秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

趙永輝，張 明

（1.河南省環(huán)境監(jiān)控中心，河南 鄭州 450004；2.中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047；3.河南省空間信息生態(tài)環(huán)境保護應(yīng)用重點實驗室，河南 鄭州 450047）

當前傳統(tǒng)的秸稈焚燒監(jiān)測主要依靠于人工地面巡查，巡查結(jié)果逐級上報，過程中耗費人力物力，并且秸稈焚燒的單個火點可能面積較小，發(fā)生的時間和空間范圍均較為局部、隨機，存在客觀漏查和主觀漏報現(xiàn)象。因環(huán)保監(jiān)管執(zhí)法過程具備的嚴謹性，上報火點需要具備準確的位置信息，滿足高置信度和高時效性要求。遙感火情監(jiān)測可以形成較為有效的秸稈焚燒監(jiān)管信息支撐和執(zhí)法依據(jù)[1]。

孫秀平等[2]設(shè)計了衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)應(yīng)用平臺，通過衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測系統(tǒng)，對森林草原火災(zāi)進行及時、準確的監(jiān)測與定位。李石頭[3]建設(shè)了河北省環(huán)境保護綜合指揮信息平臺，全面整合包括秸稈焚燒在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，與地理信息系統(tǒng)無縫集成,實現(xiàn)環(huán)境大數(shù)據(jù)地圖的可視化應(yīng)用。連芳等[4]設(shè)計的大氣環(huán)境信息可視化系統(tǒng)，將遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）與全球定位系統(tǒng)（GPS）及數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機結(jié)合，可實現(xiàn)秸稈焚燒的實時業(yè)務(wù)監(jiān)管。然而，上述研究重點均針對行業(yè)綜合監(jiān)測與監(jiān)管，一線環(huán)保督查人員亟需一款精準快速、穩(wěn)定可靠、簡單易用、輕量化的移動端平臺，方便隨時隨地利用隨身移動設(shè)備進行實時火情信息查看。

本文以遙感（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)為支持，開發(fā)統(tǒng)一移動端與PC端的秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺，通過自建衛(wèi)星接收站實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時接收，多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，火點產(chǎn)品反演及專題產(chǎn)品生產(chǎn)，并對專題產(chǎn)品進行管理和發(fā)布，實現(xiàn)秸稈焚燒監(jiān)測及時化、系統(tǒng)化、科學化、精細化、信息化的需求，為相關(guān)政府部門進行決策分析提供重要的技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計

1.1 平臺架構(gòu)設(shè)計

針對秸稈焚燒衛(wèi)星遙測對多種載荷、高頻次、準實時性的遙感數(shù)據(jù)需求，建設(shè)1套7.3 m極軌衛(wèi)星地面接收站和1套3.7 m C頻段同步軌道衛(wèi)星地面接收站，分別實現(xiàn)對EOS/Terra（MODIS）、EOS/Aqua（MODIS）、SuomiNPP（VIIRS）、NOAA20（VIIRS）和葵花-8（AHI）等衛(wèi)星進行實時跟蹤和免費接收遙感數(shù)據(jù)，為后端數(shù)據(jù)處理和情報產(chǎn)品的生產(chǎn)提供高時效原始數(shù)據(jù)源。開發(fā)秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺實現(xiàn)多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，火點產(chǎn)品反演及專題產(chǎn)品生產(chǎn)，并對專題產(chǎn)品進行管理和發(fā)布，可實現(xiàn)疑似火點監(jiān)測業(yè)務(wù)需求。平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺搭建遵循B/S架構(gòu)，采用對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫PostgresSQL存儲數(shù)據(jù)，通過PostGIS實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲管理能力，后臺使用Spring框架搭建，進行業(yè)務(wù)邏輯解析轉(zhuǎn)交數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)庫返回的結(jié)果返回前臺，前臺頁面由HTML5+CSS3+Bootstrap組合搭建，通過 JavaScript+Echarts+Ajax與后臺完成數(shù)據(jù)交互。

