Современные информационный технологии/3. Программное обеспечение

К.т.н Попов С.Е., д.т.н. Потапов В.П., Семенов А.В.

Учреждение Российской академии наук Институт вычислительных технологий СО РАН

Веб-сервис для обработки данных интерферометрии ALOS L1.0

 

В последние годы все активнее для изучения природной среды применяются радиолокационные системы с синтезируемой апертурой, главным достоинством которых является возможность получения изображений независимо от состояния атмосферы и условий естественной освещенности местности.

Для решения задач угледобывающей отрасли, таких как: высокоточный учет объемов добычи в разрезах открытого типа, а так же, обнаружение, и наблюдение просадок грунтов в районах угледобычи, используются методы мониторинга на базе радиолокационной интерферометрии. Преимуществами данного вида мониторинга являются:

·     Возможность построения высокоточных (до 1 см и точнее, в зависимости от данных) высотных моделей рельефа земной поверхности;

·     Всепогодность, из-за высокой устойчивости радарного сигнала к атмосферным явлениям;

·     Регулярность, благодаря размещению радарных сенсоров на космических аппаратах;

·     Сравнительная простота получения качественной модели рельефа и минимальные трудозатраты при обработке;

·     Относительно малая стоимость за квадратный километр.

Большинство коммерческих продуктов, такие как ERDAS Imagime, Geomatica, ENVI работают с фокусированными радарными данными (L 1.1). Они позволяют, манипулируя значениями растровых данных и их географической позицией, обнаружить особенности местности, определять географические координаты этих объектов, извлекать линейные объекты, разрабатывать пространственные модели обработки данных (spatial modeler), переводить данных из одного формата в другой (import/export), ортотрансформировать, составлять мозаики из изображений, получать стереоизображения и автоматически извлекать географические данные.

Несмотря на богатые функциональные возможности, у коммерческих продуктов в области ДДЗ есть один большой минус - их стоимость. В "топовых" версиях она может доходить до 100 тыс. $.  Более того, все они не позволяют работать с нефокусированными данными уровня 1.0 (L 1.0). А учитывая стоимость одного L 1.1 снимка, нижняя граница цен начинается с 200 тыс. руб., ситуация для научно-исследовательских учреждений в России становится крайне сложной.  С другой стороны, необработанные (сырые) данные дистанционного зондирования уровня 1.0 (L 1.0) стоят на порядки дешевле. К примеру, японская служба космических данных CROSS-EX (Internet data service system dedicated to ALOS) предлагает диапазон цен за стереопару не более 40 тыс. рублей. К тому же, создано огромное количество свободно распространяемого ПО, позволяющих вести обработку данных L 1.0 (ROI_PAC, GMTSAR, библиотеки GMT, GDAL и т.п.). Но у таких продуктов также есть свои минусы. Во-первых, компиляции и установка их в UNIX-системы, является нетривиальным процессом, за счет подключения дополнительных библиотек и сборок. А, во-вторых,  ввод данных на обработку осуществляется в режиме консоли, и содержит порой огромное количество параметров, конфигураций и схем, что крайне неудобно для современного пользователя, который может оказаться и не специалистом в области программирования и администрирования в UNIX-системах.

Поэтому, разработка интуитивно понятного интерфейса для пре- и пост-процессорной обработки RAW-данных радиолокационной интерферометрии, основанной на принципах WYSIWIG, инкапсулирующего от конечного пользователя сложное взаимодействие программных функционалов, позволяющих непосредственно сосредоточится на научной проблеме, является, по мнению авторов, весьма актуальной задачей.

         Веб-сервис представляет собой распределенное решение, построенное на базе технологий ASP.NET и PHP. Отличительной чертой которого является распределение не только клиент-серверной части, но и сервер-уровня. Функционал сервера программно разделен на две составляющие (далее модуль "ALOS Processor" и модуль "SAR Calc"): веб-логика и расчетная логика. Первая реализована на базе .NET Framework 4.0, развернута на веб-сервере IIS 7.0, вторая построена на базе PHP, с применением csh-интерпретатора, развернута на веб-сервере Apache с применением службы FTP (ОС Ubuntu Server 10.04).

