23 Технологии Создание тепловой карты высокодетальной съемки за 2018 год на портале «Каталог космоснимков» Михаил Потанин Руководитель Департамента геоинформационных и веб-технологий ГК «СКАНЭКС» Более 11 лет назад группой компаний «СКАНЭКС» было представлено общедоступное веб-приложение «Каталог космоснимков», https:// search.kosmosnimki.ru. С каждым годом приложение приобретает все большую популярность среди пользователей. В прошлом году рабочая группа проекта модернизировала сервис, дополнив его тепловой картой высокодетальной съемки 2018 г. Статья посвящена процессу создания карты, отвечает на вопрос о ее необходимости и прогнозирует возможности создания тепловой карты высокодетальных снимков на 2019 г. Каталог космоснимков (search.kosmosnimki.ru) Веб-приложение «Каталог космоснимков», https://search. kosmosnimki.ru (далее — сокращенно «Каталог») представляет собой информационный сервис, служащий агрегатором метаданных ведущих мировых коммерческих программ космической оптической съемки, в том числе и метаданных отечественных спутников серий Ресурс-П и Канопус-В. Каталог был запущен компанией «СКАНЭКС» в 2007 г., с момента начала дистрибуции данных высокого разрешения Ikonos и QuickBird на территории России. На данный момент приложение служит главным инструментом подбора данных для коммерческих заказчиков космосъемки и для производственных (тематических) проектов компании «СКАНЭКС». Также в техническую поддержку обращаются пользователи, использующие Каталог в качестве открытого информационного сервиса, например, для оценки качества алгоритмов определения ледовой обстановки по данным MODIS в акваториях на Дальнем Востоке РФ. Несмотря на то, что дистрибуцией космических снимков компания «СКАНЭКС» занимается только для российских заказчиков, «Каталог космоснимков» стал базой метаданных с глобальным покрытием на весь мир. Такая возможность возникла благодаря двум немаловажным процессам. Один из них — сотрудничество с компанией «Яндекс» по созданию 24 1 Рис. 1. Фрагмент квиклука GeoEye-1, 24.12.2018 г. Ледовая обстановка в районе моста «Русский», г. Владивосток, © DigitalGlobe, Inc. All Rights Reserved 2018 2 Рис. 2. Снимок КА WorldView-4, детальность — 0,3 м/пк, © DigitalGlobe, Inc. All Rights Reserved 2017 3 Рис. 3. Снимок КА WorldView-3, детальность 0,5 м/пк, © DigitalGlobe, Inc. All Rights Reserved 2017 подложки «Спутник» для сервиса Яндекс.Карты, охватывающей практически всю площадь суши земного шара. Другой процесс — это творческий интерес разработчиков к созданию глобального информационного ресурса. Итог плодотворной работы говорит сам за себя: база данных Каталога содержит метаданные космосъемки с 1999 г. (снимки со спутника Ikonos) по 2018 г., общее количество записей — более 50 миллионов, база ежедневно пополняется более 20 тысячами записей. Алгоритм поиска, используемый в Каталоге, описан в статье «3 сюжета по веб-геоинформационным технологиям» («Земля из космоса» № 9(25), http://www.zikj.ru/ images/25/9.pdf). Мотивация исследования Прошедшие несколько лет подтверждают гипотезу о том, что будущее в отрасли ДЗЗ видится в переходе от поставок отдельных снимков/покрытий на участок территории к сервисам подписок на обновляемые данные и в развитии автоматических аналитических сервисов, использующих высокочастотную обновляемую съемку для извлечения полезной информации. Базой для этого тренда служат новые съемочные системы, обеспечивающие гораздо более высокую частоту съемки. Если раньше ежедневное обновление данных обеспечивалось на уровне детальности в несколько сот метров на пиксел (MODIS), то в настоящее время можно