Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка макета универсального программно-аппаратного комплекса тематической обработки данных авиакосмической дистанционной видеоспектрометрии

Докладчик: Кондранин Тимофей Владимирович

Должность: заведующий кафедрой; профессор, доктор физ-мат наук

Цель проекта:
Разработка комплекса научных и научно-технических решений в области создания программного и аппаратного обеспечения для повышения оперативности, достоверности и автоматизации процесса тематической обработки авиакосмических данных дистанционной видеоспектрометрии (гиперспектральные изображения) при решении научно-исследовательских и прикладных задач дистанционного контроля и мониторинга состояния природных и техногенных объектов. Разработка экспериментального образца универсального программно-аппаратного комплекса дистанционного зондирования Земли, использующего технологию гиперспектральной съемки.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
В результате выполнения проекта в целом должен быть создан экспериментальный образец универсального программно-аппаратного комплекса (ЭОУПАК) в составе: авиационной гиперспектральной камеры видимого и ближнего инфракрасного спектра и прикладного программного обеспечения. ЭОУПАК предназначен для экспериментальной отработки технологии организации авиационной съемки и полного цикла обработки (включая тематическую обработку) гиперспектральных изображений. Основным результатом проекта будет является техническое задание на опытно-конструкторскую работу «Создание нового типа универсального программно-аппаратного комплекса тематической обработки данных дистанционной видеоспектрометрии».
2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции.
Результатом работы является комлекс, состоящий из оптико-электронного прибора (гиперспектральной камеры (ГК)) видимого и ближнего инфракрасного диапазона 450 – 1000 нм, имеющего 150 спектральных каналов, ширина которых меняется в пределах от 2 до 15 нм, и специального и прикладного программного обеспечения, предназначенного соответственно для управления ГК и для обработки получаемых данных дистанционного зондирования. Комплекс устанавливается на авиационное средство и производит съемку в режиме сканирования (Push broom) с полосой захвата 450 метров при высоте полета 3000 метров с пространственным разрешением 1 метр. Программное обеспечение обработки полученных данных будет позволять проводить весь комплекс предварительной и тематической обработки полученных данных, включая атмосферную коррекцию, расчет спектральных индексов, построение тематических электронных карт для широкого круга потребителей данных ДЗЗ. Особенностью программного обеспечения будет являться широкое использование данных о тактико-технических характеристиках аппаратной части ЭОУПАК, что позволит повысить эффективность процедур не только предварительной, но также и тематической обработки снимков.
3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
В настоящее время в России практически отсутствуют авиационные гиперспектральные аппаратно-программные комплексы, готовые для тиражирования в качестве средств промышленного мониторинга состояния природно-техногенной сферы, в том числе на региональном уровне, с использованием авианосителей различного класса, а также для отработки программно-алгоритмического и методического обеспечения существующей и перспективной гиперспектральной аппаратуры космического базирования и проведения подспутниковых экспериментов. Коллективом исполнителей проекта в кооперации с индустриальным партнером НПО «Лептон», г. Зеленоград в 2008-2013 г.г. была выполнена серия НИОКР, в результате которых была сформулирована и экспериментально отработана концепция создания экспериментального образца универсального программно-аппаратного комплекса (ЭОУПАК) гиперспектрального дистанционного зондирования. В результате реализации данного проекта должны быть выполнены исследования, разработки и экспериментальные испытания отдельных элементов ЭОУПАК и комплекса в целом и на этой основе разработан проект ТЗ на ОКР «Создание нового типа универсального программно-аппаратного комплекса тематической обработки данных дистанционной видеоспектрометрии». Ключевые результаты НИОКР, подтверждающие новизну предполагаемых к реализации научных и технологических решений, опубликованы исполнителями проекта в период 2011-2014 г.г. в ведущих отечественных (журнал «Исследование Земли из космоса»/5 статей) и индексируемых в Scopus и Web-of-Science высокорейтинговых зарубежных научных изданиях (International Journal of Remote Sensing; OpticsExpress, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics /4 статьи). В ходе выполнения проекта в отчетный период проведены патентные исследования, направленные на изучение состояния проблемы в исследуемой предметной области и определение патентоспособности планируемых результатов. В результате исследования существующих патентов и имеющихся на рынке программных средств не было найдено полных аналогов разрабатываемого комплекса.
