токарев А.В.³

¹ ORCID: 0000-0002-2668-4776;

² ORCID: 0000-0003-0965-3609;

³ ORCID: 0000-0002-9997-9065;

^{1, 2, 3} Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск, Россия

* Корреспондирующий автор (yakubailik[at]yandex.ru)

Аннотация

Рассматриваются методы и технологии, программное обеспечение для визуализации многоканальных спутниковых снимков, размещенных в каталоге данных дистанционного зондирования Земли. Сервисы оперативной предобработки данных, принимаемых спутниковым приемным комплексом, формируют набор обзорных изображений небольшого размера («квик-луков») и многоканальных мультимасштабных растров, адаптированных для быстрого отображения в геоинформационной веб-системе. Пользовательский веб-интерфейс обеспечивает отображение наиболее распространенных, используемых на практике комбинаций спектральных каналов – композитных цветных изображений.

Ключевые слова: спутниковые данные, ДЗЗ, веб-сервисы, веб-ГИС, геоинформационная веб-система, каталог спутниковых снимков.

SOFTWARE AND TECHNOLOGICAL SUPPORT FOR VISUALIZATION OF SATELLITE DATA

Research article

Yakubailik O.E.^1, *, Kadochnikov A.A.², Tokarev A.V.³

¹ ORCID: 0000-0002-2668-4776;

² ORCID: 0000-0003-0965-3609;

³ ORCID: 0000-0002-9997-9065;

^{1, 2, 3} Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Krasnoyarsk, Russia

* Corresponding author (yakubailik[at]yandex.ru)

Abstract

Methods, technologies and software for visualization of multichannel satellite images placed in the Earth remote sensing data catalog are considered in the article. Services of online data pre-processing received by the satellite receiving complex form a set of small size survey images (“quick-looks”) and multichannel multi-scale rasters adapted for fast display in the geo-information web-system. User web-interface provides the display of the most common combinations used in practice of spectral channels – composite color images.

Keywords: satellite data, remote sensing data, web services, web GIS, web-based geo-information system, satellite imagery catalog.

Развитие систем дистанционного зондирования Земли в настоящее время обусловлено сочетанием таких факторов, как увеличение количества космических аппаратов и улучшение их эксплуатационных характеристик, увеличение доступности спутниковой информации, связанной с развитием Интернета: увеличение скорости и снижение стоимости доступа, развитие веб-сервисов и стандартов передачи геопространственных данных [1]. Новые технологии автоматизации приема и обработки данных ДЗЗ, создание сверхбольших архивов в специализированных дата-центрах позволили организовать принципиально новые способы обработки спутниковых данных, создать системы мониторинга природной среды в режиме реального времени нового поколения. В их основе лежат геоинформационные веб-технологии, интерактивные картографические онлайн-системы с прямым доступом к спутниковой информации, обеспеченные возможностью настройки различных параметров для визуализации геопространственных данных и формирования сложных аналитических запросов.

Современные веб-ГИС построены в так называемой сервис-ориентированной архитектуре, и их можно рассматривать как набор взаимосвязанных программных средств для обработки пространственных данных, таких как импорт/экспорт, каталогизация, визуализация, создание, обработка, распространение, и т.д. [2], [3]. Технологической основой для систем рассматриваемого класса являются, как правило, библиотеки программных интерфейсов, такие как Google Карты API, и Mapserver Mapscript, СКАНЭКС Геомиксер, и т.д. [4], [5]. Они обеспечивают доступ к функциям и контексту отображения картографических элементов веб-страницы – инструментам визуализации карты и пространственным метаданным, например, к данным по дорожной сети с информацией о пробках, параметрам рельефа местности, характеристикам объектов на карте, и проч. [6], [7]. В соответствии с этим подходом также разрабатывается программно-технологическое обеспечение системы спутникового мониторинга, поскольку она также представляет собой веб-ГИС.

В качестве технологической основы созданного авторами каталога спутниковых данных использовался комплекс инструментального программного обеспечения специализированной веб-ГИС. Разработанный как совокупность отдельных модулей, этот комплекс может развиваться и модернизироваться не только на этапе создания, но и в процессе своей эксплуатации [8].

Проектирование и реализация программ комплекса осуществляются на основе свободного и открытого программного обеспечения как в части геоинформационной составляющей, так и во всех остальных компонентах разработки. Рассматриваемое веб-приложение предоставляет пользователю средства для заполнения и редактирования системных данных и метаданных, поиска и классификации картографических ресурсов, веб-сервисы прямого доступа к данным на основе стандартных протоколов WMS / WFS, возможности аналитической обработки [9].

