基于遥感影像的台风灾害数据平台设计与开发

陈珂 余铁桥

摘  要：文章分析了基于遥感影像构建台风灾害数据平台的可行性，以开源架构为手段，结合地理信息系统技术方法，实现遥感数据库、空间数据引擎、网络服务器和用户端的软硬件兼容，满足了数据的生产加工、管理发布、远程监控、决策支持等功能需求。数据平台的开发建设，有利于科学分析和应用遥感数据，为深入开展灾害研究提供了坚实的数据基础，也为灾害防御工作提供了技术支持。

关键词：遥感;灾害;数据平台;空间信息

中图分类号：TP311.52      文献标识码：A 文章编号：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

当前，防灾减灾是全世界范围内共同面临的重大问题。自然灾害与人为灾害相互交织，不仅给资源环境造成许多破坏，还会严重危害社会经济的可持续发展。随着研究的深入和科学技术的发展，各类灾害表现出一定程度的可防御性，而这种灾害防御能力又与空间信息技术密切相关，遥感就是典型的代表。

遥感以航空摄影技术为基础，极大地拓展了人类获取地球信息的能力，为减轻灾害对城市造成的损失提供了有力的保障。遥感技术具有快速、准确等特点，尤其可以轻易获得人类难以到达的高山峡谷、地形复杂区域的数据和实时更新数据，在灾害监测、评估、预警等方面有着广泛的应用[1]。综合利用遥感卫星数据，能够实现大范围、全天候、全天时、动态的台风灾害研究与风险评估。因此，可以从科学管理和应用遥感数据的角度出发，构建基于遥感影像的台风灾害数据平台，力求结合地理信息系统等相关技术手段，为开展台风灾害研究提供坚实的数据基础。上海工程技术大学灾害风险评估与管理课题组以长三角地区为研究对象，重点关注上海及其周边沿海城市面临的台风灾害威胁，利用遥感影像数据进行了空间分析和制图。在具体研究和应用中，联合上海数慧系统技术有限公司等技术力量，共同进行了数据平台的设计与研发。

1  遥感在灾害研究中的应用

1.1  国际应用

在赤潮灾害遥感方面，Gower用AVHRR的1、2波段数据探测了发生于加拿大西部沿海的石灰质颗粒藻赤潮。周为峰等人在文章中提到Koponen等利用美国的EOS/MODIS数据观察了波罗的海区域的浮游植物水华[2]。在病虫害遥感方面，Pedgley和Hielkema基于卫星图像监测了澳大利亚的蝗虫适生植被及其动态。Voss等应用TM图像对北非苏丹红海沿岸的沙漠蝗虫繁殖区域进行了研究。在人为灾害方面，美国9·11恐袭事件发生后，IKONOS卫星（1 m分辨率）获取了该地区的遥感数据，并与之前的卫星图片进行了对比，为灾情评估提供了重要依据。另外，在飓风、火山、洪涝、冰雪等灾害中，遥感技术也被大量使用。

1.2  国内应用

在我国，遥感技术已经在台风灾害、洪涝灾害、地质灾害、沙尘灾害、农业病虫害等诸多方面得到應用。万华伟等探讨了遥感技术应用在突发自然灾害生态影响监测和评估方面的总体思路、指标体系和方法实例[3]。杨博锦对遥感与地理信息系统在自然灾害预防中的应用进行了阐述和分析[4]。王晓刚等针对海量遥感数据，研究开发了高性能的航空遥感数据智能处理应用系统[5]。周一鸣等从重大自然灾害管理的角度，对航天遥感应用与面临的技术挑战进行了剖析[6]。王业桂等通过将不同卫星微波遥感资料同化，模拟了台风路径[7]。汤剑雄等使用无人机航拍遥感影像，对台风造成的生态服务价值损失开展了定量评估[8]。除此之外，遥感也为森林火灾、地震、霜冻等灾害的研究提供了技术支持。

