Timelapse – спутниковая «машина времени»

Автор: Алекс Мастер

Компания Google совместно с журналом Time отважились вновь пройти «путём рождения кинематографа», но на несколько ином уровне. В тесном сотрудничестве с NASA и USGS (Геологическая служба США), им удалось собрать воедино большинство фотографий Земли, сделанных из космоса за последние 30 лет, и составить из них интерактивную «живую» покадровую карту. Но, обо всём по порядку.

Рождение фотографии в том виде, к которому мы привыкли, относится к 1839 году. Но должно было пройти ещё 56 лет, прежде чем случился качественный скачок - родился кинематограф. Полвека понадобилось инженерам и изобретателям, чтобы найти способ съёмки и воспроизведения линейной последовательности кадров – «движущихся картинок».

Спутники Landsat

С начала 1970-х годов прошлого века и по сей день соответствующими подразделениями NASA и USGS реализовывается совместный проект под названием Landsat. Основой этого проекта являются автоматические спутники серии Landsat, первоначальное название которых - ERTS (Earth Resources Technology Satellite), предназначенные для дистанционного изучения природных ресурсов Земли. На борту первого спутника серии, запущенного в июле 1972 года и проработавшего до января 1978 года, имелась электронно-оптическая  аппаратура, полученные фотоснимки с которой уже в то время были пригодны для последующей компьютерной обработки. На сегодняшний день находятся в строю три спутника: Landsat 5 (запущенный 1 марта 1984 года), Landsat 7 (запущенный 15 апреля 1999 года), и Landsat 8 (запущенный 11 февраля 2013 года). С борта последнего первые фотоснимки получены уже 18 марта 2013 года.

Спутники серии имеют ряд особенностей. Во-первых – все они двигаются по так называемой солнечно-синхронной приполярной орбите, благодаря чему проходят над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же, местное солнечное время. Например, спутник Landsat 7 пересекает экватор 15 раз в сутки – каждый раз в 10.00 местного времени. В результате чего угол освещения в данной точке земной поверхности приблизительно одинаков во время всех пролётов спутника. Таким условиям съёмки можно только позавидовать.

Средняя высота орбиты спутников – около 700 км, период обращения – примерно 98 минут. С подобными параметрами спутник оказывается над одной и той же географической точкой каждые 16 суток, или каждый 240-й виток. Таким образом, нетрудно подсчитать (360°/240 витков), что в поле зрения сенсоров камер спутников попадает сектор всего 1,5°, или полоса шириной 167 км. Спутники Landsat оснащёны сканерами типа TM (Thematic Mapper), позволяющими получить достаточно детальное изображение участка поверхности шириной до 185 км (с запасом) в семи спектральных каналах (Landsat 5):

- 450…515 нм, 525…605 нм, 630…690 нм – видимая область спектра (разрешение 30 м);

- 750…900 нм, 1550…1750 нм, 2090…2350 нм – «ближние и средние» инфракрасные зоны (разрешение 30 м);

- 10400…12500 нм – «тепловой» диапазон (разрешение 120 м).

К слову сказать, спутник Landsat 5, в ближайшее время будет занесён в Книгу рекордов Гиннеса - за самый длительный период активной эксплуатации в 28 лет, в течение которого он совершил около 150 тысяч витков вокруг Земли, и передал с орбиты около 2,5 млн. фотографий.

 

Оптическая система Landsat 7 (сканер ETM+) имеет улучшенное разрешение в тепловом диапазоне – до 60 м, а также дополнительный, восьмой панхроматический канал 520…900 нм, с разрешением 15 м. А «небесный новичок» Landsat 8 уже обзавёлся раздельными сканерами:

- TIRS – для «теплового» диапазона 10300…12500 нм, разрешением 100м;

- OLI – 9-канальный сканер для работы в диапазонах видимого света (пять каналов) и ИК (четыре канала), при этом панхроматический канал имеет разрешение 15 м, остальные – 30 м.

Файлы данных, получаемые в процессе оцифровки сигналов с сенсоров, накапливаются во внутренней памяти аппаратов, ёмкость которой, например, в Landsat 8 достигла значения 3,15 TБ (около 400 ГБ). При достижении области прямой видимости наземной станции управления (в радиусе 800 км) накопленные данные «выстреливаются» в сторону наземных антенн с помощью бортового передатчика с усилителем на ЛБВ (лампа бегущей волны), работающего в X-диапазоне радиочастот (7,25…8,40 ГГц). Полученные массивы данных архивируются с помощью ленточных стримеров, установленных в USGS.

Инициатива Google

В 2009 году специалисты Google совместно с персоналом архива USGS начали работать над оцифровкой накопленного фотоматериала. Прошедшие десятилетия не прошли без последствий для магнитных носителей – магнитные ленты со временем деформируются, в том числе и растягиваются, магнитной слой осыпается или перемагничивается, лавсановая основа «усыхает» и становиться хрупкой. Поэтому необходимо выполнять не только оцифровку плёнок, но и специальные, основанные на сложных алгоритмах, процедуры восстановления данных – улучшения отношения сигнал/шум, удаления специфических цифровых артефактов, синхронизация по времени и географическим координатам.

Захват данных

Специально под программу Timelapse для работы программного комплекса восстановления Google Earth Engine, в рамках вычислительных мощностей ЦОД (Центров обработки данных) компании Google, а именно на массиве гибридных серверов (CPU Intel Xeon и GPU NVIDIA Tesla) была создана «облачная» многопользовательская интерактивная платформа. После предварительного отсеивания, из более чем двухмиллиардной коллекции (например, только изображения без облачности) было отобрано 2068467 фотографий, начиная с 1984 года - в общей сложности на серверы хранения ЦОД было «захвачено» около 909 ТБ данных.  

Создание карт

На следующем этапе все восстановленные изображения были собраны в огромные, планетарного размера, карты – по 1,78 террапикселей каждое, по одному за каждый год. Полностью, до последнего пикселя, такую подробную карту можно отобразить «экраном», площадь которого составит 18 футбольных полей.

И, наконец, на завершающей стадии группа 3D-дизайнеров компании Google совместно со специалистами Create Lab, Университет Карнеги - Меллон, удостоенные в недалёком прошлом премии Google Focused Research Award, преобразовали эти годичные карты Земли в единую, доступную для свободного просмотра на вебсайте Google флэш-анимацию HTML-5.

Как высыхало Аральское море

Таким образом, каждая интерактивная анимационная «картинка» Timelapse составлена из сменяющих друг друга в хронологическом порядке снимков регионов, сделанных спутниками Landsat в период с 1984 по 2012 годы. По интерактивным изображениям можно отследить, например, как год за годом вырубались дождевые леса Амазонки, рос город Лас-Вегас, создавались Острова Пальм в Дубае, как отступает ледник Колумбия на Аляске и высыхало Аральское море. Стандартно всем пользователям предлагается восемь отобранных Google анимационных изображений в HTML-5, но можно проследить изменения и для других точек Земли.

Дебют Timelapse

В дополнение Google предоставляет различные инструменты для аналитиков, и оплачивает 10 млн. часов процессорного времени, способных в «облаке» обработать большие объемы информации, что неизбежно при сопоставлении долговременных географических данных. Впервые прототип Timelapse и платформа обработки в «облаке» Google Earth Engine были продемонстрированы в 2012 году, а дебют полноценного продукта состоялся на конференции International Climate Change в мексиканском городе Канкун.

«Мы надеемся, что платформа Google Earth Engine станет востребованным инструментов в работе организаций всего мира и поможет им распоряжаться площадью зеленых лесов на планете более эффективно. Мы постоянно модернизируем саму платформу и дополняем её новыми функциями. Благодаря этому, надеемся, мы сможем привлечь к использованию API (интерфейса прикладного программирования) платформы Google Earth Engine ещё больше специалистов. И они, в свою очередь, смогут интегрировать в платформу свои приложения, дающие возможность  фиксировать, например, скорость уничтожения лесов, распространения болезней и эпидемий, состояние водных ресурсов и другие важные показатели…  Мы очень хотим увидеть, что произойдет, если предоставить ученым, правительствам, неправительственным организациям, университетам и другим сообществам доступ к данным и вычислительным ресурсам, а также возможность онлайн-сотрудничества в целях сохранения окружающей среды», — заявили разработчики проекта на страницах официального блога Google. 

(c) 625

Мы в Telegram

Назад в раздел