1.2 平臺功能設(shè)計

1.2.1 數(shù)據(jù)自動獲取

根據(jù)衛(wèi)星兩行軌道數(shù)據(jù)，利用平臺接收站完成衛(wèi)星捕獲與跟蹤。根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報，天線提前預(yù)置到等待點，在進站時刻，程序引導(dǎo)天線轉(zhuǎn)動，當目標出現(xiàn)并落入天線主波束內(nèi)時，信號鎖定、電平達到捕獲門限且角誤差電壓小于預(yù)設(shè)值，此時判定目標信號已被捕獲，天線轉(zhuǎn)自跟蹤，完成衛(wèi)星數(shù)據(jù)鎖定與接收。衛(wèi)星的數(shù)傳頻段為X波段，接收站采用52.5 Mb·s－1和 30 Mb·s－1的碼速率接收 Terra、Aqua與SuomiNPP、NOAA20的X頻段信號，經(jīng)過下變頻器后，輸出得到中頻信號，再由接收機解調(diào)后將射頻信號轉(zhuǎn)換為碼流信息，并將原始碼流數(shù)據(jù)進行記錄存儲，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收原理圖

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）原始數(shù)據(jù)到0級數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。原始碼流數(shù)據(jù)文件需要進行去信道化處理，依次包括幀同步、數(shù)據(jù)幀容錯與填充、解擾與譯碼等步驟，才能得到按照載荷分類的數(shù)據(jù)—0級產(chǎn)品（L0），平臺采用NASA DRL實驗室開發(fā)的RT-STPS（實時軟件遙測處理系統(tǒng)）6.0包進行數(shù)據(jù)處理，得到經(jīng)過分類的CCSDS數(shù)據(jù)包和VCDUs。平臺將該軟件包集成在IPOPP（國際行星觀測處理包）中，從指定端口或文件接收數(shù)據(jù)，并將結(jié)果輸出到配置文件中指定的文件路徑，供下一步的初級產(chǎn)品生產(chǎn)使用。

2）0級數(shù)據(jù)到1級數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。平臺采用IPOPP3.0進行L1產(chǎn)品的生產(chǎn)，IPOPP包由NASA DRL實驗室基于64位Linux系統(tǒng)開發(fā)，是一個自主的多任務(wù)、多傳感器數(shù)據(jù)處理框架，該框架為即插即用科學處理算法（SPA）提供了一個基礎(chǔ)平臺，易于部署和遷移，運行穩(wěn)定，處理速度快[5]，可以靈活處理實時傳感器數(shù)據(jù)（直接廣播下行鏈路數(shù)據(jù)）和非實時傳感器數(shù)據(jù)（官方下載數(shù)據(jù)），對于本平臺實時接收的直接廣播下行連續(xù)的原始傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過RT-STPS處理，得到實時的RDR文件，IPOPP自動對RDR文件進行多級處理，并生成傳感器數(shù)據(jù)記錄（SDR）、環(huán)境數(shù)據(jù)記錄（EDR）。

IPOPP3.0的安裝系統(tǒng)環(huán)境[6]要求如表1所示，本平臺部署在Lenovo System x3850 X6 服務(wù)器上。

表1 IPOPP3.0安裝硬件要求

為實現(xiàn)平臺全流程的自動化處理，自主研發(fā)filewatcher.jar包通過解析RDR/PDS文件自動將不同載荷相應(yīng)的xml配置文件加載到設(shè)置中，并自動將RDR/PDS直接推送到IPOPP，IPOPP通過讀取xml配置文件對相應(yīng)載荷的RDR/PDS文件進行處理。接收的原始碼流數(shù)據(jù)不需要人工干預(yù)，自動進行L0級及L1級文件生產(chǎn)。

1.2.3 火點判識

基于維恩位移定律，通過MODIS、VIIRS、AHI載荷觀測的可見光、近紅外波段的表觀反射率及中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度輻射能量計算物體的亮度溫度，設(shè)置適當?shù)牧炼葴囟乳撝祵崿F(xiàn)火點判別。通過算法剔除像素中的云像元、水體像元等影響因素，如果某像元的周圍背景像元的溫度隨著與該像元的距離變化而呈現(xiàn)出溫度不斷下降的關(guān)系, 同時該像元的溫度數(shù)值遠遠高于區(qū)域平均溫度, 那么就可以初步認定該像元為熱異常火點像元[7]。

