張東映，孟令奎，夏輝宇，刁 偉，成建國

（1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.水利部水利信息中心，北京 100053）

0 引言

近年來，遙感在水災(zāi)害監(jiān)測、水資源管理、水土保持等水利業(yè)務(wù)中的應(yīng)用卓有成效。隨著水利工作的深入開展，急需為不斷積累的大量衛(wèi)星遙感信息資源提供統(tǒng)一的處理服務(wù)環(huán)境，提高數(shù)據(jù)加工處理與共享能力?；谝陨闲枨螅瑥奶岣咝l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理的效率著手開展衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)高效處理的研究工作，為水利部水利信息中心奠定良好的技術(shù)和數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)。目前，水利部信息中心每日從國家氣象中心接收的 MODIS L1B 級數(shù)據(jù)總量大約在80GB，該衛(wèi)星每天覆蓋我國境內(nèi)至少2次，需要將實時的單景影像處理為植被指數(shù)、地表溫度、假彩色合成等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品[1]。

基于以上需求，針對每日接收的 MODIS 數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)處理流程及網(wǎng)格化平臺建設(shè)的研究，以期為水災(zāi)害監(jiān)測、水土保持、水環(huán)境監(jiān)測等水利業(yè)務(wù)提供及時、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 MODIS 數(shù)據(jù)自動化預(yù)處理技術(shù)研究

MODIS 原始數(shù)據(jù)在氣象衛(wèi)星中心已經(jīng)完成了由0級到 L1B 級產(chǎn)品的處理，因此數(shù)據(jù)處理主要完成2部分內(nèi)容。

1.1 MODIS L1B 級數(shù)據(jù)預(yù)處理

MODIS L1B 數(shù)據(jù)經(jīng)過了輻射和部分幾何校正，但是還沒有去除掃描成像時產(chǎn)生的 Bow-Tie 效應(yīng)現(xiàn)象[2]。此外，數(shù)據(jù)使用的正弦投影坐標(biāo)并非通用的坐標(biāo)系統(tǒng)，并且數(shù)據(jù)格式也還沒有轉(zhuǎn)換成通用的遙感數(shù)據(jù)處理格式。所以 MODIS 數(shù)據(jù)處理的主要目標(biāo)為1）消除數(shù)據(jù)中的 Bow-Tie 效應(yīng)；2）根據(jù) HDF（層次型數(shù)據(jù)格式）文件包含的經(jīng)緯度信息對消除了Bow-Tie 效應(yīng)的 MODIS L1B 影像進行幾何校正，并將影像納入 WGS-84坐標(biāo)體系中；3）將處理得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 GeoTIFF 格式；4）根據(jù)輻射定標(biāo)參數(shù)，將記錄DN值（影像的像元數(shù)值）的原始數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為反射率和熱輻射率數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)預(yù)處理采取手工處理方式，用 ENVI（遙感圖像處理軟件）和 ERDAS 等遙感軟件實現(xiàn)，步驟繁雜重復(fù)，費時費力，且容易出錯。而通過自動化的批處理模式可以實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作，不需要人工干預(yù)。應(yīng)用 IDL 語言對 ENVI 進行二次開發(fā)是有效而快速的解決方案。圖1是 MODIS 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖。

圖1 250與500m 分辨率數(shù)據(jù)融合流程圖

MRTSwath（The MODIS Reprojection Tool Swath）用來處理 MODIS L1B 數(shù)據(jù)，是由 MODIS 數(shù)據(jù)陸地研究小組利用 Java 語言開發(fā)的一個簡易軟件平臺。MRTSwath 軟件的核心功能就是實現(xiàn) MODIS 數(shù)據(jù)從Swath 到 Grid 的格式轉(zhuǎn)變，從而完成 MODIS L1B 數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作（包括去除 Bow-Tie 效應(yīng)和投影轉(zhuǎn)換等幾何校正過程）。輻射定標(biāo)結(jié)果包括表觀反射率和熱輻射產(chǎn)品。MODIS L1B 產(chǎn)品一共36個波段，包括2種信息：波段 1～9和26為地物反射信息；波段 20～25和 27～35為地物發(fā)射信息。用 ENVI 打開 MODIS 數(shù)據(jù)，就是反射率（大氣外層表觀反射率）、輻射亮度及發(fā)射率3個數(shù)據(jù)類型。

