EASE-Grid投影風(fēng)云衛(wèi)星產(chǎn)品地理信息寫入方法

韓書新,安英玉,高 昂,于 敏,秦 鐵,王志曉

(1.黑龍江省生態(tài)氣象中心,黑龍江 哈爾濱 150030;2.黑龍江省人民政府人工降雨辦公室,黑龍江 哈爾濱 150030;3.國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081;4.黑龍江省氣象局機(jī)關(guān)服務(wù)中心,黑龍江 哈爾濱 150030;5.西安理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著國內(nèi)衛(wèi)星工程的迅速發(fā)展及氣象衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)如晴空數(shù)據(jù)合成[1]、地面測距精度和衛(wèi)星數(shù)據(jù)可視化等衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)能力的提高[2-5],國內(nèi)氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用能力得到迅速提升。目前,氣象衛(wèi)星在林火、水體洪澇、植被、降水、積雪等陸表監(jiān)測方面[6-10]及天氣預(yù)報、臺風(fēng)等大氣環(huán)境監(jiān)測方面[11-13]的應(yīng)用提供重要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品支撐;同時,作為全球地球觀測系統(tǒng)(GEOSS)的重要成員[14],風(fēng)云衛(wèi)星積極參與國際多衛(wèi)星集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)[15-16];中國在氣象衛(wèi)星應(yīng)用效益評估方法上也進(jìn)行了深入研究[17]。

國家衛(wèi)星氣象中心在風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)發(fā)布了很多衛(wèi)星遙感應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)集,得益于國家衛(wèi)星氣象中心科學(xué)的反演算法和高效的數(shù)據(jù)處理能力,這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)集可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、批量生產(chǎn)[18-20]。對于省級衛(wèi)星遙感應(yīng)用來說,采用這些國家級產(chǎn)品數(shù)據(jù)集對提高省級遙感業(yè)務(wù)能力、標(biāo)準(zhǔn)化程度和工作效率都有著積極的作用。

目前,風(fēng)云衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)集在黑龍江省的利用率較低。由于省級衛(wèi)星遙感能力上的不足,導(dǎo)致在數(shù)據(jù)集的使用中也存在問題。該文通過基于EASE-Grid投影的風(fēng)云系列衛(wèi)星遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)集在省級應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行研究并提出解決方法,對提高風(fēng)云衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的省級應(yīng)用和提升省級衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)能力水平都有著積極的作用。

1 EASE-Grid投影簡介

等面積可伸縮地球網(wǎng)格(Equal-Area Scalable Earth Grid,EASE-Grid),是依據(jù)美國雪冰數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)的數(shù)字地圖和網(wǎng)格定義理論設(shè)計(jì)的一種網(wǎng)格,假定網(wǎng)格數(shù)據(jù)集被完全定義為地圖投影和網(wǎng)格點(diǎn)的覆蓋柵格,最初用于美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)和美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的開拓者計(jì)劃的微波成像(SSM/I)項(xiàng)目制作數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)出來的[21]。

EASE-Grid包含3種投影,采用其投影的數(shù)據(jù)可被較好的擴(kuò)展和應(yīng)用,可作為通用工具用于處理全球尺度的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。作為全球尺度網(wǎng)格數(shù)據(jù)(包括處理遙感數(shù)據(jù))的通用投影格式,EASE-Grid投影格式是一種等面積投影,可使數(shù)據(jù)表示為具有多種網(wǎng)格分辨率的數(shù)字陣列(12.5 km和25 km等),依據(jù)適用范圍的不同分為3種子投影：全球圓柱等面積投影(Global)、北半球方位角等面積投影(Northern Hemisphere)、南半球方位角等面積投影(Southern Hemisphere)。都是基于“1984全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)(World Geodetic System 1984,WGS84)”的橢球體,但投影方式有所差異,其中,EASE-Grid的Global屬于“等面積圓柱投影(Cylindrical Equal Area)”,屬于一種切投影,標(biāo)準(zhǔn)緯線為赤道;“EASE-Grid Northern Hemisphere”和“EASE-Grid Southern Hemisphere”采用“蘭伯特等面積方位投影(Lambert Azimuthal Equal Area)”,切點(diǎn)分別為南、北極點(diǎn)[22-23]。