вести речь о детальности 5–10 м на пиксел (Planet, Sentinel-2). Фактически для подбора метаданных в диапазоне 5–10 м уже не требуется классический поисковый интерфейс с широким диапазоном даты съемки для отбора подходящих снимков: для этого достаточно выбрать интересующую дату в календаре или на таймлайне. Земля из космоса | E S Табл. 1. Сводная таблица характеристик аппаратов * Год запуска Максимальная детальность DigitalGlobe, США 2007 0,5 м GeoEye-1 DigitalGlobe, США 2008 0,4 м WorldView-2 DigitalGlobe, США 2009 0,46 м Pléiades-HR 1A CNES, Франция 2011 0,5 м Pléiades-HR 1B CNES, Франция 2012 0,5 м WorldView-3 DigitalGlobe, США 2014 0,31 м KOMPSAT-3A SIIS, Южная Корея 2015 0,5 м WorldView-4 DigitalGlobe, США 2016 0,31 м ** SuperView-1 01 Siwei Star, Китай 2016 0,5 м SuperView-1 02 Siwei Star, Китай 2016 0,5 м *** SuperView-1 03 Siwei Star, Китай 2018 0,5 м *** SuperView-1 04 Siwei Star, Китай 2018 0,5 м Спутник Оператор, страна * WorldView-1 WorldView-1 — единственный из 12 спутников, снимающий только в панхроматическом режиме: остальные спутники получают кроме панхроматических также мультиспектральные данные. ** SuperView-1 — альтернативное название серии китайских спутников — «GaoJing-1». *** SuperView-1 03/04 — третий и четвертый аппараты серии SuperView-1 были запущены в самом начале 2018 г. Самые ранние снимки с аппаратов SuperView-1 03 и SuperView-1 04 находятся в базе Каталога с 11 января 2018 г. Таким образом, все 4 спутника, составляющие группировку SuperView-1, работали на полную мощность в течение практически всего 2018 г. Пользуясь тем фактом, что в нашем распоряжении находится уникальный информационный ресурс — единая база метаданных съемки с 12 спутников сверхвысокого разрешения, — мы решили проверить, что получится, если объединить 12 спутников в единую виртуальную группировку. Какова суммарная производительность и частота съемки? Есть ли территории, для которых порог ежедневной съемки достиг детальности 0,5 м? Какие точки снимают чаще всего и сколько раз за год? И, наконец, каков максимальный срок хранения метаданных в базе Каталога для обеспечения выполнения основного сценария работы при подборе высокодетальной съемки с поставленной задачей: найти самый свежий безоблачный снимок на заданную точку. Описание исходных данных исследования Для исследования были выбраны суммарные метаданные с 12 спутников, выполняющих съемку с де- 10 [26] 2019 тальностью 0,5– 0,3 м (см. список спутников в таблице 1). На данный момент это максимально доступная детальность космической съемки на коммерческом рынке. На снимках с детальностью 0,5 м, например, можно посчитать количество машин на парковке, а на снимках с детальностью 0,3 м даже определить марку автомобиля (https://gisgeography. com/100-earth-remote-sensingapplications-uses/ — см. “Predicting retail earnings and market share by counting cars in parking lot”). Были проанализированы метаданные снимков с перечисленных в Таблице 1 спутников с датой — временем съемки по UTC в диапазоне 2018-01-01 00:00:00 — 2018-12-31 23:59:59. Необходимо отметить два аспекта: 1. Все метаданные предоставляются операторами в рамках программ дистрибуции коммерческой съемки. Не все операторы предоставляют базы с метаданными полностью в открытом виде. Как правило, файлы или API-сервисы метаданных предоставляются только дистрибьюторам или по специальному запросу. 