Ключевые технические решения по автоматической обработке информации в работе Федерального Фонда данных ДЗЗ и информационной системы Цифровая Земля

В докладе представлен обзор ключевых концептуальных подходов и алгоритмов, реализованных в комплексе автоматической потоковой обработки информации (АПОИ), задействованном в настоящее время в работе федерального фонда данных дистанционного зондирования Земли (ФФД ДЗЗ) и в информационной системе Цифровая Земля (ИС ЦЗ).
Основные концептуальные подходы, реализованные в комплексе АПОИ [1]:
- полностью автоматическая обработка (без операторов);
- максимальная унификация (процессов, алгоритмов, продукции,..) в рамках единого комплекса, способного обрабатывать информацию с различных съемочных систем и космических аппаратов (КА) ДЗЗ;
- потоковая обработка в темпе поступления информации и масштабируемость под любые объемы данных ДЗЗ;
- высокие оперативность и производительность обработки благодаря применению технологии распределенных (кластерных) вычислений;
- высокая точность обработки за счет применения строгих математических моделей и устранения первопричин ошибок а не их последствий;
- высокое качество обработки за счет сквозного контроля качества на всех этапах и адаптивных алгоритмов, нивелирующих погрешности и ошибки работы бортовых систем;
- возможность функционального расширения благодаря платформенному подходу и микро-сервисной архитектуре;
- портируемость (переносимость) на различные вычислительные платформы и ЦОД.
Комплекс АПОИ выполняет первичную и стандартную обработку информации ДЗЗ и формирует продукты уровней обработки 0, 1, 2 [2]. ИС ЦЗ, построенная на базе АПОИ, существенно расширяет возможности обработки, в том числе, в части хранения данных и производной обработки информации ДЗЗ с формированием продуктов уровня обработки 3 (например, ортомозаики) [2, 3]. Все созданное программное обеспечение соответствует ГОСТ Р 59763-2021 и ГОСТ Р 59764-2021. Выходная продукция соответствует ГОСТ Р 59080-2020, ГОСТ Р 59081-2020, ГОСТ Р 59480-2021, ГОСТ Р 59755-2021.
Автоматическая потоковая обработка данных включает в себя решение следующих основных задач:
- автоматическая распаковка, фильтрация и восстановление исходных “сырых” данных ДЗЗ, принимаемых с борта КА;
- построение модели баллистического движения КА;
- построение модели ориентации КА на период съёмки путём комплексирования измерений различных источников ориентации и данных измерителя угловых скоростей (ИУС);
- построение модели сенсора (геометрия съемочного устройства, фокальной плоскости и др.);
- реализация алгоритмов прямой и обратной геодезической привязки на основе строгих математических моделей;
- автоматический корреляционный поиск множества (сотни тысяч) опорных точек местности по опорным данным, а также связующих точек, их фильтрация и регуляризация;
- уточнение моделей баллистического движения и ориентации КА с использованием полученных массивов опорных точек;
- сшивка изображений отдельных матриц (линеек) фотоприемного устройства с формированием на выходе единого изображения в геометрии псевдо-сенсора (в случае сложных фотоприемных устройств, состоящих из нескольких фотоприемных линеек или кадровых матриц ПЗС);
- геометрическое сведение (совмещение) между собой изображений, полученных в различных спектральных каналах целевой аппаратуры ДЗЗ из космоса;
- относительная и абсолютная радиометрическая коррекция;
- повышение резкости изображения;
- ортокоррекция изображений с учётом цифровой модели рельефа;
- расчет RPC-коэффициентов;
- формирование стандартных информационных продуктов в заданной картографической проекции;
- формирование продуктов BUNDLE и PANSHARP;
- маскирование (обрезка) по контуру;
- автоматический отбор маршрутов для построения ортомозаик по заданным критериям качества;
- блочное уравнивание маршрутов параметрами строгих моделей;
- автоматическое построение линий пореза между маршрутами путем анализа яркостных характеристик;
- тональное выравнивание яркости маршрутов ортомозаики.

Отдельный контур - калибровка параметров съёмочной системы КА. Калибровка осуществляется вне процесса обработки периодически по мере необходимости. В результате калибровки формируется файл параметров, который в дальнейшем используется при обработке. Калибровке подлежат следующие основные параметры:
- установочные углы съемочной системы относительно конструктивных осей КА;
- фокусное расстояние объектива;
- дисторсия объектива;
- смещение и угловое положение светочувствительных элементов в фокальной плоскости.

Калибровка осуществляется в автоматическом режиме на основе десятков обычных маршрутов съемки и результатов их корреляционного совмещения с опорными данными (съемка калибровочных полигонов не требуется, но возможна).

Благодаря реализованным в АПОИ технологиям и алгоритмам получены следующие характеристики обработки данных с отечественной многоспутниковой группировки КА ДЗЗ [4]:
- скорость обработки – десятки гигабайт в минуту;
- производительность – миллионы кв. км. в сутки;
- точность геопривязки продуктов ДЗЗ – единицы метров .

Данные характеристики значительно превосходят параметры аналогичных по назначению отечественных комплексов и систем, а в части полной автоматизации, унификации и масштабируемости АПОИ не имеет среди них аналогов.