Учебно-исследовательская лаборатория геоинформационных технологий и обработки данных ДЗЗ

В. Г. Коберниченко

Научно-технические достижения конца XX – начала XXI века в области создания и развития космических систем, технологий получения, обработки и интерпретации получаемых данных многократно расширили круг задач, решаемых с помощью дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Данные космических съемок стали доступны широкому кругу пользователей и активно применяются не только в научных, но и производственных целях. В этих условиях возникла проблема обеспечения рынка квалифицированными специалистами, знакомыми со всеми этапами технологии обработки и применения данных ДЗЗ.

При реализации инновационной  образовательной программы Уральского государственного технического университета — УПИ в 2007–2008 гг. в рамках научно-образовательного центра информационно-телекоммуникационных систем и технологий Радиотехнического института — РТФ создана межкафедральная  учебно-исследовательская лаборатория геоинформационных технологий и обработки данных ДЗЗ. Лаборатория обеспечивает учебный процесс по специализации «Радиоэлектронные системы дистанционного мониторинга»,  а также проведение научных исследований по применению данных космического дистанционного зондирования Земли для решения различных задач и разработке информационно-аналитических систем на основе геоинформационных технологий.

Лаборатория оснащена следующим специальным оборудованием и средствами вычислительной техники (рис. 1): 20 персональных компьютеров с мониторами 19 дюймов и источниками бесперебойного питания, цветной лазерный принтер А3, 2 цветных лазерных принтера А4,  2 черно-белых лазерных принтера, 2 сканера, 4 ноутбука для организации мобильных рабочих мест преподавателей, 6 навигаторов (GPS – приемников).

ris_1_web
Рис. 1. Лаборатория геоинформационных технологий и обработки данных ДЗЗ

 

Для работы с данными используется  следующее специализированное программное обеспечение:

  • Геоинформационные (ГИС) приложения: ArcGis ArcView со специализированными модулями геостатистического анализа, 3D моделирования и пространственного анализа и MicroStation (сетевая версия).
  • Программные комплексы обработки данных ДЗЗ: ENVI5 с модулями обработки космических радиолокационных изображений SARscape Basic и SARscape InSAR; ERDAS Imagine, ScanEX Image Processor, Scan NeRIS.

Шесть преподавателей кафедр теоретических основ радиотехники и автоматизированных систем управления прошли обучение у поставщиков программного обеспечения по темам: «Использование программного комплекса ENVI для анализа и обработки данных дистанционного зондирования»,  «Вводный курс обучения программным продуктам MicroStation V8 XM Edition для задач картографирования и геоинформатики», «Введение в ERDAS Imagine».

Установленное специализированное программное обеспечение включает набор инструментов для проведения полного цикла обработки данных от ортотрансформирования и пространственной привязки изображения до получения необходимой информации и её интеграции с данными ГИС. По оснащению самым современным специализированным программным обеспечением созданная лаборатория не имеет аналогов в Уральском федеральном округе.

В лаборатории запланировано  выполнение исследований аспирантами, проведение занятий с магистрами, обучающимися по направлению «Радиотехника» в рамках разработанной новой программы подготовки «Обработка сигналов и изображений в радиоэлектронных системах», и  студентами специализации «Радиоэлектронные системы дистанционного мониторинга» по дисциплине «Принципы построения и обработка сигналов в радиоэлектронных системах дистанционного мониторинга», выполняется учебно-исследовательская работа и дипломное проектирование.

Для методического обеспечения  проведения занятий и выполнения исследований разработаны два учебно-методических комплекса: «Радиоэлектронные системы дистанционного мониторинга» и «Учебно-исследовательская работа студентов». Разработаны 8 лабораторных работ, посвященных методам обработки данных дистанционного зондирования Земли с использованием установленных программных комплексов ENVI 4.5 и ERDAS Imagine специализации «Радиоэлектронные системы дистанционного мониторинга» по дисциплинам «Принципы построения и обработка сигналов в радиоэлектронных системах дистанционного мониторинга».

