秸秆焚烧卫星监测服务平台设计与实现

赵永辉，张 明

（1.河南省环境监控中心，河南 郑州 450004；2.中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047；3.河南省空间信息生态环境保护应用重点实验室，河南 郑州 450047）

当前传统的秸秆焚烧监测主要依靠于人工地面巡查，巡查结果逐级上报，过程中耗费人力物力，并且秸秆焚烧的单个火点可能面积较小，发生的时间和空间范围均较为局部、随机，存在客观漏查和主观漏报现象。因环保监管执法过程具备的严谨性，上报火点需要具备准确的位置信息，满足高置信度和高时效性要求。遥感火情监测可以形成较为有效的秸秆焚烧监管信息支撑和执法依据[1]。

孙秀平等[2]设计了卫星遥感火情综合监测服务应用平台，通过卫星遥感火情监测系统，对森林草原火灾进行及时、准确的监测与定位。李石头[3]建设了河北省环境保护综合指挥信息平台，全面整合包括秸秆焚烧在内的多种业务数据，与地理信息系统无缝集成,实现环境大数据地图的可视化应用。连芳等[4]设计的大气环境信息可视化系统，将遥感（RS）、地理信息系统（GIS）与全球定位系统（GPS）及数据库技术有机结合，可实现秸秆焚烧的实时业务监管。然而，上述研究重点均针对行业综合监测与监管，一线环保督查人员亟需一款精准快速、稳定可靠、简单易用、轻量化的移动端平台，方便随时随地利用随身移动设备进行实时火情信息查看。

本文以遥感（RS）与地理信息系统（GIS）技术为支持，开发统一移动端与PC端的秸秆焚烧卫星监测服务平台，通过自建卫星接收站实现数据实时接收，多源卫星遥感数据的预处理，火点产品反演及专题产品生产，并对专题产品进行管理和发布，实现秸秆焚烧监测及时化、系统化、科学化、精细化、信息化的需求，为相关政府部门进行决策分析提供重要的技术支撑。

1 总体设计

1.1 平台架构设计

针对秸秆焚烧卫星遥测对多种载荷、高频次、准实时性的遥感数据需求，建设1套7.3 m极轨卫星地面接收站和1套3.7 m C频段同步轨道卫星地面接收站，分别实现对EOS/Terra（MODIS）、EOS/Aqua（MODIS）、SuomiNPP（VIIRS）、NOAA20（VIIRS）和葵花-8（AHI）等卫星进行实时跟踪和免费接收遥感数据，为后端数据处理和情报产品的生产提供高时效原始数据源。开发秸秆焚烧卫星监测服务平台实现多源卫星遥感数据的预处理，火点产品反演及专题产品生产，并对专题产品进行管理和发布，可实现疑似火点监测业务需求。平台架构如图1所示。

图1 平台架构设计

平台搭建遵循B/S架构，采用对象关系型数据库PostgresSQL存储数据，通过PostGIS实现空间数据的存储管理能力，后台使用Spring框架搭建，进行业务逻辑解析转交数据库，并将数据库返回的结果返回前台，前台页面由HTML5+CSS3+Bootstrap组合搭建，通过 JavaScript+Echarts+Ajax与后台完成数据交互。

1.2 平台功能设计

1.2.1 数据自动获取

根据卫星两行轨道数据，利用平台接收站完成卫星捕获与跟踪。根据卫星轨道预报，天线提前预置到等待点，在进站时刻，程序引导天线转动，当目标出现并落入天线主波束内时，信号锁定、电平达到捕获门限且角误差电压小于预设值，此时判定目标信号已被捕获，天线转自跟踪，完成卫星数据锁定与接收。卫星的数传频段为X波段，接收站采用52.5 Mb·s－1和 30 Mb·s－1的码速率接收 Terra、Aqua与SuomiNPP、NOAA20的X频段信号，经过下变频器后，输出得到中频信号，再由接收机解调后将射频信号转换为码流信息，并将原始码流数据进行记录存储，如图2所示。

