Архитектура программного комплекса экологического мониторинга поверхности земли на основе космических данных

Современное развитие систем измерений, накопления и обработки данных позволяет строить программные комплексы различного направления, в том числе и в направлении экологического мониторинга Земли из космоса. Решение последней задачи связано с получением, накоплением, обработкой и анализом значительных по объему объемов спутниковой и априорной информации. Приложение результатов обработки и анализа лежит в физических и технических плоскостях.
Важным прикладным аспектом рассматриваемой задачи является отображение данных обработки и анализа с помощью разнообразных программных приложений, к которым относятся геоинформационные технологии (ГИС). В сочетании с методами обработки данных дистанционного зондирования ГИС применяются для решения разнообразных научных и практических задач. Среди практических задач, можно выделить направление, связанное с экологической оценки состояния окружающей среды разнообразных территорий (город, сельское хозяйство, ЖД, нефте-газовая промышленность и др.).
Мониторинг, как таковой, подразумевает регулярное исследование и получение набора гипотез, которые могут быть положены в основу определенных решений, на основе дополнительного анализа. Мониторинг территории с использованием данных дистанционного зондирования подразумевает не только структуру хранилища данных, как таковую, а целенаправленное использование накопленных данных в методах обработки, принятия решения или анализа. Для эффективной работы программных комплексов с такими хранилищами необходимы соответствующие алгоритмы.
Нами предлагается определенный набор операций с данными при подготовке к вычислениям, обработки и анализа, связанных с простейшими единицами, такими как точка, линия, матрица, куб и др. Приведение всех вычислительных действий к стандартным операциям подразумевает определенную архитектуру программного комплекса. В докладе приводится архитектура программного комплекса экологического мониторинга поверхности Земли по данным спутникового радиометра MODIS. В качестве изучаемой является территория размером 100х200 км с центром в г. Томск.
Основой архитектуры программного комплекса являются такие модули: получения данных, обработки и анализа данных.
1. Модуль получения данных. Одним из основных модулей является загрузчик спутниковой информации с серверов NASA. Для обеспечения наблюдения за территориями по нескольким параметрам необходимо загружать несколько продуктов MODIS. Сейчас в нами разрабатываемой системе в автоматическом режиме загружаются 9 продуктов MODIS (MOD09GQ, MOD09GA, MOD13Q1). Добавление нового типа данных реализовано через веб-интерфейс. При необходимости можно добавить новый тип данных (например, MYD09GA). Добавленный тип данных уже при следующей проверке поступивших снимков начнет закачивать новые поступающие данные. Для сбора статистики по новому типу данных модуль докачивает спутниковые временные данные за последние 10 лет для накопления статистики и построения модели. При следующем получении снимка за текущий день, информация по текущему снимку соотносится с моделью и статиской за последние 10 лет и уже можно по полученному снимку определить отклонение по различным наблюдаемым параметрам и выявить изменения.

Под наблюдаемыми параметрами в данном случае понимается температура, влажность, количество осадков, освещенность и т.п. Все получаемые данные записываются в базу данных (БД), которая гарантирует целостность информации быстрый поиск и фильтрацию информации и служит для накопления различной статистики. Функция получения данных проверяет наличие новых спутниковых данных каждые 10 мин. При появлении новой информации, модуль скачивает появившиеся данные и передает управление следующему модулю.
2. Модуль обработки информации. Как только снимок записан в БД, извлекаются спектральные каналы и сопутствующая информация, необходимые для расчета разнообразных вегетационных индексов. Наличие различных систем записи пространственной информации (широта-долгота) сигналов и карты подолжки Web-GIS системы требует применения функции перепроецирования снимков. Перепроецирование позволит использовать ту же координатную систему как и для подложки (для наложения), а также выполнять геопространственные запросы (получение значение пикселя, вырезать снимок по области интереса).
При сохранении больших массивов ежедневных спутниковых данных по нескольким параметрам возникает проблема обработки их, т.к. перепроецированный массив имеет размерность около 16000х10000 пикселей. Из этой области нами выбираются данные необходимые для исследования. При наблюдении за протяженными объектами нет необходимости хранить весь снимок, достаточно хранить данные для области исследования. Изучая пространственно-временные изменения индексов, можно получать информацию об изменениях на этой территории. На данный момент в системе рассчитывается более 10 вегетационных индексов. Например, при использовании индекса NDVI можно выделять несколько типов поверхности с достаточной точностью. Остальные индексы позволяют корректировать число и площади занимаемые найденными типами. Для каждого года можно построить функцию P(t)=Tr(t)+Sez(t)+N(t), где Tr(t) - тренд, Sez(t) - сезонная составляющая и N - случайная компонента. Найдя статистические характеристики функции, за несколько лет, возможно определить области изменений, которые выступают как пороги для оценки изменений. Этот подход позволяет построить автоматическое распознавание и обнаружение изменений, которое позволит контролировать ежедневно обширные территории.