基于遙感影像的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

陳珂 余鐵橋

摘 ?要：文章分析了基于遙感影像構(gòu)建臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)的可行性，以開源架構(gòu)為手段，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)引擎、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和用戶端的軟硬件兼容，滿足了數(shù)據(jù)的生產(chǎn)加工、管理發(fā)布、遠(yuǎn)程監(jiān)控、決策支持等功能需求。數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)建設(shè)，有利于科學(xué)分析和應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)，為深入開展災(zāi)害研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也為災(zāi)害防御工作提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：遙感;災(zāi)害;數(shù)據(jù)平臺(tái);空間信息

中圖分類號(hào)：TP311.52 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）04-0020-03

Abstract：Analyze the feasibility of building a typhoon disaster data platform based on remote sensing image. Using open source architecture as a means，combined with geographic information system technology and methods to achieve software and hardware compatibility between remote sensing database，spatial data engines，web server and clients. The data platform meet the functional requirements of data production and processing，data management and release，remote monitoring，decision support and so on. Design and development of data platform is good for scientific analysis and application of remote sensing data. The data platform provides a solid data foundation for disaster research and technical support for disaster defense.

Keywords：remote sensing;disaster;data platform;spatial information

0 ?引 ?言

當(dāng)前，防災(zāi)減災(zāi)是全世界范圍內(nèi)共同面臨的重大問題。自然災(zāi)害與人為災(zāi)害相互交織，不僅給資源環(huán)境造成許多破壞，還會(huì)嚴(yán)重危害社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著研究的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類災(zāi)害表現(xiàn)出一定程度的可防御性，而這種災(zāi)害防御能力又與空間信息技術(shù)密切相關(guān)，遙感就是典型的代表。

遙感以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，極大地拓展了人類獲取地球信息的能力，為減輕災(zāi)害對(duì)城市造成的損失提供了有力的保障。遙感技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，尤其可以輕易獲得人類難以到達(dá)的高山峽谷、地形復(fù)雜區(qū)域的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警等方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。綜合利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、全天候、全天時(shí)、動(dòng)態(tài)的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害研究與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。因此，可以從科學(xué)管理和應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)的角度出發(fā)，構(gòu)建基于遙感影像的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)，力求結(jié)合地理信息系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)手段，為開展臺(tái)風(fēng)災(zāi)害研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。上海工程技術(shù)大學(xué)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理課題組以長三角地區(qū)為研究對(duì)象，重點(diǎn)關(guān)注上海及其周邊沿海城市面臨的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害威脅，利用遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間分析和制圖。在具體研究和應(yīng)用中，聯(lián)合上海數(shù)慧系統(tǒng)技術(shù)有限公司等技術(shù)力量，共同進(jìn)行了數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

1 ?遙感在災(zāi)害研究中的應(yīng)用

1.1 ?國際應(yīng)用

在赤潮災(zāi)害遙感方面，Gower用AVHRR的1、2波段數(shù)據(jù)探測(cè)了發(fā)生于加拿大西部沿海的石灰質(zhì)顆粒藻赤潮。周為峰等人在文章中提到Koponen等利用美國的EOS/MODIS數(shù)據(jù)觀察了波羅的海區(qū)域的浮游植物水華[2]。在病蟲害遙感方面，Pedgley和Hielkema基于衛(wèi)星圖像監(jiān)測(cè)了澳大利亞的蝗蟲適生植被及其動(dòng)態(tài)。Voss等應(yīng)用TM圖像對(duì)北非蘇丹紅海沿岸的沙漠蝗蟲繁殖區(qū)域進(jìn)行了研究。在人為災(zāi)害方面，美國9·11恐襲事件發(fā)生后，IKONOS衛(wèi)星（1 m分辨率）獲取了該地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，并與之前的衛(wèi)星圖片進(jìn)行了對(duì)比，為災(zāi)情評(píng)估提供了重要依據(jù)。另外，在颶風(fēng)、火山、洪澇、冰雪等災(zāi)害中，遙感技術(shù)也被大量使用。

1.2 ?國內(nèi)應(yīng)用

在我國，遙感技術(shù)已經(jīng)在臺(tái)風(fēng)災(zāi)害、洪澇災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、沙塵災(zāi)害、農(nóng)業(yè)病蟲害等諸多方面得到應(yīng)用。萬華偉等探討了遙感技術(shù)應(yīng)用在突發(fā)自然災(zāi)害生態(tài)影響監(jiān)測(cè)和評(píng)估方面的總體思路、指標(biāo)體系和方法實(shí)例[3]。楊博錦對(duì)遙感與地理信息系統(tǒng)在自然災(zāi)害預(yù)防中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述和分析[4]。王曉剛等針對(duì)海量遙感數(shù)據(jù)，研究開發(fā)了高性能的航空遙感數(shù)據(jù)智能處理應(yīng)用系統(tǒng)[5]。周一鳴等從重大自然災(zāi)害管理的角度，對(duì)航天遙感應(yīng)用與面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了剖析[6]。王業(yè)桂等通過將不同衛(wèi)星微波遙感資料同化，模擬了臺(tái)風(fēng)路徑[7]。湯劍雄等使用無人機(jī)航拍遙感影像，對(duì)臺(tái)風(fēng)造成的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失開展了定量評(píng)估[8]。除此之外，遙感也為森林火災(zāi)、地震、霜凍等災(zāi)害的研究提供了技術(shù)支持。

