基于天地图的区域海洋环境要素遥感监测系统研究

□ 严宇 罗瞳 马聪

（1.黑龙江中海经测空间信息技术有限公司，黑龙江哈尔滨150026;2.黑龙江测绘地理信息局，黑龙江哈尔滨150081）

引言

海洋遥感是目前世界上发达国家进行海洋监视监测的重要手段。它具有速度快、覆盖面大、成本低等特点。特别是利用海洋水色遥感可以探测与海洋水色环境有关的参数，如叶绿素、悬浮物、黄色物质、污染物及水深等，近几年受到国内外广泛重视。因此，进行海洋要素遥感监测系统的研究具有重要的现实意义。我国空间海洋观测及应用系统建设还存在诸多问题，尤其是海洋遥感信息产品制作的业务化、实用化程度低，缺乏结合类似于天地图这样的网络地图的发布手段，影响了应用范围的扩大。

基于天地图的区域海洋环境要素遥感监测系统主要是为执行区域海洋环境遥感监测业务。充分利用现有卫星遥感数据产品，研究典型海洋环境要素的监测方法与技术。针对叶绿素浓度、海面温度等典型海洋环境要素进行制作研究，形成并初步建立监测系统；同时研究天地图地理信息公众服务平台的WEBAPI二次开发接口，基于天地图进行要素产品的展示。

1.遥感数据的获取与处理

（1）数据获取

数据来源主要采用MODIS及SeaWiFS的产品数据。中分辨率成像光谱仪（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）-MODIS是Terra和Aqua卫星上搭载的主要传感器之一，两颗星相互配合，每1-2天可重复观测整个地球表面，得到36个波段的观测数据。MODIS在发展有效的、全球性的用于预测全球变化的地球系统相互作用模型中起着重要的作用，其精确的预测将有助于决策者制定与环境保护相关的重大决策。

MODIS自2000年4月开始正式发布数据，NASA对MODIS数据以广播X波段向全球免费发送，由于NASA对MODIS数据实行这种全球免费接收的政策，使得MODIS数据的获取十分廉价和方便。MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1B级数据产品之后，划分2－4级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，总计分解为44种标准数据产品类型。

在本研究中，使用到的产品是MOD21：海洋2级标准数据产品，内容为叶绿素-色素浓度，空间分辨率1km，日、旬、月度数据。海面温度产品为MOD28：海洋2、3级标准数据产品，内容为海面温度，全球洋面，空间分辨率1km。具体数据提供单位为美国国家宇航局（NASA），该单位已经对这些传感器的数据进行了预处理，下载后对数据采取了进一步的处理和图形显示。这里提供的是区域性海表产品（包括叶绿素浓度、海面温度），所有产品均采用圆柱等距投影。

图1 数据产品获取Data Products Get

（2）数据处理

根据海洋环境要素的处理需求，遥感数据处理作业主要是使用SeaDAS软件完成。SeaDAS（SeaWiFSDataAnalysisSystem）是一个针对水色卫星数据，集显示、处理、分析、质量控制等功能于一体的图像综合软件包。1993年由NASA组织开发，并在其后不断升级。目前最新版本为SeaDAS7.0.2。该系统采用了许多新的硬、软件技术支持，能对所有SeaWiFS数据产品以及MODIS海色数据进行处理、分析和图像显示。

叶绿素产品的具体处理流程为：首先使用SeaDAS导入需要处理的数据，叶绿素产品为OceanColor产品，文件名举例为：A2014089052500.L2_LAC_OC.bz2。打开该产品后，首先对产品进行投影变换，使用SeaDAS的 Tools菜单下的 Reprojection功能，将数据投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地图做接口。然后打开重投影的数据，找到chlor_a波段并打开，然后对产品进行调色。注意这里叶绿素浓度值域范围大致是0到100，单位是毫克每立方米。调色推荐使用NASA的叶绿素标准调色板，调色板文件名称为chl_standard.cpd，调色完毕后，将调色好的View数据整景导出为Geo-Tiff格式即可。下一步我们将对这个产品数据进行发布。

海面温度产品的具体处理流程为：首先使用SeaDAS导入需要处理的数据，海面温度产品为SST产品，文件名举例为：A2014089052500.L2_LAC_SST.bz2。打开该产品后，首先对产品进行投影变换，使用SeaDAS的 Tools菜单下的 Reprojection功能，将数据投影GeographicLon/lat（WGS84）以方便同天地图做接口。然后打开重投影的数据，找到sst波段并打开，然后对产品进行调色。注意这里海面温度的值域范围大致是-2到45，单位是摄氏度。调色推荐使用NASA的海面温度标准调色板，调色板文件名称为sst_standard.cpd，调色完毕后，将调色好的View数据整景导出为GeoTiff格式即可。下一步我们将对这个产品数据进行发布。

2.天地图WEBAPI研究

天地图 WebAPI（JavaScript）V2.1.2版是一套基于JavaScript全新升级的应用程序接口，为开发者提供了快速调用天地图在线地理信息服务的通道，包括快速创建地图、调用地图、POI搜索以及在地图上添加覆盖物等，开发者可以利用天地图WebAPI轻松将天地图丰富的地图功能嵌入到各类应用系统或网站中，并且可以基于天地图的数据和功能服务资源开展各类增值服务及应用。

