徐雯佳，田 力，許志輝，韓 笑，劉德衛(wèi)

（1.河北省遙感中心，河北 石家莊 050021；2.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050021）

隨著環(huán)渤海區(qū)域開發(fā)建設(shè)步伐的加快，河北省海洋生態(tài)環(huán)境問題日益突出[1]，水質(zhì)下降、赤潮頻發(fā)、岸灘嚴重退化等引起了社會的廣泛關(guān)注[2-5]。如何正確實施海洋開發(fā)戰(zhàn)略、開展海域海島海岸帶綜合整治與修復(fù)、發(fā)展海洋經(jīng)濟，都離不開空間技術(shù)的支持。隨著海洋一號、海洋二號、環(huán)境一號、高分系列等國產(chǎn)衛(wèi)星的成功發(fā)射，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為實現(xiàn)我國海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測提供了有力保障，已成為我國海洋監(jiān)測的主力軍[6-9]。

2010年原國家海洋局大力推進國產(chǎn)海洋衛(wèi)星地方應(yīng)用，將河北省列入應(yīng)用示范區(qū)。河北省積極響應(yīng)推廣海洋衛(wèi)星應(yīng)用工作，在水色環(huán)境監(jiān)測、海面溫度監(jiān)測、海冰監(jiān)測等方面進行了示范應(yīng)用，積累了一定的海洋遙感監(jiān)測經(jīng)驗；但針對河北省海域的區(qū)域性海洋環(huán)境遙感監(jiān)測技術(shù)研究不深入，項目成果相對零散、不成體系，無法為河北省海洋管理及其相關(guān)部門提供系統(tǒng)化、流程化、標準化的服務(wù)。為了進一步全面提升河北省海洋遙感監(jiān)測能力，使衛(wèi)星遙感真正有效地服務(wù)于海洋相關(guān)領(lǐng)域工作，河北省在原國家海洋局科技司的大力支持下，率先開展了省級層面的、綜合性的衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺建設(shè)，自主研究了針對河北省近海的區(qū)域性海洋環(huán)境和海洋災(zāi)害遙感監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了地方海洋水色、水溫、海冰、赤潮、溢油、海島海岸帶開發(fā)利用等遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測，為河北省海洋管理、生態(tài)環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)等提供了實時、連續(xù)、有效的決策依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 平臺總體設(shè)計思路

河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺的總體設(shè)計思路是匯總分析海洋遙感信息各類用戶的需求，以遙感技術(shù)為主，協(xié)同空間信息技術(shù)、信息采集技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，充分整合已有國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心海洋衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)、秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站海洋環(huán)境現(xiàn)場觀測系統(tǒng)以及河北省遙感中心海洋遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測技術(shù)的能力和優(yōu)勢，實現(xiàn)自衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理、成果發(fā)布至精度評價的全業(yè)務(wù)閉環(huán)流程，為政府、涉海業(yè)務(wù)部門、社會公眾提供智能化的海洋環(huán)境遙感監(jiān)測信息服務(wù)。

2 平臺架構(gòu)

河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺采用3/N層架構(gòu)與“框架+插件”架構(gòu)相結(jié)合的方式，增加了系統(tǒng)可擴展性、可維護性和簡單部署升級能力，為平穩(wěn)過渡到云架構(gòu)提供了有力支撐。平臺架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)組件層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層為海洋遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)提供主機、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及通用軟件平臺資源，是整個平臺運行的基礎(chǔ)。其中，通用軟件平臺資源包括操作系統(tǒng)軟件和第三方支撐軟件兩個層面，操作系統(tǒng)軟件主要包括Windows、Linux、AIX等目前常規(guī)主流的操作系統(tǒng)；第三方支撐軟件包括數(shù)據(jù)庫軟件、GIS軟件、RS軟件等。

2）數(shù)據(jù)層為整個平臺提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)資源包括滿足海洋環(huán)境遙感監(jiān)測所需的各類數(shù)據(jù)資源庫，如原始影像數(shù)據(jù)庫、增值影像數(shù)據(jù)庫、專題產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理信息庫、輔助專題數(shù)據(jù)庫等。

