貴州省MODIS遙感歷史數(shù)據(jù)整編

楊 娟，谷曉平，廖 瑤，馮成虎，劉 蕓

(1.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心,貴陽 550002;2.貴陽市白云區(qū)氣象局,貴陽 553400)

隨著遙感影像獲取技術(shù)的發(fā)展和GIS應(yīng)用的深入，遙感影像日益呈現(xiàn)出多源、多類型、海量、分布式的發(fā)展趨勢。面對海量的遙感影像數(shù)據(jù)和眾多的行業(yè)元數(shù)據(jù)標準以及不同的應(yīng)用需求，不同影像元數(shù)據(jù)標準之間的互操作、海量遙感影像數(shù)據(jù)的檢索算法以及影像元數(shù)據(jù)的高效存儲組織方式已經(jīng)成為了許多學者研究的熱點問題[1]。如何有效管理這些復雜的、異構(gòu)的、分布式存儲的海量遙感影像數(shù)據(jù)，以促進遙感影像數(shù)據(jù)資源的利用、共享、交換和整合，加強政府部門與非政府部門關(guān)于數(shù)據(jù)收集、數(shù)字化處理等事務(wù)的合作，已經(jīng)成為實現(xiàn)遙感影像數(shù)據(jù)共享所面臨的主要挑戰(zhàn)。近年來，內(nèi)蒙古、陜西、新疆、廣西、黑龍江等多省陸續(xù)開展省級遙感監(jiān)測服務(wù)體系建設(shè)。先后建成省級生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測機構(gòu)、技術(shù)隊伍、技術(shù)流程和業(yè)務(wù)監(jiān)測平臺等。針對遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，也先后整編和建立了省級衛(wèi)星遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)庫，以及歷史背景遙感數(shù)據(jù)集。

由于MODIS數(shù)據(jù)的時間序列長，對地球科學的綜合研究和對陸地、大氣和海洋的研究有較高的實用價值，而且長時間系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于監(jiān)測區(qū)域植被覆蓋的動態(tài)變化特征，并分析氣候或者人為因素驅(qū)動作用，也可以作為一種常規(guī)監(jiān)測手段，和其他研究結(jié)合起來；同時，時間系列的遙感產(chǎn)品還可以用來監(jiān)測其他地表覆蓋的動態(tài)變化特征[2]。因此，建立基于MODIS的省域尺度生態(tài)環(huán)境狀況歷史信息庫，對規(guī)劃、評估、管理重要生態(tài)功能區(qū)，從宏觀上把握貴州生態(tài)狀況變化及空間分異情況有著重要的意義。

1 研究區(qū)域及MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品概況

中國西南巖溶地區(qū)屬于世界三大喀斯特區(qū)域之一，貴州位于該地區(qū)的中心腹地，山地、丘陵及喀斯特面積比重大，導致生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近年來，伴隨著生產(chǎn)力的提高，人類對自然環(huán)境的影響不斷擴大，導致全球氣候持續(xù)變暖，全球范圍內(nèi)的土地荒漠化、森林退化等諸多威脅人類生存的問題凸顯[3]。為了實時掌控全省生態(tài)系統(tǒng)變化情況，積極開展生態(tài)環(huán)境遙感領(lǐng)域的相關(guān)業(yè)務(wù)，需要對生態(tài)保護紅線內(nèi)森林、河流、湖泊、濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)進行監(jiān)測和評估。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以提供大區(qū)域長時間的持續(xù)定量監(jiān)測，并具有快速獲取、大區(qū)域覆蓋等優(yōu)勢，可以與地面觀測形成有益的補充，實現(xiàn)立體觀測的新格局[4]。同時，日常動態(tài)遙感監(jiān)測也離不開歷史遙感資料的支撐，需要通過與歷史氣候平均態(tài)或歷史同期時段的監(jiān)測結(jié)果進行比較，或作為參照基準[5]。

MODIS是美國NASA的ESE計劃中最重要的傳感器，它具有36個通道，光譜范圍從0.4 μm(可見光)到14.4 μm(熱紅外)，空間分辨率為250～1 000 m[6]。MODIS的多波段數(shù)據(jù)可以同時提供反映陸地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化學、大氣中水汽、氣溶膠、地表溫度、云頂溫度、大氣溫度、臭氧和云頂高度等特征的信息，可用于對地表、生物圈、固態(tài)地球、大氣和海洋進行長期全球觀測[7]。由于MODIS的數(shù)據(jù)資料在全球可免費獲得，因此關(guān)于MODIS的相關(guān)應(yīng)用得到了廣泛開展。

