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【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统

(2018-10-18 09:16:30)
标签:

web遥感

分类: ENVIServicesEngine

——厦门大学海洋监测与信息服务平台 提供

系统利用Landsat、哨兵2/3MODIS、高分一号/二号、资源三号、环境小卫星等数据,提供在线沿海大气环境监测、海表温度反演、水环境监测、土地利用分类、红树林信息提取等应用。

1.   系统概述

海岸带遥感数据处理与分析系统(后面简称系统)基于企业级Web系统架构,在高性能计算环境中支持遥感大数据量的并行处理,能快速、高效的完成Landsat系列、Sentinel-2/3,以及国产资源三号、高分一号/二号和环境小卫星影像的辐射定标、大气校正、几何/正射校正、图像融合、图像镶嵌、图像裁剪等预处理。还支持资源三号1a/2a、高分一号、高分二号流程化处理工具。在预处理的成果上,系统还提供专题产品生产工具,包括土地利用自动分类、红树林信息提取、水环境信息提取、海表温度反演、气溶胶反演等。系统具备灵活的可移植性和可扩展性,可添加自定义算法和程序模块。

系统具有以下三个特点:

      创新的基于企业级架构的遥感影像处理与分析平台,构建B/S模型下的多用户业务化应用系统,完成影像入库管理与查询、遥感影像预处理、遥感影像业务化应用、遥感专题产品查询等功能的一体化无缝集成,提供在线、按需、可拓展的遥感影像分析功能;

      完成软硬件资源、遥感数据、遥感业务模型等资源集中管理,基于并行处理、多线程计算,充分利用企业级/云计算服务器硬件支持遥感大数据处理,快速完成影像预处理,以及土地利用分类产品、水环境遥感产品、气溶胶产品、海表温度产品、红树林分布产品的快速生产。

      打破了专业遥感软件和高端硬件对非专业人士的壁垒,为遥感专家和预期的终端用户建立更直接的联系。快速部署面向行业用户的遥感分析模型,终端用户可以即时使用。

2.   系统总体框架

系统采用模块化结构设计,使用面向对象的程序设计思想,建立基于GUI界面和可视化软件支撑的业务化应用系统,以先进技术和成熟技术有机结合,强调可靠性和业务化运行能力,注重系统运行适应性、可移植性和可生长性。

系统采用基于B/S的体系结构,系统总体框架从逻辑上可划分为3个部分:基础设施层、服务支撑系统、应用系统三大内容,以及政策法规与标准规范体系、安全保障体系两大支撑手段。总体框架图如图所示:

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
图:总体框架图

 

  • 基础设置

基础设置是本系统的部署环境。包括基础平台和支撑软件。

Ø  基础平台

即硬件支撑平台,为数据存储、应用开发、系统运行提供了计算机系统环境,包括计算机(集群计算机环境)、存储设备、网络设备和安全系统。

Ø  支撑软件

主要包括:操作系统、数据库、遥感基础软件等;遥感基础软件包括企业级遥感服务器软件。底层支撑软件为各应用系统提供开发、测试与运行的软件环境支撑,位于硬件基础平台之上,包括操作系统、数据库管理系统软件等。

 

  • 服务支撑系统

服务支撑系统包括数据预处理系统、数据入库系统和数据库组成,为应用系统提供数据支撑。

其中数据库系统两个数据库:

影像数据库:存放Landsat L1Tmodis 2级、Sentinel-2/3 L1C级数据,以及数据预处理(正射校正、大气校正、图像融合、图像镶嵌、图像裁剪)得到的成果影像。

专题产品数据库:存放土地利用自动分类、红树林信息提取、水环境信息提取、海表温度反演、气溶胶反演5大类专题产品。

 

  • 应用系统

应用系统包括应用系统门户、土地利用自动分类子系统、红树林信息提取子系统、水环境信息提取子系统、海表温度反演子系统、气溶胶反演子系统。

系统总体业务流程如下图所示,用户登录系统后,根据功能划分为三个业务流程:

 

  •     数据入库流程:但有原始数据入库时候,选择数据进行入库处理。
  •   预处理系统流程:有两种数据选择方式,正射校正和一键式处理是通过选择文件夹方式;其他预处理功能是从数据库中检索影像,处理得到的影像产品入库处理。
  •    应用系统流程:从数据库中检索影像,选择相应的业务功能进行分析,结果为专题产品入库处理。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统

图:系统总体业务流程

3.   系统功能

系统总体功能结构如下图所示。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统

:系统功能结构图

 

  • 应用系统门户

应用系统门户包括登陆系统、系统主页和个人中心。

 

  • 数据入库子系统

完成L1TLandsatL1级哨兵2L1Sentinel-3L1BModis数据的入库。自动从数据中读取元数据信息,包括成像时间、外轮廓线坐标等信息。Sentinel-3数据入库前完成GLT地理校正。

 

  • 产品查询子系统

成果检索与浏览,支持元数据和空间条件查询,可以浏览、下载查询结果。

 

  • 数据预处理子系统

支持Landsat系列、Sentinel-2/3、国产资源三号、高分一号/二号和环境小卫星影像的辐射定标、大气校正、几何/正射校正、图像配准、图像融合、图像镶嵌、图像裁剪。

支持资源三号1a/2a、高分一号、高分二号流程化处理工具,流程如下图

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统

图:高分一/二号、资源三号1a/2a流程化处理流程

 

