南極海表溫度與葉綠素專題圖自動制作

張勝茂,張 衡,黃洪亮，樊 偉

(中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090)

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南極海表溫度與葉綠素專題圖自動制作

張勝茂,張 衡,黃洪亮，樊 偉*

(中國水產科學研究院東海水產研究所，農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室，上海 200090)

南極周邊海域有豐富的磷蝦資源，磷蝦分布與海表溫度和葉綠素空間分布有密切的關系。通過編程實現遙感衛星數據下載、解壓、裁剪、投影、數值計算、分級設色等功能，在制圖中實現了陸地與漁區圖層、地圖標題、圖例、標注等信息添加等功能。程序運行于服務器后臺，完全實現自動化制圖，為磷蝦資源分布研究提供參考。

南極； 海表溫度； 葉綠素； 專題圖； 自動制圖

1 引言

南極是世界最冷的地區，南極海域不僅受到極地低壓帶的影響，還受到內陸地區強冷空氣的襲擊，其海表溫度由低緯度向高緯度逐漸遞減，在南極達到最低，等值線呈東西帶狀分布[1],溫度值基本都在0℃左右。葉綠素的分布具有明顯的區域特征，浮游植物的旺發主要受海冰消融以及營養鹽供給的影響[2]。在南極生態系統中南極磷蝦占有特殊地位，是目前地球上最大的單種生物資源之一，20世紀60年代以來，漁業發達國家已先后對南極海洋生物資源進行了商業性的開發和利用，近幾年南極磷蝦的捕獲量維持在每年20×104t以上，特別在48漁區捕撈活動最為密集。南大洋海洋環境較復雜，環境因素對南極磷蝦豐度及其分布有顯著的影響，許多學者已經對南大洋海冰、葉綠素和海表面溫度等環境要素進行了研究[3]。中國在2009年首次進行了南極海洋生物資源開發利用項目探捕調查，為了輔助磷蝦捕撈生產和科學研究，開發南極磷蝦專題圖制圖軟件與服務系統[4]，但專題圖制作過程中數據下載、解壓等步驟為借助軟件手工操作，沒有做到整個流程的自動化，本文的制圖方法實現了整個流程自動制圖，專題圖通過FTP發布服務。海洋漁業專題圖作為地圖的一種，集各種海洋環境要素和漁業統計數據于一體，能夠表達多種綜合信息，為漁業生產與科學研究提供參考[5]。

2 數據與方法

2.1 海表溫度和葉綠素數據

海表溫度(Sea Surface Temperature，SST)和葉綠素濃度(Chlorophyll concentration, CHL)數據使用MODIS的Terra和Aqua 3級產品數據(NASA Ocean Color, oceancolor.gsfc.nasa.gov)，空間分辨率9 km，數據格式為NetCDF數據。獲取每天數據，由于8天基本可以覆蓋全球，因此制圖中采用8天平均合成圖像。

2.2 數據處理

SST和CHL數據在網站上被壓縮為bz2格式，本研究通過編程實現數據的自動下載，然后用ICSharpCode的SharpZipLib類庫解壓縮。SharpZipLib(參考網址www.icsharpcode.net，曾命名為NZipLib)是一個開源組件，有壓縮、解壓縮、加密等一系列功能，它完全用C#語言編寫，支持DotNET平臺，是一個可以處理ZIP、GZIP、TAR和bzip2等格式文件的庫。

專題圖自動制圖選用ARCEngine控件，用C#編程開發，程序運行在服務器后臺，每天定時自動制圖，專題圖基本信息包括標題、時間、圖例、制作單位、單位Logo等。

3 專題圖自動制圖

3.1 數據裁剪

CHL和SST數據為全球數據，范圍比較大，如果全部影像經過配準、投影、計算等處理，消耗的CPU、內存資源多，處理的時間較長，因此數據處理中進行了裁剪，只保留30°S以南的數據，裁剪出的數據范圍較南大洋范圍大，是因為數據在投影轉換時要經過插值處理，插值過程中需要待插值點的周邊數據，對于專題圖邊界點的插值，用到邊界外的數據。

