河北省卫星遥感海洋应用平台建设研究

徐雯佳，田 力，许志辉，韩 笑，刘德卫

（1.河北省遥感中心，河北 石家庄 050021；2.河北省水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021）

随着环渤海区域开发建设步伐的加快，河北省海洋生态环境问题日益突出[1]，水质下降、赤潮频发、岸滩严重退化等引起了社会的广泛关注[2-5]。如何正确实施海洋开发战略、开展海域海岛海岸带综合整治与修复、发展海洋经济，都离不开空间技术的支持。随着海洋一号、海洋二号、环境一号、高分系列等国产卫星的成功发射，国产卫星数据为实现我国海洋环境业务化监测提供了有力保障，已成为我国海洋监测的主力军[6-9]。

2010年原国家海洋局大力推进国产海洋卫星地方应用，将河北省列入应用示范区。河北省积极响应推广海洋卫星应用工作，在水色环境监测、海面温度监测、海冰监测等方面进行了示范应用，积累了一定的海洋遥感监测经验；但针对河北省海域的区域性海洋环境遥感监测技术研究不深入，项目成果相对零散、不成体系，无法为河北省海洋管理及其相关部门提供系统化、流程化、标准化的服务。为了进一步全面提升河北省海洋遥感监测能力，使卫星遥感真正有效地服务于海洋相关领域工作，河北省在原国家海洋局科技司的大力支持下，率先开展了省级层面的、综合性的卫星遥感海洋应用平台建设，自主研究了针对河北省近海的区域性海洋环境和海洋灾害遥感监测技术，实现了地方海洋水色、水温、海冰、赤潮、溢油、海岛海岸带开发利用等遥感业务化监测，为河北省海洋管理、生态环境保护、防灾减灾等提供了实时、连续、有效的决策依据和技术支撑。

1 平台总体设计思路

河北省卫星遥感海洋应用平台的总体设计思路是汇总分析海洋遥感信息各类用户的需求，以遥感技术为主，协同空间信息技术、信息采集技术、计算机网络技术等，充分整合已有国家卫星海洋应用中心海洋卫星地面应用系统、秦皇岛海洋环境监测中心站海洋环境现场观测系统以及河北省遥感中心海洋遥感业务化监测技术的能力和优势，实现自卫星遥感数据与现场观测数据的收集、数据处理、产品生产、数据管理、成果发布至精度评价的全业务闭环流程，为政府、涉海业务部门、社会公众提供智能化的海洋环境遥感监测信息服务。

2 平台架构

河北省卫星遥感海洋应用平台采用3/N层架构与“框架+插件”架构相结合的方式，增加了系统可扩展性、可维护性和简单部署升级能力，为平稳过渡到云架构提供了有力支撑。平台架构分为基础设施层、数据层、服务组件层、应用层和用户层，如图1所示。

1）基础设施层为海洋遥感监测业务提供主机、存储、网络以及通用软件平台资源，是整个平台运行的基础。其中，通用软件平台资源包括操作系统软件和第三方支撑软件两个层面，操作系统软件主要包括Windows、Linux、AIX等目前常规主流的操作系统；第三方支撑软件包括数据库软件、GIS软件、RS软件等。

2）数据层为整个平台提供数据支持。数据资源包括满足海洋环境遥感监测所需的各类数据资源库，如原始影像数据库、增值影像数据库、专题产品数据库、现场监测数据库、基础地理信息库、辅助专题数据库等。

3）服务组件层。该层主要应用服务集成和组件集成两种集成技术，服务集成主要适用于运行自动化程度较高的业务模型或基础功能服务，将其按服务集成标准封装成服务，基于SOA技术，通过注册、发布，将服务集成于平台上，并对外提供服务的调用应用；组件集成主要适用于运行自动化程度较低、需要大量人工交互操作的业务模型或基础功能模块组件，将其按标准规范进行组件化封装，基于组件可插拔技术，通过组件注册、发布，将组件集成于平台上，并对各业务系统提供组件调用执行等应用。目前，业务服务主要包括河北省近海水色、水温、海冰、赤潮、溢油、海岛海岸带等专题的遥感业务化监测服务。近岸海面风场和海浪等海洋动力环境业务化监测技术正在研究中，待业务化算法形成后，即可加入业务服务。

4）应用层是在服务组件层的基础上，通过对不同服务或组件进行组合调用，形成的数据传输、数据处理、综合制图、数据管理、用户服务等5个软件子系统，为海洋环境遥感业务化监测提供便捷、实用的工具。

