梁建，宋平艦,2，崔廷偉，任廣波，趙文靜

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

HY-1B CZI海岸帶動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

梁建1，宋平艦1,2，崔廷偉1，任廣波1，趙文靜1

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

HY-1B衛(wèi)星是我國第二顆自主海洋衛(wèi)星，針對其搭載的4波段海岸帶成像儀（CZI）獲取的數(shù)據(jù)，設(shè)計并基于IDL語言開發(fā)了一個專用的可視化數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)以黃河口為重點研究區(qū)域，對部分算法進行了優(yōu)化和適應(yīng)性改造，具備HY-1B CZI數(shù)據(jù)導(dǎo)入、預(yù)處理、海岸帶動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品制作、產(chǎn)品輸出、數(shù)據(jù)批處理等功能，并能夠進行數(shù)據(jù)可視化和交互操作。該系統(tǒng)現(xiàn)已在國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心（NSOAS）投入應(yīng)用示范運行，為我國海岸帶動態(tài)監(jiān)測提供應(yīng)用產(chǎn)品。本文論述了該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

HY-1B衛(wèi)星；CZI；海岸帶監(jiān)測；IDL

Abstract：HY-1B satellite is the second marine satellite developed and launched in China.This paper designed and developed a visualization data processing and application system using IDL language.The system was special for the 4-band Coastal Zone Imager (CZI), with which the HY-1B satellite was equipped.The system chose the Yellow River Estuary as the study area and made some optimization and adaptation on some algorithms.It can perform the following functions: HY-1B CZI data import, preprocessing, production making for coastal zone dynamic monitoring, production output, batch data processing and so on.It was also capable of data visualization and interaction.The system has been demonstratedly applied in NSOAS for demonstration, and provided application productions so as to serve the coastal zone dynamic monitoring.This paper discusses the design and implementation of the system.

Keywords：HY-1B Satellite; CZI; Coastal Zone Monitoring; IDL

HY-1B衛(wèi)星是我國第一顆海洋衛(wèi)星HY-1A衛(wèi)星的后續(xù)星，搭載了空間分辨率為 250m的4波段海岸帶成像儀（以下稱CZI），可以獲得海陸相互作用區(qū)域的圖像。4波段設(shè)置考慮了海洋和陸地兼顧的原則，主要應(yīng)用于海岸帶動態(tài)監(jiān)測。因此，利用HY-1B CZI 數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測我國海岸帶地區(qū)是一種有效而經(jīng)濟的手段。但是，HY-1B CZI數(shù)據(jù)的推廣應(yīng)用卻面臨兩個主要問題：首先，現(xiàn)有的通用遙感處理平臺如ENVI、ERDAS等，在HY-1B CZI數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用方面缺乏有效支持，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)格式兼容性不足和應(yīng)用模型的匱乏；其次，HY-1B CZI傳感器相較于早期的 HY-1A CCD，無論是在通道設(shè)置，性能指標(biāo)，還是應(yīng)用目標(biāo)，甚至數(shù)據(jù)格式等方面，都有很大不同。因此，前期為HY-1A CCD數(shù)據(jù)設(shè)計開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)[1]無法通過簡單的升級改造手段來達到兼容HY-1B CZI數(shù)據(jù)的目的。為此，本文設(shè)計開發(fā)了一個專門針對 HY-1B CZI的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)傳感器特性及研究區(qū)特點對部分算法進行了優(yōu)化和適應(yīng)性改造，具備HY-1B CZI數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、預(yù)處理、海岸帶動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品制作、產(chǎn)品輸出等功能，并結(jié)合用戶需求，可對大量原始數(shù)據(jù)進行自動化批處理。

系統(tǒng)采用IDL語言實現(xiàn)。IDL語言的全稱是交互式數(shù)據(jù)語言[2]（Interactive Data Language），它是一種跨平臺、面向矩陣運算的語言，在數(shù)據(jù)分析與可視化方面具有強大而又豐富的功能，被廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)（包括氣象、水文、海洋、土壤、地質(zhì)、地下水等）、醫(yī)學(xué)影像、GIS系統(tǒng)、航空航天、信號處理、數(shù)學(xué)統(tǒng)計及分析、環(huán)境工程等諸多領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)是貫穿遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用過程的主線，按數(shù)據(jù)處理的流程將 HY-1B CZI海岸帶動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)劃分為三大功能模塊，即數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理模塊、信息提取模塊、產(chǎn)品制作模塊。為實現(xiàn)系統(tǒng)集成和可視化，還需要系統(tǒng)總控模塊和圖像顯示模塊的支持。整個系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

