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