高分環境遙感應用示范系統平臺總體設計與實現

游代安 姜 俊 曹 飛 王昌佐 范 磊

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094;2.北京吉威時代軟件股份有限公司，北京 100043)

1 引 言

環境污染和生態破壞對我國國民經濟及社會可持續發展構成了嚴重威脅，面對日益嚴峻的環境形勢，需要不斷提高環境遙感動態監測能力，建立天－空－地一體化的環境動態監控體系，以適應大范圍、全天候、全天時、連續、動態、高效的環境監測的需要。隨著衛星載荷技術、航空航天技術和數據通訊技術的不斷發展，環境遙感技術已在環境保護領域發揮著越來越大的作用［1－2，13］。高分辨率對地觀測系統國家重大專項將通過研制發射7 顆高分辨率對地觀測衛星，初步建成我國空間基礎對地觀測體系［2］，這些衛星具有高空間、高時間、高光譜分辨率、寬觀測頻段等特點，將在我國環境保護領域將發揮巨大的作用。環境保護部作為專項實施的四個重大應用示范行業部門之一，對高分專項工作高度重視。根據新時期國家環保遙感動態監測的業務需求，我們基于面向環保領域的高分數據應用技術流程和系統構架，構建了集高分數據獲取與集成、高分環境信息產品數據存儲、環境遙感監測指標提取、環境影響評估與預測和信息服務于一體的高分環境遙感應用示范系統平臺，為建立我國“天－空－地”一體化環境監測業務化運行系統提供技術基礎［13］，為高分及其它多源遙感數據在環境監測中的有效應用提供技術示范，為全面提升我國環境遙感動態監測能力和技術水平、實現環境保護工作歷史性轉變提供技術支撐。

2 平臺總體設計

高分環境遙感應用示范系統平臺以高分辨率對地觀測系統衛星遙感影像數據為主要數據源，基于地表水、大氣和生態環境遙感參數定量反演關鍵技術和環境遙感監測與評價方法的研究成果，將業務產品生產中的各類功能進行合理粒度劃分，開發出獨立插件，以插件靈活組合搭建工作流的方式進行各類環境遙感監測產品的生產，同時集成高分衛星環境遙感應用技術體系和數據應用技術流程、系統構架，研制高分衛星的環境遙感動態監測系統和支撐數據庫，最終形成高分環境遙感應用示范系統平臺。

2.1 平臺總體架構設計

高分環境遙感應用示范系統平臺采用多層結構進行設計［3－6］，在邏輯上從下到上主要劃分為軟硬件支撐層、數據層、插件層、平臺層、業務系統層和用戶層，如圖1 所示。

2.2 平臺組成設計

針對高分系列衛星數據特點，根據示范系統業務應用的需要，將整個系統平臺劃分為環境圖像處理應用示范分系統、大氣環境遙感監測應用示范分系統、水環境遙感監測應用示范分系統、生態環境遙感監測應用示范分系統、數據與數據庫管理分系統、產品生產分系統、產品分發與用戶服務分系統、專題制圖與可視化分系統、衛星軌道預測分系統、任務規劃分系統等10 個分系統，實現相關產品的生產，平臺組成如圖2 所示。

圖1 高分環境遙感應用示范系統平臺體系架構

2.3 平臺集成設計

高分環境應用系統平臺從設計上支持對數據資源和計算資源的統一管理和調度，支持基于Linux 和Windows 的跨平臺系統結構，提供協同計算服務平臺，支持多機多任務并行處理。系統平臺以插件集成和工作流驅動的方式進行構建和集成，通過集成多家參研單位研制開發的大氣、水、生態環境遙感監測相關處理算法插件，實現高分環境遙感監測產品生產。

插件是具備某種通用功能或者專用功能的功能對象，可以被用戶使用或者作為一個小功能顆粒構成更大顆粒的功能［7，8］。插件要求至少能夠在環境遙感業務內有一定的共享和復用能力，能夠實現通用或者行業內的經典應用場景。工作流是指功能節點按一定順序連接的功能集合體，它把小粒度功能插件等按順序連接形成大粒度的流程來完成某種功能［9－11］。高分環境遙感應用示范系統平臺具備一套可視化、拖放式的流程搭建方法構建工作流，工作流引擎實現對插件的調用。平臺通過對插件、工作流的封裝［14］，構建圖像、水、大氣、生態四個業務分系統。

系統平臺基于插件集成和工作流驅動的模式［12，14－15］，通過對高分圖像處理共性技術、地表水、大氣和生態環境遙感參數定量反演關鍵技術和環境遙感監測與評價方法的集成，構建了環境圖像處理、大氣環境遙感監測、水環境遙感監測、生態環境遙感監測等4個典型環境應用示范分系統，為環保相關部門的衛星遙感應用提供高效、穩定、可靠的數據產品服務和技術支持。其中，環境圖像處理應用示范分系統、大氣環境遙感監測應用示范分系統、水環境遙感監測應用示范分系統、生態環境遙感監測應用示范分系統能分別實現圖像、大氣、水、生態業務產品的生產;產品生產分系統實現對各業務分系統功能插件的集成、工作流集成及配置工作，滿足系統平臺業務生產的需要;衛星軌道預測分系統、任務規劃分系統、數據與數據庫管理分系統、產品分發與用戶服務分系統、專題制圖與可視化分系統提供系統平臺的基礎功能，支撐業務人員和運行管理人 員進行日常工作。