4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В последнее десятилетие существенно возрастает роль авиационных и космических технологий гиперспектрального дистанционного зондирования в решении прикладных и научных задач. Об этом свидетельствует, во-первых, существенное увеличение созданных за рубежом и функционирующих под эгидой как государственных огранизаций, так и частных компаний числа авиационных гиперспектральных комплексов ДЗ: разработаны и успешно функционируют свыше 50 авиационных комплексов, оборудованных гиперспектральной аппаратурой, из которых более половины обеспечивают получение информации в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, и, по крайней мере, семь гражданских космических гиперспектральных систем (HYPERION, EnMAP, PRISMA5, CHRIS, HyspIRI, IASI8, а также гиперспектральная камера российского КА Ресурс-П). Особое место среди авиационных систем занимают разработки типа Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance (ARCHER), которая представляет собой универсальный программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий практически в реальном масштабе времени получение и полный цикл обработки, в том числе и тематической, гиперспектральных изображений наблюдаемых объектов. Во-вторых, с использованием авиакосмических гиперспектральных комплексов получено огромное количество разнообразной научной и прикладной информации: в период с 2011 по 2013 годы по данным базы SCI-Expanded database of the ISI Web-Of-Science число цитируемых публикаций по тематике «гиперспектрального ДЗ» составило более 1500 и имеет тенденцию к увеличению; что несколько превышает число соответствующих ссылок по тематике активно развивающегося на протяжении последних 25-30 лет направления «радиолокационного и СВЧ ДЗ». ТТХ создаваемого в рамках данного проекта ЭОУПАК в аппаратной части сопоставимы, по пространственному разрешению превышают лучшие зарубежные аналоги, а разрабатываемое программное обеспечение является полностью оригинальным.
5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Основным способом достижения заявленных результатов являются:
5.1. Организация единого, взаимосвязанного исследовательского и производственного процессов по разработке аппаратной части и программно-алгоритмического обеспечения: на этапах 2014, 2015 и первой половины 2016 года отработка ключевых с точки зрения влияния на качество тематической обработки (число, ширина, расположение спектральных каналов и некоторые другие характеристики) заявляемых ТТХ АГК проводится параллельно с разрабатываемым ПАО в лабораторных условиях и в ходе летных испытаний на тестовых полигонах. На заключительном этапе 2016 проводятся комплексные натурные испытания ЭОУПАК с целью выработки рекомендаций по ТТХ опытного образца, проект ТЗ на ОКР по разработке которого предусмотрен заключительными положениями плана-графика исполнения обязательств.
5.2. Тесное сотрудничество МФТИ с индустриальным партнером негосударственным предприятием ЗАО НПО «Лептон», являющееся базовым предприятием кафедры СУМГФ, на котором студенты старших курсов и аспиранты выполняют НИР, работают над магистерскими и кандидатскими диссертациями. ЗАО НПО «Лептон» на протяжении ряда лет является одним из ключевых в России разработчиков оптико-электронной аппаратуры космического применения (панхроматические, многоспектральные и гиперспектральные камеры и звездные датчики) в интересах предприятий Роскосмоса и других организаций.

Ограничения и риски:
5.3. По достижению заявляемых результатов принципиальные ограничения и риски отсутствуют. Возможны (на сегодня нет полной ясности) проблемы, связанные с официальными закупками импортных комплектующих, в первую очередь современные матрицы ПЗС, необходимых для разработки АГК.
5.4. По реализации результатов проекта основным риском на сегодня представляется в отличие от ведущих космических государств (США, Канада, Япония, КНР, ключевые члены Евросоюза), неразвитость отечественного рынка потребителей данных авиакосмического дистанционного зондирования, включая новейшие гиперспектральные технологии. Решение проблемы выходит за рамки данного проекта и требует привлечение совместных усилий федеральных, региональных, а в ряде случаев и муниципальных ведомств и служб. В рамках проекта совместно с индустриальным партнером предусмотрены маркетинговые исследования и рекламное продвижение на рынок разрабатываемой научно-технической продукции ЭОУПАК.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция).