图2 卫星数据接收原理图

1.2.2 数据预处理

1）原始数据到0级数据的转换。原始码流数据文件需要进行去信道化处理，依次包括帧同步、数据帧容错与填充、解扰与译码等步骤，才能得到按照载荷分类的数据—0级产品（L0），平台采用NASA DRL实验室开发的RT-STPS（实时软件遥测处理系统）6.0包进行数据处理，得到经过分类的CCSDS数据包和VCDUs。平台将该软件包集成在IPOPP（国际行星观测处理包）中，从指定端口或文件接收数据，并将结果输出到配置文件中指定的文件路径，供下一步的初级产品生产使用。

2）0级数据到1级数据的转换。平台采用IPOPP3.0进行L1产品的生产，IPOPP包由NASA DRL实验室基于64位Linux系统开发，是一个自主的多任务、多传感器数据处理框架，该框架为即插即用科学处理算法（SPA）提供了一个基础平台，易于部署和迁移，运行稳定，处理速度快[5]，可以灵活处理实时传感器数据（直接广播下行链路数据）和非实时传感器数据（官方下载数据），对于本平台实时接收的直接广播下行连续的原始传感器数据，经过RT-STPS处理，得到实时的RDR文件，IPOPP自动对RDR文件进行多级处理，并生成传感器数据记录（SDR）、环境数据记录（EDR）。

IPOPP3.0的安装系统环境[6]要求如表1所示，本平台部署在Lenovo System x3850 X6 服务器上。

表1 IPOPP3.0安装硬件要求

为实现平台全流程的自动化处理，自主研发filewatcher.jar包通过解析RDR/PDS文件自动将不同载荷相应的xml配置文件加载到设置中，并自动将RDR/PDS直接推送到IPOPP，IPOPP通过读取xml配置文件对相应载荷的RDR/PDS文件进行处理。接收的原始码流数据不需要人工干预，自动进行L0级及L1级文件生产。

1.2.3 火点判识

基于维恩位移定律，通过MODIS、VIIRS、AHI载荷观测的可见光、近红外波段的表观反射率及中红外、热红外波段的表观辐射亮度辐射能量计算物体的亮度温度，设置适当的亮度温度阈值实现火点判别。通过算法剔除像素中的云像元、水体像元等影响因素，如果某像元的周围背景像元的温度随着与该像元的距离变化而呈现出温度不断下降的关系, 同时该像元的温度数值远远高于区域平均温度, 那么就可以初步认定该像元为热异常火点像元[7]。

1.2.4 火点验证和修正

在上述获取的确定热异常火点像元基础上，采用基于高分二号影像的土地利用类型分类结果来筛选疑似火点，通过叠置分析，初步筛选疑似火点的下垫面是否为农用地，把非农用地上的火点排除，把位于农田范围内的火点提取出来作为秸秆焚烧疑似火点，该火点信息存储为点矢量图层后作为后续判读最终火点结果的依据。土地利用分类存在一定的误差，为保证提取精度，在初步筛选后，应用地理信息系统的空间叠置分析功能，通过疑似火点矢量图和高分辨率影像资源叠加，利用剩下的疑似火点与水库、河流、彩钢瓦、厂房等成负相关关系，经过人工判读的方式再次筛选疑似火点。

1.2.5 专题图报制作

平台在监测到新的火点初级产品产生时，会自动抓取对应载荷的火点初级产品进行火点专题报的制作，若为进一步确保火点监测准确率，可以进行人工干预筛选疑似火点。火点确定后，平台自动加载专题图模板和专题数据以制作火点专题图报[8]，专题图包含整个河南省境内卫星过境时发现的火点情况，涵盖遥感数据源、卫星过境时间、发现火点个数及每个火点的经纬度等详细参考位置信息。如图3所示为2020年6月8日河南省秸秆焚烧遥感监测分布图。

