高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺總體設計與實現(xiàn)

游代安 姜 俊 曹 飛 王昌佐 范 磊

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京 100094;2.北京吉威時代軟件股份有限公司，北京 100043)

1 引 言

環(huán)境污染和生態(tài)破壞對我國國民經(jīng)濟及社會可持續(xù)發(fā)展構成了嚴重威脅，面對日益嚴峻的環(huán)境形勢，需要不斷提高環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測能力，建立天－空－地一體化的環(huán)境動態(tài)監(jiān)控體系，以適應大范圍、全天候、全天時、連續(xù)、動態(tài)、高效的環(huán)境監(jiān)測的需要。隨著衛(wèi)星載荷技術、航空航天技術和數(shù)據(jù)通訊技術的不斷發(fā)展，環(huán)境遙感技術已在環(huán)境保護領域發(fā)揮著越來越大的作用［1－2，13］。高分辨率對地觀測系統(tǒng)國家重大專項將通過研制發(fā)射7 顆高分辨率對地觀測衛(wèi)星，初步建成我國空間基礎對地觀測體系［2］，這些衛(wèi)星具有高空間、高時間、高光譜分辨率、寬觀測頻段等特點，將在我國環(huán)境保護領域?qū)l(fā)揮巨大的作用。環(huán)境保護部作為專項實施的四個重大應用示范行業(yè)部門之一，對高分專項工作高度重視。根據(jù)新時期國家環(huán)保遙感動態(tài)監(jiān)測的業(yè)務需求，我們基于面向環(huán)保領域的高分數(shù)據(jù)應用技術流程和系統(tǒng)構架，構建了集高分數(shù)據(jù)獲取與集成、高分環(huán)境信息產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲、環(huán)境遙感監(jiān)測指標提取、環(huán)境影響評估與預測和信息服務于一體的高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺，為建立我國“天－空－地”一體化環(huán)境監(jiān)測業(yè)務化運行系統(tǒng)提供技術基礎［13］，為高分及其它多源遙感數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的有效應用提供技術示范，為全面提升我國環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測能力和技術水平、實現(xiàn)環(huán)境保護工作歷史性轉(zhuǎn)變提供技術支撐。

2 平臺總體設計

高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺以高分辨率對地觀測系統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，基于地表水、大氣和生態(tài)環(huán)境遙感參數(shù)定量反演關鍵技術和環(huán)境遙感監(jiān)測與評價方法的研究成果，將業(yè)務產(chǎn)品生產(chǎn)中的各類功能進行合理粒度劃分，開發(fā)出獨立插件，以插件靈活組合搭建工作流的方式進行各類環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)，同時集成高分衛(wèi)星環(huán)境遙感應用技術體系和數(shù)據(jù)應用技術流程、系統(tǒng)構架，研制高分衛(wèi)星的環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和支撐數(shù)據(jù)庫，最終形成高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺。

2.1 平臺總體架構設計

高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺采用多層結構進行設計［3－6］，在邏輯上從下到上主要劃分為軟硬件支撐層、數(shù)據(jù)層、插件層、平臺層、業(yè)務系統(tǒng)層和用戶層，如圖1 所示。

2.2 平臺組成設計

針對高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點，根據(jù)示范系統(tǒng)業(yè)務應用的需要，將整個系統(tǒng)平臺劃分為環(huán)境圖像處理應用示范分系統(tǒng)、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)、水環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫管理分系統(tǒng)、產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)、產(chǎn)品分發(fā)與用戶服務分系統(tǒng)、專題制圖與可視化分系統(tǒng)、衛(wèi)星軌道預測分系統(tǒng)、任務規(guī)劃分系統(tǒng)等10 個分系統(tǒng)，實現(xiàn)相關產(chǎn)品的生產(chǎn)，平臺組成如圖2 所示。

圖1 高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺體系架構

2.3 平臺集成設計

高分環(huán)境應用系統(tǒng)平臺從設計上支持對數(shù)據(jù)資源和計算資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度，支持基于Linux 和Windows 的跨平臺系統(tǒng)結構，提供協(xié)同計算服務平臺，支持多機多任務并行處理。系統(tǒng)平臺以插件集成和工作流驅(qū)動的方式進行構建和集成，通過集成多家參研單位研制開發(fā)的大氣、水、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測相關處理算法插件，實現(xiàn)高分環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)。