1.2.4 火點驗證和修正

在上述獲取的確定熱異常火點像元基礎(chǔ)上，采用基于高分二號影像的土地利用類型分類結(jié)果來篩選疑似火點，通過疊置分析，初步篩選疑似火點的下墊面是否為農(nóng)用地，把非農(nóng)用地上的火點排除，把位于農(nóng)田范圍內(nèi)的火點提取出來作為秸稈焚燒疑似火點，該火點信息存儲為點矢量圖層后作為后續(xù)判讀最終火點結(jié)果的依據(jù)。土地利用分類存在一定的誤差，為保證提取精度，在初步篩選后，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的空間疊置分析功能，通過疑似火點矢量圖和高分辨率影像資源疊加，利用剩下的疑似火點與水庫、河流、彩鋼瓦、廠房等成負相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過人工判讀的方式再次篩選疑似火點。

1.2.5 專題圖報制作

平臺在監(jiān)測到新的火點初級產(chǎn)品產(chǎn)生時，會自動抓取對應(yīng)載荷的火點初級產(chǎn)品進行火點專題報的制作，若為進一步確保火點監(jiān)測準確率，可以進行人工干預(yù)篩選疑似火點。火點確定后，平臺自動加載專題圖模板和專題數(shù)據(jù)以制作火點專題圖報[8]，專題圖包含整個河南省境內(nèi)衛(wèi)星過境時發(fā)現(xiàn)的火點情況，涵蓋遙感數(shù)據(jù)源、衛(wèi)星過境時間、發(fā)現(xiàn)火點個數(shù)及每個火點的經(jīng)緯度等詳細參考位置信息。如圖3所示為2020年6月8日河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測分布圖。

圖3 2020年6月8日河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測專題產(chǎn)品

專題圖產(chǎn)生的第一時間平臺會主動推送給環(huán)保執(zhí)法人員，執(zhí)法人員可以通過上報火點的具體位置到現(xiàn)場進行監(jiān)督執(zhí)法。

1.2.6 火點服務(wù)

1）監(jiān)測成果可視化。平臺采用OpenLayers實現(xiàn)空間信息服務(wù)集成，通過行政邊界、影像底圖、矢量底圖、地名注記、疑似火點監(jiān)測結(jié)果、歷史監(jiān)測結(jié)果、核查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)多尺度空間可視化，輔以地圖瀏覽、查詢定位、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)對比、在線編輯與標注、圖層控制等空間分析功能，動態(tài)化、精細化提供數(shù)據(jù)分析、檢索能力，幫助環(huán)保部門及時掌握實時秸稈焚燒信息。

2）統(tǒng)計分析。平臺采用Ajax支持下的ECharts圖表展示火情統(tǒng)計信息，Echarts是基于Web的跨平臺框架，使用JavaScript實現(xiàn)的開源可視化圖表庫，它支持交互式可視化的快速構(gòu)建，具有易用、交互豐富和高性能的特點[9]。該平臺的圖表同時支持在PC端、移動端上展現(xiàn)，利用 ECharts 內(nèi)部組件的定位設(shè)置，實現(xiàn)圖表自適應(yīng)，隨著容器尺寸變化而變化的能力。

3）平臺用戶驗證與信息綁定。用戶訪問平臺，當用戶輸入身份信息時，服務(wù)器會向數(shù)據(jù)庫發(fā)送請求，請求數(shù)據(jù)庫查詢用戶的身份、授權(quán)、綁定區(qū)域等相關(guān)信息。

同時采用HTTP狀態(tài)管理技術(shù)（Cookie技術(shù)）存儲用戶的用戶名、密碼、區(qū)域等用戶認證信息，當用戶再次進入Web服務(wù)器時，瀏覽器通過讀取Cookie文件中的信息傳送到Web服務(wù)站點，實現(xiàn)Web中的用戶驗證和綁定，平臺自動過濾推送用戶權(quán)限區(qū)域火情信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全自動化運行

平臺設(shè)計了完備的全自動化運行體系，支持日常每天24 h間斷的自動運行。采用全自動運行管理，以計劃驅(qū)動方式，調(diào)度全系統(tǒng)完成自動化運行。可接受初篩火點人工通過操作界面進行火點驗證和修正，后臺處理功能無需人工干預(yù)。