Функционал серверных компонент системы создан с использованием паттерна проектирования MVC (модель-представление-контроллер) и технологий "Веб 2.0" [10]. Использование этой архитектуры включает разделение данных приложения, пользовательского интерфейса и логики управления на три упомянутых отдельных компонента; предполагается что эти компоненты не зависят друг от друга, их можно по отдельности модифицировать. Данная возможность представляется очень важной, с учетом необходимости обеспечения возможности модернизации системы, уточнения технических требований к разработке.

 В ходе проектирования и реализации обсуждаемой системы был создан ряд оригинальных программных компонент и библиотек, которые предполагается использовать в других проектах [11]. Это элементы пользовательского интерфейса, сервисы для работы с геопространственными базами данных, веб-интерфейсы и сервисы прикладного картографирования, и др.

Основная функциональность геоинформационной веб-системы обслуживается программными средствами Minnesota Mapserver и Autodesk MapGuide Open Source, гео-СУБД PostgreSQL/PostGIS, системой управления веб-контентом системы на основе Drupal CMS, набором библиотек разработки пользовательских интерфейсов и других компонент системы на JavaScript, авторскими программами на языках программирования PHP и jQuery, Fusion, TinyMCE и, ExtJS, MapScript, и проч.

Приоритетной задачей исследований и разработок текущего этапа было создание программных средств для работы с каталогом данных ДЗЗ. Разработанные программные инструменты обеспечивают решение первоочередных задач оперативной обработки данных ДЗЗ, поступающих с нового спутникового приемного комплекса УниСкан в ФИЦ КНЦ СО РАН, который был введен в эксплуатацию весной 2017 г.

Базовое программное обеспечение приемного спутникового комплекса ФИЦ КНЦ СО РАН формирует набор стандартных продуктов 1-го уровня – поканальные изображения (яркости спектральных каналов). Дальнейшие задачи, связанные с извлечением полезной информации, тематической обработкой данных, решаются отдельно, средствами специального программного обеспечения.

Система веб-визуализации спутниковой информации основана на наборах специально формируемых коллекций мультимасштабных снимков – с возможностью выбора в веб-интерфейсе комбинаций отображаемых каналов на мелких масштабах и в то же время – наличием детальных данных на максимально доступном пространственном разрешении. Ограничение в выборе комбинаций каналов на детальном уровне связано с экономией дискового пространства. Таким образом реализуется компромисс между системой класса «работаем с грубыми квик-луками» и системой уровня «все что угодно, с максимальной детализацией». Созданный веб-интерфейс обеспечивает просмотр архива спутниковых снимков. В нем реализована возможность выбора сенсора космического аппарата, выбора предопределенного набора каналов и продуктов у каждого снимка для простого анализа данных. Возможности созданного программного модуля позволяют комбинировать любые сочетания каналов, доступных в изображении без дополнительной настройки серверного программного обеспечения.

При формировании цветных изображений используется технология LUT (Look Up Table), в соответствии с которой вносятся «поправки» в каждый из трех каналов формируемого RGB-изображения. Разработанные алгоритмы обеспечивают корректировку исходных изображений, настройку их контрастности и цветовой палитры, 8/16-битные преобразования. Пример веб-интерфейса представлен на Рис. 1.

Рис. 1 – Интерфейс каталога спутниковых снимков ФИЦ КНЦ СО РАН

 

Основные задачи разработки на данном этапе связаны с реализацией методов и алгоритмов обработки спутниковых данных. Технологические особенности работы с растровыми данными предопределяются необходимостью быстрого отображения файлов больших объемов. Эксперименты с различными форматами и их параметрами показали, что оптимальным выбором с точки зрения минимизации времени отображения в веб-браузере является формат TIFF с геопривязкой (GeoTIFF), с использованием структуры TILES (изображение состоит из отдельных фрагментов – тайлов), обзорных мультимасштабных изображений-слоев OVERVIEW. Все упомянутые этапы преобразования данных выполняются утилитами библиотеки GDAL.

Разработанные программные инструменты обеспечивают решение первоочередных задач оперативной обработки поступающих данных ДЗЗ, их каталогизации, интерактивной визуализации с помощью веб-приложения. Рассматривались следующие данные: MODIS TERRA/AQUA, Suomi NPP/NOAA-20.

