貴州省MODIS遙感歷史數據整編

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的發(fā)展和GIS應用的深入，遙感影像日益呈現出多源、多類型、海量、分布式的發(fā)展趨勢。面對海量的遙感影像數據和眾多的行業(yè)元數據標準以及不同的應用需求，不同影像元數據標準之間的互操作、海量遙感影像數據的檢索算法以及影像元數據的高效存儲組織方式已經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、異構的、分布式存儲的海量遙感影像數據，以促進遙感影像數據資源的利用、共享、交換和整合，加強政府部門與非政府部門關于數據收集、數字化處理等事務的合作，已經成為實現遙感影像數據共享所面臨的主要挑戰(zhàn)。近年來，內蒙古、陜西、新疆、廣西、黑龍江等多省陸續(xù)開展省級遙感監(jiān)測服務體系建設。先后建成省級生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測機構、技術隊伍、技術流程和業(yè)務監(jiān)測平臺等。針對遙感監(jiān)測業(yè)務需求，也先后整編和建立了省級衛(wèi)星遙感基礎數據集、數據庫，以及歷史背景遙感數據集。

由于MODIS數據的時間序列長，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，而且長時間系列數據產品可用于監(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動作用，也可以作為一種常規(guī)監(jiān)測手段，和其他研究結合起來；同時，時間系列的遙感產品還可以用來監(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數據產品概況

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)境遙感領域的相關業(yè)務，需要對生態(tài)保護紅線內森林、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)星遙感數據可以提供大區(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的多波段數據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的數據資料在全球可免費獲得，因此關于MODIS的相關應用得到了廣泛開展。

本文選取包括植被指數、地表溫度/發(fā)射率、總/凈初級生產力、地表反射率、葉面積指數、溫度異常/火、地表覆蓋8種MODIS數據產品(表1)，通過下載、預處理、質量控制與編目，面向生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與分析評估需求，建設貴州省MODIS衛(wèi)星遙感歷史數據集，實現衛(wèi)星遙感與基礎地理信息數據的收集與整編。

表1 數據產品信息表

2 MODIS數據產品的整編流程

對于海量的遙感衛(wèi)星數據來說，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據,實現遙感數據向遙感信息的轉化，為遙感應用的實用化、產業(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據依照一定的規(guī)則加以系統(tǒng)的組織與整理，將之編輯成目錄，供人們檢索數據。為了全面、快速地獲取衛(wèi)星數據的主要信息，首先要對所接收到的衛(wèi)星數據進行快視處理，按照一定的方式生成以景為單位的元數據和瀏覽圖像，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據時，利用遙感衛(wèi)星數據編目查詢系統(tǒng)根據遙感數據的元數據信息和查詢要求組織查詢，獲取相應的存檔數據信息，供后繼使用，并在此基礎上能夠充分、有效地實現數據共享和數據發(fā)布[10]。MODIS數據的整編流程主要分為五個部分：數據下載、數據預處理、數據質量控制、數據編目、數據可視化。

2.1 MODIS數據下載

MODIS數據產品來自Earthdata Search網站，截至2018年4月20日，NASA阻止了所有向公眾服務器發(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。超文本傳輸協議(HTTP)是當今驅動大多數網站互聯網流量的協議。該協議的一個變種稱為“HTTPS”，“S”為“安全”，已被選擇來取代FTP。HTTPS加密客戶端和服務器之間的所有事務處理，使得截取正在傳輸的內容變得更加困難。因此，LAADS DAAC目前支持所有數據的HTTPS下載。

2.2 MODIS數據預處理

下載后的MODIS數據產品進行分幅數據拼接、投影轉換、剪裁、文件格式轉換等處理，通過MS2GT、LDOPE、MRTSwath和MRT、HEG等軟件實現影像批處理，達到快速高效的預處理。

Modis Reprojection Tool(圖2)使用戶可以讀取HDF-EOS格式的數據文件，將特定科學數據集作為所需處理的輸入(mosaic&resample)實現地理裁剪，運行轉換至不同的坐標系或地圖投影(reprojection)，并可以將輸出結果轉換為其他類型文件，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文件實現對MODIS產品的批處理。

經過處理后的數據為貴州矩形范圍：

SPATIAL_SUBSET_UL_CORNER = (29.3 103.5)

SPATIAL_SUBSET_LR_CORNER = (24.5 109.7)

2.3 MODIS數據產品可視化

數據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)。關于數據可視化的適用范圍，存在著不同的劃分方法。一個常見的關注焦點就是信息的呈現。數據可視化的基本思想，是將數據庫中每一個數據項作為單個圖元元素表示，大量的數據集構成數據圖像，同時將數據的各個屬性值以多維數據的形式表示，可以從不同的維度觀察數據，從而對數據進行更深入的觀察和分析[11]。

圖1 MODIS部分產品圖形化展示

2.4 MODIS數據產品質量控制

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

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

圖2 MODIS數據質量控制流程

3 貴州省衛(wèi)星遙感數據整編系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感數據已廣泛應用于國土土地利用調查、礦產資源開發(fā)現狀調查與監(jiān)測、環(huán)保大氣環(huán)境和水環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)作物估產和長勢監(jiān)測、水利洪澇災害監(jiān)測及水利設施監(jiān)測、統(tǒng)計農業(yè)生產監(jiān)測、地震災害監(jiān)測等行業(yè)部門。為了推廣衛(wèi)星數據的業(yè)務應用，研發(fā)了“貴州省衛(wèi)星遙感數據整編系統(tǒng)”(圖3)。本系統(tǒng)以JAVA軟件開發(fā)技術為手段，運用Mysql 5.5.0、Navicat Lite for MySQL等開發(fā)工具，建立以mybatis為框架的數據庫，解決目前衛(wèi)星遙感數據存儲分散和不利于檢索的問題，同時解決當前對衛(wèi)星數據不能自動統(tǒng)計展示的問題。

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

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

圖3 貴州省衛(wèi)星遙感數據整編系統(tǒng)界面

4 小結與討論

通過對數據調研、下載、預處理、質量控制、編目等技術流程，建立了2000年至2018年貴州省MODIS遙感歷史數據集，按照不同的數據產品類別，從大量遙感原始數據中挖掘和提取出需要的元數據信息，借助ENVI、ARCGIS、MRT等專用工具，對數據進行拼接、投影轉換、剪裁、文件格式轉換等。同時，針對數據的特點和業(yè)務需求，對數據的質量進行嚴格控制，通過MATLAB編程實現對數據的挑選與保留。最后，確定數據庫表結構設計等架構設計，利用JAVA Swing界面展示組件，對經過處理后的數據產品以圖片的方式進行展示，并對界面進行美工設計，最終實現了數據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)星遙感數據源的分析與思考，對元數據信息的特點、元數據量、元數據生命周期、元數據種類等方面進行深入挖掘，然后針對不同的類型的數據設計不同的存儲策略，最終實現高效的數據訪問。