2 ?數(shù)據(jù)平臺(tái)的可行性與定位

2.1 ?災(zāi)害研究的現(xiàn)實(shí)需求

隨著災(zāi)害研究的深入，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一個(gè)基礎(chǔ)性的核心問題。災(zāi)害數(shù)據(jù)不再是傳統(tǒng)意義上的文檔資料、表格和圖件，而是具有高時(shí)空分辨率的新型遙感影像數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)完全數(shù)字化，可以在計(jì)算機(jī)中方便地進(jìn)行管理和分析，并能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)即時(shí)的傳輸和共享。開發(fā)遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)是為了更加科學(xué)地對(duì)海量遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范的管理，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 ?可行性分析

一個(gè)完整的遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)包括遙感影像資料庫（航片，衛(wèi)星圖像等）、模型庫（用于識(shí)別、解譯等）、DEM庫、遙感圖像處理軟件、Web服務(wù)、輔助地理信息等諸多內(nèi)容。它不僅是基于遙感影像的綜合數(shù)據(jù)服務(wù)信息系統(tǒng)，還能在一定程度上提供應(yīng)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的輔助決策?，F(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)軟硬件配置和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為搭建一個(gè)功能強(qiáng)大的遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)提供了理想的架構(gòu)基礎(chǔ)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)基于遙感影像的沿海城市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)是完全可行的，在建設(shè)過程中，采用模塊化開發(fā)，預(yù)留擴(kuò)展端口，定期更新和升級(jí)，可持續(xù)為災(zāi)害研究提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 ?數(shù)據(jù)平臺(tái)的定位

建立遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)，需遵循立足應(yīng)用、服務(wù)科研的根本原則。將基于遙感影像的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)定位如下：滿足研究需要的開放式數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠?yàn)橄嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、損失評(píng)估、脆弱性評(píng)估等等。同時(shí)，可以滿足用戶條件查詢、統(tǒng)計(jì)分析、專題制圖等基本需求，以及權(quán)限范圍內(nèi)的上傳與下載數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用上，以工作站為結(jié)點(diǎn)，形成分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以主平臺(tái)為核心，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)或遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸與共享。

3 ?數(shù)據(jù)平臺(tái)的架構(gòu)與功能

3.1 ?總體架構(gòu)

根據(jù)可行性分析和數(shù)據(jù)平臺(tái)的定位，平臺(tái)主要分為數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器和配套軟硬件環(huán)境三部分。數(shù)據(jù)庫采用面向?qū)ο蟮拇笮烷_源數(shù)據(jù)庫PostgreSQL/PostGIS。Web服務(wù)器采用國際市場(chǎng)占有率第一的知名服務(wù)器Apache。配套軟硬件包括高配置的計(jì)算機(jī)、Windows操作系統(tǒng)、遙感圖像處理軟件等，并配合PHP程序開發(fā)語言，組成性價(jià)比較高的可靠架構(gòu)，如圖1所示。具體由上海數(shù)慧系統(tǒng)技術(shù)有限公司進(jìn)行界面設(shè)計(jì)與代碼編寫。

3.2 ?數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是整個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)的核心，各種遙感影像數(shù)據(jù)和輔助地理信息數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)其中。為了便于使用和管理，又分為若干個(gè)子數(shù)據(jù)庫。如遙感子數(shù)據(jù)庫，主要存放各類影像文件和衛(wèi)星圖片;DEM子數(shù)據(jù)庫，主要包含研究區(qū)域的地形數(shù)據(jù);模型子數(shù)據(jù)庫，用于解譯、識(shí)別遙感影像和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的模型集合;圖件子數(shù)據(jù)庫，包括各類地圖和統(tǒng)計(jì)圖表。

PostgreSQL是加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)系研發(fā)的對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。它功能豐富，面向空間數(shù)據(jù)，擁有高效的空間索引。PostGIS是數(shù)據(jù)庫PostgreSQL的插件（類似于空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE），它集成通用查找樹索引技術(shù)、R樹空間索引技術(shù)對(duì)地理要素進(jìn)行支持，同時(shí)還具有空間分析的功能。PostGIS和PostgreSQL的結(jié)合，解決了復(fù)雜的地理空間數(shù)據(jù)問題，非常適合作為根基數(shù)據(jù)庫。

3.3 ?Web服務(wù)器

Apache是一個(gè)歷史悠久、功能十分強(qiáng)大的開源Web服務(wù)器。根據(jù)Netcraft公司的調(diào)查，全球有50%以上的Web服務(wù)器都在使用Apache，主要用于電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、WebGIS中的信息發(fā)布，實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互。對(duì)Apache服務(wù)器的調(diào)試、維護(hù)與管理，幾乎涵蓋了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理的絕大部分內(nèi)容。