由于 MODIS 信號數(shù)據(jù)的精度很高，用浮點數(shù)據(jù)保存文件占用空間較大，因此，MODIS L1B 采用16-bit 整數(shù)和尺度轉(zhuǎn)換的方法，將浮點數(shù)據(jù)通過偏移量（offset）和尺度因子（scale）這2個參數(shù)轉(zhuǎn)換為16-bit 整數(shù)，以減小文件大小。這些無符號的 16-bit數(shù)據(jù)沒有實際的物理意義，因此，必須通過尺度轉(zhuǎn)換的方法將其整數(shù)型數(shù)據(jù)重新轉(zhuǎn)換為反射率值（反射通道）和熱輻射度（發(fā)射通道）[3]。輻射亮度計算公式為LB1T2FS=RadS1B（SIB1T2FS-Rad_OB）；表觀反射 率計算公式為RB1T2FS=RefS1B（SIB1T2PS-Ref_OB）。式中：SIB1T2PS為某波段某像素點的計數(shù)值，B為相應(yīng)波段號；RadS1B為輻射能量縮放比；Rad_OB為輻射能量偏移量；RefS1B為反射率縮放比；Ref_OB反射率偏移量；LB1T2FS為某波段某像素點的輻射亮度；RB1T2FS為某波段某像素點的表觀反射率。上述參數(shù)均可以在相應(yīng)波段科學(xué)數(shù)據(jù)集的屬性域中讀取。

綜上所述，預(yù)處理數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括3部分：MODIS L1B 預(yù)處理、熱輻射和反射等產(chǎn)品。熱輻射和反射產(chǎn)品是由 MODIS L1B 預(yù)處理數(shù)據(jù)根據(jù)熱輻射率和反射率公式生成的。具體的說，熱輻射產(chǎn)品由1000m 的熱輻射波段生成，反射產(chǎn)品包括 250，500和1000m 的反射波段數(shù)據(jù)。

1.2 MODIS 產(chǎn)品再加工處理

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)和災(zāi)害監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，MODIS 數(shù)據(jù)自動化處理程序?qū)⑻峁┨幚砗驼故静糠炙畔?yīng)用的影像產(chǎn)品。具體地說，由 MODIS 預(yù)處理數(shù)據(jù)通過云檢測生成3個層次的再處理產(chǎn)品，第1層次產(chǎn)品為單幅的輻射亮溫、地表溫度、NDVI和假彩色合成產(chǎn)品；第2層次產(chǎn)品為全國日拼接地表溫度、全國日拼接NDVI和全國日拼接假彩色合成產(chǎn)品；第3層次產(chǎn)品為旬NDVI和地表溫度合成產(chǎn)品，然后再進行歸一化合成。圖2為 MODIS 預(yù)處理產(chǎn)品再加工處理邏輯流程。

圖2 250與500m 分辨率數(shù)據(jù)融合流程圖

1）云檢測生成云二值圖。在遙感圖象處理中，云覆蓋是常遇到的圖像噪聲之一，不僅為圖像的處理帶來許多困難，而且使后續(xù)的圖象識別、分類精度難以保證，有時甚至無法進行，所以在生成第2層次產(chǎn)品之前，要進行云檢測去除云的影響。云在可見光波段具有高反射率，遙感圖像能較好地區(qū)分陸地和云的邊界；云在近紅外波段的波譜特征主要與大氣中的含水量有關(guān)，主要反映大氣中的水汽特征，即為水汽吸收谷。由于云與各種地物波譜特征形成明顯反差，因此將其歸一化處理，不僅可以突出云的信息，而且可以部分消除太陽高度角、衛(wèi)星掃描角及大氣程輻射的影響，由此通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝祵⒑苋菀讌^(qū)分云和其他地物。但是歸一化處理后云與水的值差不多[2]。