系統(tǒng)的運行由總控模塊集中進行管理控制，系統(tǒng)設(shè)有工作目錄，集中存儲系統(tǒng)在運行時產(chǎn)生的各種中間數(shù)據(jù)及參數(shù)文件。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理模塊的主要功能是讀取HDF格式的L1B數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)文件，然后對數(shù)據(jù)進行水陸掩模、云掩模、幾何校正等預(yù)處理操作；信息提取模塊的功能是對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行反演或提取相關(guān)信息，如反演懸浮泥沙濃度、進行海岸帶土地覆蓋分類、提取瞬時水邊線、岸線和潮間帶范圍等；產(chǎn)品制作模塊的功能是將信息提取的結(jié)果輸出為 HDF格式或其他常見圖像格式（JPEG、BMP、TIFF）。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理、信息提取和產(chǎn)品制作3個功能模塊之間的交互是依靠工作目錄內(nèi)存儲的中間數(shù)據(jù)以及參數(shù)文件作為紐帶貫穿起來的。為此，系統(tǒng)專門對這些文件從命名方式到物理存取格式都進行詳細的設(shè)計，并形成文檔，以便開發(fā)實現(xiàn)與后期維護。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.1 System functional structure

2 HY-1B CZI海岸帶動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與預(yù)處理

2.1.1 HDF數(shù)據(jù)導(dǎo)入 系統(tǒng)輸入的CZI L1B數(shù)據(jù)是以“層次型數(shù)據(jù)格式”（Hierarchical Data Format，縮寫為HDF）文件進行存儲和分發(fā)。HDF格式雖然便于數(shù)據(jù)管理，卻不方便直接使用。一是單景CZI L1B數(shù)據(jù)文件較大（約1GB），每次都針對它進行操作將占用大量系統(tǒng)資源；二是文件內(nèi)部數(shù)據(jù)種類多（表1），但并非全為本系統(tǒng)所用；三是由于文件內(nèi)部各種數(shù)據(jù)按照“層次型”組織存放，每次使用都要經(jīng)過若干查詢及讀取步驟，影響效率。因此，系統(tǒng)首先要將HDF格式的L1B數(shù)據(jù)導(dǎo)入并保存為內(nèi)部文件，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用都是針對這些內(nèi)部文件開展。

表1 HY-1B CZI L1B數(shù)據(jù)格式概覽Tab.1 HY-1B CZI L1B data format

在實際操作中，數(shù)據(jù)導(dǎo)入所完成的并非單純的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，其具體工作包括：從 HDF文件中讀取系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，包括全局屬性數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)（即 CZI掃描圖像輻亮度）、圖像定位數(shù)據(jù)中的像元經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和掃描行屬性中的掃描行起始點、結(jié)束點經(jīng)緯度數(shù)據(jù)；采用灰度列均衡法1)對CZI掃描輻亮度數(shù)據(jù)進行消條帶處理；根據(jù)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)對其進行等經(jīng)緯度投影；最后將投影后的數(shù)據(jù)及相關(guān)信息按事先設(shè)計的格式寫入內(nèi)部文件。

