B105. Трансформация в географические проекции, экспорт в ГИС и тематическая обработка изображений MODIS
36B5.1. Функциональные возможности программы SCANEX MODIS PROCESSOR
Программа ScanEx MODIS Processor предназначена для решения следующих задач:
- геометрической коррекции пространственных данных, полученных со спутников оборудованных сканером MODIS.
Геометрическую коррекцию можно проводить как по орбитальным данным спутника, так и по данным пользователя с преобразованием изображения в одну из наиболее распространенных картографических проекций. Имеется возможность преобразования космических снимков в произвольную (указанную пользователем в виде числовой матрицы трансформированных координат) картографическую проекцию;- обеспечения возможности оперативной обработки космических снимков с использованием масок: выделения пожаров, облачности, расчет вегетационных индексов NDVI и EVI (Enhanced Vegetation Index);
- использования специальных методов интерполяции для получения заданного пространственного разрешения пикселей изображения;
- получения цветосинтезированного изображения из нескольких разновременных снимков одной территории, позволяющего наглядно представить процессы пространственно-временного изменения территории;
- получения единого изображения из нескольких снимков на одну территорию, в том числе с использованием снимков разного разрешения;
- устранения дефектов изображения по заданному контуру (помехи при приеме, облачность и т.д.) с использованием дополнительных снимков;
- просмотра результатов трансформации на экране компьютера с загрузкой трансформированного растра, в том числе совместно с цифровыми векторными картами. Кроме стандартных возможностей просмотра (изменение масштаба, передвижение по изображению) программа позволяет создавать и редактировать файлы геометрических поправок и опорных точек (TIC-файлы), необходимые для выполнения дополнительной трансформации;
- сохранения оттрансформированных данных в формате программы тематического дешифрирования ScanExNeris;
- вывода снимков с сохранением координатной привязки в формате наиболее распространенных ГИС (ArcInfo, ArcView, MapInfo);
- вывода изображения в файл в формате, воспринимаемом стандартными графическими программами для последующего вывода на твердые копии в неискаженном виде.
Геометрическая коррекция. В программе реализованы две степени глубины геометрической коррекции:
1. Начальная коррекция снимка, осуществляемая по орбитальным данным спутника. При этом возможны достаточно грубые систематические ошибки, связанные с ошибкой определения орбитальных характеристик спутника.
2. Следующая степень коррекции, осуществляемая по контрольным (реперным) точкам, для изображения, полученного после начальной коррекции. При этом используются два метода преобразований:
- исправление систематических аффинных ошибок (поворот и изменение масштаба). Данный вид преобразования (Affine) используется для устранения систематических ошибок, одинаковых для всех точек снимка;
- исправление ошибок проекционного характера. Данный вид преобразования (Projective) рекомендуется, например, для исправления перспективных ошибок, возникающих при съемке под большим поперечным углом.
Описанные виды геометрической коррекции затрагивают снимок в целом. При наличии на изображении локальных искажений, вызванных, например, спецификой рельефа, используют метод «резиновой пленки» (Rubber sheet), позволяющий исправить отдельные локальные ошибки.
Интерполяция яркостей. Для интерполяции яркостей пикселей при геометрической коррекции используют два специальных метода:
1. Билинейную интерполяцию фотометрических характеристик в центре трансформированного пикселя по фотометрическим характеристикам исходного изображения (Linear). Рекомендуется применять при незначительном изменении пространственного разрешения, она сохраняет резкие яркостные и цветовые переходы исходного изображения.
2. Вычисление усредненных фотометрических характеристик по всему пикселю за счет интегрирования фотометрических характеристик его прообраза (Integral). Рекомендуется применять при незначительном изменении пространственного разрешения снимка с целью сохранения локальных фотометрических характеристик изображения (при тематической дешифровке снимков).
B735.2. Поддерживаемые форматы данных
Программа ScanEx MODIS Processor поддерживает следующие форматы данных: растровые, векторные, служебные.
Растровые форматы
А. Входные растровые форматы. Как входные в программе ScanEx MODIS Processor используются данные, полученные со спутников, оборудованных сканером MODIS, в формате HDF. Данные в формате HDF имеют два уровня упаковки: Level 1A и Level 1B. Формат Level 1A представлен двумя группами файлов:
1. Файлы "MOD01 .n\i;i_(|iaH.ia.HDF" содержат некалиброванные данные дневных и ночных спектральных каналов в разрешении 1 км, 500 м, 250 м. В программе они обозначаются соответственно суффиксами _Day и _Night.
2. Файлы "MOD03.имя_файла.HDF" содержат информацию о географической координатной привязке для файлов формата Level 1A.
Формат Level 1B представлен четырьмя группами файлов:
1. Файлы "MOD02 KM.имя_файла.HDF" содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 1 км в пикселе. В программе эти каналы обозначаются суффиксами _Refl и _Emiss.
2. Файлы "MOD02HKM.имя_файла.HDF" содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 500 м в пикселе.
3. Файлы "MOD02QKM.имя_файла.HDF" содержат калиброванные данные спектральных каналов с разрешением 250 м в пикселе.
4. Файлы "MOD02OBC.имя_файла.HDF" содержат информацию географической координатной привязки для файлов формата Level 1B.
Б. Выходные растровые форматы. Растровые форматы для использования в ГИС:
*.BIL -- многослойный растровый файл, пригодный для использования в программе ArcView, ArcInfo и др.
*.TAB -- файлы с описанием географической привязки растра для программы MapInfo.
Графические растровые форматы:
*.BMP -- Windows Bitmap файл.
