gototopgototop

УДК 55

Актуальность анализа алгоритмов сжатия данных получаемых от многозональных сканирующих устройств области космических исследований дистанционного зондирования Земли

Печкурова Виктория Руслановна – студент магистратуры факультета Информатики и систем управления Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана.

Аннотация: В статье рассматриваются аспекты сферы дистанционного зондирования, влияющие на проведение исследований в области алгоритмов сжатия данных применительно к многозональной сканирующей аппаратуре, гиперспектральным изображениям. Анализируются некоторых доступные источники с целью выявления настоящей и перспективной степени необходимости сжатия данных на борту космических систем дистанционного зондирования Земли.

Ключевые слова: Дистанционное зондирование Земли, многозональное сканирование, гиперспектральные изображение, сжатие многоспектральных данных.

Дистанционное зондирование Земли

Дистанционные методы исследования окружающей среды – это сложная разносторонняя область науки и техники, переживающая период бурного развития. Современные дистанционные способы зондирования космических объектов открывают новый период в информационном обеспечении исследований, разработок в науках о Земле, в хозяйственной практике.

Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в основном принимаются от искусственных спутников Земли (ИСЗ). Под данными ДЗЗ зачастую понимают цифровые аэрокосмические снимки, которые представляются в виде растровых изображений. Многозональные (многоспектральные) сканирующие устройства – это достаточно сложные оптико-механические электронные комплексы. С их помощью космические аппараты получают изображения поверхности планеты сразу в нескольких спектрах, что позволяет решать большое количество видов задач климатического и экологического мониторинга. Применяя принципы съемки некоторого спектрального диапазона, получают в этом диапазоне многозональные (многоспектральные) снимки, а при большом числе съемочных зон – гиперспектральные.

Одним из условий дальнейшего эффективного применения космических систем ДЗЗ является внедрение в практику ДЗЗ детализированных (в смысле спектрального разрешения) съемочных систем. В связи и этим, прослеживается тенденция роста объема данных ДЗЗ со спутников. С каждым годом увеличивается число клиентов, заинтересованных в данных ДЗЗ различного качества и объема. Все это обосновывает актуальность разработки принципиально новых алгоритмов, методов, сервисов обеспечивающих оптимальную работу по приему, передаче, обработке данных ДЗЗ, в том числе алгоритмов сжатия данных ДЗЗ на борту космических аппаратов с целью уменьшения объема хранящихся на борту и передаваемых на Землю данных.

Возможности наземных комплексов приема и обработки данных операторов российских космических средств ДЗЗ

Наземные комплексы приема и обработки данных ДЗЗ (НКПОД) или наземные комплексы приема, обработки, архивации и распространения данных ДЗЗ (НКПОР) являются средством для обеспечения регулярного получения снимков, как от аппаратуры одного спектрального канала, так и от многозональной аппаратуры. Деятельность НКПОД заключается в приеме, обработке, архивации, передаче конченому или промежуточному потребителю данных ДЗЗ. В связи с увеличением количества малоразмерных КА, возрастания детальности космических снимков, расширения областей применения многоспектральных съёмок нагрузка на НКПОД также усиливается. Все это способствует проведению исследований по разработке новых методов повышения эффективности приема-передачи данных ДЗЗ от спутника на Землю.

Основой государственного НКПОР России является НКПОР Росгидромета, также он является и наиболее развитой структурой НКПОР [9]. Данная структура предоставляет данные от российских и зарубежных аппаратов, которые применяются для решения задач гидрометеорологического обеспечения, мониторинга ЧС, наблюдения и контроля состояния окружающей среды государственными органами управления, Федеральными ведомствами (Росгидромета, МО, МЧС и др.).

Автономные пункты приема информации (около 70 пунктов в РФ) предоставляют возможность быстро принимать и обрабатывать данные со спутников. Такие пункты способны принимать данные от КА в диапазоне 137 МГц в режиме постоянной передачи.

На 2013 год объем данных от 20 КА достигал 1 Тб за сутки [11].

План развития космических систем ДЗЗ РФ

В соответствии с программой «Цифровая экономика Российской Федерации» в настоящее время предъявляются новые требования к технологиям беспроводной связи, в том числе к технологиям ДЗЗ. Технологии сферы ДЗЗ относятся к критически важным. Согласно прогнозу долгосрочного социально-экономического развития РФ на период до 2030 года объем услуг связи по всем видам деятельности к 2030 году по сравнению с 2011 годом увеличится более чем в 1,5 раза. Доля российских данных ДЗЗ в общем объеме данных ДЗЗ, используемых в российских геоинформационных системах, будет неуклонно расти и к 2024 году достигнет 90 %. При этом необходимо будет обеспечить комплексную реализацию совокупных технических возможностей группировки космических аппаратов и наземной инфраструктуры в целях получения наиболее полного объёма ДЗЗ-данных требуемого качества.

