Современные информационные технологии /3. Программное обеспечение
Д.т.н. Хачумов В.М.
ФИЦ ИУ РАН, Россия
Методы когнитивной визуализации данных дистанционного зондирования Земли
Высокопроизводительная
обработка данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) предполагает построение сети
автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов и экспертов. В условиях роста
потоков спутниковой информации (мультиспектральные и полноцветные снимки,
данные телеметрии и др.) возрастает роль интеллектуальной обработки для
выявления наиболее существенной целевой информации. Для облегчения решения задач поиска и распознавания целевых объектов,
предлагается оснастить АРМ графическими интерфейсами с элементами когнитивной
визуализации данных. Когнитивный подход предполагает использование образного
представления результатов интеллектуального анализа данных ДЗЗ. Наиболее
эффективна когнитивная графика для быстрой оценки ситуации в целом, так как она
позволяет, не анализируя большого количества разнородных сигналов и их значений,
сделать вывод о ситуации и спрогнозировать ее развитие.
Методы
когнитивной машинной графики можно применять для решения задач мониторинга
поверхности Земли, например, визуализировать в реальном масштабе времени зоны
видимости космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли. На
рисунках 1, 2 представлена схема мониторинга территории России спутниками «Ресурс
ДК1» и «Метеор-М» №1 в течение суток от начального момента времени
(представлены последовательные траектории с учетом полос обзора). Средствами
графики выполнено наложение соседних траекторий КА с «закраской» полос обзора
[1], что позволяет в режиме реального времени наблюдать местоположение спутника
и охватываемую мониторингом территорию.
Рисунок 1 – Схема мониторинга территории России
спутником «Ресурс-ДК1» (траектории 1-10)
Рисунок 2
− Схема мониторинга территории России КА
«Метеор-М» №1
(траектории 1-14).
К сожалению, группировка отечественных КА ДЗЗ из двух
аппаратов не способна давать оперативную информацию о быстропротекающих и
масштабных чрезвычайных ситуациях (ЧС). С ее помощью можно получать информацию
не чаще 3-4 раза в сутки о каждой точке России, что недостаточно для
мониторинга и предупреждения ЧС. В соответствии с Федеральной космической
программой России запланировано развитие отечественной космической системы
наблюдения Земли. Так, в НПО имени Лавочкина создается
отечественная группировка на основе космических аппаратов «Арктика-М» для мониторинга
ледовой обстановки арктической зоны, организации телефонной связи и сервисов. В
дальнейшем предполагается наращивание группировки за счет спутников связи
«Арктика-МС» и радиолокационных аппаратов «Арктика-Р».
На рисунке 3 показан пример интеллектуальной обработки
космического снимка ДЗЗ, полученного с помощью сканера TM (Thematic Mapper),
установленного на американских спутниках Landsat.
а) исходный снимок б) снимок после обработки
Рисунок 3 – Снимок ДЗЗ до и после классификации пикселей
Каждый
пиксель исходного изображения здесь представлен вектором спектральных
коэффициентов. В результате классификации пикселей в соответствии с назначенными
оператором опорными цветами происходит «раскраска» мультиспектрального снимка,
что облегчает его анализ [2].
Важным
применением когнитивной визуализации является анализ телеметрии и состояния
космического аппарата ДЗЗ [3,4]. Для этой цели предлагается когнитивный графический
образ, который является модификацией круговой диаграммы, разбитой на сектора. Появление
аномального значения какого-либо из контролируемых параметров влечет изменение
цвета сектора, отвечающего за соответствующую этому параметру подсистему. В
качестве примера на рисунке 4 приведена ситуация, при которой наведение
антенной системы по азимуту нуждается в автоматической поправке.
Рисунок 4 – Визуализация аномального
состояния по точности наведения
Таким образом, оснащение АРМ когнитивными средствами
отображения служат повышению оперативности, позволяет вести обработку данных
ДЗЗ в реальном масштабе времени, обеспечивает
поддержку принятия решений. По итогам исследования разработано
программное обеспечение для встраивания в интерфейс автоматизированного
рабочего места оператора. Проведены необходимые тестовые испытания программного
продукта в составе интерфейса перспективной наземной станции
командно-измерительной системы, разработанной в АО «Российские космические
системы».
Работа
выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ №15-29-06945 офи_м
«Развитие
моделей, методов и программных средств обработки мультиспектральных снимков,
видео-потоков и данных телеметрии для задач космического мониторинга
арктической зоны» и проекта
Программы фундаментальных исследований ОНИТ 1 РАН.
Литература:
1.
Благодырев В.А., Хромов
О.Е., Осипов Г.С., Хачумов В.М. О проблеме дистанционного зондирования Земли
для обнаружения и мониторинга чрезвычайных ситуаций. – Авиакосмическое
приборостроение, №1, 2011, с.32-42.
2. Смирнова А.И., Хачумов В.М. Метод обработки
мультиспектральных снимков дистанционного зондирования Земли. – Авиакосмическое
приборостроение, № 2, 2013, с.50-56.
3. Бурдаев М.Н., Ватутин В.М., Заднепровский В.Ф.,
Хачумов В.М., Круглов А.В., Снегирев В.М. Методы когнитивной графики для
контроля и диагностики сложных процессов и систем. – Информационно-измерительные
и управляющие системы, №7, т.5, 2007, с.30-36.
4. Хачумов В.М., Ксенофонтова Е.В. Образный анализ и диагностика сложных процессов. – Доклады 11-й Всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов» (ММРО-11, 23-29 ноября 2003 г., Пущино). – М.: 2003, с.201-204.