5）用户层主要分为专业用户和普通用户两大类，同时面向国家卫星海洋应用中心、河北省遥感中心和秦皇岛海洋环境监测中心站3个节点。对于专业用户和普通用户分别进行了权限定义。从软件形态上讲，专业用户以采用C/S架构软件为主，普通用户以采用B/S架构软件为主。

图1 平台总体架构图

3 系统建设

河北省卫星遥感海洋应用平台的系统建设包括计算机网络业务支撑系统、数据传输软件子系统、数据处理与模型调试软件子系统、综合制图软件子系统、用户服务软件子系统、数据管理软件子系统等。软件采用插件/组件的方式进行集成，通过业务流程编排，实现海洋环境遥感监测产品的快速生产与主动分发。

1）计算机网络业务支撑系统。该系统分布式部署在河北省遥感中心、国家卫星海洋应用中心和秦皇岛海洋环境监测中心站，主要设备包括通信服务器、数据处理服务器、数据管理服务器，路由器、防火墙、交换机，磁盘阵列和若干客户端设备等，通过专线网络实现三地之间的互联互通（图2）。

图2 计算机网络业务支撑系统部署架构

2）数据传输软件子系统。该系统主要负责国家卫星海洋应用中心、河北省遥感中心和秦皇岛海洋环境监测中心站之间的数据互传任务；以FTP服务器为数据传输存储中介，利用消息中间件来通知接收站点，各站点部署Web Service服务组件，由数据传输软件统一进行调度。卫星数据与现场数据的实时传输，即将国家卫星海洋应用中心获取的海洋系列、高分系列、MODIS等卫星遥感数据与秦皇岛海洋环境监测中心站获取的现场观测数据实时传输汇总至河北省遥感中心。监测产品的实时传输，即将河北省遥感中心制作的海洋环境遥感业务化监测专题产品实时传输至国家卫星海洋应用中心和秦皇岛海洋环境监测中心站。

3）数据处理与模型调试软件子系统。该系统基于IDL语言开发，主要负责遥感数据预处理、水色水温信息提取、海冰信息提取、赤潮预警区提取、水色水温遥感反演模型调试等。其中，自主研发和提出的针对河北省近海的水色水温反演算法、海冰信息提取阈值、赤潮预警技术是系统的核心，也是整个平台自动化运行的核心。

遥感数据预处理，即自动对获取的海洋一号、MODIS等遥感数据进行区域裁剪、几何校正、大气校正、陆地掩膜、云检测等预处理工作；同时在人机交互下，对通用格式的遥感数据进行预处理工作。

水色水温信息提取，即利用自主建立的叶绿素a浓度反演算法[10]、悬浮泥沙浓度反演算法、海面温度反演算法[11]自动提取相应的海洋环境要素信息；并自动统计显示各要素的最小值、最大值和平均值。

式中，Chla为叶绿素a的浓度；r1为MODIS大气校正后第1波段的反射率。

式中，SSC为悬浮泥沙浓度；r1为MODIS大气校正后第1波段的反射率。

式中，SST为海面温度；T31、T32分别为MODIS数据第31、第32波段的亮温；θ为传感器天顶角。

海冰信息提取，即在海冰遥感影像直方图中，海冰和海水呈现两个明显峰值，通常利用两个峰中间的谷值作为阈值进行冰水区分[12]。经过大量样本试验，系统设定了基于不同遥感数据的海冰信息提取阈值，对于MODIS、HJ-1/CCD和GF-4/PMS等卫星数据，冰水识别阈值分别采用第1波段反射率的14.0%、第1波段反射率的22.0%和第3波段反射率的12.9%。系统根据遥感数据类型，自动选取相应的阈值，将反射率高于阈值的区域提取为冰。

赤潮是一种能够引起水色异常变化的生态灾害[13]。叶绿素a浓度和海面温度是赤潮信息遥感提取方法的基础指标[14]。系统提供了对不同季节、不同区域设置不同阈值进行赤潮预警区提取的功能。根据多年的监测经验，秦皇岛海域是赤潮多发区，其中Chla≥2.5 mg/m3且15℃≤SST≤25℃的区域极有可能是赤潮爆发区[15]。因此，系统将上述经验值设为默认条件，在叶绿素a浓度和海面温度自动反演结果的基础上，对二者进行交集波段运算，将满足条件的区域自动提取为赤潮预警区。

系统开发了水色水温遥感反演模型调试模块，可分海域、季节、波段设置，精细化调试反演模型算法的参数、系数，自动对现有反演模型和调试反演模型进行海洋环境要素信息提取和误差分析，不断改进更新模型算法，提高反演产品的精度。