Возможности существующих систем передачи многоспектральных и гиперспектральных данных ДЗЗ на наземные пункты приема информации. Перспективы

Рассмотрим возможности существующих систем передачи многоспектральных и гиперспектральных данных ДЗЗ из космоса на наземные пункты приема. Сейчас для передачи данных ДЗЗ с КА используются радиотехнические системы передачи информации, работающие в различных диапазонах частот — от диапазонов очень высоких частот/ ультравысоких частот (135– 150 МГц, 400–470 МГц) до Х-диапазона (7450– 8400 МГц) [4, 10]. При рассмотрении перспектив развития ДЗЗ интерес представляют результаты анализа возможностей высокоскоростной передачи данных в Х-диапазоне. Этот диапазон является базовым для цифровой передачи больших объемов видеоданных с КА ДЗЗ в одном радиоканале со скоростью до 320 Мбит/с. В ряде систем для достижения более высоких скоростей передачи информации используется параллельная передача по нескольким радиоканалам. Для сравнения: в S-диапазоне скорость передачи при аналогичных условиях не превышает 15 Мбит/с.

В перспективе для высокоскоростной передачи с КА данных ДЗЗ планируется использование K-диапазона (23–28 ГГц). Однако от перехода в K-диапазон не следует ожидать увеличения скоростей обмена свыше нескольких сотен Мбит/c. В перспективных лазерных высокоскоростных системах передачи с КА на первом этапе их развития рассматривается возможность реализации скоростей передачи информации до 600 Мбит/с [6]. Все это обусловлено быстродействием электронных устройств формирующих сигналы, способами кодирования и декодирования передаваемой на Землю информации. Существенную роль играют ограничения технической реализации, связанные, среди прочего, с используемыми структурами сигналов, методами кодирования.

Высокая скорость передачи информации в радиолинии «космос–Земля» зависит от характеристик приемной аппаратуры. Увеличение скорости передачи информации может осуществляться за счет увеличения количества высокоскоростных каналов, по которым данные передаются в один и тот же момент времени. Использование в качестве наземных пунктов приема данных малогабаритных мобильных приемных станций с малыми диаметрами приемной антенны ведет к выдвижению требований по увеличению размеров и направленности бортовых антенн, к усложнению управляющей аппаратуры. Иначе обеспечение значительного увеличения скорости передачи от КА данных ДЗЗ можно считать невозможным.

Таким образом, в существующих и перспективных спутниковых системах передачи видеоданных с КА ДЗЗ скорости передачи информации составляют сотни мегабит в секунду. На практике следует ориентироваться на типовую скорость передачи информации 300 Мбит/с для Х-диапазона, в будущем это ограничение можно уточнить и предположить возможность увеличения скорости передачи до 600 Мбит/с–1,2 Гбит/с при параллельной многоканальной передаче, а также при переходе в K-диапазон и использовании лазерных систем. Однако эти возможности систем передачи информации уже сейчас не согласуются с информационными возможностями некоторого количества много- и гиперспектральных систем ДЗЗ, и в будущем это различие не будет ослабевать. Поэтому необходим поиск путей согласования информационной производительности аппаратуры ДЗЗ с пропускной способностью радиоканалов передачи данных. Это становится возможным при сокращении избыточности зарегистрированных гиперспектральных данных наблюдения и снижении на этой основе объемов передаваемых с КА ДЗЗ данных [5].

Перспективы развития ДЗЗ в области многоспектральной и гиперспектральной аппаратуры. Увеличение объема данных

Повышение пространственного разрешения снимков современных ДЗЗ приводит к увеличению объемов данных, передаваемыч на наземные станции. Для соответствующего повышения скорости передачи информации в спутниковых радиолиниях систем ДЗЗ РФ, как минимум имеющих подобные параметры зарубежных аналогов в части разрешения снимков, но отстающих в части систем приемо-передачи, необходим анализ современных тенденций в области построения спутникового передающего оборудования и поиск перспективных методов построения высокоскоростной линии связи "космос–Земля".

Факторы, ограничивающие возможность повышения скорости передачи спутниковых данных, условно можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести длительность сеанса связи, особенности конструкции и компоновки космических аппаратов. Вторая группа параметров (применяемые сигнально-кодовые конструкции, рабочий диапазон частот и т.д.) определяются разработчиком аппаратуры связи.

Как говорилось ранее, один из способов увеличения скорости передачи данных – за счет передачи данных в X-диапазоне и K-диапазоне. Это эффективно, с точки зрения масштабов увеличения, но это требует изменения уже имеющихся КА (радиопередающей части) и на данный момент является затруднительным, в частности по причине нехватки элементной базы [2]. В спутниковых системах связи для достижения более высоких скоростей передачи информации повышают рабочие частоты радиолиний. Важно отметить, что повышение рабочей частоты спутниковой радиолинии приводит к увеличению потерь мощности при распространении сигнала, к необходимости учитывать ограничения по излучаемой мощности в каждом диапазоне[3]. Таким образом, нельзя ожидать пропорционального повышения скорости передачи данных с увеличением используемой полосы. Также это непременно ресурсозатратно - необходимо тщательное планирование, открытие НИР, ОКР.

В настоящее время выделяют несколько основных направлений, обеспечивающих повышение пропускной способности спутниковых радиолиний, применимых для систем ДЗЗ в основе которых лежит расширение используемой полосы частот, повышение эффективности использования частотного ресурса [8], повышение энергетики радиолинии. Но это приводит к возрастанию массогабаритных характеристик, к увеличению стоимости аппаратуры спутников ДЗЗ и ограничено международными регламентирующими документами.