  • 土地利用自动分类子系统

基于Softmax迭代回归分类器、非监督分类、支持向量机分类方法完成耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地在内的6个一级类的自动分类功能,并提供分类后处理、精度评定的功能,处理结果可上传、下载。

传统监督分类方法中,遥感图像、训练样本是一一对应的,而不能重复使用。SoftmaxSVM分类器使用梯度下降法和迭代法训练样本,在训练、评估完成一个分类器后,可以将其批量应用于相似的数据中。

 

  • 红树林信息提取子系统

基于Landsat8数据提取沿海区域红树林信息。基本流程为:在识别影像植被后,将与水体不相邻的植被剔除即为红树林和互花米草。又冬季互花米草枯黄,红树林常绿,选择冬季数据可以将红树林与互花米草区分,从而最终达到提取红树林的目的。

 

  • 水环境信息提取子系统

包括近海域水环境信息(叶绿素含量、悬浮泥沙浓度、悬浮浊度反演、赤潮信息提取)和内陆水环境信息(湖泊水库面积、叶绿素含量、透明度)。

 

  • 海表温度反演子系统

基于劈窗算法的MODIS海表温度反演和基于单通道反演模型/大气传输模型的Landsat海表温度反演。劈窗算法以地表热辐射传导方程为基础,利用10~13μm 大气窗口内,两个相邻热红外通道(一般为10.511.5μm11.512.5μm)对大气吸收作用的不同,通过两个通道测量值的各种组合来剔除大气的影响,进行大气和地表比辐射率的修正;大气校正法基本原理:首先估计大气对地表热辐射的影响, 然后把这部分大气影响从卫星传感器所观测到的热辐射总量中减去, 从而得到地表热辐射强度, 再把这一热辐射强度转化为相应的地表温度。

 

  • 气溶胶反演子系统

基于暗像元法利用MODIS数据进行气溶胶反演。暗像元法基本原理:在植被密集区2.1um中红外波段反射率与0.47um蓝光和0.66um红光波段反射率具有很好的相关性。因此,可以利用中红外通道反射率之间的统计关系估算红、蓝通道反射率。又由于在2.1um通道处几乎不受大气影响,可认为2.1um大气表观反射率等价于地表反射率。假设地表是均匀朗伯表面,大气垂直均匀变化,则传感器测量值可以用等效反射率,即大气表观反射率表示。大气表观反射率既是气溶胶光学厚度的函数,又是下垫面反射率的函数。通过6S模型则可以求得不同气溶胶光学厚度下对应的大气分子和气溶胶产生的反射率、大气半球反照率、大气总体透过率三个参数。所以,确定了可见光通道地表反射率,合理的假定气溶胶模型后,就可以求得6S模型计算得到在该通道的表观反射率。对比6S模型表观反射率与等效反射率则可反解出实际气溶胶光学厚度值。

4.   系统部分成果

系统是多用户应用模式,使用系统功能时候必须使用账户登录。每个账户拥有自己的个人信息,管理个人提交的任务。用户分为管理员用户和普通用户。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
:系统登陆界面

成功登陆后进入系统主页,系统主页由标题栏、功能导航区、内容展示、地图工具等几个部分组成。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
:系统主页

系统使用的数据预先入库,数据库中储存图像的元数据信息。元数据信息在入库时候自动从数据中获取。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
:影像入库

左侧菜单栏点击“预处理->大气校正,首先选择数据,可通过输入空间区域、成像时间、数据处理时间、传感器类型、产品数据类型等条件查询数据。查询得到数据列表,可以根据需求选择一景或者多景进行并行大气校正处理。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
:选择数据与大气校正

左侧菜单栏点击“水环境->近海域水环境->浊度反演”。通过输入空间区域、成像时间、等条件查询数据。查询得到数据列表,根据需求选择一景或者多景数据进行近海域浊度反演。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
图:近海域浊度反演结果

为了便于管理和简单的系统运维,系统提供个人中心,个人中心可以管理自己提交的任务,浏览产品数据库、临时目录管理、工作空间清理、和用户管理。如果是管理员用户还可以用户管理和监控服务器。

【典型案例】海岸带遥感数据处理分析系统
图:个人中心

  单位简介:厦门大学海洋监测与信息服务平台( Marine Monitoring and Information Service Platform, Xiamen University,简称“MIS”),即厦门及其毗邻海域海洋经济发展及海洋生态文明建设信息服务平台二期(No:15PZB009NF05),由厦门南方海洋研究中心与厦门大学联合共建,平台致力于构建以水环境观测网络、海洋动力学模型、遥感技术为基础的信息集成与共享服务平台,应用于海洋灾害跟踪与风险评估、海洋工程支撑与服务、海岸带动态变化监测、水环境安全以及海洋经济发展布局等,推广海洋监测与信息技术等海洋高新技术的应用和示范,服务于区域海洋经济发展及海洋生态文明建设。

海洋监测与信息服务平台(Marine Monitoring and Information Services Platform,MIS),系厦门大学和厦门南方海洋研究中心共建,致力于构建以水环境实时观测网络、海洋动力学模型、遥感及信息技术为基础的信息集成与共享服务创新平台,在海洋环境动态变化监测与预测、海洋灾害跟踪与风险评估、海洋工程支撑与服务、海岸带动态变化监测及水环境安全保障等方面提供技术支持和信息产品,服务于区域海洋经济发展及海洋生态文明建设。

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