4）综合制图软件子系统。该系统主要根据实际多样化的具体定制需求，完成多类型海洋要素监测产品的制作以及其他需要大量人工干预的定制性专题制图工作，既支持调用制图模板进行自动化产品专题图制作，又具备前台手动产品制作功能，实现了海冰、赤潮、溢油等海洋灾害与突发事件的空间分布面积统计与空间分布频次分析，以及专题报告的半自动制作输出。

水色水温遥感监测专题图通过在后台自动调用相应的专题产品制图模板进行制作输出。海冰、赤潮遥感监测专题图是在调用后台海冰信息和赤潮预警区自动提取结果的基础上，在前台基于高分辨率的遥感数据，采用目视解译的方式进行综合判读后制作输出的。溢油、海岛海岸带遥感监测专题图是在前台基于经过预处理后的中高空间分辨率遥感数据，采用人机交互的方式提取专题信息后制作输出的。

对于空间分布面积统计，系统实现了各市近海和整个河北省近海对上述要素空间分布面积的自动统计，并生成相应的统计图；对于空间分布频次分析，系统实现了基于各要素多期次空间分布数据的叠加分析，自动获取了空间分布频次信息，并制作输出空间分布频次图，用于分析海洋灾害的多发区域和严重程度。

专题报告制作输出，主要实现对海冰、赤潮、溢油等海洋灾害以及突发事件遥感监测通报的半自动制作输出。首先自动读取上述专题信息分布面积值和中心点坐标，并自动调用相应通报模板填入信息；然后人工对监测情况进行总结分析，输出最终的监测通报。

5）数据管理软件子系统。该系统制定了一套多源异构数据元数据标准和数据存储管理规则，实现了多源遥感数据、预处理数据、产品数据、实测数据以及其他类型数据的自动快速整理入库。结合GIS服务实现了数据的空间一体化展示，可根据时间、空间范围、数据类型等检索条件快速查询所需数据。

6）用户服务软件子系统，采用B/S结构，具备数据展示和用户交互式操作功能。所有专题图和遥感影像图按产品的监测要素进行分类，以超链接的形式显示于门户网站主页并设置相应的标识图片。用户通过网页浏览器完成数据产品的査询、检索与下载。

4 应用情况

基于河北省卫星遥感海洋应用平台，实现了河北省近海水色水温等海洋环境遥感常规监测业务系统后台全自动化运行，同时提供了人机交互式的定制化专题图生产平台，满足了海冰、赤潮、溢油、海岛海岸带开发利用等监测业务及时连续的半自动化运行。系统运行稳定、流畅、高效、安全，彻底改变了原来河北省海洋环境遥感监测工作各环节均需人工手动操作的局面，极大地提高了海洋环境遥感监测业务化能力。例如，卫星遥感数据和现场观测数据由手动推送提升为自动传输，传输带宽为20 Mbps，数据传输效率优于90%；水色水温信息提取至专题图输出由30 min提升为2 min；产品发布由手动推送提升为专网和互联网自动实时发布。

监测产品主要包括叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、海面温度等海洋环境要素的日监测图、月均值图和季均值图，海冰、赤潮、溢油等海洋灾害和突发事件的监测图、监测通报，海岛海岸带现状调查和整治修复效果遥感监测图。产品已被河北省海洋生态预警监测部门、海域使用规划部门、海洋环境监测预报部门、海洋测绘部门、港口公司等多个涉海部门和单位应用，为其开展海洋生态环境调查、监测与评价，海洋灾害监视监测、预警预报与应急响应，海岛海岸带整治修复，海域使用动态监测，海洋测绘，港口作业调度等工作提供了大量的数据支撑。海洋遥感监测部分专题产品示例如图3所示。

图3 河北省近海海洋遥感监测专题产品示例

5 结 语

河北省卫星遥感海洋应用平台对国家卫星数据分发单位、地方遥感业务化监测单位、地方现场观测单位的技术优势进行了有机整合，建立了全面促进地方海洋遥感监测应用的合作模式，为地方海洋用户提供了高质量的数据信息服务。平台极大提升了卫星遥感数据传输、数据处理、信息提取、产品制作、产品发布的速度，保证了数据和产品的时效性，为河北省海洋环境遥感监测业务化应用夯实了基础，为地方海洋管理提供了有效支撑。

目前，平台建设仍处于初期阶段，无论是数据获取能力、处理能力，还是业务范围、业务服务水平都需要进一步提高。建立云平台，提升海量数据传输和处理能力，构建面向不同应用对象的通用产品、定制产品，对数据产品进行时序化管理，逐步形成海洋遥感时空大数据平台是平台的升级方向。