Оперативный дистанционный объективный контроль состояния природно-техногенных объектов с получением в режиме близком к реальному масштабу времени выходной информационной продукции в виде координатно-привязанных тематических электронных карт: сельское и лесное хозяйство, геология, в том числе определение мест залегания углеводородов, территории активной промышленной деятельности, предупреждение ЧС природного характера и оценка состояния среды после ЧС, специальные задачи (оперативная разведка и обнаружение замаскированных объектов) и др.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Наряду с созданием и испытанием нового для отечественного авиакосмического приборостроения основанного на использовании современных технологий получения и обработки видеоданных высокого спектрального и пространственного разрешения ЭОУПАК и разработкой на этой основе ТЗ на ОКР, предусматривающего создание опытного образца комплекса, в результате выполнения проекта должен быть сформирован научный задел, как в части совершенствования ТТХ перспективной отечественной гиперспектральной аппаратуры, так и в части программно-алгоритмического обеспечения для расширения круга потенциальных потребителей получаемой информации. Должны быть также проведены патентные и маркетинговые исследования с целью выявления возможностей коммерциализации опытных образцов на отечественном и зарубежных рынках.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
3.1 Создание универсального программного комплекса тематической обработки гиперспектральных изображений, получаемых авиационными и/или космическими сенсорами видимого и ближнего инфракрасного диапазонов спектра.
3.2 Повышение достоверности и эффективности объективного контроля состояния природно-техногенной сферы на региональном и муниципальном уровнях и информационное обеспечение деятельности государственных организаций и частных компаний в области рационального природопользования.
3.3 Информационное обеспечение подготовки аналитических и управленческих решений в региональных и муниципальных ведомствах и службах, связанных с природопользованием, охраной окружающей среды, предупреждением и оценкой ущерба при ЧС и др.
3.4 Повышение качества образовательного процесса при подготовке специалистов высшей квалификации в МФТИ и других отечественных вузах за счет модернизации существующих и подготовке новых лекционных курсов, практических занятий и лабораторных работ.
3.5 Стимулирование публикационной активности в высокорейтинговых научных изданиях, индексируемых в БД Scopus и Web-of-Sience и участие в крупных международных форумахпо тематике проекта
3.6 Привлечение интереса молодежи к проблематике новейших технологий авиакосмического дистанционного зондирования путем популяризации результатов, связанных с использованием результатов проекта.

Текущие результаты проекта:
В соответствии с требованиями план-графика исполнения обязательств к Этапу 1 ПНИ «Выбор направления исследований» в период с даты подписания Соглашения 30.06.2014 по настоящее время выполнены следующие работы:
4.1. Проанализировано состояние проблемы по тематике проекта на основании аналитического обзора современной научно-технической ( проанализировано 119 научных статей, в том числе монографий, опубликованных в ведущих отечественных и высокорейтинговых зарубежных изданиях, из которых более 30 опубликованы в период 2009-2014 г.г.), отечественной нормативной и методической литературы.
4.2. Выполнены патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96; проанализирован 21 патент за период 2009-2014 г.г.
4.3. Проведен анализ современных лицензионных программных комплексов обработки аэрокосмической информации дистанционного зондирования, в том числе эффективность и степень автоматизации технологических схем обработки гиперспектральных данных; проанализированы пути и направления исследований для повышения уровня автоматизации процесса обработки и анализа гиперспектральных изображений.
4.4. Выполнен расчетно-теоретический анализ влияния точности энергетической и спектральной калибровки гиперспектральной аппаратуры на результаты атмосферной коррекции и тематической обработки; предложены способы учета факторов, вызывающих смещение калибровочных характеристик.
4.5. Разработана структурная схема аппаратной части комплекса - авиационной гиперспектральной камеры (АГК).
4.6. Индустриальным партнером на натурных тестовых полигонах проведены синхронные полевые измерения абсолютных значений спектральных отражательных характеристик подстилающей поверхности и оптических параметров атмосферы.

1. Аналитический обзор современной литературы по тематике проекта и
анализ современных программных продуктов обработки аэрокосмической (в первую очередь, мульти- и гиперспектральной) информации показал отставание отечественных исследований и разработок в рассматриваемой области, откуда следует безусловная актуальность решаемой в проекте задачи. Показано, что разработанные различными, в основном зарубежными научными коллективами методы и подходы, обеспечивающие необходимый уровень тематической обработки гиперспектральных данных ДЗ с использованием проблемно-ориентированного комплексирования с учетом результатов данного проекта позволяют создать отечественный программно-аппаратный комплекс дистанционной видеоспектрометрии на уровне, не уступающем мировым аналогам.
