基于天地圖的區(qū)域海洋環(huán)境要素遙感監(jiān)測系統(tǒng)研究

□ 嚴宇 羅瞳 馬聰

（1.黑龍江中海經(jīng)測空間信息技術有限公司，黑龍江哈爾濱150026;2.黑龍江測繪地理信息局，黑龍江哈爾濱150081）

引言

海洋遙感是目前世界上發(fā)達國家進行海洋監(jiān)視監(jiān)測的重要手段。它具有速度快、覆蓋面大、成本低等特點。特別是利用海洋水色遙感可以探測與海洋水色環(huán)境有關的參數(shù)，如葉綠素、懸浮物、黃色物質(zhì)、污染物及水深等，近幾年受到國內(nèi)外廣泛重視。因此，進行海洋要素遙感監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義。我國空間海洋觀測及應用系統(tǒng)建設還存在諸多問題，尤其是海洋遙感信息產(chǎn)品制作的業(yè)務化、實用化程度低，缺乏結合類似于天地圖這樣的網(wǎng)絡地圖的發(fā)布手段，影響了應用范圍的擴大。

基于天地圖的區(qū)域海洋環(huán)境要素遙感監(jiān)測系統(tǒng)主要是為執(zhí)行區(qū)域海洋環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務。充分利用現(xiàn)有衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，研究典型海洋環(huán)境要素的監(jiān)測方法與技術。針對葉綠素濃度、海面溫度等典型海洋環(huán)境要素進行制作研究，形成并初步建立監(jiān)測系統(tǒng)；同時研究天地圖地理信息公眾服務平臺的WEBAPI二次開發(fā)接口，基于天地圖進行要素產(chǎn)品的展示。

1.遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

（1）數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)來源主要采用MODIS及SeaWiFS的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）-MODIS是Terra和Aqua衛(wèi)星上搭載的主要傳感器之一，兩顆星相互配合，每1-2天可重復觀測整個地球表面，得到36個波段的觀測數(shù)據(jù)。MODIS在發(fā)展有效的、全球性的用于預測全球變化的地球系統(tǒng)相互作用模型中起著重要的作用，其精確的預測將有助于決策者制定與環(huán)境保護相關的重大決策。

MODIS自2000年4月開始正式發(fā)布數(shù)據(jù)，NASA對MODIS數(shù)據(jù)以廣播X波段向全球免費發(fā)送，由于NASA對MODIS數(shù)據(jù)實行這種全球免費接收的政策，使得MODIS數(shù)據(jù)的獲取十分廉價和方便。MODIS標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容的不同分為0級、1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在1B級數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分2－4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括：陸地標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品等三種主要標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，總計分解為44種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型。

在本研究中，使用到的產(chǎn)品是MOD21：海洋2級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)容為葉綠素-色素濃度，空間分辨率1km，日、旬、月度數(shù)據(jù)。海面溫度產(chǎn)品為MOD28：海洋2、3級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)容為海面溫度，全球洋面，空間分辨率1km。具體數(shù)據(jù)提供單位為美國國家宇航局（NASA），該單位已經(jīng)對這些傳感器的數(shù)據(jù)進行了預處理，下載后對數(shù)據(jù)采取了進一步的處理和圖形顯示。這里提供的是區(qū)域性海表產(chǎn)品（包括葉綠素濃度、海面溫度），所有產(chǎn)品均采用圓柱等距投影。

圖1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲取Data Products Get

（2）數(shù)據(jù)處理

根據(jù)海洋環(huán)境要素的處理需求，遙感數(shù)據(jù)處理作業(yè)主要是使用SeaDAS軟件完成。SeaDAS（SeaWiFSDataAnalysisSystem）是一個針對水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)，集顯示、處理、分析、質(zhì)量控制等功能于一體的圖像綜合軟件包。1993年由NASA組織開發(fā)，并在其后不斷升級。目前最新版本為SeaDAS7.0.2。該系統(tǒng)采用了許多新的硬、軟件技術支持，能對所有SeaWiFS數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及MODIS海色數(shù)據(jù)進行處理、分析和圖像顯示。