3.2 數據配準與投影

海表溫度和葉綠素濃度的NetCDF格式數據，經過程序處理后保存為常用的柵格數據格式(如tif、img格式)，這些柵格數據沒有地圖中的空間位置信息，它的行列矩陣位置信息與地圖中的位置坐標信息不同，需要經過配準和定義投影，才能使柵格數據賦予實際地物空間的位置。行列矩陣位置原點坐標在左上角，地圖坐標系的原點坐標在左下角，通過對柵格圖進行坐標配準和投影定義，以使得其具有實際的地理坐標意義。

SST、CHL的像素空間分辨率和投影方式已知(如表1)，空間分辨率是9 km，像素數為2 160×4 320，投影為等距離柱狀投影(Equidistant Cylindrical Projection)，即等經緯度投影，據數據已知的空間分辨率設置像素代表的縱橫方向分辨率大小，設置原點像素位置，在柵格的向量空間進行一次線性變換并接上一個平移，變換為地圖上的向量空間，再對配準好的影像定義投影坐標系。本文采用南極蘭伯特方位角等面積(South Pole Lambert Azimuthal Equal Area)投影，柵格數據經過配準與投影定義，已經具有了投影坐標(或地理坐標)信息，可以在兩個投影之間轉換[6]。

表1 投影參數

投影轉換過程中需要經過柵格數據的插值處理，以生成符合新坐標系的連續影像。常用的插值方法有三種：鄰近內插(Nearest Neighbor)，雙線性內插(Bilinear Interpolation)，立方卷積內插(Cubic Convolution)。本文選用鄰近內插法，把等距離柱狀投影和極地投影轉換到南極蘭伯特方位角等面積投影。

3.3 數值計算

SST、CHL是通過遙感數據反演的獲得，反演后的數據大部分保存為計數值，無效值以某個特定值填充，在經過線性變換后獲得物理值，物理值與實際值存在一定的偏差，因此設定了有效值范圍，本文涉及的海況反演數據相關參數如表 2。

SST數據中先去掉無效值，再通過“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”計算出像素的物理值(式中Slope為斜率，Intercept為截距)，SST的物理值范圍限定在-2～45之間，小于-2的設置為-2，大于45的設置為45，SST物理值的單位是攝氏度(℃)。

CHL數據中先去掉無效值，再通過“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”計算出像素的物理值(參數意義與SST中相同)，CHL的物理有效值范圍限定在0.01～20.0之間，小于0.01的設置為0，大于20.0的設置為20，CHL物理值的單位是mg /m3。

表 2 海況數據像素值參數

3.4 數據制圖

從海表溫度統計值來看，海洋表面一般在-2～30 ℃之間，南大洋溫度范圍還要小一些，以2012年1月30°S以南溫度月平均的影像為例，其統計直方圖如圖1所示，在26～45 ℃分布的數據很少，主要分布在0～26 ℃之間，并且分布較為均勻。制圖中采用分級設色，顏色從(R=56，G=168，B= 0)到(R=255, G=0,B= 0)漸變渲染，分級的方法按照式1計算。

(1)

式中：n為分級設色劃分的等級數，x為各等級的值，min(x)為數據值限定的最小值，max(x)為數據值限定的最大值。

圖2(a)是2015年11月9日南極的海表溫度分布數據，圖2(b) 是2015年11月9日48.1到48.3漁區的海表溫度分布數據。

MODIS反演的CHL值分布范圍由0向20呈現指數減少，以2012年1月的月平均值影像為例，其統計直方圖如圖3，在2～20mg/m3分布的數據很少，主要分布在0～1mg/m3之間，數據的數量下降曲線近似-log(X)。制圖中采用分級設色，顏色從(R=255,G=255,B= 190)到(R=38,G=115,B= 0)漸變渲染，分級的方法按照式2計算。

