基于天地圖的區域海洋環境要素遙感監測系統研究

□ 嚴宇 羅瞳 馬聰

（1.黑龍江中海經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達國家進行海洋監視監測的重要手段。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境有關的參數，如葉綠素、懸浮物、黃色物質、污染物及水深等，近幾年受到國內外廣泛重視。因此，進行海洋要素遙感監測系統的研究具有重要的現實意義。我國空間海洋觀測及應用系統建設還存在諸多問題，尤其是海洋遙感信息產品制作的業務化、實用化程度低，缺乏結合類似于天地圖這樣的網絡地圖的發布手段，影響了應用范圍的擴大。

基于天地圖的區域海洋環境要素遙感監測系統主要是為執行區域海洋環境遙感監測業務。充分利用現有衛星遙感數據產品，研究典型海洋環境要素的監測方法與技術。針對葉綠素濃度、海面溫度等典型海洋環境要素進行制作研究，形成并初步建立監測系統；同時研究天地圖地理信息公眾服務平臺的WEBAPI二次開發接口，基于天地圖進行要素產品的展示。

1.遙感數據的獲取與處理

（1）數據獲取

數據來源主要采用MODIS及SeaWiFS的產品數據。中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）-MODIS是Terra和Aqua衛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個波段的觀測數據。MODIS在發展有效的、全球性的用于預測全球變化的地球系統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境保護相關的重大決策。

MODIS自2000年4月開始正式發布數據，NASA對MODIS數據以廣播X波段向全球免費發送，由于NASA對MODIS數據實行這種全球免費接收的政策，使得MODIS數據的獲取十分廉價和方便。MODIS標準數據產品根據內容的不同分為0級、1級數據產品，在1B級數據產品之后，劃分2－4級數據產品，包括：陸地標準數據產品、大氣標準數據產品和海洋標準數據產品等三種主要標準數據產品類型，總計分解為44種標準數據產品類型。

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

圖1 數據產品獲取Data Products Get

（2）數據處理

根據海洋環境要素的處理需求，遙感數據處理作業主要是使用SeaDAS軟件完成。SeaDAS（SeaWiFSDataAnalysisSystem）是一個針對水色衛星數據，集顯示、處理、分析、質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，并在其后不斷升級。目前最新版本為SeaDAS7.0.2。該系統采用了許多新的硬、軟件技術支持，能對所有SeaWiFS數據產品以及MODIS海色數據進行處理、分析和圖像顯示。

葉綠素產品的具體處理流程為：首先使用SeaDAS導入需要處理的數據，葉綠素產品為OceanColor產品，文件名舉例為：A2014089052500.L2_LAC_OC.bz2。打開該產品后，首先對產品進行投影變換，使用SeaDAS的 Tools菜單下的 Reprojection功能，將數據投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地圖做接口。然后打開重投影的數據，找到chlor_a波段并打開，然后對產品進行調色。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。調色推薦使用NASA的葉綠素標準調色板，調色板文件名稱為chl_standard.cpd，調色完畢后，將調色好的View數據整景導出為Geo-Tiff格式即可。下一步我們將對這個產品數據進行發布。

海面溫度產品的具體處理流程為：首先使用SeaDAS導入需要處理的數據，海面溫度產品為SST產品，文件名舉例為：A2014089052500.L2_LAC_SST.bz2。打開該產品后，首先對產品進行投影變換，使用SeaDAS的 Tools菜單下的 Reprojection功能，將數據投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地圖做接口。然后打開重投影的數據，找到sst波段并打開，然后對產品進行調色。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。調色推薦使用NASA的海面溫度標準調色板，調色板文件名稱為sst_standard.cpd，調色完畢后，將調色好的View數據整景導出為GeoTiff格式即可。下一步我們將對這個產品數據進行發布。

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，為開發者提供了快速調用天地圖在線地理信息服務的通道，包括快速創建地圖、調用地圖、POI搜索以及在地圖上添加覆蓋物等，開發者可以利用天地圖WebAPI輕松將天地圖豐富的地圖功能嵌入到各類應用系統或網站中，并且可以基于天地圖的數據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，進行遙感數據的預處理，包括格式轉換、數據整合、坐標轉換、數據集構建、數據渲染等。為了用戶在客戶端能方便快速的瀏覽到客戶數據，還需要發布地圖服務，創建地圖緩存。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

由于我們發布數據要使用瓦片技術，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：

地圖瓦片數據格式采用PNG或JPG。影像服務：由于本項目涉及的要素產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.數據發布及加載

數據處理完畢后，需要將調色好的要素產品進行瓦片制作，生產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絡發布任務，支持輸入 GeoTiff、MrSID，ECW、JPEG2000、JPEG、PNG等輸入數據格式。

數據發布為瓦片圖層后，可以使用天地圖的WebAPI中的TTileLayer類進行調用。以下為調用的偽代碼示例：

//創建自定義圖層對象

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.網站開發與天地圖集成

本研究采用 PHP、MySQL、Apache技術進行網站系統開發與天地圖集成。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、效率高且面向對象的特點，是當今的主流動態網站開發技術。數據庫使用 MySQL，MySQL是一個精巧的 SQL數據庫管理系統，由于它的強大功能、靈活性、豐富的應用編程接口（API）以及精巧的系統結構，受到了廣大自由軟件愛好者甚至是商業軟件用戶的青睞，特別是與Apache和PHP/PERL結合，為建立基于數據庫的動態網站提供了強大動力，可組成良好的動態網站開發環境。

（1）開發環境

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是一個小巧的數據庫系統軟件，它們特別適用于網站建設。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，可移植性好。因此，這種組合是設計動態網站的最佳解決方案。

服務器端開發環境：XAMPP（Apache+MySQL+PHP+PERL）

（2）數據庫設計

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

圖3 map_data表結構設計map_data Table Structure Design

（3）系統設計

針對已采集的區域海洋環境要素數據，確定在本項目中除瀏覽外，還要提供便捷的數據檢索服務，本系統在制作過程中劃分為以下四個模塊：

①用戶管理模塊：主要實現對系統用戶的管理。

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，疊加區域海洋環境要素數據，用戶可進行縮放、鷹眼定位、提供地圖、衛星、衛星混合、地形、地形混合五種基礎數據模式；

③數據管理模塊：由數據管理界面組成。實現區域海洋環境要素的查詢檢索、選擇瀏覽等功能；

④后臺管理：實現網站的后臺管理，進行日常的數據更新、維護；

圖4 系統登錄界面System login screen

圖5 網站主界面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，它能夠幫助您在網站中制作各種類型、行業的地圖應用，還可以使地圖功能以模塊化集成在不同類型的系統應用中。地圖API是由JavaScript語言編寫的，在使用之前需要通過