要使用天地图的接口服务，首先要进行地图制作，进行遥感数据的预处理，包括格式转换、数据整合、坐标转换、数据集构建、数据渲染等。为了用户在客户端能方便快速的浏览到客户数据，还需要发布地图服务，创建地图缓存。天地图支持多种标准的服务接口，包括 WMTS、WFS-G、CSW，在本研究中，使用WMTS服务接口与天地图对接。

图2 天地图解决方案概述MAP WORLD Solution Overview

由于我们发布数据要使用瓦片技术，故对天地图的瓦片技术必须有所了解。天地图的地图瓦片起始点从西经180度，北纬90度开始，向东向南行列递增。如下图所示。

天地图的地图瓦片大小为256像素×256像素。切片方案中，相关信息如下：

地图瓦片数据格式采用PNG或JPG。影像服务：由于本项目涉及的要素产品有背景透明的需求，故此使用能带透明通道的PNG格式。

在切片时，要注意天地图中各级别的地面分辨率和比例尺的关系。

3.数据发布及加载

数据处理完毕后，需要将调色好的要素产品进行瓦片制作，生产符合天地图瓦片标准自定义图层，然后交由天地图进行加载展示。该步骤为生产符合天地图标准的瓦片地图，在这里我们使用GDAL2Tiles工具完成。GDAL2Tiles著名开源工具包GDAL的一部分，专门处理栅格影像的网络发布任务，支持输入 GeoTiff、MrSID，ECW、JPEG2000、JPEG、PNG等输入数据格式。

数据发布为瓦片图层后，可以使用天地图的WebAPI中的TTileLayer类进行调用。以下为调用的伪代码示例：

//创建自定义图层对象

varconfig={};

config.getTileUrl=function（x，y，z）

{

varfileDir=“myclip”；

varimageURL=目录结构 +“/”+z+“/”+x+“/”+y+“.png”；

returnimageURL；

}

varlay=newTTileLayer（config）；

lay.setGetTileUrl（config.getTileUrl）；

//将图层增加到地图上

map.addLayer（lay）；

4.网站开发与天地图集成

本研究采用 PHP、MySQL、Apache技术进行网站系统开发与天地图集成。PHP（PHP:Hypertext Preprocessor的缩写，中文名：“超文本预处理器”）是一种通用开源脚本语言。语法吸收了C语言、Java和Perl的特点，入门门槛较低，易于学习，使用广泛，主要适用于Web开发领域。具有开源性、免费性、快捷性、跨平台性能强、效率高且面向对象的特点，是当今的主流动态网站开发技术。数据库使用 MySQL，MySQL是一个精巧的 SQL数据库管理系统，由于它的强大功能、灵活性、丰富的应用编程接口（API）以及精巧的系统结构，受到了广大自由软件爱好者甚至是商业软件用户的青睐，特别是与Apache和PHP/PERL结合，为建立基于数据库的动态网站提供了强大动力，可组成良好的动态网站开发环境。

（1）开发环境

Apache是目前应用最广的Web服务器，PHP是一种类似ASP的服务器端脚本语言，而MySQL是一个小巧的数据库系统软件，它们特别适用于网站建设。Apache+PHP+MySQL不仅仅是开源项目，可免费获取，而且它支持 Linux、UNIX、OS/2和Windows多个操作系统，可移植性好。因此，这种组合是设计动态网站的最佳解决方案。

服务器端开发环境：XAMPP（Apache+MySQL+PHP+PERL）

（2）数据库设计

数据库设计的任务是确定系统所需的数据库，它的价值在于它能够向用户提供有意义的信息，还有向系统供应所需的一切数据。在MySQL数据库系统中建立一个名为db_map的数据库，在该数据库中创建与实体对应的数据表，使用map_users表存放系统中的用户，使用map_data存放要素数据信息。

图3 map_data表结构设计map_data Table Structure Design

（3）系统设计

针对已采集的区域海洋环境要素数据，确定在本项目中除浏览外，还要提供便捷的数据检索服务，本系统在制作过程中划分为以下四个模块：

①用户管理模块：主要实现对系统用户的管理。

②天地图可视化浏览模块：由天地图地理信息公众服务平台为基础地理信息平台界面，叠加区域海洋环境要素数据，用户可进行缩放、鹰眼定位、提供地图、卫星、卫星混合、地形、地形混合五种基础数据模式；

③数据管理模块：由数据管理界面组成。实现区域海洋环境要素的查询检索、选择浏览等功能；

④后台管理：实现网站的后台管理，进行日常的数据更新、维护；

图4 系统登录界面System login screen

图5 网站主界面Website main interface

（4）集成天地图控件

天地图WebAPI是一套由JavaScript语言编写的应用程序接口，它能够帮助您在网站中制作各种类型、行业的地图应用，还可以使地图功能以模块化集成在不同类型的系统应用中。地图API是由JavaScript语言编写的，在使用之前需要通过