葉綠素產(chǎn)品的具體處理流程為：首先使用SeaDAS導入需要處理的數(shù)據(jù)，葉綠素產(chǎn)品為OceanColor產(chǎn)品，文件名舉例為：A2014089052500.L2_LAC_OC.bz2。打開該產(chǎn)品后，首先對產(chǎn)品進行投影變換，使用SeaDAS的 Tools菜單下的 Reprojection功能，將數(shù)據(jù)投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地圖做接口。然后打開重投影的數(shù)據(jù)，找到chlor_a波段并打開，然后對產(chǎn)品進行調(diào)色。注意這里葉綠素濃度值域范圍大致是0到100，單位是毫克每立方米。調(diào)色推薦使用NASA的葉綠素標準調(diào)色板，調(diào)色板文件名稱為chl_standard.cpd，調(diào)色完畢后，將調(diào)色好的View數(shù)據(jù)整景導出為Geo-Tiff格式即可。下一步我們將對這個產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行發(fā)布。

海面溫度產(chǎn)品的具體處理流程為：首先使用SeaDAS導入需要處理的數(shù)據(jù)，海面溫度產(chǎn)品為SST產(chǎn)品，文件名舉例為：A2014089052500.L2_LAC_SST.bz2。打開該產(chǎn)品后，首先對產(chǎn)品進行投影變換，使用SeaDAS的 Tools菜單下的 Reprojection功能，將數(shù)據(jù)投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地圖做接口。然后打開重投影的數(shù)據(jù)，找到sst波段并打開，然后對產(chǎn)品進行調(diào)色。注意這里海面溫度的值域范圍大致是-2到45，單位是攝氏度。調(diào)色推薦使用NASA的海面溫度標準調(diào)色板，調(diào)色板文件名稱為sst_standard.cpd，調(diào)色完畢后，將調(diào)色好的View數(shù)據(jù)整景導出為GeoTiff格式即可。下一步我們將對這個產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行發(fā)布。

2.天地圖WEBAPI研究

天地圖 WebAPI（JavaScript）V2.1.2版是一套基于JavaScript全新升級的應用程序接口，為開發(fā)者提供了快速調(diào)用天地圖在線地理信息服務的通道，包括快速創(chuàng)建地圖、調(diào)用地圖、POI搜索以及在地圖上添加覆蓋物等，開發(fā)者可以利用天地圖WebAPI輕松將天地圖豐富的地圖功能嵌入到各類應用系統(tǒng)或網(wǎng)站中，并且可以基于天地圖的數(shù)據(jù)和功能服務資源開展各類增值服務及應用。

要使用天地圖的接口服務，首先要進行地圖制作，進行遙感數(shù)據(jù)的預處理，包括格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)整合、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)集構建、數(shù)據(jù)渲染等。為了用戶在客戶端能方便快速的瀏覽到客戶數(shù)據(jù)，還需要發(fā)布地圖服務，創(chuàng)建地圖緩存。天地圖支持多種標準的服務接口，包括 WMTS、WFS-G、CSW，在本研究中，使用WMTS服務接口與天地圖對接。

圖2 天地圖解決方案概述MAP WORLD Solution Overview

由于我們發(fā)布數(shù)據(jù)要使用瓦片技術，故對天地圖的瓦片技術必須有所了解。天地圖的地圖瓦片起始點從西經(jīng)180度，北緯90度開始，向東向南行列遞增。如下圖所示。

天地圖的地圖瓦片大小為256像素×256像素。切片方案中，相關信息如下：

地圖瓦片數(shù)據(jù)格式采用PNG或JPG。影像服務：由于本項目涉及的要素產(chǎn)品有背景透明的需求，故此使用能帶透明通道的PNG格式。

在切片時，要注意天地圖中各級別的地面分辨率和比例尺的關系。

3.數(shù)據(jù)發(fā)布及加載

數(shù)據(jù)處理完畢后，需要將調(diào)色好的要素產(chǎn)品進行瓦片制作，生產(chǎn)符合天地圖瓦片標準自定義圖層，然后交由天地圖進行加載展示。該步驟為生產(chǎn)符合天地圖標準的瓦片地圖，在這里我們使用GDAL2Tiles工具完成。GDAL2Tiles著名開源工具包GDAL的一部分，專門處理柵格影像的網(wǎng)絡發(fā)布任務，支持輸入 GeoTiff、MrSID，ECW、JPEG2000、JPEG、PNG等輸入數(shù)據(jù)格式。

