南极海表温度与叶绿素专题图自动制作

张胜茂,张 衡,黄洪亮，樊 伟

(中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090)



南极海表温度与叶绿素专题图自动制作

张胜茂,张 衡,黄洪亮，樊 伟*

(中国水产科学研究院东海水产研究所，农业部东海与远洋渔业资源开发利用重点实验室，上海 200090)

南极周边海域有丰富的磷虾资源，磷虾分布与海表温度和叶绿素空间分布有密切的关系。通过编程实现遥感卫星数据下载、解压、裁剪、投影、数值计算、分级设色等功能，在制图中实现了陆地与渔区图层、地图标题、图例、标注等信息添加等功能。程序运行于服务器后台，完全实现自动化制图，为磷虾资源分布研究提供参考。

南极； 海表温度； 叶绿素； 专题图； 自动制图

1 引言

南极是世界最冷的地区，南极海域不仅受到极地低压带的影响，还受到内陆地区强冷空气的袭击，其海表温度由低纬度向高纬度逐渐递减，在南极达到最低，等值线呈东西带状分布[1],温度值基本都在0℃左右。叶绿素的分布具有明显的区域特征，浮游植物的旺发主要受海冰消融以及营养盐供给的影响[2]。在南极生态系统中南极磷虾占有特殊地位，是目前地球上最大的单种生物资源之一，20世纪60年代以来，渔业发达国家已先后对南极海洋生物资源进行了商业性的开发和利用，近几年南极磷虾的捕获量维持在每年20×104t以上，特别在48渔区捕捞活动最为密集。南大洋海洋环境较复杂，环境因素对南极磷虾丰度及其分布有显著的影响，许多学者已经对南大洋海冰、叶绿素和海表面温度等环境要素进行了研究[3]。中国在2009年首次进行了南极海洋生物资源开发利用项目探捕调查，为了辅助磷虾捕捞生产和科学研究，开发南极磷虾专题图制图软件与服务系统[4]，但专题图制作过程中数据下载、解压等步骤为借助软件手工操作，没有做到整个流程的自动化，本文的制图方法实现了整个流程自动制图，专题图通过FTP发布服务。海洋渔业专题图作为地图的一种，集各种海洋环境要素和渔业统计数据于一体，能够表达多种综合信息，为渔业生产与科学研究提供参考[5]。

2 数据与方法

2.1 海表温度和叶绿素数据

海表温度(Sea Surface Temperature，SST)和叶绿素浓度(Chlorophyll concentration, CHL)数据使用MODIS的Terra和Aqua 3级产品数据(NASA Ocean Color, oceancolor.gsfc.nasa.gov)，空间分辨率9 km，数据格式为NetCDF数据。获取每天数据，由于8天基本可以覆盖全球，因此制图中采用8天平均合成图像。

2.2 数据处理

SST和CHL数据在网站上被压缩为bz2格式，本研究通过编程实现数据的自动下载，然后用ICSharpCode的SharpZipLib类库解压缩。SharpZipLib(参考网址www.icsharpcode.net，曾命名为NZipLib)是一个开源组件，有压缩、解压缩、加密等一系列功能，它完全用C#语言编写，支持DotNET平台，是一个可以处理ZIP、GZIP、TAR和bzip2等格式文件的库。

专题图自动制图选用ARCEngine控件，用C#编程开发，程序运行在服务器后台，每天定时自动制图，专题图基本信息包括标题、时间、图例、制作单位、单位Logo等。

3 专题图自动制图

3.1 数据裁剪

CHL和SST数据为全球数据，范围比较大，如果全部影像经过配准、投影、计算等处理，消耗的CPU、内存资源多，处理的时间较长，因此数据处理中进行了裁剪，只保留30°S以南的数据，裁剪出的数据范围较南大洋范围大，是因为数据在投影转换时要经过插值处理，插值过程中需要待插值点的周边数据，对于专题图边界点的插值，用到边界外的数据。

3.2 数据配准与投影

海表温度和叶绿素浓度的NetCDF格式数据，经过程序处理后保存为常用的栅格数据格式(如tif、img格式)，这些栅格数据没有地图中的空间位置信息，它的行列矩阵位置信息与地图中的位置坐标信息不同，需要经过配准和定义投影，才能使栅格数据赋予实际地物空间的位置。行列矩阵位置原点坐标在左上角，地图坐标系的原点坐标在左下角，通过对栅格图进行坐标配准和投影定义，以使得其具有实际的地理坐标意义。

SST、CHL的像素空间分辨率和投影方式已知(如表1)，空间分辨率是9 km，像素数为2 160×4 320，投影为等距离柱状投影(Equidistant Cylindrical Projection)，即等经纬度投影，据数据已知的空间分辨率设置像素代表的纵横方向分辨率大小，设置原点像素位置，在栅格的向量空间进行一次线性变换并接上一个平移，变换为地图上的向量空间，再对配准好的影像定义投影坐标系。本文采用南极兰伯特方位角等面积(South Pole Lambert Azimuthal Equal Area)投影，栅格数据经过配准与投影定义，已经具有了投影坐标(或地理坐标)信息，可以在两个投影之间转换[6]。