此處對CZI掃描輻亮度數(shù)據(jù)進行等經(jīng)緯度投影是最為關(guān)鍵的一步。系統(tǒng)通過計算數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍和分辨率確定一個虛擬的經(jīng)緯格網(wǎng)，然后根據(jù)每個掃描點的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將其放到經(jīng)緯格網(wǎng)的相應(yīng)位置上。對于經(jīng)緯格網(wǎng)上的“空白點”，則應(yīng)用一個3×3的滑動窗口搜索其周圍8個相鄰點的數(shù)據(jù)，用搜索到的有效數(shù)據(jù)的均值來填充。由于每個CZI掃描行的2048個像元中只有104個有定位數(shù)據(jù)，所以對那些沒有定位數(shù)據(jù)的像元需要用插值法來計算它們的經(jīng)緯度坐標(biāo)；又因這104個像元在掃描行中并非均勻分布，為此需要區(qū)分掃描行中不同位置的像元，采用不同的插值計算參數(shù)，以得到準確的插值結(jié)果。需要說明的是，投影后的數(shù)據(jù)存在定位誤差，需要做進一步的校正處理。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)預(yù)處理的對象即是以內(nèi)部文件形式存儲的L1B數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括水陸掩模、云掩模和幾何校正。水陸掩模最初準備了兩種算法，分別是光譜閾值法和地理位置法，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)CZI數(shù)據(jù)無法單純依靠波段閾值將水體（尤其是懸沙濃度極高的黃河口海域）與陸地分開，故只保留了地理位置法。云掩模算法則采用光譜閾值法，此方法簡單有效，唯一的問題是固定的閾值不一定適合于所有的影像，用戶可以通過調(diào)整檢測閾值來達到理想的掩模效果。幾何校正設(shè)計采用“控制點+多項式”法對影像進行精校正，但在實驗后發(fā)現(xiàn)該功能存在以下兩點問題：首先是受影像分辨率影響，地面控制點和對應(yīng)的影像控制點均不容易尋找，不僅無法提高校正精度，反而很容易引入人為誤差；其次就是影像只是存在比較明顯的位置偏移，而沒有明顯的旋轉(zhuǎn)或扭曲等現(xiàn)象。針對以上兩點，系統(tǒng)采用了一種更直觀簡便的方法來對影像進行校正，即讓用戶在CZI影像和系統(tǒng)提供的標(biāo)準位置模板上選取一組同名點，用這兩點間的偏移量來減小或消除影像的定位誤差。

2.2 海岸帶信息提取算法與集成

針對研究區(qū)域黃河口附近的海岸帶特點，對部分信息提取算法進行優(yōu)化和改造，集成于系統(tǒng)中，用以對預(yù)處理后的CZI影像進行信息提取，包括懸浮泥沙濃度反演，海岸帶土地覆蓋分類，岸線及潮間帶范圍提取等。

2.2.1 懸浮泥沙濃度反演 懸浮泥沙濃度反演是將預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)作為輸入，通過選定的模型算法進行計算，從而得到反演結(jié)果。系統(tǒng)嘗試了不同的波段組合及算法形式，最終選取 Gordon算法，該算法形式如下：

式中：R為第三波段（665nm）的DN值，S為懸浮泥沙濃度值，A、B、C為模型參數(shù)。

算法被封裝成一個函數(shù)集成于系統(tǒng)中，該函數(shù)輸入的是預(yù)處理后的CZI數(shù)據(jù)，函數(shù)只對掩模后被判為水體的數(shù)據(jù)進行計算，對于陸地、云以及計算結(jié)果中的異常值都有相應(yīng)處理。在進行懸浮泥沙濃度反演時，直接調(diào)用該函數(shù)即可。

2.2.2 海岸帶土地覆蓋分類 本系統(tǒng)采用最大似然法對L1B數(shù)據(jù)進行海岸帶土地覆蓋分類，目標(biāo)類別為裸灘地、水體、居民地和植被。用戶需要輸入分類數(shù)，并且為每個類別選取一定量的樣本，之后系統(tǒng)調(diào)用核心算法對影像數(shù)據(jù)進行分類，并輸出分類結(jié)果。此處的核心算法用C語言實現(xiàn)并編譯為動態(tài)鏈接庫DLL文件，在IDL中利用外部調(diào)用命令CALL_EXTERNAL來調(diào)用該算法，方法如下：

2.2.3 岸線及潮間帶提取 海岸線系指多年大潮平均高潮位時的海陸分界線，是一個統(tǒng)計結(jié)果。綜合研究區(qū)以及CZI數(shù)據(jù)的特點，本文提出了一種基于多時相CZI影像的岸線和潮間帶提取方法。為實現(xiàn)該功能，用戶首先要在系統(tǒng)中手工提取每景影像的瞬時水邊線并將其保存在自定義格式的文件中，然后調(diào)用一個專門開發(fā)的核心算法函數(shù)FUN_COASTAL即可自動完成岸線和潮間帶范圍的提取。該函數(shù)的功能是計算兩條曲線的所有交點，將其在交點處打斷生成一系列弧段，最后將這些弧段按指定的規(guī)則組合成一條新的曲線。其調(diào)用方法如下：