數(shù)據(jù)發(fā)布為瓦片圖層后，可以使用天地圖的WebAPI中的TTileLayer類進行調(diào)用。以下為調(diào)用的偽代碼示例：

//創(chuàng)建自定義圖層對象

varconfig={};

config.getTileUrl=function（x，y，z）

{

varfileDir=“myclip”；

varimageURL=目錄結構 +“/”+z+“/”+x+“/”+y+“.png”；

returnimageURL；

}

varlay=newTTileLayer（config）；

lay.setGetTileUrl（config.getTileUrl）；

//將圖層增加到地圖上

map.addLayer（lay）；

4.網(wǎng)站開發(fā)與天地圖集成

本研究采用 PHP、MySQL、Apache技術進行網(wǎng)站系統(tǒng)開發(fā)與天地圖集成。PHP（PHP:Hypertext Preprocessor的縮寫，中文名：“超文本預處理器”）是一種通用開源腳本語言。語法吸收了C語言、Java和Perl的特點，入門門檻較低，易于學習，使用廣泛，主要適用于Web開發(fā)領域。具有開源性、免費性、快捷性、跨平臺性能強、效率高且面向?qū)ο蟮奶攸c，是當今的主流動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術。數(shù)據(jù)庫使用 MySQL，MySQL是一個精巧的 SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于它的強大功能、靈活性、豐富的應用編程接口（API）以及精巧的系統(tǒng)結構，受到了廣大自由軟件愛好者甚至是商業(yè)軟件用戶的青睞，特別是與Apache和PHP/PERL結合，為建立基于數(shù)據(jù)庫的動態(tài)網(wǎng)站提供了強大動力，可組成良好的動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)環(huán)境。

（1）開發(fā)環(huán)境

Apache是目前應用最廣的Web服務器，PHP是一種類似ASP的服務器端腳本語言，而MySQL是一個小巧的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件，它們特別適用于網(wǎng)站建設。Apache+PHP+MySQL不僅僅是開源項目，可免費獲取，而且它支持 Linux、UNIX、OS/2和Windows多個操作系統(tǒng)，可移植性好。因此，這種組合是設計動態(tài)網(wǎng)站的最佳解決方案。

服務器端開發(fā)環(huán)境：XAMPP（Apache+MySQL+PHP+PERL）

（2）數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫設計的任務是確定系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)庫，它的價值在于它能夠向用戶提供有意義的信息，還有向系統(tǒng)供應所需的一切數(shù)據(jù)。在MySQL數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中建立一個名為db_map的數(shù)據(jù)庫，在該數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建與實體對應的數(shù)據(jù)表，使用map_users表存放系統(tǒng)中的用戶，使用map_data存放要素數(shù)據(jù)信息。

圖3 map_data表結構設計map_data Table Structure Design

（3）系統(tǒng)設計

針對已采集的區(qū)域海洋環(huán)境要素數(shù)據(jù)，確定在本項目中除瀏覽外，還要提供便捷的數(shù)據(jù)檢索服務，本系統(tǒng)在制作過程中劃分為以下四個模塊：

①用戶管理模塊：主要實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的管理。

②天地圖可視化瀏覽模塊：由天地圖地理信息公眾服務平臺為基礎地理信息平臺界面，疊加區(qū)域海洋環(huán)境要素數(shù)據(jù)，用戶可進行縮放、鷹眼定位、提供地圖、衛(wèi)星、衛(wèi)星混合、地形、地形混合五種基礎數(shù)據(jù)模式；

③數(shù)據(jù)管理模塊：由數(shù)據(jù)管理界面組成。實現(xiàn)區(qū)域海洋環(huán)境要素的查詢檢索、選擇瀏覽等功能；

④后臺管理：實現(xiàn)網(wǎng)站的后臺管理，進行日常的數(shù)據(jù)更新、維護；

圖4 系統(tǒng)登錄界面System login screen

圖5 網(wǎng)站主界面Website main interface

（4）集成天地圖控件

天地圖WebAPI是一套由JavaScript語言編寫的應用程序接口，它能夠幫助您在網(wǎng)站中制作各種類型、行業(yè)的地圖應用，還可以使地圖功能以模塊化集成在不同類型的系統(tǒng)應用中。地圖API是由JavaScript語言編寫的，在使用之前需要通過