图3 2020年6月8日河南省秸秆焚烧遥感监测专题产品

专题图产生的第一时间平台会主动推送给环保执法人员，执法人员可以通过上报火点的具体位置到现场进行监督执法。

1.2.6 火点服务

1）监测成果可视化。平台采用OpenLayers实现空间信息服务集成，通过行政边界、影像底图、矢量底图、地名注记、疑似火点监测结果、历史监测结果、核查业务数据等数据多尺度空间可视化，辅以地图浏览、查询定位、导航、数据对比、在线编辑与标注、图层控制等空间分析功能，动态化、精细化提供数据分析、检索能力，帮助环保部门及时掌握实时秸秆焚烧信息。

2）统计分析。平台采用Ajax支持下的ECharts图表展示火情统计信息，Echarts是基于Web的跨平台框架，使用JavaScript实现的开源可视化图表库，它支持交互式可视化的快速构建，具有易用、交互丰富和高性能的特点[9]。该平台的图表同时支持在PC端、移动端上展现，利用 ECharts 内部组件的定位设置，实现图表自适应，随着容器尺寸变化而变化的能力。

3）平台用户验证与信息绑定。用户访问平台，当用户输入身份信息时，服务器会向数据库发送请求，请求数据库查询用户的身份、授权、绑定区域等相关信息。

同时采用HTTP状态管理技术（Cookie技术）存储用户的用户名、密码、区域等用户认证信息，当用户再次进入Web服务器时，浏览器通过读取Cookie文件中的信息传送到Web服务站点，实现Web中的用户验证和绑定，平台自动过滤推送用户权限区域火情信息。

2 关键技术

2.1 全自动化运行

平台设计了完备的全自动化运行体系，支持日常每天24 h间断的自动运行。采用全自动运行管理，以计划驱动方式，调度全系统完成自动化运行。可接受初筛火点人工通过操作界面进行火点验证和修正，后台处理功能无需人工干预。

平台运行工作流程如图4所示，根据业务部门应用需求，获取服务保障任务，通过卫星地面接收设备自主接收数据，葵花8自主接收系统根据任务需求实时接收卫星数据，极轨卫星从互联网或其他外部系统获取卫星的轨道参数（两行数据或轨道根数），计算接收窗口，制定跟踪接收计划。依据卫星接收任务计划和解算的天线跟踪接收引导文件，完成卫星捕获与自跟踪，数据接收与解调，获取卫星原始码流数据，并进行预处理。

图4 平台运行工作流程

秸秆焚烧卫星监测服务平台将遥感数据产品纳入到平台的数据目录中，同时进行专题应用处理，进行疑似火点监测专题产品的生产，制作专题图和专题报告，并将专题产品，专题图和专题报告纳入数据目录并入库管理，供用户检索、调用、下载使用。对于自动生产出的疑似火点专题数据，管理员可通过人工判读进行进一步的验证与修改，提交后再次自动生产专题图和专题报告并入库。根据用户的订阅需求，平台将满足需求的产品信息定向推送给用户，用户登录平台即可获取定向推送给自己的数据消息。

2.2 统一移动端与PC端前端开发框架技术

为及时查看火情，环保督查人员在实地核查和取证时，需要通过智能终端进行包括定位数据、现场取证数据、现场图片和时间信息等类型的数据的读取和采集，能够利用导航功能、距离、面积量算等空间分析功能，因此秸秆焚烧卫星遥感服务平台需要支持在移动端的使用。

平台根据PC端、平板电脑、手机等不同厂商、不同型号的设备的尺寸、屏幕方向、屏幕分辨率、用户操作习惯等众多因素，开展布局和设计。本文前端采用Bootstrap开源工具包进行响应式、弹性化网站布局开发，利用Bootstrap提供的响应式、移动设备优先的流式网格系统[10]，使平台服务页面能够根据设备屏幕或视口尺寸进行自动调整和切换，在不同的设备下进行自适应布局，使用相同的代码可以兼容地访问PC端和移动端，达到最佳的展示效果和便捷的交互。