3）服務(wù)組件層。該層主要應(yīng)用服務(wù)集成和組件集成兩種集成技術(shù)，服務(wù)集成主要適用于運行自動化程度較高的業(yè)務(wù)模型或基礎(chǔ)功能服務(wù)，將其按服務(wù)集成標準封裝成服務(wù)，基于SOA技術(shù)，通過注冊、發(fā)布，將服務(wù)集成于平臺上，并對外提供服務(wù)的調(diào)用應(yīng)用；組件集成主要適用于運行自動化程度較低、需要大量人工交互操作的業(yè)務(wù)模型或基礎(chǔ)功能模塊組件，將其按標準規(guī)范進行組件化封裝，基于組件可插拔技術(shù)，通過組件注冊、發(fā)布，將組件集成于平臺上，并對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供組件調(diào)用執(zhí)行等應(yīng)用。目前，業(yè)務(wù)服務(wù)主要包括河北省近海水色、水溫、海冰、赤潮、溢油、海島海岸帶等專題的遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測服務(wù)。近岸海面風場和海浪等海洋動力環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測技術(shù)正在研究中，待業(yè)務(wù)化算法形成后，即可加入業(yè)務(wù)服務(wù)。

4）應(yīng)用層是在服務(wù)組件層的基礎(chǔ)上，通過對不同服務(wù)或組件進行組合調(diào)用，形成的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、綜合制圖、數(shù)據(jù)管理、用戶服務(wù)等5個軟件子系統(tǒng)，為海洋環(huán)境遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測提供便捷、實用的工具。

5）用戶層主要分為專業(yè)用戶和普通用戶兩大類，同時面向國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、河北省遙感中心和秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站3個節(jié)點。對于專業(yè)用戶和普通用戶分別進行了權(quán)限定義。從軟件形態(tài)上講，專業(yè)用戶以采用C/S架構(gòu)軟件為主，普通用戶以采用B/S架構(gòu)軟件為主。

圖1 平臺總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)建設(shè)

河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺的系統(tǒng)建設(shè)包括計算機網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸軟件子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與模型調(diào)試軟件子系統(tǒng)、綜合制圖軟件子系統(tǒng)、用戶服務(wù)軟件子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理軟件子系統(tǒng)等。軟件采用插件/組件的方式進行集成，通過業(yè)務(wù)流程編排，實現(xiàn)海洋環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品的快速生產(chǎn)與主動分發(fā)。

1）計算機網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。該系統(tǒng)分布式部署在河北省遙感中心、國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，主要設(shè)備包括通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)管理服務(wù)器，路由器、防火墻、交換機，磁盤陣列和若干客戶端設(shè)備等，通過專線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)三地之間的互聯(lián)互通（圖2）。

圖2 計算機網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)部署架構(gòu)

2）數(shù)據(jù)傳輸軟件子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要負責國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心、河北省遙感中心和秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站之間的數(shù)據(jù)互傳任務(wù)；以FTP服務(wù)器為數(shù)據(jù)傳輸存儲中介，利用消息中間件來通知接收站點，各站點部署Web Service服務(wù)組件，由數(shù)據(jù)傳輸軟件統(tǒng)一進行調(diào)度。衛(wèi)星數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時傳輸，即將國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心獲取的海洋系列、高分系列、MODIS等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站獲取的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)實時傳輸匯總至河北省遙感中心。監(jiān)測產(chǎn)品的實時傳輸，即將河北省遙感中心制作的海洋環(huán)境遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測專題產(chǎn)品實時傳輸至國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心和秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站。

3）數(shù)據(jù)處理與模型調(diào)試軟件子系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于IDL語言開發(fā)，主要負責遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、水色水溫信息提取、海冰信息提取、赤潮預(yù)警區(qū)提取、水色水溫遙感反演模型調(diào)試等。其中，自主研發(fā)和提出的針對河北省近海的水色水溫反演算法、海冰信息提取閾值、赤潮預(yù)警技術(shù)是系統(tǒng)的核心，也是整個平臺自動化運行的核心。

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理，即自動對獲取的海洋一號、MODIS等遙感數(shù)據(jù)進行區(qū)域裁剪、幾何校正、大氣校正、陸地掩膜、云檢測等預(yù)處理工作；同時在人機交互下，對通用格式的遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理工作。

水色水溫信息提取，即利用自主建立的葉綠素a濃度反演算法[10]、懸浮泥沙濃度反演算法、海面溫度反演算法[11]自動提取相應(yīng)的海洋環(huán)境要素信息；并自動統(tǒng)計顯示各要素的最小值、最大值和平均值。

