HY-1B CZI海岸带动态监测系统设计与实现

2011-09-25梁建宋平舰崔廷伟任广波赵文静

海洋通报 2011年1期

关键词：海岸带反演预处理

梁建，宋平舰,2，崔廷伟，任广波，赵文静

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061）

HY-1B CZI海岸带动态监测系统设计与实现

梁建1，宋平舰1,2，崔廷伟1，任广波1，赵文静1

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061）

HY-1B卫星是我国第二颗自主海洋卫星，针对其搭载的4波段海岸带成像仪（CZI）获取的数据，设计并基于IDL语言开发了一个专用的可视化数据处理与应用系统。该系统以黄河口为重点研究区域，对部分算法进行了优化和适应性改造，具备HY-1B CZI数据导入、预处理、海岸带动态监测产品制作、产品输出、数据批处理等功能，并能够进行数据可视化和交互操作。该系统现已在国家卫星海洋应用中心（NSOAS）投入应用示范运行，为我国海岸带动态监测提供应用产品。本文论述了该系统的设计与实现。

HY-1B卫星；CZI；海岸带监测；IDL

Abstract：HY-1B satellite is the second marine satellite developed and launched in China.This paper designed and developed a visualization data processing and application system using IDL language.The system was special for the 4-band Coastal Zone Imager (CZI), with which the HY-1B satellite was equipped.The system chose the Yellow River Estuary as the study area and made some optimization and adaptation on some algorithms.It can perform the following functions: HY-1B CZI data import, preprocessing, production making for coastal zone dynamic monitoring, production output, batch data processing and so on.It was also capable of data visualization and interaction.The system has been demonstratedly applied in NSOAS for demonstration, and provided application productions so as to serve the coastal zone dynamic monitoring.This paper discusses the design and implementation of the system.

Keywords：HY-1B Satellite; CZI; Coastal Zone Monitoring; IDL

HY-1B卫星是我国第一颗海洋卫星HY-1A卫星的后续星，搭载了空间分辨率为 250m的4波段海岸带成像仪（以下称CZI），可以获得海陆相互作用区域的图像。4波段设置考虑了海洋和陆地兼顾的原则，主要应用于海岸带动态监测。因此，利用HY-1B CZI 数据动态监测我国海岸带地区是一种有效而经济的手段。但是，HY-1B CZI数据的推广应用却面临两个主要问题：首先，现有的通用遥感处理平台如ENVI、ERDAS等，在HY-1B CZI数据处理及应用方面缺乏有效支持，表现为数据格式兼容性不足和应用模型的匮乏；其次，HY-1B CZI传感器相较于早期的 HY-1A CCD，无论是在通道设置，性能指标，还是应用目标，甚至数据格式等方面，都有很大不同。因此，前期为HY-1A CCD数据设计开发的应用系统[1]无法通过简单的升级改造手段来达到兼容HY-1B CZI数据的目的。为此，本文设计开发了一个专门针对 HY-1B CZI的数据处理与应用系统。该系统依据传感器特性及研究区特点对部分算法进行了优化和适应性改造，具备HY-1B CZI数据的导入、预处理、海岸带动态监测产品制作、产品输出等功能，并结合用户需求，可对大量原始数据进行自动化批处理。

系统采用IDL语言实现。IDL语言的全称是交互式数据语言[2]（Interactive Data Language），它是一种跨平台、面向矩阵运算的语言，在数据分析与可视化方面具有强大而又丰富的功能，被广泛应用于地球科学（包括气象、水文、海洋、土壤、地质、地下水等）、医学影像、GIS系统、航空航天、信号处理、数学统计及分析、环境工程等诸多领域。

1 系统设计

数据是贯穿遥感数据应用过程的主线，按数据处理的流程将 HY-1B CZI海岸带动态监测系统划分为三大功能模块，即数据导入与预处理模块、信息提取模块、产品制作模块。为实现系统集成和可视化，还需要系统总控模块和图像显示模块的支持。整个系统功能结构设计如图1所示。

系统的运行由总控模块集中进行管理控制，系统设有工作目录，集中存储系统在运行时产生的各种中间数据及参数文件。

数据导入与预处理模块的主要功能是读取HDF格式的L1B数据，将其转换为系统内部数据文件，然后对数据进行水陆掩模、云掩模、几何校正等预处理操作；信息提取模块的功能是对预处理后的数据进行反演或提取相关信息，如反演悬浮泥沙浓度、进行海岸带土地覆盖分类、提取瞬时水边线、岸线和潮间带范围等；产品制作模块的功能是将信息提取的结果输出为 HDF格式或其他常见图像格式（JPEG、BMP、TIFF）。