2）產(chǎn)品分類。a）假彩色合成產(chǎn)品?？紤]到近紅外波段范圍內(nèi)植被、土壤、水分反射率差異較大，用近紅外波段代替綠波段進行假彩色合成，圖像包含的信息更加豐富，即 MODIS 影像的 1，2，3波段組合。因為 1，2兩個波段的分辨率都是250m，而3波段的分辨率是500m，為了保留影像的高分辨率，將波段3重采樣成250m，合成 1，2，3波段為 R，G，B 通道的假彩色圖。b）全國 MODIS 影像拼接產(chǎn)品。Terra 衛(wèi)星是太陽同步極軌衛(wèi)星，我國白天過境的數(shù)據(jù)加上晚間過境數(shù)據(jù)，就可以得到每天最少白天和夜晚各1次更新數(shù)據(jù)，如果結(jié)合 Aqua衛(wèi)星，可獲得4次/d 的數(shù)據(jù)。每天接收到的 MODIS數(shù)據(jù)基本可以覆蓋全國區(qū)域。實時獲取當(dāng)天全國MODIS3種分辨率的多軌合成圖，應(yīng)用于洪澇災(zāi)害等應(yīng)急監(jiān)測處理，為水資源利用和水環(huán)境調(diào)查提供動態(tài)監(jiān)測。通過對同一地區(qū)多幅少云清晰影像進行光譜融合處理后，獲取某時期全國的 MODIS 多天合成圖。c）地表溫度產(chǎn)品。地表溫度產(chǎn)品首先需要由MODIS 數(shù)據(jù)處理生成輻射亮溫數(shù)據(jù)。用普朗克方程可以反演出某個波段影像的亮度溫度。首先采用最鄰近法將云二值圖重采樣成1000m 的分辨率；其次提取輻射產(chǎn)品中的熱紅外波段（20～36波段，分辨率1000m），代入普朗克反演公式生成輻射亮溫圖。將輻射亮溫數(shù)據(jù)與重采樣后的云二值圖做疊加處理，去除云的干擾；最后去云后的輻射亮溫圖按每6h 做時段拼接，生成4幅/d 亮溫拼接圖（上午、下午、前半夜和后半夜）。數(shù)據(jù)同時入庫和做文件存儲。地表溫度反演在輻射亮溫產(chǎn)品基礎(chǔ)上，采用分裂窗算法進行反演。適用于 MODIS 數(shù)據(jù)的地表溫度反演的分裂窗算法計算[3]。MODIS 數(shù)據(jù)的地表溫度反演的分裂窗算法公式為Ts=A0+A1T31-A2T32。

式中：Ts是地表溫度；T31和T32分別是 MODIS 第 31和32波段的輻射亮度溫度；A0，A1，A2是分裂窗算法的參數(shù)。

電臺發(fā)布的氣象預(yù)警信息主要是由氣象部門從廣電中心直接推出的，其主要是以聲音為傳播媒介，電臺的優(yōu)勢是能定時發(fā)布天氣預(yù)報，還能隨時插播預(yù)警信息，方便廣大人民群眾及時了解氣象災(zāi)害的程度及預(yù)防措施。目前的收音機雖然體積較小、便于攜帶，但缺點同電視節(jié)目一樣，需要打開收音機才能獲知信息，并且電臺節(jié)目的受眾人群比較有限，缺乏視覺感染力，所以對農(nóng)村居民的影響比較有限。

3）歸一化植被指數(shù)合成。如果一個波段在可見光區(qū)域（VIS），另一個波段在近紅外（NIR），則NDVI計算公式為NDVI= （NIR-VIS）/ （NIR+VIS）。

對于 MODIS 數(shù)據(jù)來說，計算NDVI所需要的可見光和近紅外波段分別對應(yīng) MODIS 的第1和2波段。NDVI的合成包括日和旬合成，都遵循 MVC 原則，即最大值合成方法。對同一地理位置坐標(biāo)點，選取最大的NDVI值作為合成最終結(jié)果。

2 遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格化并行處理平臺建設(shè)研究

遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格化并行處理平臺建設(shè)主要是基于網(wǎng)格調(diào)度軟件 Platform 對遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊進行拆分，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格平臺下的并行計算處理，從而提高海量遙感數(shù)據(jù)的處理速度，構(gòu)建高效的遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)格化并行處理平臺[4-5]。

