Спосіб аналізу інформативних даних багатоспектральних знімків земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств

Реферат: Спосіб аналізу інформативних даних багатоспектральних знімків земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств, згідно з яким, з прийнятого сигналу супутникової телеметрії нульового рівня послідовно формують багатоспектральні знімки (БЗ) земної поверхні, після отримання різних за часом і простором БЗ та апріорних даних до них відбирають робочі знімки, які коректують відносно апріорних даних та значення інтенсивності випромінювання Сонця по інформативних спектральних каналах, з отриманих вихідних знімків виділяють значення відбивної здатності, які для кожного з пікселів, що накривають район робочого знімка, де знаходиться об'єкт, за яким проводиться спостереження, складають у криві спектральної відбивної здатності. До початку прийому сигналу супутникової телеметрії визначають виробничі дані. З отриманням виробничих даних їх значення порівнюють із даними спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері та визначають такі ділянки довжин хвиль, для яких молекулярне поглинання буде найбільшим. Отримавши ділянки поглинання й використовуючи дані тактико-технічних характеристик цільової апаратури космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні, з усіх наявних у ньому спектральних каналів відбирають лише інформативні спектральні канали. Перед відбором робочих знімків після того, як сформують БЗ земної поверхні, з них виділяють апріорні дані, далі після того як будуть отримані криві спектральної відбивної здатності, їх фільтрують відносно впливу фону місцевості і виділяють рівень вмісту хімічних сполук в атмосфері. Отримане значення порівнюють із значенням порогу, на основі якого роблять висновок про стан об'єкта. UA 114389 U (12) UA 114389 U UA 114389 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до науково-технічного напрямку цифрового оброблення та аналізу аерокосмічних зображень і може бути використана для тематичного дешифрування даних багатоспектральних зображень космічної зйомки в інтересах економічного розвитку України, національної безпеки та оборони. Виявлення змін є процесом ідентифікації відмінностей у стані об'єкта чи явища за допомогою спостереження за ним у різні моменти часу. З розвитком технології спостереження за Землею стало доступним динамічне дистанційне зондування, що надає різночасові дані про одні й ті самі ділянки з визначеним набором інформативних параметрів, які й надалі продовжують покращуватися щодо просторової і спектральної роздільної здатності. У результаті багатоспектральної зйомки з навколоземного простору з'явилися можливості із вирішення ряду глобальних завдань: послідовний контроль ландшафтних умов щодо зміни земельного покриву, моніторинг екосистем, розширення міст, управління наземними ресурсами, проведення розвідки на нових принципах, оцінювання тактичних властивостей місцевості та наслідків стихійних лих. У цьому контексті для належного і своєчасного отримання динамічних даних різночасового дистанційного зондування важливим і необхідним є розвиток методів виявлення змін на земній поверхні з метою визначення станів (робочий/неробочий) цільових стаціонарних об'єктів. Найбільш близьким способом, вибраним як прототип, є спосіб виявлення аномалій у мультиспектральних і гіперспектральних зображеннях з використанням нормальної композиційної моделі [1]. У способі-прототипі, який поданий у патенті [1], необхідна інформація для виявлення та розпізнавання об'єктів на гіперспектральних зображеннях формується шляхом кореляційного аналізу сигналів зображення. В основі даного підходу лежить припущення, що розподіли сигналів об'єктів і фону підкоряються нормальному закону, у результаті цього будуються відповідні моделі, а вже за їх аналізом приймаються відповідні рішення щодо стану та змін об'єктів, які розглядаються. Відповідно у способі-прототипі, як і в заявленому способі, з прийнятого сигналу супутникової телеметрії нульового рівня послідовно формують багатоспектральні знімки (БЗ) земної поверхні, після отримання різних за часом і простором БЗ та апріорних даних до них відбирають робочі знімки, які коректують відносно апріорних даних та значення інтенсивності випромінювання Сонця по інформативних спектральних каналах, з отриманих вихідних знімків виділяють значення відбивної здатності, які для кожного з пікселів, що накривають район робочого знімка, де знаходиться об'єкт, за яким проводиться спостереження, складають у криві спектральної відбивної здатності. Позитивною рисою цього способу є обробка багатоспектральних даних нульового рівня з проведенням їх атмосферної корекції, що дозволяє аналізувати різні за часом та простором космічні знімки, якісно ідентифікувати захмарені ділянки знімка за окремими показниками профілю атмосфери. Але на відміну від способу, що пропонується, у способі-прототипі апріорні дані, які застосовують