式中，Chla為葉綠素a的濃度；r1為MODIS大氣校正后第1波段的反射率。

式中，SSC為懸浮泥沙濃度；r1為MODIS大氣校正后第1波段的反射率。

式中，SST為海面溫度；T31、T32分別為MODIS數(shù)據(jù)第31、第32波段的亮溫；θ為傳感器天頂角。

海冰信息提取，即在海冰遙感影像直方圖中，海冰和海水呈現(xiàn)兩個明顯峰值，通常利用兩個峰中間的谷值作為閾值進行冰水區(qū)分[12]。經(jīng)過大量樣本試驗，系統(tǒng)設(shè)定了基于不同遙感數(shù)據(jù)的海冰信息提取閾值，對于MODIS、HJ-1/CCD和GF-4/PMS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，冰水識別閾值分別采用第1波段反射率的14.0%、第1波段反射率的22.0%和第3波段反射率的12.9%。系統(tǒng)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)類型，自動選取相應(yīng)的閾值，將反射率高于閾值的區(qū)域提取為冰。

赤潮是一種能夠引起水色異常變化的生態(tài)災(zāi)害[13]。葉綠素a濃度和海面溫度是赤潮信息遙感提取方法的基礎(chǔ)指標[14]。系統(tǒng)提供了對不同季節(jié)、不同區(qū)域設(shè)置不同閾值進行赤潮預(yù)警區(qū)提取的功能。根據(jù)多年的監(jiān)測經(jīng)驗，秦皇島海域是赤潮多發(fā)區(qū)，其中Chla≥2.5 mg/m3且15℃≤SST≤25℃的區(qū)域極有可能是赤潮爆發(fā)區(qū)[15]。因此，系統(tǒng)將上述經(jīng)驗值設(shè)為默認條件，在葉綠素a濃度和海面溫度自動反演結(jié)果的基礎(chǔ)上，對二者進行交集波段運算，將滿足條件的區(qū)域自動提取為赤潮預(yù)警區(qū)。

系統(tǒng)開發(fā)了水色水溫遙感反演模型調(diào)試模塊，可分海域、季節(jié)、波段設(shè)置，精細化調(diào)試反演模型算法的參數(shù)、系數(shù)，自動對現(xiàn)有反演模型和調(diào)試反演模型進行海洋環(huán)境要素信息提取和誤差分析，不斷改進更新模型算法，提高反演產(chǎn)品的精度。

4）綜合制圖軟件子系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要根據(jù)實際多樣化的具體定制需求，完成多類型海洋要素監(jiān)測產(chǎn)品的制作以及其他需要大量人工干預(yù)的定制性專題制圖工作，既支持調(diào)用制圖模板進行自動化產(chǎn)品專題圖制作，又具備前臺手動產(chǎn)品制作功能，實現(xiàn)了海冰、赤潮、溢油等海洋災(zāi)害與突發(fā)事件的空間分布面積統(tǒng)計與空間分布頻次分析，以及專題報告的半自動制作輸出。

水色水溫遙感監(jiān)測專題圖通過在后臺自動調(diào)用相應(yīng)的專題產(chǎn)品制圖模板進行制作輸出。海冰、赤潮遙感監(jiān)測專題圖是在調(diào)用后臺海冰信息和赤潮預(yù)警區(qū)自動提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，在前臺基于高分辨率的遙感數(shù)據(jù)，采用目視解譯的方式進行綜合判讀后制作輸出的。溢油、海島海岸帶遙感監(jiān)測專題圖是在前臺基于經(jīng)過預(yù)處理后的中高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，采用人機交互的方式提取專題信息后制作輸出的。

對于空間分布面積統(tǒng)計，系統(tǒng)實現(xiàn)了各市近海和整個河北省近海對上述要素空間分布面積的自動統(tǒng)計，并生成相應(yīng)的統(tǒng)計圖；對于空間分布頻次分析，系統(tǒng)實現(xiàn)了基于各要素多期次空間分布數(shù)據(jù)的疊加分析，自動獲取了空間分布頻次信息，并制作輸出空間分布頻次圖，用于分析海洋災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域和嚴重程度。

專題報告制作輸出，主要實現(xiàn)對海冰、赤潮、溢油等海洋災(zāi)害以及突發(fā)事件遙感監(jiān)測通報的半自動制作輸出。首先自動讀取上述專題信息分布面積值和中心點坐標，并自動調(diào)用相應(yīng)通報模板填入信息；然后人工對監(jiān)測情況進行總結(jié)分析，輸出最終的監(jiān)測通報。