圖4(a)是2015年11月9日南極葉綠素濃度分布數據，圖4(b)是2015年11月9日48.1到48.3葉綠素濃度分布數據。

圖1 SST統計直方圖Fig.1 Histogram of SST

圖2 海表溫度分布圖Fig.2 Sea surface temperature

圖3 CHL統計直方圖Fig.3 Histogram of CHL

lg(min(x))

(2)

式中：n為分級設色劃分的等級數，x為各等級的值，min(x)為數據值限定的最小值，max(x)為數據值限定的最大值。

4 結論

南極探捕海域環境較復雜，海況對南極磷蝦豐度及其分布有顯著影響，南極海表溫度與葉綠素專題圖可以為漁業生產與科學研究提供參考。遙感數據覆蓋范圍廣、多時相、周期短、費用低，以遙感反演數據為數據源，可以連續地提供南極海表溫度與葉綠素專題圖。本文通過編程實現數據下載、解壓、裁剪、投影、數值計算、分級設色、制圖等過程自動化。遙感反演的數據先去掉無效值，再計算出像素的物理值，海表溫度的物理值范圍限定在-2～45之間，小于-2的設置為-2，大于45的設置為45，葉綠素的物理有效值范圍限定在0.01～20.0之間，小于0.01的設置為0，大于20.0的設置為20。數據按照公式劃分間隔分級設色制作成圖，疊加陸地、漁區等圖層，制作輸出專題圖。自動制圖程序部署在服務器后臺自動運行，到目前為止，程序已經穩定運行一年多，2015年海表溫度專題圖制作了694幅，葉綠素專題圖制作了703幅，專題圖通過FTP方式提供服務(ftp://www.rsfishery.cn)。

圖4 葉綠素分布圖Fig.4 Chlorophyll

[1]莊卉, 鄭崇偉, 賈本凱, 等. 南大西洋海域SST特征分析[J]. 延邊大學學報(自然科學版), 2013,39(2): 153-156.

[2]金思韻, 潘建明, 韓正兵. 南極夏季普里茲灣葉綠素a的時空變化研究[J]. 極地研究, 2012,24(4): 361-371.

[3]吳越, 黃洪亮, 劉健, 等. 衛星遙感數據在海洋漁業中的應用[J]. 江蘇農業科學, 2014(6): 223-226.

[4]戴立峰, 張勝茂. 南極漁海況基礎數據服務系統[J]. 遙感信息, 2013,28(4): 115-119.

[5]鄭巧玲, 張勝茂, 樊偉. 海洋漁業專題圖的研究應用現狀[J]. 大連海洋大學學報, 2015,30(3): 340-344.

[6]戴立峰, 張勝茂. 等面積可伸縮地球網格投影分析與應用[J]. 海洋測繪, 2012,32(6): 17-19.

Automatic mapping of Antarctic sea surface temperature and chlorophyll thematic map

ZHANG Sheng-mao,ZHANG Heng, HUANG Hong-liang, FAN Wei*，

(KeyLaboratoryofEastChinaSea&OceanicFisheryResourcesExploitationandUtilization,MinistryofAgriculture,EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090 ,China)

There are abundant krill resources in the sea surrounding the Antarctica. The relationship between krill distribution and sea surface temperature and chlorophyll spatial distribution is very close. Through programming, data downloaded, unzip, cutting, projection, numerical calculation, grading design and other functions are realized, as well as land layer, fishing layer, map title, illustration, annotation adding functionality. The program is running in server background, and it can draw thematic map fully and automatically. The map can be used as

for the analysis on the krill resources distribution.

Antarctica; sea surface temperature; chlorophyll; thematic map; automatic mapping

2095-3666(2016)03-0186-07

10.13233/j.cnki.fishis.2016.03.005

2016-04-17

2016-05-27

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD13B01)；公益性行業(農業)科研專項(201203018)；南極海洋生物資源開發利用專項(2010-2016)

張勝茂(1976-)，男，副研究員、博士，主研方向：漁業遙感，地理信息系統。

E-mail：ryshengmao@126.com

樊 偉， 男，博士，研究員，研究方向為漁業遙感與地理信息。E-mail:dhyqzh@sh163.net

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