Обработка изображений с метеорологических спутников

В сети открытых наземных исследовательских комплексов станций в тестовом режиме появилась прошивка с интеграцией программы Satdump (пример фотографий с такой обработкой). Она предоставляет возможность обрабатывать наблюдения с метеоспутников в автоматическом режиме. О том, для каких спутников она предназначена и как происходит обработка – в этой статье.

Одни из популярных метеорологических спутников – спутники серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) – космические аппараты национального управления океанических и атмосферных исследований. Они запущены на полярные солнечно-синхронные круговые орбиты (орбиты, на которых спутник проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время) высотой около 850 км.

• NOAA-15 запущен 13 мая 1998 г.
• NOAA-18 запущен 20 мая 2005 г.
• NOAA-19 запущен 6 февраля 2009 г.

Спутники NOAA собирают глобальные данные об облачности, поверхностных условиях, таких как лёд, снег и растительность, температуре атмосферы, распределении влаги, аэрозолей и озона.

Изображения с метеорологических спутников серии NOAA (с разрешением 4 км/пиксель и разрядностью 8 бит) получаются сжатием изображений с AVHRR (advanced very high resolution radiometer – усовершенствованный радиометр с очень высоким разрешением). Перед передачей снимки геометрически корректируются, то есть они избавляются от искажений, вызванных кривизной Земли.

Метеорологические спутники серии NOAA передают изображения в режиме APT (automatic picture transmission – автоматическая передача изображений) по двум каналам: в видимом спектре и инфракрасном (ночью – 2 инфракрасных, днём – 1 видимый и 1 инфракрасный). В APT космический аппарат передаёт непрерывную ленту изображения местности, над которой пролетает. Так как спутник имеет всего 2 спектральных канала, изображение получается чёрно-белым. Полноценное же окрашивание снимка производится при постобработке.

Окрашивание осуществляется на основе спектрограммы, пример которой изображён ниже.

По оси x отложено время, по оси y – амплитуда. Синяя ломанная представляет собой тоновый сигнал частотой 2400 Гц. Его амплитуда меняется в зависимости от передаваемого цвета для каждого отдельного пикселя изображения. Для чёрного пикселя амплитуда сигнала равняется нулю (например, в точке «0» на графике), а для белого – 10.000 (стоит учитывать, что значение 10.000 характерно для данного графика, но может быть не характерно для другой спектрограммы – всё зависит от разряда единиц измерения. Всего может быть 256 градаций серого, а условное значение пика амплитуды выбирается исходя из удобства). Все остальные значения, лежащие в промежутке от 0 до 10.000 представляют собой градацию серого (чем «больше» амплитуда, то есть чем больше значение y, тем более светлый оттенок серого, и наоборот, чем значение y ближе к нулю, тем оттенок серого темнее). Оранжевая линия – наложение на спектрограмму специального фильтра (фильтр Гильберта). Данная ломанная показывает изменение цветов (от чёрного к белому) и как бы обобщает информацию о высотах амплитуды каждого отдельного пикселя изображения, демонстрируя резкие переходы амплитуды из одного состояния в другое. 

Видео процесса декодирования изображения с NOAA.

Затем чёрно-белые снимки раскрашивают в «ложные» цвета с помощью CLUT-маски. На картинке ниже хорошо проиллюстрированы этапы получения разноцветного изображения. 

Как маска различает воду от суши? Сравнивая изображение в видимом спектре и «окрашенное», можно догадаться, что самые тёмные участки чёрно-белого снимка, – это водные пространства нашей планеты. CLUT-маска окрашивает их в синие оттенки. Белые и светло-серые участки (стремящиеся к белизне) – это облака. Их CLUT-маска окрашивает в светлые оттенки. Всё остальное – это суша (на чёрно-белом снимке эти участки не такие тёмные, как моря и океаны, но и не такие чистые, как облака). Для них CLUT-маска использует зелёные и коричневые оттенки.

Стоит также отметить, что при постобработке снимка возможно наложение координатной сетки, линий побережий, границ государства и прочих ориентиров за счёт знания положения спутника в конкретный момент времени (в программе, производящей обработку снимков, заложена сетка, которая представляет собой ориентиры всех государств; в процессе обработки из неё «вырезается» кусок той местности, над которой как раз-таки и пролетал спутник в определённый момент времени).

Напоминаем, что станции Геоскана в СОНИКС хоть и принимают данные спутники, но рассчитаны на диапазон 430 МГц, поэтому качество принимаемых данных может быть хуже. Для получения снимков в лучшем качестве вы можете сделать антенну на нужный диапазон самостоятельно. Например, инструкция есть здесь.

Для более подробного знакомства с принципами получения и обработки данных с аппаратов ДЗЗ и метеорологических спутников рекомендуем данное учебное пособие.