平臺運行工作流程如圖4所示，根據(jù)業(yè)務(wù)部門應(yīng)用需求，獲取服務(wù)保障任務(wù)，通過衛(wèi)星地面接收設(shè)備自主接收數(shù)據(jù)，葵花8自主接收系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求實時接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，極軌衛(wèi)星從互聯(lián)網(wǎng)或其他外部系統(tǒng)獲取衛(wèi)星的軌道參數(shù)（兩行數(shù)據(jù)或軌道根數(shù)），計算接收窗口，制定跟蹤接收計劃。依據(jù)衛(wèi)星接收任務(wù)計劃和解算的天線跟蹤接收引導(dǎo)文件，完成衛(wèi)星捕獲與自跟蹤，數(shù)據(jù)接收與解調(diào)，獲取衛(wèi)星原始碼流數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理。

圖4 平臺運行工作流程

秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺將遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品納入到平臺的數(shù)據(jù)目錄中，同時進行專題應(yīng)用處理，進行疑似火點監(jiān)測專題產(chǎn)品的生產(chǎn)，制作專題圖和專題報告，并將專題產(chǎn)品，專題圖和專題報告納入數(shù)據(jù)目錄并入庫管理，供用戶檢索、調(diào)用、下載使用。對于自動生產(chǎn)出的疑似火點專題數(shù)據(jù)，管理員可通過人工判讀進行進一步的驗證與修改，提交后再次自動生產(chǎn)專題圖和專題報告并入庫。根據(jù)用戶的訂閱需求，平臺將滿足需求的產(chǎn)品信息定向推送給用戶，用戶登錄平臺即可獲取定向推送給自己的數(shù)據(jù)消息。

2.2 統(tǒng)一移動端與PC端前端開發(fā)框架技術(shù)

為及時查看火情，環(huán)保督查人員在實地核查和取證時，需要通過智能終端進行包括定位數(shù)據(jù)、現(xiàn)場取證數(shù)據(jù)、現(xiàn)場圖片和時間信息等類型的數(shù)據(jù)的讀取和采集，能夠利用導(dǎo)航功能、距離、面積量算等空間分析功能，因此秸稈焚燒衛(wèi)星遙感服務(wù)平臺需要支持在移動端的使用。

平臺根據(jù)PC端、平板電腦、手機等不同廠商、不同型號的設(shè)備的尺寸、屏幕方向、屏幕分辨率、用戶操作習慣等眾多因素，開展布局和設(shè)計。本文前端采用Bootstrap開源工具包進行響應(yīng)式、彈性化網(wǎng)站布局開發(fā)，利用Bootstrap提供的響應(yīng)式、移動設(shè)備優(yōu)先的流式網(wǎng)格系統(tǒng)[10]，使平臺服務(wù)頁面能夠根據(jù)設(shè)備屏幕或視口尺寸進行自動調(diào)整和切換，在不同的設(shè)備下進行自適應(yīng)布局，使用相同的代碼可以兼容地訪問PC端和移動端，達到最佳的展示效果和便捷的交互。

以平臺頁面中每一部分抬頭（.section-header h3）為例，在css文件中為不同寬度的頁面設(shè)置屬性，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備自動匹配屬性信息，css樣例如下：

.section-header h3 {height: 32px;margin: 40px 0 30px;padding: 0;padding-left: 16px;}

@media screen and (max-width:414px) {.section-header h3:before {bottom: -10px; }}

@media screen and (max-width:375px) {.section-header h3:before { bottom: -9px; }}

@media screen and (max-width:350px) {.section-header h3:before {bottom: -8px; }}

@media screen and (max-width:320px) {.section-header h3:before { bottom: -7px; }}

2.3 數(shù)據(jù)存儲與服務(wù)發(fā)布

平臺底圖數(shù)據(jù)采用天地圖在線服務(wù)數(shù)據(jù)源，加載影像底圖、矢量底圖、地名注記等信息，不需要本地存儲。平臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均與地理信息相關(guān)，因此該平臺統(tǒng)一將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放在PostgresSQL中，安裝PostGIS插件，使用PostGIS自帶工具PostGIS 3.0 shapefile and DBF loader Exporter導(dǎo)入行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等矢量shapefile文件。使用python編寫監(jiān)視程序，當平臺自動提取的火點信息txt文件產(chǎn)生后，數(shù)據(jù)庫觸發(fā)函數(shù)將火點信息入庫，入庫過程中，通過每個火點的經(jīng)緯度信息，定位火點的詳細區(qū)域信息，精確到省、市、縣區(qū)、鎮(zhèn)、村詳細位置。

