В настоящее время усиливается потребность использования данных дистанционного зондирования Земли (далее - ДЗЗ) в различных сферах жизни общества. Возрастают требования как по качеству информационных продуктов, так и по оперативности их получения. Расширяется группировка космических аппаратов (далее - КА) ДЗЗ с перспективой увеличения их числа до нескольких сотен, что предполагает соответствующее увеличение объёма данных, требующих оперативной обработки. Для обеспечения этих требований возникает острая необходимость создания комплекса полностью автоматической обработки данных ДЗЗ с высокой скоростью и высоким качеством. В результате работ в этом направлении в АО «НИИ ТП» был создан комплекс автоматической потоковой обработки информации (далее - АПОИ) и в октябре 2021 года введен в штатную эксплуатацию в контуре Оператора КС ДЗЗ для обеспечения функционирования федерального фонда данных ДЗЗ (далее - ФФД ДЗЗ).
Основными особенностями обработки данных ДЗЗ, реализованными в комплексе АПОИ являются: унифицированная обработка данных с различных КА ДЗЗ в едином комплексе от «сырого» сигнала до стандартных ортокорректированных продуктов, полностью автоматическая обработка без участия оператора, высокопроизводительная обработка в течении нескольких минут, масштабируемость под сколь угодно большие потоки данных, формирование качественных стандартных информационных продуктов (со сведенными спектральными каналами, в том числе продуктов типа BUNDLE, PANSHARP) на основе строгих математических моделей съёмки, автоматическая коррекция геопривязки данных ДЗЗ до единиц метров за счет уточнения бортовой навигационной информации.
Комплекс АПОИ позволяет осуществлять высокоскоростную обработку больших объемов информации на вычислительном кластере в распределенном режиме полностью автоматически. Такая реализация обработки позволила существенно снизить время получения готовой информационной продукции (от нескольких суток до нескольких минут), а также более эффективно использовать ресурсы кластера.
Отдельно стоит отметить операцию коррекции геопривязки данных ДЗЗ. Низкая точность бортовой навигационной информации КА ДЗЗ приводит не только к ухудшению точности геопривязки данных ДЗЗ, но и к ухудшению внутренней геометрии изображения (проблемам сшивки матриц, сведения спектральных каналов, совмещения продуктов панхроматической и мультиспектральной съемки). Коррекция геопривязки осуществляется путём автоматического уточнения параметров ориентации и баллистического движения КА с использованием опорной информации.
Для автоматизации процесса высокоточной геопривязки (единицы метров) была реализована процедура автоматического поиска опорных точек (GCP) по опорным покрытиям с последующим использованием данных точек для уточнения параметров баллистического и углового движения КА.
Реализованные алгоритмы уточнения бортовых параметров баллистического движения КА и его ориентации обеспечили существенное улучшение качества геопривязки продуктов ДЗЗ и сведения спектральных каналов в процессе наземной обработки информации комплексом АПОИ. Согласно статистическим данным за 6 месяцев эксплуатации АПОИ в составе ФФД ДЗЗ коррекция геопривязки данных приводила к улучшению точности в среднем на один-два порядка. Для данных КА «Канопус-В» № 1 средний диапазон точности привязки был повышен с 1000 - 7000 м до 20 - 80 м (СКО: с 2419.2 м до 33.1 м). Для данных КА «Канопус-В» ИК, № 3,
№ 4, № 5, № 6 средний диапазон точности привязки был повышен с 20 - 100 м до 2 - 10 м (СКО: с 62.3 м до 5.7 м). Для данных КА «Ресурс-П» № 1 средний диапазон точности привязки был повышен с 300 - 3000 м до 5 - 20 м (СКО: с 1177.3 м до 10.2 м). Для данных КА «Ресурс-П» № 2, 3 средний диапазон точности привязки был повышен с 10 - 50 м до 2 - 7 м (СКО: с 23.4 м до 4.4 м).
При создании комплекса АПОИ были решены различные инженерные задачи, разработаны уникальные алгоритмы и технологии. В докладе представлено описание подходов к решению основных задач обработки данных ДЗЗ, реализованных в комплексе АПОИ.
Обработка данных комплексом АПОИ 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 интегрирования (комплексирования) измерений различных источников ориентации и интегрирования данных измерителя угловых скоростей (ИУС);
- построение модели сенсора (геометрия съёмочного устройства, фокальной плоскости и др.);
- реализация алгоритмов прямой и обратной географической привязки на основе строгих математических моделей;
- автоматический корреляционный поиск множества (сотни тысяч) опорных точек местности по опорным данным, а также межматричных 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.
В комплексе АПОИ также реализована калибровка параметров съёмочной системы КА. Калибровка осуществляется периодически по мере необходимости вне основного потока обработки данных ДЗЗ. В результате калибровки формируется файлы служебной информации, которые в дальнейшем используется при обработке. Калибровке подлежат следующие параметры: установочные углы съёмочной системы относительно конструктивных осей КА, фокусное расстояние объектива, дисторсия объектива, смещение и угловое положение светочувствительных элементов в фокальной плоскости.
Калибровка осуществляется в автоматическом режиме. Для калибровки могут быть использованы как калибровочные полигоны, так и набор маршрутов (десятки или сотни) с результатами их корреляционного совмещения с опорными данными.
Реализованные в комплексе АПОИ технологические и алгоритмические подходы позволили обеспечить полностью автоматическую высокопроизводительную обработку данных с российской орбитальной группировки (ОГ) КА ДЗЗ высокого и среднего разрешения («Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М») и формирование информационных продуктов высокого качества. Это позволило сделать технологический скачок в наземной обработке данных с российской ОГ КА ДЗЗ и вывести на качественно новый уровень использование отечественных данных ДЗЗ различными потребителями, а также позволило обеспечить бесперебойную работу ФФД ДЗЗ в автоматическом режиме.
Вышеописанный технологический задел комплекса АПОИ, основанный на строгих математических моделях съемки, послужит алгоритмическим ядром Информационной системы «Цифровая Земля», в которой, помимо автоматического формирования высококачественных стандартных продуктов ДЗЗ, будет реализована оперативная автоматическая обработка всего архива данных российской ОГ КА ДЗЗ как единого сплошного многослойного динамического покрытия (ЕСМДП) с возможностью автоматического формирования в интересах потребителей высокоточных ортофотопокрытий (мозаик) и безоблачных композитов.