本文選取包括植被指數(shù)、地表溫度/發(fā)射率、總/凈初級生產(chǎn)力、地表反射率、葉面積指數(shù)、溫度異常/火、地表覆蓋8種MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品(表1)，通過下載、預(yù)處理、質(zhì)量控制與編目，面向生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與分析評估需求，建設(shè)貴州省MODIS衛(wèi)星遙感歷史數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的收集與整編。

表1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息表

2 MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的整編流程

對于海量的遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)來說，整編的目的就是為了用戶能夠快速、方便、準確地獲取感興趣的遙感數(shù)據(jù),實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)向遙感信息的轉(zhuǎn)化，為遙感應(yīng)用的實用化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供有效的工具[8]。因此，必須采用有效的手段對遙感數(shù)據(jù)依照一定的規(guī)則加以系統(tǒng)的組織與整理，將之編輯成目錄，供人們檢索數(shù)據(jù)。為了全面、快速地獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的主要信息，首先要對所接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行快視處理，按照一定的方式生成以景為單位的元數(shù)據(jù)和瀏覽圖像，然后傳送給編目存檔系統(tǒng)組織存儲[9]。當人們要檢索自己所感興趣的數(shù)據(jù)時，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)編目查詢系統(tǒng)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息和查詢要求組織查詢，獲取相應(yīng)的存檔數(shù)據(jù)信息，供后繼使用，并在此基礎(chǔ)上能夠充分、有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)發(fā)布[10]。MODIS數(shù)據(jù)的整編流程主要分為五個部分：數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)編目、數(shù)據(jù)可視化。

2.1 MODIS數(shù)據(jù)下載

MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品來自Earthdata Search網(wǎng)站，截至2018年4月20日，NASA阻止了所有向公眾服務(wù)器發(fā)送的FTP請求——包括LAADS DAAC和LANCE NRT。官方為用戶提供了全新的下載方式——HTTPS。超文本傳輸協(xié)議(HTTP)是當今驅(qū)動大多數(shù)網(wǎng)站互聯(lián)網(wǎng)流量的協(xié)議。該協(xié)議的一個變種稱為“HTTPS”，“S”為“安全”，已被選擇來取代FTP。HTTPS加密客戶端和服務(wù)器之間的所有事務(wù)處理，使得截取正在傳輸?shù)膬?nèi)容變得更加困難。因此，LAADS DAAC目前支持所有數(shù)據(jù)的HTTPS下載。

2.2 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理

下載后的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行分幅數(shù)據(jù)拼接、投影轉(zhuǎn)換、剪裁、文件格式轉(zhuǎn)換等處理，通過MS2GT、LDOPE、MRTSwath和MRT、HEG等軟件實現(xiàn)影像批處理，達到快速高效的預(yù)處理。

Modis Reprojection Tool(圖2)使用戶可以讀取HDF-EOS格式的數(shù)據(jù)文件，將特定科學數(shù)據(jù)集作為所需處理的輸入(mosaic&resample)實現(xiàn)地理裁剪，運行轉(zhuǎn)換至不同的坐標系或地圖投影(reprojection)，并可以將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為其他類型文件，而不是HDF-EOS。MRT有特定的批處理命令格式，通過在Windows平臺下Dos命令框中運行自己創(chuàng)建的批處理*.bat文件實現(xiàn)對MODIS產(chǎn)品的批處理。

經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)為貴州矩形范圍：

SPATIAL_SUBSET_UL_CORNER = (29.3 103.5)

SPATIAL_SUBSET_LR_CORNER = (24.5 109.7)

2.3 MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品可視化

數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息(圖1)。關(guān)于數(shù)據(jù)可視化的適用范圍，存在著不同的劃分方法。一個常見的關(guān)注焦點就是信息的呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)可視化的基本思想，是將數(shù)據(jù)庫中每一個數(shù)據(jù)項作為單個圖元元素表示，大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時將數(shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對數(shù)據(jù)進行更深入的觀察和分析[11]。

圖1 MODIS部分產(chǎn)品圖形化展示

2.4 MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量控制

遙感數(shù)據(jù)或產(chǎn)品的質(zhì)量受多種因素控制，隨著對這些因素研究的深入，對質(zhì)量的描述也不斷改進，最終表現(xiàn)為遙感產(chǎn)品在文件層的更新?lián)Q代，并具體落實到對每個像元的質(zhì)量描述[12]。MODIS十余種陸地產(chǎn)品都包含像元尺度的質(zhì)量評估信息(QA)，QC是MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演結(jié)果的質(zhì)量標識符，以8位字節(jié)數(shù)表示。這些信息是用戶合理利用這些產(chǎn)品的基礎(chǔ)。如果遙感用戶能夠全面了解所用遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量，就能夠科學地處理與分析這些數(shù)據(jù)，并得到科學的結(jié)論。