2  数据平台的可行性与定位

2.1  灾害研究的现实需求

随着灾害研究的深入，数据已经成为一个基础性的核心问题。灾害数据不再是传统意义上的文档资料、表格和图件，而是具有高时空分辨率的新型遥感影像数据。这类数据完全数字化，可以在计算机中方便地进行管理和分析，并能够通过互联网实现即时的传输和共享。开发遥感数据平台是为了更加科学地对海量遥感数据进行统一规范的管理，具有较高的现实意义。

2.2  可行性分析

一个完整的遥感数据平台包括遥感影像资料库（航片，卫星图像等）、模型库（用于识别、解译等）、DEM库、遥感图像处理软件、Web服务、辅助地理信息等诸多内容。它不仅是基于遥感影像的综合数据服务信息系统，还能在一定程度上提供应对灾害风险的辅助决策。现阶段的计算机软硬件配置和数据库系统，为搭建一个功能强大的遥感数据平台提供了理想的架构基础。因此，设计开发基于遥感影像的沿海城市台风灾害数据平台是完全可行的，在建设过程中，采用模块化开发，预留扩展端口，定期更新和升级，可持续为灾害研究提供数据服务。

2.3  数据平台的定位

建立遥感数据平台，需遵循立足应用、服务科研的根本原则。将基于遥感影像的台风灾害数据平台定位如下：满足研究需要的开放式数据平台，能够为相关实验提供基础数据，包括风险评估、损失评估、脆弱性评估等等。同时，可以满足用户条件查询、统计分析、专题制图等基本需求，以及权限范围内的上传与下载数据。在实际应用上，以工作站为结点，形成分布式的网络系统，以主平台为核心，实现局域网内或远程的数据传输与共享。

3  数据平台的架构与功能

3.1  总体架构

根据可行性分析和数据平台的定位，平台主要分为数据库、Web服务器和配套软硬件环境三部分。数据库采用面向对象的大型开源数据库PostgreSQL/PostGIS。Web服务器采用国际市场占有率第一的知名服务器Apache。配套软硬件包括高配置的计算机、Windows操作系统、遥感图像处理软件等，并配合PHP程序开发语言，组成性价比较高的可靠架构，如图1所示。具体由上海数慧系统技术有限公司进行界面设计与代码编写。

3.2  数据库

数据库是整个数据平台的核心，各种遥感影像数据和辅助地理信息数据都存储其中。为了便于使用和管理，又分为若干个子数据库。如遥感子数据库，主要存放各类影像文件和卫星图片;DEM子数据库，主要包含研究区域的地形数据;模型子数据库，用于解译、识别遥感影像和进行数据分析的模型集合;图件子数据库，包括各类地图和统计图表。

PostgreSQL是加州大学伯克利分校计算机系研发的对象关系型数据库。它功能丰富，面向空间数据，拥有高效的空间索引。PostGIS是数据库PostgreSQL的插件（类似于空间数据库引擎ArcSDE），它集成通用查找树索引技术、R树空间索引技术对地理要素进行支持，同时还具有空间分析的功能。PostGIS和PostgreSQL的结合，解决了复杂的地理空间数据问题，非常适合作为根基数据库。

3.3  Web服务器

Apache是一个历史悠久、功能十分强大的开源Web服务器。根据Netcraft公司的调查，全球有50%以上的Web服务器都在使用Apache，主要用于电子商务、网络数据库、WebGIS中的信息发布，实现客户端与服务器的交互。对Apache服务器的调试、维护与管理，几乎涵盖了计算机网络管理的绝大部分内容。

3.4  软硬件环境

3.4.1  硬件环境

综合考虑计算机硬件的成本、速度和性能，趋向于选择高配置的PC机。作为服务器或工作站的计算机，应有双电源支持、4CPU、大容量硬盘（8 TB以上）、32 G内存以及多UBS配备。作为一般终端的计算机，应为高端CPU配置（3.0 GHz以上）、8 G内存、1 TB以上硬盘以及高性能显卡等。

3.4.2  软件环境

根据数据平台的实际需要，应安装专业版的Windows操作系统。在此基础之上，配置遥感影像处理软件ERDAS、专业地理信息系统软件ArcGIS（10.0或以上版本）、Web服务器软件Apache、程序设计语言软件PHP、数据库软件PostgreSQL/PostGIS以及专门的数据库系统管理软件。