Для быстрого и удобного поиска в каталоге спутниковых данных, для минимизации нагрузки на серверное программно-аппаратное обеспечение подготовлен набор серверных приложений для предварительной обработки спутниковых данных, включающих следующие этапы обработки:

1. Конвертация первичных данных (растр) в формат GeoTIFF с преобразованием исходной проекции в азимутальную равновеликую проекцию Ламберта (Lambert Azimuthal Equal Area) (код EPSG:3576), являющуюся обязательной для работы сервисов Open Geospatial Consortium.
2. Создание для всех сцен каталога цветных изображений в грубом разрешении («квик-луков») в растровом формате PNG, с прозрачностью. Такие изображения используются для быстрого обзорного отображения спутниковых данных, зарегистрированных в каталоге, с одновременной визуализацией набора таких «квик-луков» в окне веб-браузера, с масштабированием на стороне клиента, без перезагрузки/докачки данных через Интернет.
3. Создание мультимасштабного набора многоканальных изображений формата GeoTIFF. Каждое такое изображение, созданное в определенном пространственном разрешении, содержит несколько «значимых» каналов, из которых в веб-приложении «на лету» генерируются некоторый набор цветных композитных изображений. Например, для сенсора TERRA/MODIS мультиканальное изображение содержит 1, 2, 3, 4, 7, 31 каналы, на основе которых динамически формируются набор обычно используемых на практике композитных R-G-B изображений: 1-4-3 («естественные цвета»), 7-2-1 («пожары»), 3-6-7 («снег и лед»), а также одноканальные изображения с палитрами – 31 («температура»), 2-1/2+1 (NDVI).

Создание эффективного программно-технологического инструментария для задач регионального спутникового мониторинга на основе технологий геоинформационных веб-систем имеет значительные перспективы. Развиваемый подход может стать основой в решении актуальных практических задач, связанных с развитием экономики региона, повышением конкурентоспособности и обеспечения безопасной жизнедеятельности.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Kashnitskii A.V. Technology for designing tools for the process and analysis of data from very large scale distributed satellite archives / A. V. Kashnitskii, E. A. Lupyan, I. V. Balashov, A. M. Konstantinova // Atmospheric and Oceanic Optics. – 2017. – V. 30. – № 1. – P. 84-88.
2. Pinde F. Web GIS: principles and applications / F Pinde, S Jiulin – Esri Press, 2011. – 300 p.
3. Songnian L. Advances in Web-based GIS, Mapping Services and Applications / L. Songnian, S. Dragicevic, B. Veenendaal – CRC Press, 2011. – 400 p.
4. Lobell D. B. A scalable satellite-based crop yield mapper / D. B. Lobell, D. Thau, Ch. Seifert, E. Engle, B. Little // Remote Sensing of Environment. – 2015. – V. 164. – P. 324-333.
5. Bastin L. Open-source mapping and services for Web-based land-cover validation / L. Bastin, G. Buchanan, A. Beresford, J. F. Pekel, G. Dubois // Ecological Informatics. – 2013. – V. 14. – P. 9-16.
6. T. Sample. Geospatial Services and Applications for the Internet / J. T. Sample, K. Shaw, S. Tu, et al. – Springer-Verlag US – 2008. – 179 p.
7. Mari R. A GIS-based interactive web decision support system for planning wind farms in Tuscany (Italy) / R. Mari, L. Bottai, C. Busillo, F. Calastrini et al. // Renewable Energy. – 2011. – V. 36. – P. 754-763.
8. Yakubailik O.E. Web geographic information system and the hardware and software ensuring rapid assessment of air pollution / O. E. Yakubailik, A. A. Kadochnikov, A. V. Tokarev // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2018. – V. 54. – P. 243-249.
9. Yakubailik O.E. Applied software tools and services for rapid web GIS development / O. E. Yakubailik, A. A. Kadochnikov, A. V. Tokarev // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM2015 Conference Proceedings. Book 2. – 2015. – V. 1. – P. 487-494.
10. Rinner C. The use of Web 2.0 concepts to support deliberation in spatial decision-making / C. Rinner, C. Keßler, S. Andrulis // Computers, Environment and Urban Systems. – 2008. – V. 32. – P. 386-395.
11. Shaparev N. Usage of web mapping systems and services for information support of regional management / N. Shaparev, O. Yakubailik // MATEC Web of Conferences. – 2016. – V. 79. – № 01081.