5）數(shù)據(jù)管理軟件子系統(tǒng)。該系統(tǒng)制定了一套多源異構(gòu)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標準和數(shù)據(jù)存儲管理規(guī)則，實現(xiàn)了多源遙感數(shù)據(jù)、預(yù)處理數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)以及其他類型數(shù)據(jù)的自動快速整理入庫。結(jié)合GIS服務(wù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的空間一體化展示，可根據(jù)時間、空間范圍、數(shù)據(jù)類型等檢索條件快速查詢所需數(shù)據(jù)。

6）用戶服務(wù)軟件子系統(tǒng)，采用B/S結(jié)構(gòu)，具備數(shù)據(jù)展示和用戶交互式操作功能。所有專題圖和遙感影像圖按產(chǎn)品的監(jiān)測要素進行分類，以超鏈接的形式顯示于門戶網(wǎng)站主頁并設(shè)置相應(yīng)的標識圖片。用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器完成數(shù)據(jù)產(chǎn)品的査詢、檢索與下載。

4 應(yīng)用情況

基于河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺，實現(xiàn)了河北省近海水色水溫等海洋環(huán)境遙感常規(guī)監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)后臺全自動化運行，同時提供了人機交互式的定制化專題圖生產(chǎn)平臺，滿足了海冰、赤潮、溢油、海島海岸帶開發(fā)利用等監(jiān)測業(yè)務(wù)及時連續(xù)的半自動化運行。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、流暢、高效、安全，徹底改變了原來河北省海洋環(huán)境遙感監(jiān)測工作各環(huán)節(jié)均需人工手動操作的局面，極大地提高了海洋環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化能力。例如，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)由手動推送提升為自動傳輸，傳輸帶寬為20 Mbps，數(shù)據(jù)傳輸效率優(yōu)于90%；水色水溫信息提取至專題圖輸出由30 min提升為2 min；產(chǎn)品發(fā)布由手動推送提升為專網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)自動實時發(fā)布。

監(jiān)測產(chǎn)品主要包括葉綠素a濃度、懸浮泥沙濃度、海面溫度等海洋環(huán)境要素的日監(jiān)測圖、月均值圖和季均值圖，海冰、赤潮、溢油等海洋災(zāi)害和突發(fā)事件的監(jiān)測圖、監(jiān)測通報，海島海岸帶現(xiàn)狀調(diào)查和整治修復(fù)效果遙感監(jiān)測圖。產(chǎn)品已被河北省海洋生態(tài)預(yù)警監(jiān)測部門、海域使用規(guī)劃部門、海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報部門、海洋測繪部門、港口公司等多個涉海部門和單位應(yīng)用，為其開展海洋生態(tài)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測與評價，海洋災(zāi)害監(jiān)視監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報與應(yīng)急響應(yīng)，海島海岸帶整治修復(fù)，海域使用動態(tài)監(jiān)測，海洋測繪，港口作業(yè)調(diào)度等工作提供了大量的數(shù)據(jù)支撐。海洋遙感監(jiān)測部分專題產(chǎn)品示例如圖3所示。

圖3 河北省近海海洋遙感監(jiān)測專題產(chǎn)品示例

5 結(jié) 語

河北省衛(wèi)星遙感海洋應(yīng)用平臺對國家衛(wèi)星數(shù)據(jù)分發(fā)單位、地方遙感業(yè)務(wù)化監(jiān)測單位、地方現(xiàn)場觀測單位的技術(shù)優(yōu)勢進行了有機整合，建立了全面促進地方海洋遙感監(jiān)測應(yīng)用的合作模式，為地方海洋用戶提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息服務(wù)。平臺極大提升了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信息提取、產(chǎn)品制作、產(chǎn)品發(fā)布的速度，保證了數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的時效性，為河北省海洋環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用夯實了基礎(chǔ)，為地方海洋管理提供了有效支撐。

目前，平臺建設(shè)仍處于初期階段，無論是數(shù)據(jù)獲取能力、處理能力，還是業(yè)務(wù)范圍、業(yè)務(wù)服務(wù)水平都需要進一步提高。建立云平臺，提升海量數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，構(gòu)建面向不同應(yīng)用對象的通用產(chǎn)品、定制產(chǎn)品，對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行時序化管理，逐步形成海洋遙感時空大數(shù)據(jù)平臺是平臺的升級方向。