3.4 ?軟硬件環(huán)境

3.4.1 ?硬件環(huán)境

綜合考慮計(jì)算機(jī)硬件的成本、速度和性能，趨向于選擇高配置的PC機(jī)。作為服務(wù)器或工作站的計(jì)算機(jī)，應(yīng)有雙電源支持、4CPU、大容量硬盤（8 TB以上）、32 G內(nèi)存以及多UBS配備。作為一般終端的計(jì)算機(jī)，應(yīng)為高端CPU配置（3.0 GHz以上）、8 G內(nèi)存、1 TB以上硬盤以及高性能顯卡等。

3.4.2 ?軟件環(huán)境

根據(jù)數(shù)據(jù)平臺(tái)的實(shí)際需要，應(yīng)安裝專業(yè)版的Windows操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)之上，配置遙感影像處理軟件ERDAS、專業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS（10.0或以上版本）、Web服務(wù)器軟件Apache、程序設(shè)計(jì)語言軟件PHP、數(shù)據(jù)庫軟件PostgreSQL/PostGIS以及專門的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理軟件。

3.5 ?功能劃分

以遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用范圍和服務(wù)對(duì)象為依據(jù)，可以從架構(gòu)和內(nèi)容兩方面對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)的功能進(jìn)行劃分，主要包括：

（1）海量遙感影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。

（2）數(shù)據(jù)的即時(shí)發(fā)布、生產(chǎn)加工、查詢?yōu)g覽等。

（3）滿足多用戶并發(fā)訪問。

（4）數(shù)據(jù)庫維護(hù)（包括遠(yuǎn)程維護(hù)）。

（5）系統(tǒng)開發(fā)，如監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，決策支持系統(tǒng)等。

（6）管理工作站和瀏覽型終端兩種使用模式。

（7）能夠開展互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和管理信息系統(tǒng)等實(shí)驗(yàn)。

4 ?數(shù)據(jù)平臺(tái)的管理

數(shù)據(jù)平臺(tái)的管理是一項(xiàng)繁重、復(fù)雜、全時(shí)段的工作，基于遙感影像的沿海城市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)承擔(dān)著大量的科研任務(wù)和應(yīng)用方面的需求，必須根據(jù)實(shí)際情況適時(shí)地對(duì)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和配置進(jìn)行調(diào)整。

（1）日常管理。主要解決軟硬件故障，保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行，安排、協(xié)調(diào)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)或科研項(xiàng)目，設(shè)計(jì)日程表和進(jìn)度表等，合理分配任務(wù)，保證數(shù)據(jù)平臺(tái)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)和資源的有序分配。

（2）數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)具有保密性，必須分為不同的重要等級(jí)，對(duì)于用戶和管理員，應(yīng)當(dāng)設(shè)定操作權(quán)限和訪問權(quán)限，以防泄漏數(shù)據(jù)或惡意破壞。平臺(tái)數(shù)據(jù)需要及時(shí)更新，刪除過期數(shù)據(jù)，修改有誤數(shù)據(jù)。此外，還應(yīng)建立備份數(shù)據(jù)庫，預(yù)防計(jì)算機(jī)病毒，定期升級(jí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理。保障數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的暢通，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流量和服務(wù)器運(yùn)行狀況，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)平臺(tái)在Internet上的交互，定時(shí)測(cè)試和檢修網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

5 ?結(jié) ?論

遙感技術(shù)已成為災(zāi)害研究中不可缺少的重要技術(shù)手段，并在防災(zāi)減災(zāi)中取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)。目前的遙感數(shù)據(jù)來源豐富，獲取也并不復(fù)雜，SPOT、LANDSET、NOAA、IKONOS、QUICKBIRD等衛(wèi)星已經(jīng)可以提供高精度的遙感數(shù)據(jù)，只是相對(duì)完善的數(shù)據(jù)平臺(tái)還略顯欠缺。基于遙感影像的沿海城市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)，是一套完整的高效架構(gòu)，包含海量的多源遙感數(shù)據(jù)，功能也比較全面，不僅可以為災(zāi)害研究提供數(shù)據(jù)支持，還能滿足數(shù)據(jù)生產(chǎn)加工、空間信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理等需求。數(shù)據(jù)平臺(tái)適用于科研和實(shí)驗(yàn)工作的開展，同時(shí)具備良好的開放性和可擴(kuò)展性?；谶b感影像的沿海城市臺(tái)風(fēng)災(zāi)害數(shù)據(jù)平臺(tái)的構(gòu)建，是遙感數(shù)據(jù)具體應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，也為其他數(shù)據(jù)平臺(tái)的開發(fā)提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：陳珂（1984.06-），男，漢族，江蘇泰州人，博士，講師，主要研究方向：自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用;余鐵橋（1983.12-），男，漢族，安徽宿松人，碩士，工程師，主要研究方向：地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)。