高分环境遥感应用示范系统平台总体设计与实现

2015-07-19游代安王昌佐

环境与可持续发展 2015年4期

游代安姜俊曹飞王昌佐范磊

(1.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094;2.北京吉威时代软件股份有限公司，北京 100043)

1 引言

环境污染和生态破坏对我国国民经济及社会可持续发展构成了严重威胁，面对日益严峻的环境形势，需要不断提高环境遥感动态监测能力，建立天－空－地一体化的环境动态监控体系，以适应大范围、全天候、全天时、连续、动态、高效的环境监测的需要。随着卫星载荷技术、航空航天技术和数据通讯技术的不断发展，环境遥感技术已在环境保护领域发挥着越来越大的作用［1－2，13］。高分辨率对地观测系统国家重大专项将通过研制发射7 颗高分辨率对地观测卫星，初步建成我国空间基础对地观测体系［2］，这些卫星具有高空间、高时间、高光谱分辨率、宽观测频段等特点，将在我国环境保护领域将发挥巨大的作用。环境保护部作为专项实施的四个重大应用示范行业部门之一，对高分专项工作高度重视。根据新时期国家环保遥感动态监测的业务需求，我们基于面向环保领域的高分数据应用技术流程和系统构架，构建了集高分数据获取与集成、高分环境信息产品数据存储、环境遥感监测指标提取、环境影响评估与预测和信息服务于一体的高分环境遥感应用示范系统平台，为建立我国“天－空－地”一体化环境监测业务化运行系统提供技术基础［13］，为高分及其它多源遥感数据在环境监测中的有效应用提供技术示范，为全面提升我国环境遥感动态监测能力和技术水平、实现环境保护工作历史性转变提供技术支撑。

2 平台总体设计

高分环境遥感应用示范系统平台以高分辨率对地观测系统卫星遥感影像数据为主要数据源，基于地表水、大气和生态环境遥感参数定量反演关键技术和环境遥感监测与评价方法的研究成果，将业务产品生产中的各类功能进行合理粒度划分，开发出独立插件，以插件灵活组合搭建工作流的方式进行各类环境遥感监测产品的生产，同时集成高分卫星环境遥感应用技术体系和数据应用技术流程、系统构架，研制高分卫星的环境遥感动态监测系统和支撑数据库，最终形成高分环境遥感应用示范系统平台。

2.1 平台总体架构设计

高分环境遥感应用示范系统平台采用多层结构进行设计［3－6］，在逻辑上从下到上主要划分为软硬件支撑层、数据层、插件层、平台层、业务系统层和用户层，如图1 所示。

2.2 平台组成设计

针对高分系列卫星数据特点，根据示范系统业务应用的需要，将整个系统平台划分为环境图像处理应用示范分系统、大气环境遥感监测应用示范分系统、水环境遥感监测应用示范分系统、生态环境遥感监测应用示范分系统、数据与数据库管理分系统、产品生产分系统、产品分发与用户服务分系统、专题制图与可视化分系统、卫星轨道预测分系统、任务规划分系统等10 个分系统，实现相关产品的生产，平台组成如图2 所示。

图1 高分环境遥感应用示范系统平台体系架构

2.3 平台集成设计

高分环境应用系统平台从设计上支持对数据资源和计算资源的统一管理和调度，支持基于Linux 和Windows 的跨平台系统结构，提供协同计算服务平台，支持多机多任务并行处理。系统平台以插件集成和工作流驱动的方式进行构建和集成，通过集成多家参研单位研制开发的大气、水、生态环境遥感监测相关处理算法插件，实现高分环境遥感监测产品生产。

插件是具备某种通用功能或者专用功能的功能对象，可以被用户使用或者作为一个小功能颗粒构成更大颗粒的功能［7，8］。插件要求至少能够在环境遥感业务内有一定的共享和复用能力，能够实现通用或者行业内的经典应用场景。工作流是指功能节点按一定顺序连接的功能集合体，它把小粒度功能插件等按顺序连接形成大粒度的流程来完成某种功能［9－11］。高分环境遥感应用示范系统平台具备一套可视化、拖放式的流程搭建方法构建工作流，工作流引擎实现对插件的调用。平台通过对插件、工作流的封装［14］，构建图像、水、大气、生态四个业务分系统。

系统平台基于插件集成和工作流驱动的模式［12，14－15］，通过对高分图像处理共性技术、地表水、大气和生态环境遥感参数定量反演关键技术和环境遥感监测与评价方法的集成，构建了环境图像处理、大气环境遥感监测、水环境遥感监测、生态环境遥感监测等4个典型环境应用示范分系统，为环保相关部门的卫星遥感应用提供高效、稳定、可靠的数据产品服务和技术支持。其中，环境图像处理应用示范分系统、大气环境遥感监测应用示范分系统、水环境遥感监测应用示范分系统、生态环境遥感监测应用示范分系统能分别实现图像、大气、水、生态业务产品的生产;产品生产分系统实现对各业务分系统功能插件的集成、工作流集成及配置工作，满足系统平台业务生产的需要;卫星轨道预测分系统、任务规划分系统、数据与数据库管理分系统、产品分发与用户服务分系统、专题制图与可视化分系统提供系统平台的基础功能，支撑业务人员和运行管理人员进行日常工作。