数据导入与预处理、信息提取和产品制作3个功能模块之间的交互是依靠工作目录内存储的中间数据以及参数文件作为纽带贯穿起来的。为此，系统专门对这些文件从命名方式到物理存取格式都进行详细的设计，并形成文档，以便开发实现与后期维护。

图1 系统功能结构Fig.1 System functional structure

2 HY-1B CZI海岸带动态监测数据处理

2.1 数据导入与预处理

2.1.1 HDF数据导入系统输入的CZI L1B数据是以“层次型数据格式”（Hierarchical Data Format，缩写为HDF）文件进行存储和分发。HDF格式虽然便于数据管理，却不方便直接使用。一是单景CZI L1B数据文件较大（约1GB），每次都针对它进行操作将占用大量系统资源；二是文件内部数据种类多（表1），但并非全为本系统所用；三是由于文件内部各种数据按照“层次型”组织存放，每次使用都要经过若干查询及读取步骤，影响效率。因此，系统首先要将HDF格式的L1B数据导入并保存为内部文件，后续的数据处理及应用都是针对这些内部文件开展。

表1 HY-1B CZI L1B数据格式概览Tab.1 HY-1B CZI L1B data format

在实际操作中，数据导入所完成的并非单纯的数据格式转换，其具体工作包括：从 HDF文件中读取系统所需数据，包括全局属性数据、地球物理数据（即 CZI扫描图像辐亮度）、图像定位数据中的像元经纬度数据和扫描行属性中的扫描行起始点、结束点经纬度数据；采用灰度列均衡法1)对CZI扫描辐亮度数据进行消条带处理；根据经纬度数据对其进行等经纬度投影；最后将投影后的数据及相关信息按事先设计的格式写入内部文件。

此处对CZI扫描辐亮度数据进行等经纬度投影是最为关键的一步。系统通过计算数据的经纬度范围和分辨率确定一个虚拟的经纬格网，然后根据每个扫描点的经纬度坐标，将其放到经纬格网的相应位置上。对于经纬格网上的“空白点”，则应用一个3×3的滑动窗口搜索其周围8个相邻点的数据，用搜索到的有效数据的均值来填充。由于每个CZI扫描行的2048个像元中只有104个有定位数据，所以对那些没有定位数据的像元需要用插值法来计算它们的经纬度坐标；又因这104个像元在扫描行中并非均匀分布，为此需要区分扫描行中不同位置的像元，采用不同的插值计算参数，以得到准确的插值结果。需要说明的是，投影后的数据存在定位误差，需要做进一步的校正处理。

2.1.2 数据预处理数据预处理的对象即是以内部文件形式存储的L1B数据。数据预处理包括水陆掩模、云掩模和几何校正。水陆掩模最初准备了两种算法，分别是光谱阈值法和地理位置法，但在实际应用中发现CZI数据无法单纯依靠波段阈值将水体（尤其是悬沙浓度极高的黄河口海域）与陆地分开，故只保留了地理位置法。云掩模算法则采用光谱阈值法，此方法简单有效，唯一的问题是固定的阈值不一定适合于所有的影像，用户可以通过调整检测阈值来达到理想的掩模效果。几何校正设计采用“控制点+多项式”法对影像进行精校正，但在实验后发现该功能存在以下两点问题：首先是受影像分辨率影响，地面控制点和对应的影像控制点均不容易寻找，不仅无法提高校正精度，反而很容易引入人为误差；其次就是影像只是存在比较明显的位置偏移，而没有明显的旋转或扭曲等现象。针对以上两点，系统采用了一种更直观简便的方法来对影像进行校正，即让用户在CZI影像和系统提供的标准位置模板上选取一组同名点，用这两点间的偏移量来减小或消除影像的定位误差。

2.2 海岸带信息提取算法与集成

针对研究区域黄河口附近的海岸带特点，对部分信息提取算法进行优化和改造，集成于系统中，用以对预处理后的CZI影像进行信息提取，包括悬浮泥沙浓度反演，海岸带土地覆盖分类，岸线及潮间带范围提取等。

2.2.1 悬浮泥沙浓度反演悬浮泥沙浓度反演是将预处理后的影像数据作为输入，通过选定的模型算法进行计算，从而得到反演结果。系统尝试了不同的波段组合及算法形式，最终选取 Gordon算法，该算法形式如下：

式中：R为第三波段（665nm）的DN值，S为悬浮泥沙浓度值，A、B、C为模型参数。

算法被封装成一个函数集成于系统中，该函数输入的是预处理后的CZI数据，函数只对掩模后被判为水体的数据进行计算，对于陆地、云以及计算结果中的异常值都有相应处理。在进行悬浮泥沙浓度反演时，直接调用该函数即可。