利用MATLAB從HDF文件中讀取相應(yīng)的產(chǎn)品及其質(zhì)量字段，判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量是按照字段的每一位來標識，因此需要轉(zhuǎn)換成二進制，并且是從右往左讀取。按照質(zhì)量字段只保留滿足要求的產(chǎn)品，并成圖顯示和輸出到txt文件，具體流程見圖2。

圖2 MODIS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

3 貴州省衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于國土土地利用調(diào)查、礦產(chǎn)資源開發(fā)現(xiàn)狀調(diào)查與監(jiān)測、環(huán)保大氣環(huán)境和水環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)作物估產(chǎn)和長勢監(jiān)測、水利洪澇災(zāi)害監(jiān)測及水利設(shè)施監(jiān)測、統(tǒng)計農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、地震災(zāi)害監(jiān)測等行業(yè)部門。為了推廣衛(wèi)星數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，研發(fā)了“貴州省衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)”(圖3)。本系統(tǒng)以JAVA軟件開發(fā)技術(shù)為手段，運用Mysql 5.5.0、Navicat Lite for MySQL等開發(fā)工具，建立以mybatis為框架的數(shù)據(jù)庫，解決目前衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)存儲分散和不利于檢索的問題，同時解決當前對衛(wèi)星數(shù)據(jù)不能自動統(tǒng)計展示的問題。

系統(tǒng)一期實現(xiàn)MODIS遙感整編數(shù)據(jù)入庫和手工基于地理信息的圖形展示；二期將利用相關(guān)地理信息技術(shù)算法實現(xiàn)自動入庫和自動分析顯示，并實現(xiàn)遙感元數(shù)據(jù)的反向查詢功能。

利用JAVA程序開發(fā)語言，系統(tǒng)實現(xiàn)9類功能模塊，包括：地表溫度模塊、地表發(fā)射率模塊、植被指數(shù)模塊、地表反射率模塊、總初級生產(chǎn)力模塊、凈初級生產(chǎn)力模塊、葉面積指數(shù)模塊、溫度異常模塊、地表覆蓋模塊。利用Swing組件進行界面設(shè)計開發(fā)，選擇不同年份，利用JAVA FTP下載技術(shù)，從FTP服務(wù)器下載處理好的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，存儲在本機電腦，然后利用JAVA File讀寫技術(shù)，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)圖片進行讀取顯示，并實現(xiàn)翻頁功能，利于動態(tài)查看。頁面設(shè)計中，程序可以根據(jù)電腦顯示屏的分辨率來調(diào)整頁面布局，讓頁面簡潔美觀，同時利用Photoshop圖像處理軟件對圖像產(chǎn)品進行處理。

圖3 貴州省衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)界面

4 小結(jié)與討論

通過對數(shù)據(jù)調(diào)研、下載、預(yù)處理、質(zhì)量控制、編目等技術(shù)流程，建立了2000年至2018年貴州省MODIS遙感歷史數(shù)據(jù)集，按照不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類別，從大量遙感原始數(shù)據(jù)中挖掘和提取出需要的元數(shù)據(jù)信息，借助ENVI、ARCGIS、MRT等專用工具，對數(shù)據(jù)進行拼接、投影轉(zhuǎn)換、剪裁、文件格式轉(zhuǎn)換等。同時，針對數(shù)據(jù)的特點和業(yè)務(wù)需求，對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行嚴格控制，通過MATLAB編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的挑選與保留。最后，確定數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計等架構(gòu)設(shè)計，利用JAVA Swing界面展示組件，對經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)產(chǎn)品以圖片的方式進行展示，并對界面進行美工設(shè)計，最終實現(xiàn)了數(shù)據(jù)整編入庫和可視化功能，提高了遙感圖像的使用效率。

下一步將重點著力于對多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源的分析與思考，對元數(shù)據(jù)信息的特點、元數(shù)據(jù)量、元數(shù)據(jù)生命周期、元數(shù)據(jù)種類等方面進行深入挖掘，然后針對不同的類型的數(shù)據(jù)設(shè)計不同的存儲策略，最終實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)訪問。