以平台页面中每一部分抬头（.section-header h3）为例，在css文件中为不同宽度的页面设置属性，系统根据设备自动匹配属性信息，css样例如下：

.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 数据存储与服务发布

平台底图数据采用天地图在线服务数据源，加载影像底图、矢量底图、地名注记等信息，不需要本地存储。平台业务数据均与地理信息相关，因此该平台统一将业务数据存放在PostgresSQL中，安装PostGIS插件，使用PostGIS自带工具PostGIS 3.0 shapefile and DBF loader Exporter导入行政区划数据等矢量shapefile文件。使用python编写监视程序，当平台自动提取的火点信息txt文件产生后，数据库触发函数将火点信息入库，入库过程中，通过每个火点的经纬度信息，定位火点的详细区域信息，精确到省、市、县区、镇、村详细位置。

数据库中保存的用户信息，记录有用户角色、访问权限区域，用户登录时，与绑定信息进行验证，平台自动过滤推送用户权限区域火情信息。在针对不同区域的秸秆焚烧卫星监测服务平台中，平台不需要二次开发和修改，可根据用户信息自动完成系统匹配。

3 平台实现

该项研究已经在河南省秸秆焚烧卫星遥感服务平台中得到业务化应用，如图5所示。前端开发环境Visual Studio Code V1.39.2，后端开发环境IntelliJ IDEA 2017.3.1，数据库采用PostgreSQL 12及PostGIS2.5插件。在2020-05-15～2020-06-28河南省麦收期间，平台共形成45份秸秆焚烧监测统计分析报告，发现秸秆焚烧火点78个。经实地考察验证，疑似火点发生地点和时间与本平台监测结果一致，如图5所示。

图5 平台界面

1）精准快速。观测频率高，可提供3～4次/d高分辨率卫星遥感监测以及1次/h高频次静止轨道卫星监测；火点判识精度高，报准率90%以上；火点监测范围广，可同时完成全国中东部大部分区域范围内火点的监测；数据传输时效性强，基本达到实时传输，卫星过境后最快15 min南省全境检测结果,动态推送至最终用户。

2）稳定易用。在日常的业务运行中，本平台每天24 h间断的自动运行，除初步筛选出的火点需要人工判读外，后台处理功能无需人工干预。

平台采用统一移动端与PC端前端开发框架技术，开展布局和设计。使平台服务页面能够根据设备屏幕尺寸进行自动调整和切换，进行自适应布局，用户可通过手机、pad等终端设备随时随地访问，准确、及时、直观的了解管辖区域内的火情动态情况。

3）安全便捷。平台提供基于角色（例如：系统管理员、一般用户、高级用户等）、权限（不同区域、不同火情类型）的安全控制策略，通过平台用户验证与信息绑定，确保数据的安全性和完整性。

平台完全通过浏览器进行访问。用户可随意通过浏览器和网络对平台进行流畅访问，不需要额外安装任何软件。

4 结 语

本文设计了秸秆焚烧卫星监测服务平台，实现了多源实时遥感信息的数据接收和处理、数据存储与服务发布、综合可视化，开展了全自动运行的秸秆焚烧监测，业务化、自动化地替代以往科研式、人工式和小批量的秸秆焚烧火点数据产品生产和分发方式，同时具有定位精度高、时空分辨率高的特点，有效加强秸秆焚烧遥感遥测工作的基础能力建设，提升环境监管和信息化水平。

同时，用户访问平台遵循B/S架构，由HTML5+CSS3+Bootstrap组合搭建前端；由JavaScript+Echarts+Ajax完成与后台数据交互；由Spring+PostgresSQL+PostGIS实现空间数据的存储和服务发布。通过统一移动端与PC端前端开发框架技术，准确、及时、方便、直观地满足用户随时随地全面了解管辖区域内的秸秆焚烧火点动态情况。