         В качестве расчетного ядра выбран opensource пакет GMTSAR, который построен на основе библиотек GMT и NetCDF, отличительной особенностью обработки является наличие возможности "preprocess" - фокусировка радарных данных ALOS уровня L 1.0. GMTSAR содержит набор csh-скриптов, которые составляют исполняемую среду обработки переданных на вход, как пары SAR-снимков, так и пакетных картриджей из 3 и более файлов, синхронизированных по времени, в порядке возрастания временных отметок.

 

Рис. 1. Принципиальная схема 2-шаговой обработки радарных снимков.

 

         Контроль и управление GMTSAR-процессами пользователей осуществляется посредством UNIX-утилиты (ps+top). Так как каждый пользователь запускает процесс обработки SAR-данных от своего имени, то процесс мониторинга и управления сводится к командному интерпретатору UNIX.

         Модуль  "ALOS Processor" содержит веб-форму (рис. 2.) для задания параметров конфигурационного файла GMTSAR, в виде интуитивно понятного GUI-интерфейса. Веб-форма разделена на секции, каждая из которых соответствует параметрам задаваемых для этапов принципиальной схемы 2-шаговой обработки радарных снимков (рис. 1.). Форма позволяет выбрать главную и зависимую радарную сцену, предварительно загруженную на FTP-сервер (файл формата RAW SAR Data, *.0__A), а также подготовить топографическую сетку согласно географическим координатам сцен. Топографическая основа генерируется при помощи online веб-сервиса GMTSAR (рис. 3). Функционал модуля построен на базе метода WebRequest, позволяющего получать сетевой поток ввода/вывода PHP-скриптов модуля "SAR Calc".

 

Рис. 2. Веб-форма для подготовки параметров обработки радарных данных ALOS L 1.0 пакетом GMTSAR (фрагмент)

 

Рис. 3. Веб-сервис GMTSAR для генерации topo-основ для радарных снимков

(http://topex.ucsd.edu/gmtsar/demgen/)

        

Модуль  "ALOS Processor" содержит веб-форму (рис. 4.) для просмотра результатов работы модуля "SAR Calc". Модуль SAR Calc для каждого файла может генерировать трансформированный файл в географических координатах (файлы с суффиксом "_ll", например, phase_ll.grd), файл формата postscript и PNG (расширение .ps и .png) и файлы изображений Google Earth (расширение .kml).

         Веб-форма модуля "ALOS Processor" позволяет просматривать эскизы результатов процесса интерферометрии (.png файлы) и их отображения в Google Earth (.kml файлы), которое реализовано на базе Google API с применением JavaScript.

Рис. 4. Веб-форма отображения результатов модуля "ALOS Processor", с возможностью представления результатов на 3D-картах Google Earth.

         Разработанный веб-сервис является инструментом научно-практического применения интерферометрической технологии обработки радарных изображений ALOS L 1.0, позволяющий в интерактивном online-режиме формировать расчетные процессы GMTSAR и просматривать результаты в графическом виде, что значительно сокращает трудоемкость и повышает качество анализа данных на базе ДДЗ, сокращая тем самым время и стоимость научно-исследовательских работ.

 

Литература:

1.   Филатов А. В. Обнаружение подвижек земной поверхности в зоне интенсивной нефтедобычи методами радарной интерферометрии // Вестник Югорского государственного университета. 2006. № 4. С. 103–109.

2.   Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Технология построения цифровых моделей рельефа местности и оценки смещений методом радарной интерферометрии // Вестник НГУ (Серия: Информационные технологии). 2009. Том 7. Выпуск 1. С. 66-72.