目前EASE-Grid有兩個版本,即EASE-Grid和EASE-Grid2.0,中國風(fēng)云氣象衛(wèi)星遙感產(chǎn)品設(shè)計(jì)中主要使用的是EASE-Grid版,該文主要對EASE-Grid的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析處理。EASE-Grid投影區(qū)域如圖1所示。

圖1 EASE-Grid投影區(qū)域

EASE-Grid地圖投影包括：南、北半球方位角投影,全球圓柱投影和溫帶圓柱投影(不含灰色陰影區(qū)域)。其中,溫帶圓柱投影屬于EASE-Grid2.0投影,覆蓋的緯度范圍為(67°S,67°N),在其覆蓋范圍內(nèi)與全球圓柱投影相同,全球圓柱投影緯度范圍為(84°S,84°N)。25 km分辨率的EASE-Grid參數(shù)如表1所示。

表1 25 km分辨率的3種EASE-Grid投影參數(shù)

EASE-Grid的3種投影定義[22]如下：

南半球的方位角等面積投影定義如公式1～4所示：

r=2×R/C×sin(lon)×cos(π/4-lat/2)+r0

(1)

s=-2×R/C×cos(lon)×cos(π/4-lat/2)+s0

(2)

h=sin(π/4-lat/2)

(3)

k=csc(π/4-lat/2)

(4)

北半球方位角等面積投影定義如公式5～8所示：

r=2×R/C×sin(lon)×sin(π/4-lat/2)+r0

(5)

s=2×R/C×cos(lon)×sin(π/4-lat/2)+s0

(6)

h=cos(π/4-lat/2)

(7)

k=sec(π/4-lat/2)

(8)

全球圓柱等面積投影定義如公式9～12所示：

r=r0+R/C×lon×cos(30°)

(9)

s=s0-R/C×sin(lat)/cos(30°)

(10)

h=cos(lat)/cos(30°)

(11)

k=cos(30°)/cos(π)

(12)

其中,r為列號,s為行號,h為沿經(jīng)線方向的比例,k為沿緯線方向的比,lon為經(jīng)度(弧度),lat為緯度(弧度),R為地球半徑(km),C為像元大小(km),r0為地圖原點(diǎn)列號,s0為地圖原點(diǎn)行號。

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2 FY3D雪水當(dāng)量產(chǎn)品介紹

國家衛(wèi)星氣象中心的FY3D雪水當(dāng)量(SWE)產(chǎn)品數(shù)據(jù)集是基于微波成像儀(MWRI)數(shù)據(jù)開發(fā)的,數(shù)據(jù)類型為HDF5格式,投影方式為南、北半球方位角投影(Southern Hemisphere,Lambert Azimuthal &Northern Hemisphere,Lambert Azimuthal),分辨率為25 km,數(shù)據(jù)集包括雪深(SD)雪水當(dāng)量(SWE)全球區(qū)域(南、北半球)升/降軌產(chǎn)品[24-26],數(shù)據(jù)集描述如表2所示。

用ArcMap導(dǎo)入FY3D的雪水當(dāng)量日產(chǎn)品,輸出圖像如圖2所示?？梢钥闯?FY3D雪水當(dāng)量產(chǎn)品的地理坐標(biāo)不是常規(guī)的WGS84坐標(biāo)系,而是EASE-Grid的北半球方位角投影,并且其數(shù)據(jù)本身沒有附帶經(jīng)緯度等地理信息,無法與基于WGS84坐標(biāo)系的全球區(qū)域矢量(圖中左上角的全球矢量數(shù)據(jù))進(jìn)行匹配。

圖2 基于EASE-Grid投影的FY3D雪水當(dāng)量日產(chǎn)品(升軌)

為了便于后續(xù)科研和業(yè)務(wù)工作中使用GIS類軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,需要將其轉(zhuǎn)換為帶經(jīng)緯度等地理信息的GeoTiff格式的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換

3.1 GeoTiff文件的地理信息目錄結(jié)構(gòu)

GeoTiff是一種Tiff6.0文件,它繼承了Tiff6.0文件規(guī)范中的相應(yīng)部分[27],所有的GeoTiff特有的信息都編碼在Tiff的一些預(yù)留標(biāo)簽(Tag)中,它沒有自己的圖像文件目錄、二進(jìn)制結(jié)構(gòu)等一些對Tiff來說用來描述GeoTiff不可見的投影參數(shù)及類型信息[28]。獨(dú)立的信息標(biāo)簽會導(dǎo)致標(biāo)簽用量占用過高,進(jìn)而消耗Tiff有限的標(biāo)簽資源。