2. По результатам патентных исследований были определены текущее состояние и тенденции развития объекта и предмета исследования, охранное состояние технологий и методик, применяющихся в комплексе получения и обработки гиперспектральных данных. Основными направлениями развития исследований и разработок по тематике проекта являются:
- в области аппаратных решений - повышение надёжности и стабильности получаемых данных, оптимизация ТТХ гиперспектральной аппаратуры, обеспечивающих эффетивное решение максимально возможного числа прикладных задач;
- в области программных решений - разработка методов и алгоритмов, позволяющих проводить классификацию объектов и тематическое картографирование, повышение оперативности и автоматизация обработки гиперспектральных данных, учёт и компенсация эффектов, усложняющих обработку данных (прохождение через атмосферу, уход калибровочных характеристик от расчётных), повышение детализации снимков программным образом, в частности, с привлечением дополнительных данных более высокого разрешения.
Патентные исследования проведены в полном объеме на заданную глубину в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 и заданием на проведение патентных исследований. Показано, что запланированные работы будут выполняться на уровне, соответствующем выявленным тенденциям. Для выявления самостоятельной охраноспособности отдельных научных и научно-технических результатов проекта требуется дополнительное проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 на заключительных этапах работы.
3. Анализ влияния точности энергетической и спектральной калибровок гиперспектральной аппаратуры на результаты атмосферной коррекции и тематической обработки изображений показал, что основным лимитирующим фактором при использовании в качестве исходных данных гиперспектральные изображения является спектральная калибровка. Возникающие при этом характерные ошибки приводят к значительному ухудшению точности обработки: так, например, для индекса NDVI разброс значений, вызванный неточностями калибровки, может достигать 20 %. Выводы подкрепляются проведённым дополнительно анализом особенностей функционирования современных типов гиперспектральной аппаратуры (ГСА) и связанных с ними проблемами энергетической и спектральной калибровки, методов предполетной и орбитальной калибровки ГСА, по результатам которого установлено, что энергетическая калибровка по отношению к спектральной, как правило, вторична. Предложен способ учёта и компенсации погрешностей в спектральной калибровке, проведены численные эксперименты на примере гиперспектральных изображений, полученных аппаратурой Hyperion спутника EO-1 (США); показано, что с использованием предложенного способа возможно существенное повышение качества тематической обработки.
4. Проанализированы требования к разрабатываемой в рамках проекта АГК, в соответствие с которыми предложено (отражено в структурной схеме АГК) технологическое решение, разделяющее обеспечение требуемых функций и характеристик между структурными элементами камеры. К этим элементам выдвинуты отдельные требования, следующие из общих требований ТЗ к прибору и предлагаемых логико-функциональных взаимосвязей между элементами схемы.
5. Индустриальным партнером на тестовых полигонах в контролируемых погодных условиях были проведены полевые измерения спектральных отражательных характеристик подстилающей поверхности синхронно с оптическими параметрами атмосферы. Абсолютные значения спектральной плотности энергетической яркости отражённого от исследуемых (почва, растительность) и контрольных (эталонное белое и серые тела) объектов излучения измерялись с помощью спектрорадиометра ASD FieldSpec 3, а спектральные коэффициенты пропускания атмосферы - солнечным фотометром SolarLight MICROTOPS II. Результаты измерений обработаны, получены спектральные отражательные характеристики объектов и оптические параметры атмосферы: метеорологическая дальность видимости и содержание воды. Полученные данные будут использованы на дальнейших этапах реализации проекта, в качестве «спектральной библиотеки», как для уточнения ТТХ разрабатываемой АГК, так и для отработки программной части: получения – хранения – систематизации – обработки данных. Для обеспечения количественной достоверности формирования «спектральных библиотек» требуется периодическая калибровка и поверка обоих измерительных приборов спектрорадиометра ASD FieldSpec 3 и солнечным фотометром SolarLight MICROTOPS II. С этой целью предусматривается использование уникальной научной установки ФГУП ВНИИОФИ «Установка для прецизионных измерений радиометрических и спектрорадиометрических характеристик источников и приемников излучения в спектральном диапазоне от 1 нм до 20 мкм».
6. В отчетный период (18.11.2014) по тематике проекта опубликована статья Kozoderov V.V., Kondranin T.V., Dmitriev E.V., Sokolov A.A. «Regional monitoring of forest vegetation using airborne hyperspectral remote sensing data» // Proceedings of SPIE (Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Remote Sensing Technology, Techniques and Applications V). 2014. V. 9263. P. 926330-1-10. (USA). Издание индексируется в Scopus.