2. Базы метаданных, предоставляемые дистрибьюторам, могут содержать неполную информацию. Коммерческие спутники сверхвысокого разрешения могут быть спутниками двойного назначения. Часть съемки — даже на уровне метаданных — может быть засекречена. Различного рода калибровочные либо технические съемки также не регистрируются в общей базе метаданных. Однако, по утверждению отраслевых экспертов, подобные пропуски составляют лишь незначительный процент информации по отношению к доступным метаданным коммерческой съемки. 25 26 Результаты Площадные характеристики В таблице 2 указаны суммы площадей съемки за 2018 г. для каждого из 12 высокодетальных спутников. Суммарная площадь съемки превысила 1,5 млрд кв. км. Это означает, что площадь суши Земли, которая составляет около 149 млн кв. км, была в среднем снята более 10 раз за год! И хотя больше ¾ всей съемки и почти ⅔ всей мультиспектральной съемки произвел ведущий оператор DigitalGlobe, этого знакового порога — более 10 снимков за год всей поверхности суши — не удалось бы достичь без совместной и конкурентной работы всех операторов. Среднее количество мультиспектральных съемок — примерно 7 снимков за год для всей суши Земли. Точную оценку по количеству безоблачных съемок дать сложно, поскольку в метаданных записывается общий процент облачности снимка. Средний показатель облачности составил около 30 процентов. Это можно интерпретировать следующим образом: 3 из 10 пиксел — облачные, а 7 из 10 — безоблачные. Применив простую пропорцию и стремясь к простому итоговому результату, можно рассчитать, что за 2018 г. в среднем каждая точка суши была покрыта 7 безоблачными снимками, из них — 5 безоблачными мультиспектральными снимками с детальностью 0,5–0,3 метра. Однако цифра «10 снимков за год» — это условно «средний доход на душу населения». Для визуализации информационного неравенства в созданных данных на различные территории была составлена тепловая карта съемок. Тепловая карта Получившуюся карту частоты съемок можно посмотреть в виде картографической подложки непосредственно в приложении «Каталог Табл. 2. Суммарные площади съемки за 2018 г. *Площадь съемки за 2018 г., млн кв. км Процент от общей площади съемки, % Процент от общей площади мультиспектральной съемки, % ** WorldView-1 477,8 29,70 – GeoEye-1 79,4 4,94 7,02 WorldView-2 356,5 22,16 31,53 Pléiades-HR 1A 102,8 6,39 9,09 Pléiades-HR 1B 102,7 6,38 9,08 WorldView-3 178,6 11,10 15,79 KOMPSAT-3A 27,6 1,72 2,44 WorldView-4 97,6 6,07 8,63 SuperView-1 01 53,8 3,34 4,76 SuperView-1 02 54,1 3,37 4,79 SuperView-1 03 39,1 2,43 3,46 SuperView-1 04 38,5 2,39 3,41 1 609 100 100 Спутник ИТОГО * Площадь контуров снимков рассчитывалась по упрощенной формуле вычисления площади полигона на эллипсоиде. Относительная максимальная ошибка расчета площади не превышает ~2–3%. ** WorldView-1 — производительность этого спутника гораздо выше за счет съемки исключительно в панхроматическом режиме. космоснимков»: https://search. kosmosnimki.ru. Технология создания карты состояла из следующих операций: 1. Экспорт метаданных съемки из PostgreSQL в формат CSV. 2. Конвертация в ESRI shapefile с помощью настольного QGIS. 3. Получение единого растра с количеством снимков в пикселе с помощью запуска консольной утилиты: “gdal_rasterize -burn 1 -add ..”. В результате был получен растр на весь мир с разрешением 1 км/пк, где в каждом пикселе записано количество съемок. 