其中，返回值Result是新生成的曲線數(shù)據(jù)，為一系列的坐標(biāo)點；Input1和Input2是輸入的兩條瞬時水邊線數(shù)據(jù)，為一系列的坐標(biāo)點；Parameter1是組合規(guī)則參數(shù)，只能取0或1。

2.3 產(chǎn)品輸出

產(chǎn)品輸出分兩種，一種是將屏幕顯示結(jié)果輸出為常見圖像格式，如JPEG、BMP、TIFF等；第二種是將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出為 HDF格式。前者可以通過調(diào)用 IDL的 WRITE_JPEG、WRITE_BMP、WRITE_TIFF等過程來實現(xiàn)；后者則通過調(diào)用IDL提 供 的 HDF 文件 存 取接 口 函數(shù)HDF_SD_ATTRSET 、 HDF_SD_CREATE 、HDF_SD_ADDDATA等來實現(xiàn)。三級產(chǎn)品的HDF數(shù)據(jù)文件由全局屬性參數(shù)、存儲產(chǎn)品數(shù)據(jù)的SD科學(xué)數(shù)據(jù)集組成和數(shù)據(jù)集屬性組成。SD科學(xué)數(shù)據(jù)集包括海洋要素數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)。每種產(chǎn)品文件都嚴格按照統(tǒng)一的標(biāo)準進行命名。

2.4 自動化批處理

衛(wèi)星在軌運行期間每天都生產(chǎn)大量數(shù)據(jù)，為了有效利用這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)特別增加了批處理功能。該功能可以將指定存放目錄下的所有 L1B數(shù)據(jù)進行自動化處理，處理內(nèi)容包括自動判斷并選擇那些包含監(jiān)測區(qū)域（黃河三角洲）的數(shù)據(jù)文件，自動裁切、投影、進行掩模處理、生成懸沙濃度產(chǎn)品及對應(yīng)的JPEG格式快視圖，并將產(chǎn)品存放到指定目錄下。批處理過程信息同時記錄在系統(tǒng)LOG文件中，以便追溯。

3 數(shù)據(jù)可視化顯示與系統(tǒng)交互

3.1 數(shù)據(jù)可視化顯示

IDL為用戶提供了兩種獨立的圖形系統(tǒng)：直接（Direct）圖形系統(tǒng)和對象（Object）圖形系統(tǒng)。兩種圖形系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較見表2。

表2 直接圖形系統(tǒng)和對象圖形系統(tǒng)優(yōu)缺點比較Tab.2 Comparison of Direct Graphics System and Object Graphics System

比較這兩種圖形系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)采用對象圖形系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示功能。創(chuàng)建一個包含影像數(shù)據(jù)的Image對象，將其添加到Model對象中，然后再將Model對象添加到View對象中，最后調(diào)用Window對象的Draw方法即可將影像繪制出來。當(dāng)需要在影像上進行諸如繪制感興趣區(qū)（Region of Interest，以下稱ROI）等操作時，可以創(chuàng)建ROI對象并將其作為基本圖元添加到Model對象中，最后再次調(diào)用Draw方法即可。實現(xiàn)代碼如下：

改變各個對象的屬性或者調(diào)用它們所提供的方法，可以很容易實現(xiàn)各種操作及效果。例如本系統(tǒng)中，通過繪圖對象（WIDGET_DRAW）對鼠標(biāo)移動事件的實時響應(yīng)，獲取鼠標(biāo)坐標(biāo)位置，調(diào)用ROI對象更新數(shù)據(jù)方法（ReplaceData）改變ROI邊框，調(diào)用繪圖控件的繪制方法（Draw）刷新圖像，就實現(xiàn)了選擇 ROI時邊框隨鼠標(biāo)移動而變化的動態(tài)效果。

3.2 系統(tǒng)交互

本系統(tǒng)具有很多用戶交互功能，如ROI選擇，控制點選取，分類樣本選取，人工勾繪瞬時水邊線等等，系統(tǒng)交互控制的實現(xiàn)就是要解決不同窗體、不同控件、不同函數(shù)及過程之間數(shù)據(jù)的傳遞問題。IDL提供了以下幾種方案，如：定義公共塊（COMMON BLOCK），定義系統(tǒng)變量（DEFSYSV），使用用戶值（UVALUE）存儲變量，使用SAVE存儲變量或完全面向文件的變量存儲。本系統(tǒng)的實現(xiàn)使用了定義公共塊和使用 UVALUE存儲變量兩種方法。