图2 高分环境遥感应用示范系统平台总体组成

图3 业务集成框架

2.4 平台接口设计

系统平台接口包括内部接口和外部接口。内部接口是高分环境应用示范系统平台内部各分系统之间的数据和信息交换接口;外部接口则是高分环境应用示范系统平台与外部高分数据中心、共性应用技术中心以及现有其他环境应用系统之间的外部数据和信息交换接口。环境应用示范系统平台的内部接口关系如图4 所示。

3 平台实现关键技术

3.1 灵活的环境遥感监测业务运行与管理关键技术

面对环境遥感动态监测中不断提出的新需求、不断更新的影像处理算法、业务反演算法等，高分环境遥感应用示范系统平台需要考虑系统的可扩展性和灵活性，需要具备由用户根据需求灵活扩展功能的能力。结合业务需求，平台在设计时将业务产品生产中的具体功能进行划分，使其满足模块化的设计要求，在“单一职责原则”、“接口与实现分离”等设计原则的指导下，以插件的形式实现开发，并通过产品生产分系统进行统一注册、更新、管理等。以插件为基础，用户可根据产品特点的不同而灵活定制、更新工作流。这种设计方式可以大大提高环境遥感监测业务运行的灵活性和复用性，可达到方便快捷的扩展功能以满足多变的用户需求的目的，并极大的降低了业务系统升级的成本。

3.2 数据集成关键技术

高分环境遥感应用示范系统平台要管理使用的数据不仅包括高分专项系列卫星数据，还包括大量其它卫星遥感影像数据、环境背景数据、环境监测数据、基础地理数据、社会经济统计数据、地面采集数据以及高精度影像产品数据、环境专题产品数据、环境应用产品数据等，具有多层次、多专题、多尺度、多形态、海量等特点，平台建设充分考虑数据源的多样性、复杂性及数据量，空间数据模型将可以进行灵活配置，同时通过多种优化手段提高对数据存储、数据检索、数据加载以及数据浏览的效率，实现对多层次、多专题、多尺度、多形态海量地理空间信息的高效组织与管理。具体措施如下:

(1)基于数据分类的海量遥感数据动态编目，数据编目是海量数据管理的重要基础，通过数据分类技术，首先建立数据分类体系，通过数据编目与数据分类的关联，实现海量遥感数据动态编目建立，满足海量遥感数据的管理。

(2)多元数据一体化存储模型:依据数据本身的特点及应用的特点，整个数据库采用文件编目库、Oracle关系表和基于Oracle 的ArcSDE 大型空间数据库结合的方式等进行存储，针对不同的数据类型和应用特点采用不同的存储模式。而在存储的过程中采用建模思想对不同的数据类型通过统一的数据模型进行管理，并为用户提供简单、易用、一致的系统界面，避免重复性操作。

(3)构建统一数据访问服务，能够跨平台访问数据，能支持不同类型数据源间的连接，通过屏蔽各种数据源之间的差异，为程序提供一个统一的数据视图，并通过在存储、数据库服务器、数据库、中间件、应用系统等多个方面的优化设计来保证系统的存储、管理与访问效率。

图4 高分环境遥感应用示范系统支撑平台内部接口图

3.3 安全控制技术

在解决安全控制问题方面，主要从系统架构、用户权限、数据存储几个方面来保证系统的安全运行。

(1)系统架构上，使用多层架构和插件的方式来保证系统每个模块的相对独立和各个层次的独立，系统请求在任何一环出现异常，都会立即终止该次请求。

(2)在用户权限方面，使用单点登录的方式来整合各系统程序，并通过用户的功能操作权限和数据访问权限予以控制。

(3)在数据存储方面，采用安全性非常高的Oracle数据库，此数据库在数据库的连接和数据存储的安全性上有很大的成就，且在数据库设计上，通过主外键的方式来保证数据的完整性。

(4)在文件存储方面，将数据的存储与共享分区隔离，严格控制存储区的访问授权，并支持对核心数据加密存储，保障文件系统的访问完全。

4 平台实现与业务应用实例

高分环境应用示范系统平台研制采用了多层的体系架构、B/S 与C/S 架构相结合、二三维一体化展示相结合的方式进行;C/S 客户端应用系统采用C#作为主要开发语言，C#是.NET 下应用系统开发的首选开发语言，采用Visual Studio 2010.NET 作为开发环境;B/S 开发以及服务端应用采用JAVA 语言开发，以满足跨平台的需求。

系统平台集成则采用组件模式，保持业务逻辑层或业务支撑层功能组件的“松耦合”，具有被封装为不同粒度“服务”的可能;通过消息总线来连接各个分系统，以灵活、松散耦合的方式实现各个分系统之间的互联互通;在消息总线的基础上构建系统服务总线，采用SOA 的软件构架来完成各分系统间的服务集成。

图5 为基于示范应用平台利用高分一号数据开展太湖地区水华遥感监测周报产品生产运行的工作流应用实例。

5 结语

本文面向环保领域的高分数据应用技术流程和系统构架，采用多层体系架构、C/S 与B/S 混合架构设计思路，设计、研制开发和实现了一套满足环境遥感动态监测实际和业务化运行需要高分环境遥感应用示范系统平台，研制集成了4 大类、126 个环境遥感监测产品生产工作流、288 个功能插件，在环境保护部卫星环境应用中心初步建成了利用国产高分系列卫星数据进行大气、水、生态环境遥感动态监测的基础支撑与业务化运行平台，实现了对各类高分遥感数据从接收、管理、处理、应用到服务的全流程环境遥感监测应用与监管能力。