для обробки БЗ, отримують паралельно з прийомом сигналу супутникової телеметрії з локальних наземних метеостанцій. При цьому апріорні дані повинні містити в собі інформацію про параметри оптико-метеорологічного стану атмосфери на момент часу, коли проводилась багатоспектральна зйомка земної поверхні з космічного апарата навколоземного базування. Робочі знімки коректують саме відносно таких апріорних даних, а вибір інформативних спектральних каналів з усієї їх сукупності БЗ не проводиться, у результаті цього для обробки знімка в такий спосіб використовуються всі наявні в робочому знімку спектральні канали. Після отримання кривих спектральної відбивної здатності конструюють моделі стану об'єкта без урахування фону місцевості і саме таку модель порівнюють з еталонною моделлю, на основі чого робиться висновок про стан об'єкта (робочий/неробочий). Таким чином, недоліками способу [1] є складність використаних статистичних моделей і низька точність визначення стану об'єкта у випадках, коли спектральні властивості об'єктів і фону достатньо близькі. При обробці спектральних даних додатково необхідні апріорні данні на момент космічної зйомки про параметри оптико-метеорологічного стану атмосфери з локальних наземних метеостанцій, доступ до яких не завжди є. Одноманітність підходу щодо аналізу багатоспектральних даних, при розгляді різних за своїм призначенням та виробництвом стаціонарних наземних об'єктів, що може призвести до прийняття хибного рішення (робочий/неробочий) при визначенні стану об'єкта, за яким проводиться спостереження. Спосіб [1] можна використовувати лише в стандартних ситуаціях, коли атмосфера безхмарна. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу аналізу інформативних даних БЗ земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств, щоб забезпечити високу оперативність обробки даних багатоспектральних зображень космічної зйомки та високу достовірність визначення стану (робочий/неробочий) хімічного підприємства. 1 UA 114389 U 5 10 15 20 25 Поставлена задача вирішується тим, що в способі аналізу інформативних даних БЗ земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств, згідно з яким з прийнятого сигналу супутникової телеметрії нульового рівня послідовно формують БЗ земної поверхні, після отримання різних за часом і простором БЗ та апріорних даних до них відбирають робочі знімки, які коректують відносно апріорних даних та значення інтенсивності випромінювання Сонця по інформативних спектральних каналах, з отриманих вихідних знімків виділяють значення відбивної здатності, які для кожного з пікселів, що накривають район робочого знімка, де знаходиться об'єкт, за яким проводиться спостереження, складають у криві спектральної відбивної здатності, згідно з винаходом, який відрізняється тим, що до початку прийому сигналу супутникової телеметрії визначають виробничі дані, з отриманням виробничих даних їх значення порівнюють із даними спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері та визначають такі ділянки довжин хвиль, для яких молекулярне поглинання буде найбільшим, отримавши ділянки поглинання й використовуючи дані тактикотехнічних характеристик цільової апаратури космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні, з усіх наявних у ньому спектральних каналів відбирають лише інформативні спектральні канали, перед відбором робочих знімків після того, як сформують БЗ земної поверхні, з них виділяють апріорні дані, далі після того, як будуть отримані криві спектральної відбивної здатності, їх фільтрують відносно впливу фону місцевості і виділяють рівень вмісту хімічних сполук в атмосфері, після цього отримане значення порівнюють із значенням порогу, на основі якого роблять висновок про стан об'єкта. Фізична основа запропонованого підходу щодо оцінювання стану окремого наземного об'єкта спостереження включає використання рівняння переносу випромінювання в атмосфері (1) з відповідним урахуванням неоднорідних факторів відбиття, а саме: кута спостереження цільовою апаратурою космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні, зенітний кут Сонця, висоту польоту супутника, просторову і спектральну розрізненість кожного каналу тощо: I  I( xy)  Iat  Ir  IR( xy)  IbS , (1) де I - інтенсивність випромінювання в одному пікселі БЗ на апаратно зафіксованій частоті ; 30 35 40 45 50 I( xy) - випромінювання поверхні, яка спостерігається цільовою апаратурою космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні (це найбільш інформативна частина, яка здебільшого підлягає пошуку); Iat - випромінювання атмосфери, фотометричні параметри якої вносять найбільші викривлення інформації про об'єкт, за яким проводиться спостереження; Ir - розсіяне випромінювання; IR( xy) - величина інтенсивності перевипромінення від поверхні, яка спостерігається цільовою апаратурою космічного апарата; IbS - викривлення зумовлені висотою польоту супутника та кута бокового огляду, що може сприяти впливу розсіяного випромінювання оточуючого середовища з урахуванням зенітного кута Сонця. Враховуючи розмірність супутникових даних вираженими гігабайтами та використання рівняння переносу випромінювання, в атмосфері до тієї кількості пікселів, які є в одному БЗ, вказує на низьку продуктивність обробки таких даних. Відповідно для повного оцінювання того чи іншого об'єкта в різних атмосферних ситуаціях, необхідна своя комбінація чи маніпуляція наявними в цільовій апаратурі космічного апарата спектральними каналами. Зменшення кількості спектральних каналів із БЗ, які в основному будуть використовуватись для обробки даних, дозволить підвищити швидкість обробки такої інформації. Для того, аби не втратити корисну інформацію при виборі інформативних спектральних каналів з усіх наявних у БЗ каналів, а, навпаки, підвищити достовірність визначення стану об'єкта, за яким проводиться спостереження, у запропонованому способі передбачено процес визначення виробничих даних. Такі дані містять інформацію про особливості виробництва, а саме: склад основних хімічних речовин  j , де j  12,,h , a h - кількість хімічних речовин, , особливо тих, які можуть викидатися в атмосферу в результаті виробничого циклу, та сам кінцевий продукт, що виготовляється на об'єкті, за яким проводитиметься спостереження. Саме на основі виробничих даних та спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері   f  j,  j , де  j - оптична товщина атмосфери (схематично приклад такої бази знань показано на кресленні), визначають такі ділянки довжин хвиль, для яких молекулярне поглинання буде найбільшим. Виявлення такого поглинання на БЗ в  55  2 UA 114389 U заданому районі дає змогу достовірно робити висновок про роботу стаціонарного об'єкта, за яким проводиться спостереження. Безпосереднє виявлення поглинання проводиться через оцінювання значення коефіцієнта складного зонального відношення Q для кожного елемента зображення (пікселя) за формулою: n Q   ii / i 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 m  k k , (2) k 1 де ii - значення яскравості у тих діапазонах довжин хвиль (апаратно зафіксованих), на яких має бути найбільше молекулярне поглинання основної хімічної речовини, яка викидається в атмосферу у результаті виробничого циклу хімічного підприємства (переважною більшістю це спектральні канали БЗ у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні); k k - значення яскравості у тих діапазонах довжин хвиль (апаратно зафіксованих), на яких має бути теплова аномалія від виробництва (переважною більшістю це спектральні канали БЗ у червоному діапазоні). Таким чином, запропонована корисна модель, а саме спосіб аналізу інформативних даних БЗ земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств із наведених вище умов, забезпечує підвищення оперативності обробки даних багатоспектральних зображень космічної зйомки та високу достовірність визначення стану хімічного підприємства. Заявлений спосіб аналізу інформативних даних багатоспектральних знімків земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств виконують у такій послідовності: 1. До початку прийому сигналу супутникової телеметрії визначають виробничі дані  j . 2. З отриманням виробничих даних їх значення порівнюють із даними спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері  та визначають такі ділянки довжин хвиль, для яких молекулярне поглинання буде найбільшим. 3. Отримавши ділянки поглинання й використовуючи дані тактико-технічних характеристик цільової апаратури космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні, з усіх наявних у ньому спектральних каналів, відбирають лише інформативні спектральні канали. 4. З прийнятого сигналу супутникової телеметрії нульового рівня, послідовно формують БЗ земної поверхні. 5. З багатоспектральних знімків земної поверхні виділяють апріорні дані Y , що містять інформацію про: маску хмарності, вертикальні профілі метеопараметрів атмосфери, інтегральні значення її вологості, оптичні характеристики аерозолю. 6. Після отримання різних за часом і простором БЗ та апріорних даних до них відбирають робочі знімки. Вони не містять випадків водних пікселів та пікселів з щільною хмарністю, але при цьому накривають наземний об'єкт, за яким проводиться спостереження. 7. Робочі знімки коректують відносно апріорних даних Y та значення інтенсивності випромінювання Сонця I по інформативних спектральних каналах. 8. З отриманих вихідних знімків виділяють значення відбивної здатності, які для кожного з пікселів, що накривають район робочого знімка, де знаходиться об'єкт, за яким проводиться спостереження, складають у криві спектральної відбивної здатності. 9. Отримані криві спектральної відбивної здатності фільтрують відносно впливу фону місцевості і виділяють рівень вмісту хімічних сполук в атмосфері за виразом (2), після цього отримане значення порівнюють із значенням порогу, на основі якого роблять висновок про стан об'єкта. Експериментальне підтвердження Експериментальна перевірка проведена для заводу хімічної промисловості з виробництва міндобрив "РовноАзот" на прикладі одного з синтезованих зображень даних архівної багатоспектральної зйомки космічного апарату TERRA (MODIS), що зроблена з роздільною здатністю до 500 м для території Ровенської області станом на 12 квітня 2016 року в момент роботи об'єкта, за яким проводиться спостереження. Для географічної прив'язки знімка та спектрального аналізу інформативних даних БЗ використовувався програмний комплекс ENVI, розроблений організацією ITT Visual Information Solutions. За перерахованих вище умов район вибраного стаціонарного об'єкта на БЗ був накритий дев'ятьма пікселями. Для визначення якості функціонування способу, запропонованого в корисній моделі, результати обробки даних архівної багатоспектральної зйомки у вигляді оціненого відносно порогу значення коефіцієнта складного зонального відношення Q в усіх дев'яти пікселях було порівняно з результатами обробки даних, згідно зі способом-прототипом, у вигляді оціненого коефіцієнта кореляції r між моделлю стану хімічного заводу в тих же дев'яти пікселях та 3 UA 114389 U 5 10 еталонною моделлю, яка характеризує робочий стан хімічного об'єкта. Отримані результати наведені в табл. Основною особливістю при застосуванні запропонованого способу було визначення інформативних спектральних каналів з усієї наявної в БЗ їх сукупності, що для TERRA (MODIS) становить тридцять шість спектральних каналів. Відповідно на основі виробничих даних, а для "РовноАзот" це є молекули N2О й СО2, які відповідно до спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері (креслення) лежать на ділянках довжин хвиль: 1,95-2,1 мкм, 2,7 мкм, 3,9-4,5 мкм, 4,9 мкм, 7,7 мкм, 10,4 мкм, 15 мкм, - що відносно тактико-технічних характеристик космічного апарата TERRA (MODIS) лежать в 6, 7, 20-25, 28, 30, 36 каналах. Таблиця Спосіб, за яким проводиться обробка даних БЗ Кількість пікселів з БЗ, що накривають об'єкт, за яким проводиться спостереження 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,23 0,14 0,37 0,58 0,41 0,16 0,18 0,24 0,09 спосібпрототип з rпорог  0,55 r стан вважати робочим при нероб. нероб. нероб. роб. r  rпорог заявлений спосіб з Qпорог  0,55 час обробки 0,18 0,67 Q стан вважати робочим при нероб. роб. Q  Qпорог 0,59 роб. час обробки 15 20 0,83 роб. нероб. нероб. нероб. нероб. нероб. 144 хв. 0,74 роб. 0,57 роб. 0,62 роб. 0,29 0,31 нероб. нероб. 36 хв. Аналіз поданих результатів (дивись табл.) показує, що ймовірність правильного визначення стану об'єкта, за яким проводиться спостереження згідно із заявленим способом, вища, ніж у способі-прототипі, при цьому оперативність обробки даних для даного прикладу в 4 рази краща у заявленому способі порівняно із прототипом. Джерела інформації: 1. Patent № 7,263,226 United States, International Classes: G06K 9/46; G06K 9/66. Method and system for detecting anomalies in multispectral and hyperspectral imagery employing the normal compositional model / Stein D.W. - Publication Date: 08/28/2007. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 Спосіб аналізу інформативних даних багатоспектральних знімків земної поверхні з космосу для визначення стану хімічних підприємств, згідно з яким, з прийнятого сигналу супутникової телеметрії нульового рівня послідовно формують багатоспектральні знімки (БЗ) земної поверхні, після отримання різних за часом і простором БЗ та апріорних даних до них відбирають робочі знімки, які коректують відносно апріорних даних та значення інтенсивності випромінювання Сонця по інформативних спектральних каналах, з отриманих вихідних знімків виділяють значення відбивної здатності, які для кожного з пікселів, що накривають район робочого знімка, де знаходиться об'єкт, за яким проводиться спостереження, складають у криві спектральної відбивної здатності, який відрізняється тим, що до початку прийому сигналу супутникової телеметрії визначають виробничі дані, з отриманням виробничих даних їх значення порівнюють із даними спеціалізованої бази знань основних ліній молекулярного поглинання в земній атмосфері та визначають такі ділянки довжин хвиль, для яких молекулярне поглинання буде найбільшим, отримавши ділянки поглинання й використовуючи дані тактикотехнічних характеристик цільової апаратури космічного апарата, який проводить БЗ земної поверхні, з усіх наявних у ньому спектральних каналів відбирають лише інформативні спектральні канали, перед відбором робочих знімків після того, як сформують БЗ земної поверхні, з них виділяють апріорні дані, далі після того, як будуть отримані криві спектральної відбивної здатності, їх фільтрують відносно впливу фону місцевості і виділяють рівень вмісту хімічних сполук в атмосфері, після цього отримане значення порівнюють із значенням порогу, на основі якого роблять висновок про стан об'єкта. 4 UA 114389 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5