在本系統(tǒng)中，定義了3個公共塊，分別用來存儲系統(tǒng)主窗體ID、系統(tǒng)工作路徑和系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，它們的定義如下：

UVALUE是IDL中另一個非常有用的設(shè)計，用它可以方便地在不同函數(shù)及過程之間共享數(shù)據(jù)。UVALUE的作用相當(dāng)于一個容器，可以存放 IDL支持的任意類型和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

下面是在本系統(tǒng)的主窗體中設(shè)置的UVALUE：

由于 UVALUE中只能存放一個變量，因此定義一個結(jié)構(gòu)體（Structure）sState以保存一組變量，此處創(chuàng)建了一個指向該結(jié)構(gòu)體的指針變量 pState，并將該指針變量存儲到程序主窗體的UVALUE中。引用時用如下代碼：

這里使用指針的好處是可以直接更新其所指的變量值，否則只能應(yīng)用Widget_Control過程中的SET_UVALUE關(guān)鍵字來進行變量值更新。

4 系統(tǒng)運行實例

系統(tǒng)首先讀入一景L1B數(shù)據(jù)，選取黃河口附近區(qū)域。用戶可以通過工具條按鈕查看數(shù)據(jù)屬性信息，對影像進行縮放，還可以用界面右側(cè)的工具進行一些顯示控制，如選擇數(shù)據(jù)波段，進行假彩色合成，調(diào)整亮度、對比度等等。圖2所示即為導(dǎo)入后的CZI數(shù)據(jù)3-2-1波段組合假彩色合成效果。

圖2 系統(tǒng)運行界面Fig.2 System operation interface

圖3 用3級產(chǎn)品制作的專題圖Fig.3 Thematic map produced by L3 Product

經(jīng)過預(yù)處理之后，數(shù)據(jù)可以做如下應(yīng)用：定量反演黃河口海域的懸浮泥沙含量，對黃河三角洲海岸帶土地覆蓋進行監(jiān)督分類，對黃河三角洲的岸線和潮間帶進行動態(tài)變化監(jiān)測。

對于所得到的最終結(jié)果，系統(tǒng)可以生成相應(yīng)的HDF格式3級產(chǎn)品文件，或是生成通用圖片格式文件如JPEG、BMP等，以方便產(chǎn)品的管理和分發(fā)。圖3是利用生成的3級產(chǎn)品制作的專題圖。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)已投入應(yīng)用示范運行，為HY-1B CZI數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供了一個專用平臺，展示了HY-1B衛(wèi)星在海岸帶動態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用能力，體現(xiàn)了HY-1B衛(wèi)星的價值。此外，該系統(tǒng)的開發(fā)也為今后類似系統(tǒng)的開發(fā)積累了豐富的經(jīng)驗，起到良好的示范作用。

當(dāng)然，該系統(tǒng)還有很多方面有待進一步擴展和完善，如系統(tǒng)交互功能以及自動化運行處理仍需進一步改進，加強GIS分析功能的支持等等。

[1]黃建波, 張杰, 宋平艦, 等.HY-1衛(wèi)星CCD遙感器海岸帶動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范系統(tǒng)開發(fā) [J].海洋科學(xué)進展, 2003, 21(3): 342-348.

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Design and implementation of HY-1B CZI Coastal Zone Dynamic Monitoring System

LIANG Jian1, SONG Ping-jian1,2, CUI Ting-wei1, REN Guang-bo1, ZHAO Wen-jing1

(1.First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 2.Key Lab of Marine Science and Numerical Modeling, SOA, Qingdao 266061, China)

TP751

A

1001-6932(2011)01-0094-06

2010-04-22 ；收修改稿日期：2010-06-03

海洋衛(wèi)星項目“HY-1B衛(wèi)星在海岸帶典型區(qū)域動態(tài)變化監(jiān)測中的應(yīng)用”；國家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2008401）；國家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2007B05）

梁建(1985- ) ,男,山東臨沂人,碩士研究生,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。E-mail：ljcn@live.com。