基于遙感影像的臺風災害數據平臺設計與開發

陳珂 余鐵橋

摘 ?要：文章分析了基于遙感影像構建臺風災害數據平臺的可行性，以開源架構為手段，結合地理信息系統技術方法，實現遙感數據庫、空間數據引擎、網絡服務器和用戶端的軟硬件兼容，滿足了數據的生產加工、管理發布、遠程監控、決策支持等功能需求。數據平臺的開發建設，有利于科學分析和應用遙感數據，為深入開展災害研究提供了堅實的數據基礎，也為災害防御工作提供了技術支持。

關鍵詞：遙感;災害;數據平臺;空間信息

中圖分類號：TP311.52 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）04-0020-03

Abstract：Analyze the feasibility of building a typhoon disaster data platform based on remote sensing image. Using open source architecture as a means，combined with geographic information system technology and methods to achieve software and hardware compatibility between remote sensing database，spatial data engines，web server and clients. The data platform meet the functional requirements of data production and processing，data management and release，remote monitoring，decision support and so on. Design and development of data platform is good for scientific analysis and application of remote sensing data. The data platform provides a solid data foundation for disaster research and technical support for disaster defense.

Keywords：remote sensing;disaster;data platform;spatial information

0 ?引 ?言

當前，防災減災是全世界范圍內共同面臨的重大問題。自然災害與人為災害相互交織，不僅給資源環境造成許多破壞，還會嚴重危害社會經濟的可持續發展。隨著研究的深入和科學技術的發展，各類災害表現出一定程度的可防御性，而這種災害防御能力又與空間信息技術密切相關，遙感就是典型的代表。

遙感以航空攝影技術為基礎，極大地拓展了人類獲取地球信息的能力，為減輕災害對城市造成的損失提供了有力的保障。遙感技術具有快速、準確等特點，尤其可以輕易獲得人類難以到達的高山峽谷、地形復雜區域的數據和實時更新數據，在災害監測、評估、預警等方面有著廣泛的應用[1]。綜合利用遙感衛星數據，能夠實現大范圍、全天候、全天時、動態的臺風災害研究與風險評估。因此，可以從科學管理和應用遙感數據的角度出發，構建基于遙感影像的臺風災害數據平臺，力求結合地理信息系統等相關技術手段，為開展臺風災害研究提供堅實的數據基礎。上海工程技術大學災害風險評估與管理課題組以長三角地區為研究對象，重點關注上海及其周邊沿海城市面臨的臺風災害威脅，利用遙感影像數據進行了空間分析和制圖。在具體研究和應用中，聯合上海數慧系統技術有限公司等技術力量，共同進行了數據平臺的設計與研發。

1 ?遙感在災害研究中的應用

1.1 ?國際應用

在赤潮災害遙感方面，Gower用AVHRR的1、2波段數據探測了發生于加拿大西部沿海的石灰質顆粒藻赤潮。周為峰等人在文章中提到Koponen等利用美國的EOS/MODIS數據觀察了波羅的海區域的浮游植物水華[2]。在病蟲害遙感方面，Pedgley和Hielkema基于衛星圖像監測了澳大利亞的蝗蟲適生植被及其動態。Voss等應用TM圖像對北非蘇丹紅海沿岸的沙漠蝗蟲繁殖區域進行了研究。在人為災害方面，美國9·11恐襲事件發生后，IKONOS衛星（1 m分辨率）獲取了該地區的遙感數據，并與之前的衛星圖片進行了對比，為災情評估提供了重要依據。另外，在颶風、火山、洪澇、冰雪等災害中，遙感技術也被大量使用。

1.2 ?國內應用

在我國，遙感技術已經在臺風災害、洪澇災害、地質災害、沙塵災害、農業病蟲害等諸多方面得到應用。萬華偉等探討了遙感技術應用在突發自然災害生態影響監測和評估方面的總體思路、指標體系和方法實例[3]。楊博錦對遙感與地理信息系統在自然災害預防中的應用進行了闡述和分析[4]。王曉剛等針對海量遙感數據，研究開發了高性能的航空遙感數據智能處理應用系統[5]。周一鳴等從重大自然災害管理的角度，對航天遙感應用與面臨的技術挑戰進行了剖析[6]。王業桂等通過將不同衛星微波遙感資料同化，模擬了臺風路徑[7]。湯劍雄等使用無人機航拍遙感影像，對臺風造成的生態服務價值損失開展了定量評估[8]。除此之外，遙感也為森林火災、地震、霜凍等災害的研究提供了技術支持。

2 ?數據平臺的可行性與定位

2.1 ?災害研究的現實需求

隨著災害研究的深入，數據已經成為一個基礎性的核心問題。災害數據不再是傳統意義上的文檔資料、表格和圖件，而是具有高時空分辨率的新型遙感影像數據。這類數據完全數字化，可以在計算機中方便地進行管理和分析，并能夠通過互聯網實現即時的傳輸和共享。開發遙感數據平臺是為了更加科學地對海量遙感數據進行統一規范的管理，具有較高的現實意義。

2.2 ?可行性分析

一個完整的遙感數據平臺包括遙感影像資料庫（航片，衛星圖像等）、模型庫（用于識別、解譯等）、DEM庫、遙感圖像處理軟件、Web服務、輔助地理信息等諸多內容。它不僅是基于遙感影像的綜合數據服務信息系統，還能在一定程度上提供應對災害風險的輔助決策。現階段的計算機軟硬件配置和數據庫系統，為搭建一個功能強大的遙感數據平臺提供了理想的架構基礎。因此，設計開發基于遙感影像的沿海城市臺風災害數據平臺是完全可行的，在建設過程中，采用模塊化開發，預留擴展端口，定期更新和升級，可持續為災害研究提供數據服務。

2.3 ?數據平臺的定位

建立遙感數據平臺，需遵循立足應用、服務科研的根本原則。將基于遙感影像的臺風災害數據平臺定位如下：滿足研究需要的開放式數據平臺，能夠為相關實驗提供基礎數據，包括風險評估、損失評估、脆弱性評估等等。同時，可以滿足用戶條件查詢、統計分析、專題制圖等基本需求，以及權限范圍內的上傳與下載數據。在實際應用上，以工作站為結點，形成分布式的網絡系統，以主平臺為核心，實現局域網內或遠程的數據傳輸與共享。

3 ?數據平臺的架構與功能

3.1 ?總體架構

根據可行性分析和數據平臺的定位，平臺主要分為數據庫、Web服務器和配套軟硬件環境三部分。數據庫采用面向對象的大型開源數據庫PostgreSQL/PostGIS。Web服務器采用國際市場占有率第一的知名服務器Apache。配套軟硬件包括高配置的計算機、Windows操作系統、遙感圖像處理軟件等，并配合PHP程序開發語言，組成性價比較高的可靠架構，如圖1所示。具體由上海數慧系統技術有限公司進行界面設計與代碼編寫。

3.2 ?數據庫

數據庫是整個數據平臺的核心，各種遙感影像數據和輔助地理信息數據都存儲其中。為了便于使用和管理，又分為若干個子數據庫。如遙感子數據庫，主要存放各類影像文件和衛星圖片;DEM子數據庫，主要包含研究區域的地形數據;模型子數據庫，用于解譯、識別遙感影像和進行數據分析的模型集合;圖件子數據庫，包括各類地圖和統計圖表。

PostgreSQL是加州大學伯克利分校計算機系研發的對象關系型數據庫。它功能豐富，面向空間數據，擁有高效的空間索引。PostGIS是數據庫PostgreSQL的插件（類似于空間數據庫引擎ArcSDE），它集成通用查找樹索引技術、R樹空間索引技術對地理要素進行支持，同時還具有空間分析的功能。PostGIS和PostgreSQL的結合，解決了復雜的地理空間數據問題，非常適合作為根基數據庫。

3.3 ?Web服務器

Apache是一個歷史悠久、功能十分強大的開源Web服務器。根據Netcraft公司的調查，全球有50%以上的Web服務器都在使用Apache，主要用于電子商務、網絡數據庫、WebGIS中的信息發布，實現客戶端與服務器的交互。對Apache服務器的調試、維護與管理，幾乎涵蓋了計算機網絡管理的絕大部分內容。

3.4 ?軟硬件環境

3.4.1 ?硬件環境

綜合考慮計算機硬件的成本、速度和性能，趨向于選擇高配置的PC機。作為服務器或工作站的計算機，應有雙電源支持、4CPU、大容量硬盤（8 TB以上）、32 G內存以及多UBS配備。作為一般終端的計算機，應為高端CPU配置（3.0 GHz以上）、8 G內存、1 TB以上硬盤以及高性能顯卡等。

3.4.2 ?軟件環境

根據數據平臺的實際需要，應安裝專業版的Windows操作系統。在此基礎之上，配置遙感影像處理軟件ERDAS、專業地理信息系統軟件ArcGIS（10.0或以上版本）、Web服務器軟件Apache、程序設計語言軟件PHP、數據庫軟件PostgreSQL/PostGIS以及專門的數據庫系統管理軟件。

3.5 ?功能劃分

以遙感數據平臺的應用范圍和服務對象為依據，可以從架構和內容兩方面對數據平臺的功能進行劃分，主要包括：

（1）海量遙感影像數據的存儲與管理。

（2）數據的即時發布、生產加工、查詢瀏覽等。

（3）滿足多用戶并發訪問。

（4）數據庫維護（包括遠程維護）。

（5）系統開發，如監測預警系統，決策支持系統等。

（6）管理工作站和瀏覽型終端兩種使用模式。

（7）能夠開展互聯網大數據和管理信息系統等實驗。

4 ?數據平臺的管理

數據平臺的管理是一項繁重、復雜、全時段的工作，基于遙感影像的沿海城市臺風災害數據平臺承擔著大量的科研任務和應用方面的需求，必須根據實際情況適時地對平臺的網絡環境和配置進行調整。

（1）日常管理。主要解決軟硬件故障，保障網絡系統正常運行，安排、協調各項實驗或科研項目，設計日程表和進度表等，合理分配任務，保證數據平臺的高效運轉和資源的有序分配。

（2）數據管理。數據具有保密性，必須分為不同的重要等級，對于用戶和管理員，應當設定操作權限和訪問權限，以防泄漏數據或惡意破壞。平臺數據需要及時更新，刪除過期數據，修改有誤數據。此外，還應建立備份數據庫，預防計算機病毒，定期升級數據庫系統。

（3）網絡管理。保障數據網絡的暢通，實時監測網絡流量和服務器運行狀況，監控數據平臺在Internet上的交互，定時測試和檢修網絡設備。

5 ?結 ?論

遙感技術已成為災害研究中不可缺少的重要技術手段，并在防災減災中取得了許多成功經驗。目前的遙感數據來源豐富，獲取也并不復雜，SPOT、LANDSET、NOAA、IKONOS、QUICKBIRD等衛星已經可以提供高精度的遙感數據，只是相對完善的數據平臺還略顯欠缺。基于遙感影像的沿海城市臺風災害數據平臺，是一套完整的高效架構，包含海量的多源遙感數據，功能也比較全面，不僅可以為災害研究提供數據支持，還能滿足數據生產加工、空間信息提取、網絡管理等需求。數據平臺適用于科研和實驗工作的開展，同時具備良好的開放性和可擴展性。基于遙感影像的沿海城市臺風災害數據平臺的構建，是遙感數據具體應用的一個實例，也為其他數據平臺的開發提供了參考。

參考文獻：

[1] 郭曉寧，裴惠娟，王金平，等.國際遙感技術在自然災害領域中的發展態勢分析 [J].中國農學通報，2016，32（6）：124-131.

[2] 周為峰，樊偉.應用MODIS進行赤潮遙感監測的研究進展 [J].遙感技術與應用，2007（6）：768-772.

[3] 萬華偉，李靜，王昌佐，等.遙感技術在突發自然災害生態影響監測和評估中的應用研究 [J].環境與可持續發展，2014，39（5）：28-30.

[4] 楊博錦.自然災害研究中遙感與地理信息系統的應用 [J].科技傳播，2019，11（7）：171-172.

[5] 王曉剛，高飛云，楊磊，等.無人機遙感技術在自然災害應急中的應用及前景 [J].四川地質學報，2019，39（1）：158-163.

[6] 周一鳴，郭世亮，梁巍.航天遙感技術與重大自然災害管理 [J].城市與減災，2018（6）：88-92.

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[8] 湯劍雄，徐禮來，李彥旻，等.基于無人機遙感的臺風對城市樹木生態系統服務的損失評估 [J].自然災害學報，2018，27 （3）：153-161.

作者簡介：陳珂（1984.06-），男，漢族，江蘇泰州人，博士，講師，主要研究方向：自然災害風險管理與地理信息系統應用;余鐵橋（1983.12-），男，漢族，安徽宿松人，碩士，工程師，主要研究方向：地理信息系統軟件開發。