В рамках практических и лабораторных занятий вырабатываются навыки по решению всего круга задач  цифровой обработки изображений, получаемых в системах ДЗЗ:

  • Устранение радиометрических и геометрических искажений, координатная привязка и трансформирование в заданную проекцию.
  • Улучшение изображений (подавление шумов, фильтрация, подчеркивание границ, изменение яркостных и контрастных характеристик, включая гистограммные преобразования).
  • Объединение данных, полученных в различных спектральных диапазонах без снижения разрешающей способности (на основе различных методов слияния изображений).
  • Выделение вторичных дешифровочных признаков (анализ главных компонент, расчет вегетационных индексов, преобразование Томаса-Каунта, фрактальный анализ, анализ текстур).
  • Тематическая обработка снимков, автоматическое дешифрирование и идентификация природных и природно-технических объектов (формирование мозаик или цветокодированных изображений, неконтролируемая классификация – кластерный анализ, контролируемая классификация — с обучением, обнаружение объектов заданной формы — линеаментный анализ, кольцевые структуры).

В учебно-исследовательской лаборатории геоинформационных технологий и обработки данных дистанционного зондирования Земли студенты выполняют экспериментальные разделы практической части УИРС, предусматривающей выполнение реального научного исследования или инженерной разработки под руководством преподавателя – руководителя. Примерная тематика выполняемых исследований:

  • Исследование режимов обработки данных космических радиолокаторов с синтезированной апертурой (интерферометрического, стереоскопического, телескопического, методов автофокусировки).
  • Анализ методов фильтрации спекл-шумов на радиолокационных изображениях.
  • Анализ методов классификации изображений, реализованных в программном комплексе для обработки данных дистанционного зондирования Земли ENVI 4.5.
  • Исследование возможностей обработки радиолокационных сигналов и изображений с использованием модулей SARscape Basic и  SARscape InSAR.
  • Анализ методов кластеризации изображений в программном комплексе обработки данных ДЗЗ  ERDAS 9.
  • Исследование методов обработки радиолокационных сигналов и изображений  в модуле RADAR программного комплекса обработки данных ДЗЗ  ERDAS 9.
  • Исследование методов слияния изображений в программном комплексе обработки данных ДЗЗ  ScanEx Image Processor v. 2.0.
  • Классификация изображений на основе нейросетевых методов в программном комплексе ScanEx NeRIS v. 4.0.

В плане внедрения инноваций заключено соглашение о партнерстве с компанией «Совзонд» с целью организации на базе УГТУ-УПИ научно-образовательного центра по обучению использованию программного комплекса ENVI и его дополнительных модулей SARscape для обработки данных ДЗЗ.

В процессе апробации программного обеспечения выполнена  НИР «Разработка методических рекомендаций по созданию ортофотопланов по космическим радиолокационным изображениям» (заказчик — Госцентр «Природа», г. Москва). В настоящее время в лаборатории выполняется НИР  «Исследование и  разработка алгоритмов обработки данных мультиспектральных и радиолокационных систем космического дистанционного зондирования»,  работают 2 аспиранта.

По результатам научных исследований, выполненных в лаборатории,  сделано 3 доклада на Международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, сентябрь 2008 г.) и два доклада на Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, Институт космических исследований РАН, 2008 и 2009 гг.).

Программно-аппаратное оснащение лаборатории и разработанное учебно-методическое обеспечение позволяют реализовывать различные услуги по подготовке и повышению квалификации специалистов и проведению научных исследований по применению данных космического дистанционного зондирования Земли для решения различных задач и разработке информационно-аналитических систем на основе геоинформационных технологий.

Предлагаемые услуги по подготовке и повышению квалификации специалистов и проведению научных исследований по применению данных космического дистанционного зондирования Земли для решения различных задач и разработке информационно-аналитических систем на основе геоинформационных технологий:

  • Индивидуальное и групповое обучение методам обработки данных дистанционного зондирования Земли при решении различных прикладных задач (курсы повышения квалификации с выдачей удостоверения государственного образца).
  • Предоставление учебно-методического обеспечения для преподавателей вузов, ведущих подготовку по дисциплинам «Геоинформационные системы», «Цифровая обработка изображений», «Основы дистанционного зондирования» и др.
  • Разработка методик обработки космических спектрозональных и радиолокационных изображений при решении различных тематических задач и создании геоинформационных систем на их основе (обновление цифровых топографических карт, экологический мониторинг, обнаружение и оценка последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, учет ресурсов земель сельскохозяйственного назначения и т. п.).
  • Оказание научно-технических консультаций по созданию тематических карт и геоинформационных систем на основе данных дистанционного зондирования Земли.
  • Выполнение совместных научно-исследовательских работ.

Комментарии