數(shù)據(jù)庫中保存的用戶信息，記錄有用戶角色、訪問權(quán)限區(qū)域，用戶登錄時，與綁定信息進行驗證，平臺自動過濾推送用戶權(quán)限區(qū)域火情信息。在針對不同區(qū)域的秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺中，平臺不需要二次開發(fā)和修改，可根據(jù)用戶信息自動完成系統(tǒng)匹配。

3 平臺實現(xiàn)

該項研究已經(jīng)在河南省秸稈焚燒衛(wèi)星遙感服務(wù)平臺中得到業(yè)務(wù)化應(yīng)用，如圖5所示。前端開發(fā)環(huán)境Visual Studio Code V1.39.2，后端開發(fā)環(huán)境IntelliJ IDEA 2017.3.1，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL 12及PostGIS2.5插件。在2020-05-15～2020-06-28河南省麥收期間，平臺共形成45份秸稈焚燒監(jiān)測統(tǒng)計分析報告，發(fā)現(xiàn)秸稈焚燒火點78個。經(jīng)實地考察驗證，疑似火點發(fā)生地點和時間與本平臺監(jiān)測結(jié)果一致，如圖5所示。

圖5 平臺界面

1）精準快速。觀測頻率高，可提供3～4次/d高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測以及1次/h高頻次靜止軌道衛(wèi)星監(jiān)測；火點判識精度高，報準率90%以上；火點監(jiān)測范圍廣，可同時完成全國中東部大部分區(qū)域范圍內(nèi)火點的監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸時效性強，基本達到實時傳輸，衛(wèi)星過境后最快15 min南省全境檢測結(jié)果,動態(tài)推送至最終用戶。

2）穩(wěn)定易用。在日常的業(yè)務(wù)運行中，本平臺每天24 h間斷的自動運行，除初步篩選出的火點需要人工判讀外，后臺處理功能無需人工干預(yù)。

平臺采用統(tǒng)一移動端與PC端前端開發(fā)框架技術(shù)，開展布局和設(shè)計。使平臺服務(wù)頁面能夠根據(jù)設(shè)備屏幕尺寸進行自動調(diào)整和切換，進行自適應(yīng)布局，用戶可通過手機、pad等終端設(shè)備隨時隨地訪問，準確、及時、直觀的了解管轄區(qū)域內(nèi)的火情動態(tài)情況。

3）安全便捷。平臺提供基于角色（例如：系統(tǒng)管理員、一般用戶、高級用戶等）、權(quán)限（不同區(qū)域、不同火情類型）的安全控制策略，通過平臺用戶驗證與信息綁定，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

平臺完全通過瀏覽器進行訪問。用戶可隨意通過瀏覽器和網(wǎng)絡(luò)對平臺進行流暢訪問，不需要額外安裝任何軟件。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測服務(wù)平臺，實現(xiàn)了多源實時遙感信息的數(shù)據(jù)接收和處理、數(shù)據(jù)存儲與服務(wù)發(fā)布、綜合可視化，開展了全自動運行的秸稈焚燒監(jiān)測，業(yè)務(wù)化、自動化地替代以往科研式、人工式和小批量的秸稈焚燒火點數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)和分發(fā)方式，同時具有定位精度高、時空分辨率高的特點，有效加強秸稈焚燒遙感遙測工作的基礎(chǔ)能力建設(shè)，提升環(huán)境監(jiān)管和信息化水平。

同時，用戶訪問平臺遵循B/S架構(gòu)，由HTML5+CSS3+Bootstrap組合搭建前端；由JavaScript+Echarts+Ajax完成與后臺數(shù)據(jù)交互；由Spring+PostgresSQL+PostGIS實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲和服務(wù)發(fā)布。通過統(tǒng)一移動端與PC端前端開發(fā)框架技術(shù)，準確、及時、方便、直觀地滿足用戶隨時隨地全面了解管轄區(qū)域內(nèi)的秸稈焚燒火點動態(tài)情況。