Один из других способов – изменение протокола передачи данных, т.е. изменение структуры информации прерываемых данных – сжатие данных без потери информации. Как упоминалось ранее, в данный момент бурно развивается мультиспектральная и гиперспектральная аппаратура, что расширяет область исследований по реализации оптимальных методов кодирования подобных изображений из разных спектров. Протоколы передачи данных обеспечивают последовательную передачу данных из разных спектральных каналов, т.е. передача данных из каждого спектрального канала непосредственно друг за другом.

Стоит учитывать, что для мультиспектральных дистанционно воспринимаемых изображений также должна существовать межполосная избыточность из-за аналогичного отражения, получаемого от объектов для соседних полос. Также, с интуитивной точки зрения, тот факт, что объекты во всех диапазонах имеют одни и те же границы, должен привести к значительным спектральным зависимостям, что делает сжатие мультиспектральных изображений возможным. [1, 12].

Заключение

Таким образом, в процессе анализа возможностей наземных комплексов приема и обработки данных операторов российских космических средств ДЗЗ, плана развития космических систем ДЗЗ РФ, возможностей существующих систем передачи многоспектральных и гиперспектральных данных был сделан вывод об актуальности анализа алгоритмов сжатия данных получаемых от многозональных сканирующих устройств области космических исследований дистанционного зондирования Земли. Исследования в данной области достаточно актуальны в современном мире, что обуславливается перспективами развития космических систем ДЗЗ и сопоставлением данной информации с возможным уровнем технического развития систем ДЗЗ.

Список литературы

  1. Аншаков Г. П., Журавель Ю. Н., Федосеев Ф. А. Эффективность использования мультиспектральных и гиперспектральных данных дистанционного зондирования в задачах мониторинга окружающей среды // Вестник СГАУ. 2013. №4 (42). – C. 38-48.
  2. Бахтин А.А., Омельянчук Е.В., Семенова А.Ю. Анализ современных возможностей организации сверхвысокоскоростных спутниковых радиолиний./ Бахтин А.А., Омельянчук Е.В., Семенова А.Ю. //Труды МАИ. – 2017. - № 96, с. 1-18.
  3. Бахтин А.А., Омельянчук Е.В., Семенова А.Ю. Анализ технических характеристик, ограничивающих пропускную способность радиолинии Космос-Земля/ Бахтин А.А., Омельянчук Е.В., Семенова // VIII Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Сборник трудов. Москва, 2014 - С. 145-149.
  4. Гершензон В. Е., Кучейко А. А. Стандартизация оборудования станций приема данных дистанционного зондирования Земли // Пространственные данные. 2006. № 1. - С. 33–43.
  5. Мальцев Г.Н., Козинов И.А. Передача гиперспектральных видеоданных дистанционного зондирования Земли по радиоканалам с ограниченной пропускной способностью / Мальцев Г.Н., Козинов И.А. // Информационно-управляющие системы. 2016. №2 (81), 2016 – С.74-83.
  6. Мальцев Г. Н. Современное состояние и перспективы развития многофункциональной космической системы ретрансляции / Мальцев Г. Н. // Изв. ГУАП. Аэрокосмическое приборостроение. Вып. 4. 2013. - С. 13–18
  7. Носенко Ю. И., Лошкарев П. А. Единая территориально-распределенная информационная система дистанционного зондирования Земли — проблемы, решения, перспективы. Ч. 1/ Носенко Ю. И., Лошкарев П. А. // Геоматика. 2010. № 3. - С. 35–43.
  8. Седунов Д.П., Привалов Д.Д. Повышение пропускной способности спутниковых радиолиний/ Седунов Д.П., Привалов Д.Д // Проблемы науки. 2016. № 6 (7). - С. 9-11.
  9. Толмачева Н.И., Шкляева Л.С.. Космические методы экологического мониторинга: учеб. пособие / Н.И. Толмачева, Л.С. Шкляева; Перм. ун-т.- Пермь, 2006.- 296 с.
  10. Шевчук Р. Б. Комплексы приема информации с российских спутников дистанционного зондирования Земли / Шевчук Р. Б. // Геоматика. 2012. № 2. - С. 66–76.
  11. Шокин Ю.И., Добрецов Н.Н., Кихтенко В.А., Смирнов В.В., Чубаров Д.Л., Чубаров Л.Б. О распределенной инфраструктуре системы оперативного спутникового мониторинга ЦКП ДДЗ СО РАН / Шокин Ю.И., Добрецов Н.Н., Кихтенко В.А., Смирнов В.В., Чубаров Д.Л., Чубаров Л.Б. // Вычислительные технологии. 2013. - С. 86-94.
  12. Kai Xu,Hiroshi Okayama,Koji Kajiwara. Study on Lossless Compression of Multispectral Remote Sensing Images/ 13th Asian Conference on Remote Sensing (ACRS) was held on October 7-11, Ulaanbaatar, Mongolia, 1992.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail