美国宇航局开发用于检测森林障碍的预警系统

挑战

开发一个使用卫星图像的系统,以快速检测昆虫,干旱,风暴,枯萎,野火和其他事件的森林障碍威胁

使用MATLAB处理多光谱卫星图像,构建多维时间序列数据基线,并分析数据的TB,以帮助检测区域明显的森林障碍

结果

  • 在几小时内实施和测试的新想法
  • 多年的开发时间得到了保存
  • 可重复使用的生产软件送到生长用户社区

“福尔恩进入生产后,它检测到先前没有注意到对流域威胁的悲伤伤害。没有MATLAB,我们无法在没有MATLAB的情况下尽可能有效地工作。“

Duane Armstrong,美国宇航局Stennis Space Center

美国森林改变评估观众地图显示2012年冰雹风暴之后北卡罗来纳州的阿什维尔的损坏。图片礼貌Forwarn。


美国农业部与美国农业部和美国地质调查一起工作,美国宇航局的Stennis Space Center开发Forwarn.,一种环境监测和评估工具,可检测和跟踪全国森林植被的变化。Forwarn软件分析了NASA的Terra和Aqua Satellites上的适度分辨率成像光谱仪(MODIS)仪器收集的多光谱卫星图像。每8天,软件识别昆虫,干旱,风暴,枯萎病,野火和全国其他活动引起的近期实时潜在森林障碍。该森林改变评估观众forWarn使用户能够在地图上查看这些更改。

美国宇航局工程师使用MATLAB®在与其他政府机构合作伙伴合作时,帮助开发和部署福尔恩。

“使用MATLAB,我们生产的原型和建造产品比使用传统的编程语言(如C)更快,”NASA S下载188bet金宝搏tennis Space Center的先进技术和技术转让分支负责人Duane Armstrong说。“Matlab使能的快速转变让我们向森林服务的客户展示新的能力。”

美国森林改变评估观众地图显示田纳西州的田纳西州田纳西州的植被变化(在深红色中显示的火灾周长)。图片礼貌Forwarn。

挑战

开发近实时系统,用于检测和监测48个连续状态的植被变化,NASA工程师需要分析由水色和地区卫星捕获的多光谱图像,构建收集数据的多时间尺度基线,然后比较传入数据与基线识别异常。

每天,MODIS数据是为跨越48个状态的14个网格块的生成数据,每个瓦片包括4800 x 4800像素。在更新用于识别植被变化的年度基线时,系统每年两次处理15至25岁的数据。

NASA工程师需要处理和分析存储为截面阵列的大型时间序列数据集。他们需要开发环境,用于交互式开发和快速评估新的分析算法。在演示其算法之后,他们希望在不重新编码的情况下将它们部署到生产中。

美国宇航局工程师使用MATLAB开发FORWARN的两个关键组件:时间序列产品工具(TSPT),其在时间上处理MODIS数据,以及使用处理的数据来计算绿色级别和鉴别的鉴率参数估计工具(PPET)来计算绿色级别day of year for the peak of the growing season and for other phenological parameters of interest to the U.S. Forest Service.

对于TSPT,NASA的团队写了一个MATLAB脚本,它将在NASA存档中的分层数据格式(HDF)文件中的MATLAB数据检索,并将数据导入MATLAB。TSPT调用映射工具箱™功能,将导入的纬度和经度数据转换为投影地图坐标系。

TSPT频带处理模块还开发在MATLAB中,从时间序列数据以及土壤,水分,水和其他指标产生归一化差异植被指数(NDVI)。

在MATLAB工作,该团队开发了TSPT的算法,以消除云,阴影,视图Zenith角度和其他效果扭曲的像素。

将来自Aqua和Terra卫星的数据合并到单个时间序列中,TSPT使用信号处理工具箱™功能来识别和删除尖峰和其他偏远的数据点。

一旦TSPT算法删除了异常值,它们就会使用优化工具箱™和图像处理工具箱™进一步过滤并重新采样时间序列。TSPT算法将Savitzky-Golay滤波器从信号处理工具箱应用以插入任何缺失像素的值。

工程师使用MATLAB,优化工具箱和图像处理工具箱来开发PPET,它在时间序列数据上执行曲线拟合,以识别与年度周期性生长季节相关的植物状态,例如绿色,成熟,衰老和休眠。他们以后通过识别日常卫星数据和时间序列基线之间的差异来增强PPET来检测森林障碍。

使用Matlab Compiler™,该团队创建了基于MATLAB的算法的独立可执行版本,可以由没有MATLAB的用户运行。

Forwarn团队为他们的努力赢得了多项奖项,包括互动伙伴关系奖,该伙伴关系奖励,该伙伴关系裁决承认至少两名不同机构的联邦雇员,他们“协作完成了转移技术的杰出工作”。Forwarn团队由美国森林服务,美国宇航局,美国博览会,美国地质调查和阿什维尔北卡罗来纳大学。

结果

  • 在几小时内实施和测试的新想法。“Matlab中内置了信号和图像处理算法,因此我不必从头开始写入它们,”洛克希德马丁的计算机工程师Jerry Gasser说。“而不是写作和调试数百行的C代码来测试一个新的算法的想法,我使用MATLAB命令以交互方式验证,然后写一个脚本以测试多个参数值。我在几分钟或几小时内得到结果,而几个月或几周。“
  • 多年的开发时间挽救了。“Matlab与多维数据的方式的方式非常适合分析卫星图像,”阿姆斯特朗说。“如果我们使用了传统的编程语言,如C,那将使我们更长时间。”
  • 可重复使用的生产软件送到生长的用户社区。“Forwarn是美国大陆美国第一个近乎实时的森林威胁预警系统,”备注Armstrong。“其日益增长的用户基础包括超过7000林业专家,学生和土地资源经理。我们还在为其他客户提供Matlab开发的算法和模块,与世界各地的合作伙伴合作。“