圖2 高分環境遙感應用示范系統平臺總體組成

圖3 業務集成框架

2.4 平臺接口設計

系統平臺接口包括內部接口和外部接口。內部接口是高分環境應用示范系統平臺內部各分系統之間的數據和信息交換接口;外部接口則是高分環境應用示范系統平臺與外部高分數據中心、共性應用技術中心以及現有其他環境應用系統之間的外部數據和信息交換接口。環境應用示范系統平臺的內部接口關系如圖4 所示。

3 平臺實現關鍵技術

3.1 靈活的環境遙感監測業務運行與管理關鍵技術

面對環境遙感動態監測中不斷提出的新需求、不斷更新的影像處理算法、業務反演算法等，高分環境遙感應用示范系統平臺需要考慮系統的可擴展性和靈活性，需要具備由用戶根據需求靈活擴展功能的能力。結合業務需求，平臺在設計時將業務產品生產中的具體功能進行劃分，使其滿足模塊化的設計要求，在“單一職責原則”、“接口與實現分離”等設計原則的指導下，以插件的形式實現開發，并通過產品生產分系統進行統一注冊、更新、管理等。以插件為基礎，用戶可根據產品特點的不同而靈活定制、更新工作流。這種設計方式可以大大提高環境遙感監測業務運行的靈活性和復用性，可達到方便快捷的擴展功能以滿足多變的用戶需求的目的，并極大的降低了業務系統升級的成本。

3.2 數據集成關鍵技術

高分環境遙感應用示范系統平臺要管理使用的數據不僅包括高分專項系列衛星數據，還包括大量其它衛星遙感影像數據、環境背景數據、環境監測數據、基礎地理數據、社會經濟統計數據、地面采集數據以及高精度影像產品數據、環境專題產品數據、環境應用產品數據等，具有多層次、多專題、多尺度、多形態、海量等特點，平臺建設充分考慮數據源的多樣性、復雜性及數據量，空間數據模型將可以進行靈活配置，同時通過多種優化手段提高對數據存儲、數據檢索、數據加載以及數據瀏覽的效率，實現對多層次、多專題、多尺度、多形態海量地理空間信息的高效組織與管理。具體措施如下:

(1)基于數據分類的海量遙感數據動態編目，數據編目是海量數據管理的重要基礎，通過數據分類技術，首先建立數據分類體系，通過數據編目與數據分類的關聯，實現海量遙感數據動態編目建立，滿足海量遙感數據的管理。

(2)多元數據一體化存儲模型:依據數據本身的特點及應用的特點，整個數據庫采用文件編目庫、Oracle關系表和基于Oracle 的ArcSDE 大型空間數據庫結合的方式等進行存儲，針對不同的數據類型和應用特點采用不同的存儲模式。而在存儲的過程中采用建模思想對不同的數據類型通過統一的數據模型進行管理，并為用戶提供簡單、易用、一致的系統界面，避免重復性操作。

(3)構建統一數據訪問服務，能夠跨平臺訪問數據，能支持不同類型數據源間的連接，通過屏蔽各種數據源之間的差異，為程序提供一個統一的數據視圖，并通過在存儲、數據庫服務器、數據庫、中間件、應用系統等多個方面的優化設計來保證系統的存儲、管理與訪問效率。

圖4 高分環境遙感應用示范系統支撐平臺內部接口圖

3.3 安全控制技術

在解決安全控制問題方面，主要從系統架構、用戶權限、數據存儲幾個方面來保證系統的安全運行。

(1)系統架構上，使用多層架構和插件的方式來保證系統每個模塊的相對獨立和各個層次的獨立，系統請求在任何一環出現異常，都會立即終止該次請求。

(2)在用戶權限方面，使用單點登錄的方式來整合各系統程序，并通過用戶的功能操作權限和數據訪問權限予以控制。

(3)在數據存儲方面，采用安全性非常高的Oracle數據庫，此數據庫在數據庫的連接和數據存儲的安全性上有很大的成就，且在數據庫設計上，通過主外鍵的方式來保證數據的完整性。

(4)在文件存儲方面，將數據的存儲與共享分區隔離，嚴格控制存儲區的訪問授權，并支持對核心數據加密存儲，保障文件系統的訪問完全。

4 平臺實現與業務應用實例

高分環境應用示范系統平臺研制采用了多層的體系架構、B/S 與C/S 架構相結合、二三維一體化展示相結合的方式進行;C/S 客戶端應用系統采用C#作為主要開發語言，C#是.NET 下應用系統開發的首選開發語言，采用Visual Studio 2010.NET 作為開發環境;B/S 開發以及服務端應用采用JAVA 語言開發，以滿足跨平臺的需求。

系統平臺集成則采用組件模式，保持業務邏輯層或業務支撐層功能組件的“松耦合”，具有被封裝為不同粒度“服務”的可能;通過消息總線來連接各個分系統，以靈活、松散耦合的方式實現各個分系統之間的互聯互通;在消息總線的基礎上構建系統服務總線，采用SOA 的軟件構架來完成各分系統間的服務集成。

圖5 為基于示范應用平臺利用高分一號數據開展太湖地區水華遙感監測周報產品生產運行的工作流應用實例。

5 結 語

本文面向環保領域的高分數據應用技術流程和系統構架，采用多層體系架構、C/S 與B/S 混合架構設計思路，設計、研制開發和實現了一套滿足環境遙感動態監測實際和業務化運行需要高分環境遙感應用示范系統平臺，研制集成了4 大類、126 個環境遙感監測產品生產工作流、288 個功能插件，在環境保護部衛星環境應用中心初步建成了利用國產高分系列衛星數據進行大氣、水、生態環境遙感動態監測的基礎支撐與業務化運行平臺，實現了對各類高分遙感數據從接收、管理、處理、應用到服務的全流程環境遙感監測應用與監管能力。

圖5 高分一號水華遙感監測周報產品生產運行流程

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