表1 投影参数

投影转换过程中需要经过栅格数据的插值处理，以生成符合新坐标系的连续影像。常用的插值方法有三种：邻近内插(Nearest Neighbor)，双线性内插(Bilinear Interpolation)，立方卷积内插(Cubic Convolution)。本文选用邻近内插法，把等距离柱状投影和极地投影转换到南极兰伯特方位角等面积投影。

3.3 数值计算

SST、CHL是通过遥感数据反演的获得，反演后的数据大部分保存为计数值，无效值以某个特定值填充，在经过线性变换后获得物理值，物理值与实际值存在一定的偏差，因此设定了有效值范围，本文涉及的海况反演数据相关参数如表 2。

SST数据中先去掉无效值，再通过“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”计算出像素的物理值(式中Slope为斜率，Intercept为截距)，SST的物理值范围限定在-2～45之间，小于-2的设置为-2，大于45的设置为45，SST物理值的单位是摄氏度(℃)。

CHL数据中先去掉无效值，再通过“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”计算出像素的物理值(参数意义与SST中相同)，CHL的物理有效值范围限定在0.01～20.0之间，小于0.01的设置为0，大于20.0的设置为20，CHL物理值的单位是mg /m3。

表 2 海况数据像素值参数

3.4 数据制图

从海表温度统计值来看，海洋表面一般在-2～30 ℃之间，南大洋温度范围还要小一些，以2012年1月30°S以南温度月平均的影像为例，其统计直方图如图1所示，在26～45 ℃分布的数据很少，主要分布在0～26 ℃之间，并且分布较为均匀。制图中采用分级设色，颜色从(R=56，G=168，B= 0)到(R=255, G=0,B= 0)渐变渲染，分级的方法按照式1计算。

(1)

式中：n为分级设色划分的等级数，x为各等级的值，min(x)为数据值限定的最小值，max(x)为数据值限定的最大值。

图2(a)是2015年11月9日南极的海表温度分布数据，图2(b) 是2015年11月9日48.1到48.3渔区的海表温度分布数据。

MODIS反演的CHL值分布范围由0向20呈现指数减少，以2012年1月的月平均值影像为例，其统计直方图如图3，在2～20mg/m3分布的数据很少，主要分布在0～1mg/m3之间，数据的数量下降曲线近似-log(X)。制图中采用分级设色，颜色从(R=255,G=255,B= 190)到(R=38,G=115,B= 0)渐变渲染，分级的方法按照式2计算。

图4(a)是2015年11月9日南极叶绿素浓度分布数据，图4(b)是2015年11月9日48.1到48.3叶绿素浓度分布数据。

图1 SST统计直方图Fig.1 Histogram of SST

图2 海表温度分布图Fig.2 Sea surface temperature

图3 CHL统计直方图Fig.3 Histogram of CHL

lg(min(x))

(2)

式中：n为分级设色划分的等级数，x为各等级的值，min(x)为数据值限定的最小值，max(x)为数据值限定的最大值。

4 结论

南极探捕海域环境较复杂，海况对南极磷虾丰度及其分布有显著影响，南极海表温度与叶绿素专题图可以为渔业生产与科学研究提供参考。遥感数据覆盖范围广、多时相、周期短、费用低，以遥感反演数据为数据源，可以连续地提供南极海表温度与叶绿素专题图。本文通过编程实现数据下载、解压、裁剪、投影、数值计算、分级设色、制图等过程自动化。遥感反演的数据先去掉无效值，再计算出像素的物理值，海表温度的物理值范围限定在-2～45之间，小于-2的设置为-2，大于45的设置为45，叶绿素的物理有效值范围限定在0.01～20.0之间，小于0.01的设置为0，大于20.0的设置为20。数据按照公式划分间隔分级设色制作成图，叠加陆地、渔区等图层，制作输出专题图。自动制图程序部署在服务器后台自动运行，到目前为止，程序已经稳定运行一年多，2015年海表温度专题图制作了694幅，叶绿素专题图制作了703幅，专题图通过FTP方式提供服务(ftp://www.rsfishery.cn)。

图4 叶绿素分布图Fig.4 Chlorophyll

[1]庄卉, 郑崇伟, 贾本凯, 等. 南大西洋海域SST特征分析[J]. 延边大学学报(自然科学版), 2013,39(2): 153-156.

[2]金思韵, 潘建明, 韩正兵. 南极夏季普里兹湾叶绿素a的时空变化研究[J]. 极地研究, 2012,24(4): 361-371.

[3]吴越, 黄洪亮, 刘健, 等. 卫星遥感数据在海洋渔业中的应用[J]. 江苏农业科学, 2014(6): 223-226.

[4]戴立峰, 张胜茂. 南极渔海况基础数据服务系统[J]. 遥感信息, 2013,28(4): 115-119.

[5]郑巧玲, 张胜茂, 樊伟. 海洋渔业专题图的研究应用现状[J]. 大连海洋大学学报, 2015,30(3): 340-344.

[6]戴立峰, 张胜茂. 等面积可伸缩地球网格投影分析与应用[J]. 海洋测绘, 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”国家科技支撑计划项目(2013BAD13B01)；公益性行业(农业)科研专项(201203018)；南极海洋生物资源开发利用专项(2010-2016)

张胜茂(1976-)，男，副研究员、博士，主研方向：渔业遥感，地理信息系统。

E-mail：ryshengmao@126.com

樊 伟， 男，博士，研究员，研究方向为渔业遥感与地理信息。E-mail:dhyqzh@sh163.net

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