4. Присвоение растру цветовой палитры. После публикации тепловой карты в Каталоге были получены критические отзывы, в том числе от отраслевых экспертов, аргументированные замечаниями в духе высказываний: «Маловероятно, что Землю Франца-Иосифа снимали в два раза чаще, чем Москву или Санкт- Земля из космоса | E S Петербург». Однако результаты доступны для проверки непосредственно в приложении. Достаточно поставить «маркер», фиксирующий точку интереса, выбрать все перечисленные в настоящей статье спутники, поставить временной интервал (2018.01.01 — 2018.12.31) и указать: «Найти снимки». Количество найденных снимков должно совпадать с присвоенным в легенде цветом на тепловой карте. По данным тепловой карты можно сделать вывод о том, что существует большое количество точек, количество съемок в которых составляет не менее 300 в год: частота съемки в них близка к ежедневной. Ниже представлены три локации, входящие в «чемпионский» список: 1. Город Рейкьявик, Исландия — 650 съемок (одна из локаций с максимальным количество съемок за год). 2. Анадырь (Угольные Копи/аэропорт), Россия — 475 съемок. 3. Остров Комсомолец, архипелаг Северная Земля, Россия — 425 съемок. Чем объяснить такое количество съемок в этих локациях и в других частотных «аномалиях»: случайным совпадением, научными экспериментами, коммерческими проектами, военной разведкой или особенностями орбитальной баллистики? Автор не берется утверждать, что знает ответ. Вопрос остается открытым. В то же время на тепловой карте есть и много «дыр» — участков суши, которые остались не отснятыми высокодетальными снимками (0,5–0,3 м) в 2018 году. Этот факт может означать, что для гарантированного подбора самой свежей съемки на любой участок суши необходимо хранить архив метаданных за несколько лет, ведь даже на «трехлетнем» покрытии на данный момент остаются «белые пятна». 10 [26] 2019 Количество съемок с детальностью 0,5–0,3м/пк в 2018 г. 0 1 6 11 31 51 101 201 4 Рис. 4. Тепловая карта частоты космосъемок с детальностью 0,3–0,5 м в 2018 г. (https://search.kosmosnimki.ru/?link=JKVX6 Количество съемок с детальностью 0,5–0,3м/пк в 2018 г. 0 1 6 11 31 51 101 201 5 Рис. 5. Фрагмент тепловой карты на территорию Европы и Европейской части России (https://search.kosmosnimki.ru/?link=BIWNQ). Среди других локаций с высокой частотой съемки выделяется зона конфликта на Юго-Востоке Украины 27 28 Количество съемок с детальностью 0,5–0,3м/пк в 2018 г. 6 0 1 6 11 31 51 101 201 Рис. 6. Фрагмент тепловой карты в районе Двинской губы и Архангельской области. На карте видны незаселенные участки восточнее русла Северный Двины, на которые не было съемок в 2018 г., и город Северодвинск, снятый более 200 раз (https://search.kosmosnimki. ru/?link=RWAMC 7 Рис. 7. Список из 231 съемки на участок архипелага Земля Франца-Иосифа (https://search. kosmosnimki.ru/?link=17OT2) Что будет дальше? На момент написания статьи стало известно, что спутник WorldView-4 вышел из строя в начале января 2019 г. и полностью выведен из эксплуатации. Таким образом, даже ожидаемый рост совокупной площади съемки от спутников SuperView-1 03/04, работавших в 2018 г., не сможет компенсировать потерю спутника WorldView-4. Поскольку запуск других коммерческих аппаратов с детальностью 0,3–0,5 на 2019 г. не запланирован (А. Кучейко, «Перспективы развития зарубежных спутников ДЗЗ сверхвысокого пространственного разрешения» // «Земля из космоса», спецвыпуск 2018, http://www.zikj.ru/images/ spec_2018/9-kucheiko.pdf), можно утверждать, что суммарная площадь съемки снизится. Можно предположить, что самые интересные события будут происходить на фронте обработки и анализа данных, регистрируемых спутниками ДЗЗ. Указанные данные явно приобретают все признаки «BigData», изучение этой области и применение соответствующих алгоритмов — один из главных трендов в IT отрасли. Можно ли по ряду ежедневных снимков выявить определенную экологическую и экономическую закономерность или предсказать ее развитие? Мы будем наблюдать за прогрессом в этой области, а если посчастливится, то и участвовать. ¶