插件是具備某種通用功能或者專用功能的功能對象，可以被用戶使用或者作為一個小功能顆粒構成更大顆粒的功能［7，8］。插件要求至少能夠在環(huán)境遙感業(yè)務內(nèi)有一定的共享和復用能力，能夠?qū)崿F(xiàn)通用或者行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應用場景。工作流是指功能節(jié)點按一定順序連接的功能集合體，它把小粒度功能插件等按順序連接形成大粒度的流程來完成某種功能［9－11］。高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺具備一套可視化、拖放式的流程搭建方法構建工作流，工作流引擎實現(xiàn)對插件的調(diào)用。平臺通過對插件、工作流的封裝［14］，構建圖像、水、大氣、生態(tài)四個業(yè)務分系統(tǒng)。

系統(tǒng)平臺基于插件集成和工作流驅(qū)動的模式［12，14－15］，通過對高分圖像處理共性技術、地表水、大氣和生態(tài)環(huán)境遙感參數(shù)定量反演關鍵技術和環(huán)境遙感監(jiān)測與評價方法的集成，構建了環(huán)境圖像處理、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測、水環(huán)境遙感監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測等4個典型環(huán)境應用示范分系統(tǒng)，為環(huán)保相關部門的衛(wèi)星遙感應用提供高效、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務和技術支持。其中，環(huán)境圖像處理應用示范分系統(tǒng)、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)、水環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應用示范分系統(tǒng)能分別實現(xiàn)圖像、大氣、水、生態(tài)業(yè)務產(chǎn)品的生產(chǎn);產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)實現(xiàn)對各業(yè)務分系統(tǒng)功能插件的集成、工作流集成及配置工作，滿足系統(tǒng)平臺業(yè)務生產(chǎn)的需要;衛(wèi)星軌道預測分系統(tǒng)、任務規(guī)劃分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫管理分系統(tǒng)、產(chǎn)品分發(fā)與用戶服務分系統(tǒng)、專題制圖與可視化分系統(tǒng)提供系統(tǒng)平臺的基礎功能，支撐業(yè)務人員和運行管理人 員進行日常工作。

圖2 高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺總體組成

圖3 業(yè)務集成框架

2.4 平臺接口設計

系統(tǒng)平臺接口包括內(nèi)部接口和外部接口。內(nèi)部接口是高分環(huán)境應用示范系統(tǒng)平臺內(nèi)部各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和信息交換接口;外部接口則是高分環(huán)境應用示范系統(tǒng)平臺與外部高分數(shù)據(jù)中心、共性應用技術中心以及現(xiàn)有其他環(huán)境應用系統(tǒng)之間的外部數(shù)據(jù)和信息交換接口。環(huán)境應用示范系統(tǒng)平臺的內(nèi)部接口關系如圖4 所示。

3 平臺實現(xiàn)關鍵技術

3.1 靈活的環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務運行與管理關鍵技術

面對環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測中不斷提出的新需求、不斷更新的影像處理算法、業(yè)務反演算法等，高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺需要考慮系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，需要具備由用戶根據(jù)需求靈活擴展功能的能力。結合業(yè)務需求，平臺在設計時將業(yè)務產(chǎn)品生產(chǎn)中的具體功能進行劃分，使其滿足模塊化的設計要求，在“單一職責原則”、“接口與實現(xiàn)分離”等設計原則的指導下，以插件的形式實現(xiàn)開發(fā)，并通過產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)進行統(tǒng)一注冊、更新、管理等。以插件為基礎，用戶可根據(jù)產(chǎn)品特點的不同而靈活定制、更新工作流。這種設計方式可以大大提高環(huán)境遙感監(jiān)測業(yè)務運行的靈活性和復用性，可達到方便快捷的擴展功能以滿足多變的用戶需求的目的，并極大的降低了業(yè)務系統(tǒng)升級的成本。

3.2 數(shù)據(jù)集成關鍵技術

高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺要管理使用的數(shù)據(jù)不僅包括高分專項系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還包括大量其它衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、環(huán)境背景數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、地面采集數(shù)據(jù)以及高精度影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)、環(huán)境專題產(chǎn)品數(shù)據(jù)、環(huán)境應用產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，具有多層次、多專題、多尺度、多形態(tài)、海量等特點，平臺建設充分考慮數(shù)據(jù)源的多樣性、復雜性及數(shù)據(jù)量，空間數(shù)據(jù)模型將可以進行靈活配置，同時通過多種優(yōu)化手段提高對數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)加載以及數(shù)據(jù)瀏覽的效率，實現(xiàn)對多層次、多專題、多尺度、多形態(tài)海量地理空間信息的高效組織與管理。具體措施如下:

(1)基于數(shù)據(jù)分類的海量遙感數(shù)據(jù)動態(tài)編目，數(shù)據(jù)編目是海量數(shù)據(jù)管理的重要基礎，通過數(shù)據(jù)分類技術，首先建立數(shù)據(jù)分類體系，通過數(shù)據(jù)編目與數(shù)據(jù)分類的關聯(lián)，實現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)動態(tài)編目建立，滿足海量遙感數(shù)據(jù)的管理。

(2)多元數(shù)據(jù)一體化存儲模型:依據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點及應用的特點，整個數(shù)據(jù)庫采用文件編目庫、Oracle關系表和基于Oracle 的ArcSDE 大型空間數(shù)據(jù)庫結合的方式等進行存儲，針對不同的數(shù)據(jù)類型和應用特點采用不同的存儲模式。而在存儲的過程中采用建模思想對不同的數(shù)據(jù)類型通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進行管理，并為用戶提供簡單、易用、一致的系統(tǒng)界面，避免重復性操作。

(3)構建統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務，能夠跨平臺訪問數(shù)據(jù)，能支持不同類型數(shù)據(jù)源間的連接，通過屏蔽各種數(shù)據(jù)源之間的差異，為程序提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，并通過在存儲、數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)庫、中間件、應用系統(tǒng)等多個方面的優(yōu)化設計來保證系統(tǒng)的存儲、管理與訪問效率。

圖4 高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)支撐平臺內(nèi)部接口圖

3.3 安全控制技術

在解決安全控制問題方面，主要從系統(tǒng)架構、用戶權限、數(shù)據(jù)存儲幾個方面來保證系統(tǒng)的安全運行。

(1)系統(tǒng)架構上，使用多層架構和插件的方式來保證系統(tǒng)每個模塊的相對獨立和各個層次的獨立，系統(tǒng)請求在任何一環(huán)出現(xiàn)異常，都會立即終止該次請求。

(2)在用戶權限方面，使用單點登錄的方式來整合各系統(tǒng)程序，并通過用戶的功能操作權限和數(shù)據(jù)訪問權限予以控制。

(3)在數(shù)據(jù)存儲方面，采用安全性非常高的Oracle數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫的連接和數(shù)據(jù)存儲的安全性上有很大的成就，且在數(shù)據(jù)庫設計上，通過主外鍵的方式來保證數(shù)據(jù)的完整性。

(4)在文件存儲方面，將數(shù)據(jù)的存儲與共享分區(qū)隔離，嚴格控制存儲區(qū)的訪問授權，并支持對核心數(shù)據(jù)加密存儲，保障文件系統(tǒng)的訪問完全。

4 平臺實現(xiàn)與業(yè)務應用實例

高分環(huán)境應用示范系統(tǒng)平臺研制采用了多層的體系架構、B/S 與C/S 架構相結合、二三維一體化展示相結合的方式進行;C/S 客戶端應用系統(tǒng)采用C#作為主要開發(fā)語言，C#是.NET 下應用系統(tǒng)開發(fā)的首選開發(fā)語言，采用Visual Studio 2010.NET 作為開發(fā)環(huán)境;B/S 開發(fā)以及服務端應用采用JAVA 語言開發(fā)，以滿足跨平臺的需求。

系統(tǒng)平臺集成則采用組件模式，保持業(yè)務邏輯層或業(yè)務支撐層功能組件的“松耦合”，具有被封裝為不同粒度“服務”的可能;通過消息總線來連接各個分系統(tǒng)，以靈活、松散耦合的方式實現(xiàn)各個分系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通;在消息總線的基礎上構建系統(tǒng)服務總線，采用SOA 的軟件構架來完成各分系統(tǒng)間的服務集成。

圖5 為基于示范應用平臺利用高分一號數(shù)據(jù)開展太湖地區(qū)水華遙感監(jiān)測周報產(chǎn)品生產(chǎn)運行的工作流應用實例。

5 結 語

本文面向環(huán)保領域的高分數(shù)據(jù)應用技術流程和系統(tǒng)構架，采用多層體系架構、C/S 與B/S 混合架構設計思路，設計、研制開發(fā)和實現(xiàn)了一套滿足環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測實際和業(yè)務化運行需要高分環(huán)境遙感應用示范系統(tǒng)平臺，研制集成了4 大類、126 個環(huán)境遙感監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)工作流、288 個功能插件，在環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心初步建成了利用國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行大氣、水、生態(tài)環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測的基礎支撐與業(yè)務化運行平臺，實現(xiàn)了對各類高分遙感數(shù)據(jù)從接收、管理、處理、應用到服務的全流程環(huán)境遙感監(jiān)測應用與監(jiān)管能力。

圖5 高分一號水華遙感監(jiān)測周報產(chǎn)品生產(chǎn)運行流程

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