Внутренний растровый формат:
*.STI -- служебный формат ScanEx, предназначенный для обмена изображениями с программой ScanExNeris. Формат STI -- может содержать до 12 растровых слоев.
Векторные форматы
При проведении геометрической коррекции изображений возникает необходимость отображения векторных данных. Программа ScanEx MODIS Processor способна отображать векторные данные в обменном формате программы MapInfo -- *.MIF (MapInfo Interchange
Format).
Служебные форматы
*.HIS -- файлы, в которых запоминается информация о геометрической трансформации растра, которая может быть использована при последующей коррекции.
*.TIC -- файлы информации для коррекции растра по опорным точкам (для каждой опорной точки указываются ее координаты, и координаты, которые она должна получить после трансформации). Координаты записывают в текстовом виде через пробел в том порядке, как они указаны выше, одна строка -- для одной опорной точки. Первой записывают горизонтальную, второй -- вертикальную координаты точек.
41B5.3. Функция наложения масок облаков и очагов пожаров
Маска облаков. Получение масок облаков возможно для MOD02 файлов с пространственным разрешением 1 км (рис. 7).
Рис. 7. Наложение маски облаков на маску индекса вегетации (NDVI) в приложении ScanEx MODIS Processor
В алгоритме определения облаков реализовано определение облачности по разности температур пикселя в 11 нм (31-й канал) и 3.7 нм (20-й канал).
Пределы значений разности температур каналов для гарантированного отсутствия облаков (Free) и гарантированного их наличия (Cloud) отдельно определяются в дневное время суток (Day) для суши (Land) и воды (Sea) и в ночное время (Night) для суши (Land) и воды (Sea). Доступ к ним осуществляется нажатием кнопки Change Params на странице MODISView мастера.
Если значение разности температур пикселя в каналах 11 и 3.7 нм меньше или равно порогу Free -- пиксель полностью свободен от облаков (0 в результирующей маске), если значение разности больше или равно порогу Cloud -- пиксель полностью занят облаками (255 в результирующей маске). Значение разности находящееся между порогами линейно определяет вероятность присутствия облаков от 0 до 1 (от 0 до 255 в результирующей маске).
Примечания:
1. Над пустынными регионами в дневное время яркие участки могут ошибочно определяться как облака.
2. Значения всех порогов «по умолчанию» определялись Algorithm Technical Background Document (atbd-mod-06).
Поэтому эффективные пороги будут разными для различных региональных и климатических зон и в особенности для различных времен года.3. Желательно наличие в файлах mod03 маски Land/Sea (Су- ша/Море) для различных времен года.
4. В дальнейшем возможно подключение дополнительных параметров определения облачности.
Маска пожаров. Получение масок пожаров возможно для MOD02 файлов с разрешением 1 км (рис. 8).
В данном алгоритме используются две основные величины -это значение температуры пикселя в канале 4 нм (T4, чем выше температура, тем больше вероятность пожара) и разница между температурами пикселя в 4 нм (21-й канал) и 11 нм (31-й канал) (dT411, чем больше разность, тем больше вероятность пожара).
Пожар выявляется двумя способами:
- абсолютные значения каждой из вышеназванных величин в пикселе (T4 и dT411) превышают допустимые пределы (например, T4 выше 360 К днем или dT411 больше 25 К днем);
- значение величины в пикселе сильно отличается от окружения (например, T4 > T4b + pT4.s.d.c.*dT4b -- температура пикселя в 4м канале больше средней температуры окружающих пикселей + стандартное отклонение температур окружающих пикселей умноженное на коэффициент (обычно pT4.s.d.c = 3).
Пиксели с обнаруженным пожаром, но определенные как солнечный блик отсеиваются.
В результате работы алгоритма создается файл отчета, куда записываются: дата и время проведения детектирования, исходный файл, координаты пикселей с обнаруженными пожарами, сила пожара в пикселях и их число.
Рис. 8. Наложение маски пожаров на маску индекса вегетации (NDVI) в приложении ScanEx MODIS Processor
Примечания:
1. Значения всех порогов «по умолчанию» определялись Algorithm Technical Background Document MODIS FIRE PRODUCTS (atbd-mod-14). Поэтому эффективные пороги будут разными для различных региональных и климатических зон и в особенности для различных времен года.
2. Желательно наличие в mod03 файлах маски Land/Sea (Су- ша/Море).
3. Необходимо наличие в mod02 файлах атрибута RANGEBEGINNINGDATE.
Для выявления и оперативного обнаружения пожаров в программе ScanEx MODIS Processor используют алгоритмы, разработанные специально для спектрорадиометра MODIS и позволяющие определить местоположение пожаров и их силу. Программа использует также дополнительные средства для повышения достоверности определения пожаров (маску воды, автоматически вычисляемую маску облаков, алгоритм подавления ложных бликов). Наличие в приборе MODIS каналов достаточно высокого разрешения (250 м) позволяет уточнить местоположение очага пожара и состояние окружающей территории. На рис. 8 представлены изображения MODIS с наложением масок облаков, пожаров, вегетационного индекса (NDVI) в сочетании с разным пространственным разрешением (1 000, 500 и 250 м).
Точность определения координат очагов пожаров в режиме реального времени составляет до 10 пикселей, а при дополнительной геометрической коррекции -- в пределах одного пикселя (до 1 км и выше при использовании каналов более высокого разрешения).
Результат работы программы может быть выдан на экран для ручного определения координат пожаров, а также записан в виде электронной карты или файла отчета.