3.5  功能划分

以遥感数据平台的应用范围和服务对象为依据，可以从架构和内容两方面对数据平台的功能进行划分，主要包括：

（1）海量遥感影像数据的存储与管理。

（2）数据的即时发布、生产加工、查询浏览等。

（3）满足多用户并发访问。

（4）数据库维护（包括远程维护）。

（5）系统开发，如监测预警系统，决策支持系统等。

（6）管理工作站和浏览型终端两种使用模式。

（7）能够开展互联网大数据和管理信息系统等实验。

4  数据平台的管理

数据平台的管理是一项繁重、复杂、全时段的工作，基于遥感影像的沿海城市台风灾害数据平台承担着大量的科研任务和应用方面的需求，必须根据实际情况适时地对平台的网络环境和配置进行调整。

（1）日常管理。主要解决软硬件故障，保障网络系统正常运行，安排、协调各项实验或科研项目，设计日程表和进度表等，合理分配任务，保证数据平台的高效运转和资源的有序分配。

（2）数据管理。数据具有保密性，必须分为不同的重要等级，对于用户和管理员，应当设定操作权限和访问权限，以防泄漏数据或恶意破坏。平台数据需要及时更新，删除过期数据，修改有误数据。此外，还应建立备份数据库，预防计算机病毒，定期升级数据库系统。

（3）网络管理。保障数据网络的畅通，实时监测网络流量和服务器运行状况，监控数据平台在Internet上的交互，定时测试和检修网络设备。

5  结  论

遥感技术已成为灾害研究中不可缺少的重要技术手段，并在防灾减灾中取得了许多成功经验。目前的遥感数据来源丰富，获取也并不复杂，SPOT、LANDSET、NOAA、IKONOS、QUICKBIRD等卫星已经可以提供高精度的遥感数据，只是相对完善的数据平台还略显欠缺。基于遥感影像的沿海城市台风灾害数据平台，是一套完整的高效架构，包含海量的多源遥感数据，功能也比较全面，不仅可以为灾害研究提供数据支持，还能满足数据生产加工、空间信息提取、网络管理等需求。数据平台适用于科研和实验工作的开展，同时具备良好的开放性和可扩展性。基于遥感影像的沿海城市台风灾害数据平台的构建，是遥感数据具体应用的一个实例，也为其他数据平台的开发提供了参考。

参考文献：

[1] 郭晓宁，裴惠娟，王金平，等.国际遥感技术在自然灾害领域中的發展态势分析 [J].中国农学通报，2016，32（6）：124-131.

[2] 周为峰，樊伟.应用MODIS进行赤潮遥感监测的研究进展 [J].遥感技术与应用，2007（6）：768-772.

[3] 万华伟，李静，王昌佐，等.遥感技术在突发自然灾害生态影响监测和评估中的应用研究 [J].环境与可持续发展，2014，39（5）：28-30.

[4] 杨博锦.自然灾害研究中遥感与地理信息系统的应用 [J].科技传播，2019，11（7）：171-172.

[5] 王晓刚，高飞云，杨磊，等.无人机遥感技术在自然灾害应急中的应用及前景 [J].四川地质学报，2019，39（1）：158-163.

[6] 周一鸣，郭世亮，梁巍.航天遥感技术与重大自然灾害管理 [J].城市与减灾，2018（6）：88-92.

[7] 王业桂，张斌，蔡其发，等.不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响 [J].大气科学，2018，42（2）：398-410.

[8] 汤剑雄，徐礼来，李彦旻，等.基于无人机遥感的台风对城市树木生态系统服务的损失评估 [J].自然灾害学报，2018，27 （3）：153-161.

作者简介：陈珂（1984.06-），男，汉族，江苏泰州人，博士，讲师，主要研究方向：自然灾害风险管理与地理信息系统应用;余铁桥（1983.12-），男，汉族，安徽宿松人，硕士，工程师，主要研究方向：地理信息系统软件开发。