為了解決上述問題,GeoTiff文件采用鍵(Keys)來存儲這些信息,這些鍵在功能上相當(dāng)于標(biāo)簽,但它處在Tiff的更上一層,與格式化的標(biāo)簽值一起共存,用來支持Tiff文件中的圖像數(shù)據(jù)。這些鍵也稱為GeoKeys,所有鍵都由‘GeoKeyDirectoryTag’標(biāo)簽來索引,該標(biāo)簽就相當(dāng)于表示數(shù)據(jù)地理信息鍵的一個目錄。

3.2 地理信息目錄寫入方法

國家衛(wèi)星氣象中心風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)上發(fā)布了大量的衛(wèi)星遙感應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)集。很多產(chǎn)品數(shù)據(jù)集投影方式采用的都是EASE-Grid的投影方式。下面以FY3D雪水當(dāng)量日產(chǎn)品北半球投影數(shù)據(jù)(SWE_Northern_Daily)為例,對原始EASE-Grid投影數(shù)據(jù)產(chǎn)品的地理信息寫入方法進(jìn)行闡述,并將HDF格式轉(zhuǎn)為GeoTiff格式輸出。

通過EASE-Grid參數(shù)創(chuàng)建地理坐標(biāo)系柵格參考對象(GeographicCellsReference)。創(chuàng)建地理坐標(biāo)系柵格參考對象的主要參數(shù)包括25 km分辨率下的x,y坐標(biāo)系下的范圍大小,取值見表1,均為[-9 036 842.76,9 036 842.76],柵格數(shù)據(jù)矩陣大小為721×721。通過maprefcells命令建立地理坐標(biāo)系柵格參考對象R,如表3所示。對于北半球地區(qū),需要單獨(dú)將變量‘ColumnsStartFrom’和‘RowsStartFrom’的值分別設(shè)置為‘north’和‘west’。

表3 地理坐標(biāo)系柵格參考對象R屬性

3.2.2 構(gòu)建地理信息目錄

EASE-Grid投影數(shù)據(jù)所對應(yīng)的地理信息目錄[29](GeoKeyDirectoryTag)的鍵值共19個,這些鍵值描述的是EASE-Grid投影坐標(biāo)系的固有屬性并與分辨率無關(guān),故在設(shè)置12.5 km分辨率時可采用與25 km相同的標(biāo)簽設(shè)置,地理信息目錄結(jié)構(gòu)體的鍵值內(nèi)容如表4所示。

表4 GeoKeyDirectoryTag主要鍵值屬性

3.2.3 地理信息目錄寫入

通過geotiffwrite函數(shù)將構(gòu)建好空間參考系和地理信息目錄與數(shù)據(jù)矩陣一起輸出為后綴為tif的GeoTiff文件。寫入格式為：‘geotiffwrite(‘filename.tif’,Data_Matrix,R,‘GeoKeyDirectoryTag’,info_Northern)’。其中,filename.tif為所要輸出的文件名,Data_Matrix為讀入的EASE-Grid投影下的雪水當(dāng)量產(chǎn)品數(shù)據(jù)矩陣,其矩陣大小應(yīng)滿足721×721大小,R為構(gòu)建的空間參考系,info_Northern為構(gòu)建的GeoKeyDirectoryTag。

經(jīng)過地理信息目錄寫入的數(shù)據(jù)以tif文件格式輸出,如圖3所示,用ArcMap軟件導(dǎo)入后,數(shù)據(jù)文件已帶有EASE-Grid北半球投影的經(jīng)緯度信息,比較圖2可以看出矢量地圖可與雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的匹配。

圖3 NSIDC_EASE_Grid_North投影坐標(biāo)系下的雪水當(dāng)量日產(chǎn)品(升軌)

由于數(shù)據(jù)寫入了地理信息,因此可以方便導(dǎo)入GIS類軟件進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理,圖4為GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)系下的圖像數(shù)據(jù)。

圖4 GCS_WGS_1984地理坐標(biāo)系下的雪水當(dāng)量日產(chǎn)品(升軌)

通過比較數(shù)據(jù)寫入前后的信息屬性可以看出,寫入地理信息后的數(shù)據(jù)已包含EASE-Grid北半球投影的空間參考,如圖5所示。

(a)寫入前(HDF5格式)