2.2.2 海岸带土地覆盖分类本系统采用最大似然法对L1B数据进行海岸带土地覆盖分类，目标类别为裸滩地、水体、居民地和植被。用户需要输入分类数，并且为每个类别选取一定量的样本，之后系统调用核心算法对影像数据进行分类，并输出分类结果。此处的核心算法用C语言实现并编译为动态链接库DLL文件，在IDL中利用外部调用命令CALL_EXTERNAL来调用该算法，方法如下：

2.2.3 岸线及潮间带提取海岸线系指多年大潮平均高潮位时的海陆分界线，是一个统计结果。综合研究区以及CZI数据的特点，本文提出了一种基于多时相CZI影像的岸线和潮间带提取方法。为实现该功能，用户首先要在系统中手工提取每景影像的瞬时水边线并将其保存在自定义格式的文件中，然后调用一个专门开发的核心算法函数FUN_COASTAL即可自动完成岸线和潮间带范围的提取。该函数的功能是计算两条曲线的所有交点，将其在交点处打断生成一系列弧段，最后将这些弧段按指定的规则组合成一条新的曲线。其调用方法如下：

其中，返回值Result是新生成的曲线数据，为一系列的坐标点；Input1和Input2是输入的两条瞬时水边线数据，为一系列的坐标点；Parameter1是组合规则参数，只能取0或1。

2.3 产品输出

产品输出分两种，一种是将屏幕显示结果输出为常见图像格式，如JPEG、BMP、TIFF等；第二种是将结果数据输出为 HDF格式。前者可以通过调用 IDL的 WRITE_JPEG、WRITE_BMP、WRITE_TIFF等过程来实现；后者则通过调用IDL提供的 HDF 文件存取接口函数HDF_SD_ATTRSET 、 HDF_SD_CREATE 、HDF_SD_ADDDATA等来实现。三级产品的HDF数据文件由全局属性参数、存储产品数据的SD科学数据集组成和数据集属性组成。SD科学数据集包括海洋要素数据和与之对应的经度和纬度数据。每种产品文件都严格按照统一的标准进行命名。

2.4 自动化批处理

卫星在轨运行期间每天都生产大量数据，为了有效利用这些数据，系统特别增加了批处理功能。该功能可以将指定存放目录下的所有 L1B数据进行自动化处理，处理内容包括自动判断并选择那些包含监测区域（黄河三角洲）的数据文件，自动裁切、投影、进行掩模处理、生成悬沙浓度产品及对应的JPEG格式快视图，并将产品存放到指定目录下。批处理过程信息同时记录在系统LOG文件中，以便追溯。

3 数据可视化显示与系统交互

3.1 数据可视化显示

IDL为用户提供了两种独立的图形系统：直接（Direct）图形系统和对象（Object）图形系统。两种图形系统的优缺点比较见表2。

表2 直接图形系统和对象图形系统优缺点比较Tab.2 Comparison of Direct Graphics System and Object Graphics System

比较这两种图形系统的特点，本系统采用对象图形系统来实现数据的显示功能。创建一个包含影像数据的Image对象，将其添加到Model对象中，然后再将Model对象添加到View对象中，最后调用Window对象的Draw方法即可将影像绘制出来。当需要在影像上进行诸如绘制感兴趣区（Region of Interest，以下称ROI）等操作时，可以创建ROI对象并将其作为基本图元添加到Model对象中，最后再次调用Draw方法即可。实现代码如下：

改变各个对象的属性或者调用它们所提供的方法，可以很容易实现各种操作及效果。例如本系统中，通过绘图对象（WIDGET_DRAW）对鼠标移动事件的实时响应，获取鼠标坐标位置，调用ROI对象更新数据方法（ReplaceData）改变ROI边框，调用绘图控件的绘制方法（Draw）刷新图像，就实现了选择 ROI时边框随鼠标移动而变化的动态效果。

3.2 系统交互

本系统具有很多用户交互功能，如ROI选择，控制点选取，分类样本选取，人工勾绘瞬时水边线等等，系统交互控制的实现就是要解决不同窗体、不同控件、不同函数及过程之间数据的传递问题。IDL提供了以下几种方案，如：定义公共块（COMMON BLOCK），定义系统变量（DEFSYSV），使用用户值（UVALUE）存储变量，使用SAVE存储变量或完全面向文件的变量存储。本系统的实现使用了定义公共块和使用 UVALUE存储变量两种方法。

在本系统中，定义了3个公共块，分别用来存储系统主窗体ID、系统工作路径和系统处理数据，它们的定义如下：