3.3 數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)寫入地理信息后,雖然可匹配GIS數(shù)據(jù)框?qū)傩灾性O(shè)置的坐標(biāo)系統(tǒng)(WGS1984),但寫入地理信息的數(shù)據(jù)仍為等面積投影,在某些情況下可能涉及到與其它數(shù)據(jù)像元的經(jīng)緯度匹配的問題,所以在進(jìn)行多源或綜合數(shù)據(jù)分析計(jì)算時,需要根據(jù)需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,如圖6所示。

圖6 EASE-Grid轉(zhuǎn)WGS1984投影

將EASE-Grid投影下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到WGS1984投影坐標(biāo)系統(tǒng),如圖7所示。從圖7(a)可以看出,FY3D的雪水當(dāng)量產(chǎn)品數(shù)據(jù)在寫入地理信息后仍為基于EASE-Grid的一種方位角等面積投影,在WGS1984坐標(biāo)系統(tǒng)下像元會發(fā)生變形;數(shù)據(jù)經(jīng)過臨近差值法處理后如圖7(b)所示,處理后的數(shù)據(jù)便于匹配其它數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析計(jì)算。圖7所示的僅是基于EASE-Grid坐標(biāo)系統(tǒng)到WGS1984坐標(biāo)系統(tǒng)的投影轉(zhuǎn)換。工作中可根據(jù)實(shí)際情況需求,在保證數(shù)據(jù)精度和可用性的情況下,采用不同的差值方法轉(zhuǎn)換為所需的投影方式。

(a)EASE-Grid(柵格范圍不一致)

3.4 方法適用性

以上所述的是以FY3D雪水當(dāng)量產(chǎn)品為例,闡述了EASE-Grid投影數(shù)據(jù)產(chǎn)品的地理信息寫入方法。采用該方法可以解決其它產(chǎn)品的類似問題。圖8所示的是經(jīng)過文中方法處理后的其它數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。寫入地理信息后的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品可與矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行較好的匹配,滿足開展科研與業(yè)務(wù)工作數(shù)據(jù)需求。

(a)全球陸表溫度(LST)

4 結(jié)束語

針對基于EASE-Grid投影的國家級衛(wèi)星遙感產(chǎn)品在省級應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)投影問題,以FY3D的雪水當(dāng)量(SWE)日產(chǎn)品數(shù)據(jù)為例,通過建立并寫入地理信息目錄對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行地理信息寫入,解決了衛(wèi)星遙感產(chǎn)品省級應(yīng)用中出現(xiàn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集與矢量文件或輔助數(shù)據(jù)(如地形數(shù)據(jù)等)在分析處理中的地理信息匹配問題,總結(jié)如下：

(1)數(shù)據(jù)處理過程是首先建立與數(shù)據(jù)相適應(yīng)的空間參考信息(投影方式、矩陣大小、分辨率等),其次根據(jù)空間參考信息構(gòu)建地理信息目錄,最后將已經(jīng)構(gòu)建好的空間參考和地理信息目錄與原始HDF5格式的數(shù)據(jù)矩陣一起寫入GeoTiff文件類型并輸出。

(2)輸出的具有地理信息的產(chǎn)品數(shù)據(jù)仍是EASE-Grid等面積投影,在其它坐標(biāo)系下圖像會發(fā)生變形,為滿足數(shù)據(jù)分析處理中的地理信息匹配需要,需根據(jù)實(shí)際需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換操作,再進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

(3)采用文中方法也可以用于處理其它產(chǎn)品的類似問題。目前已在FY3D全球陸表溫度數(shù)據(jù)(LST)、海冰密集度(SIC)等數(shù)據(jù)集產(chǎn)品上進(jìn)行了適應(yīng)性驗(yàn)證,經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品適用性較好。

針對基于EASE-Grid投影的風(fēng)云極軌氣象衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品進(jìn)行地理信息寫入,通過投影轉(zhuǎn)換使其適應(yīng)科研業(yè)務(wù)應(yīng)用,對提升省級衛(wèi)星遙感應(yīng)用能力有一定的促進(jìn)作用。該方法雖然在多種反演產(chǎn)品中做了適用性試驗(yàn),但在具體業(yè)務(wù)化過程中仍可能出現(xiàn)各種問題,將在今后研究工作中持續(xù)改進(jìn)。