1）基于 Platform 的網(wǎng)格平臺搭建。Platform 作業(yè)調(diào)度解決方案主要包括 Platform Process Manager和 Platform LSF2個模塊。Platform Process Manager能提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理流程的定義、執(zhí)行、實時監(jiān)視和控制。Process Manager 的服務(wù)將實際作業(yè)提交到LSF 管理的機群中[6]。

Platform 的軟件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Platform 的軟件環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中的計算節(jié)點服務(wù)器配置如表1所示。

2）MODIS 數(shù)據(jù)處理的流程分解。面向水利應(yīng)用的 MODIS 數(shù)據(jù)處理的整個流程比較復(fù)雜，需要經(jīng)過幾何校正、輻射校正、植被指數(shù)計算、地表溫度計算等過程。根據(jù) Platform 特點，將原有 MODIS 預(yù)處理流程以相同粒度劃分為不同處理模塊，如圖4所示。

表1 網(wǎng)格節(jié)點服務(wù)器配置

圖4 預(yù)處理流程任務(wù)分解圖

模塊 PreRef1km，PreRad1km代表1000m 分辨率數(shù)據(jù)幾何校正，其處理流程如圖5-a 所示。在此模塊中，將反射率和發(fā)射率波段分開來處理，便于后續(xù)處理，且節(jié)省了處理時間。

模塊 Prehkm和 Preqkm分別是500m 分辨率數(shù)據(jù)幾何校正和250m 分辨率數(shù)據(jù)幾何校正，處理流程和1000m 類似，處理流程如圖5-b 所示。模塊Ref1km和 Rad1km是1000m 分辨率數(shù)據(jù)輻射校正，其中Ref1km對應(yīng)反射率波段，Rad1km對應(yīng)發(fā)射率波段。

模塊 Refhkm，Refqkm別是500m 分辨率數(shù)據(jù)輻射校正和250m 分辨率數(shù)據(jù)輻射校正，處理流程和Ref1km類似。模塊 NDVI1km，NDVIqkm是1000和250m 分辨率的NDVI計算，其處理流程相同，流程如圖5-c 所示。

模塊 RBT 是輻射亮溫處理，處理流程如圖5-d所示。

模塊 LST 是地表溫度計算，處理流程如圖5-e所示。

模塊 Merge 是250與500m 分辨率數(shù)據(jù)融合，處理流程如圖5-f 所示。

2）流程重組。對于 1000，500和250m 這3種分辨率影像的處理可以相互獨立到不同節(jié)點中并行處理。只在 Merge 模塊中需要同時用到500和250m影像處理的產(chǎn)品。另外，為了減少節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，將 Ref1km和 NDVI1km處理節(jié)點設(shè)置為與PreRef1km相同，將 Rad1km，RBT1km，LST1km處理節(jié)點設(shè)置為與 PreRad1km相同，將 Refhkm，Merge 處理節(jié)點設(shè)置為與 Prehkm相同，將 Refqkm，NDVIqkm處理節(jié)點設(shè)置為與 Preqkm相同，流程重組圖如圖6所示。

3）網(wǎng)格服務(wù)封裝與調(diào)用。所有模塊都封裝為帶參數(shù)的 .exe 可執(zhí)行程序，組成 MODIS 數(shù)據(jù)處理模塊庫。該模塊庫部署于每臺執(zhí)行節(jié)點中，且程序、輸入輸出路徑都保持一致。利用 Process Manager 提供的可視化流編輯工具 Flow Editor，編輯可在 LSF 上執(zhí)行的工作流。Flow Editor 定義的工作流為 XML格式，PlatForm LSF 調(diào)度程序讀取該 XML 文件，獲取傳遞任務(wù)信息及執(zhí)行任務(wù)所需系統(tǒng)資源配置信息，并根據(jù)請求提交相應(yīng)的處理任務(wù)，PlatForm 流程編輯圖發(fā)圖7所示。

圖7 Platform 流程編輯圖

3 結(jié)語

MODIS 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化自動處理平臺實現(xiàn)了從MODIS L1B 級數(shù)據(jù)處理到 MODIS 產(chǎn)品再加工的處理過程。目前，該項研究取得了較好的成效，已經(jīng)投入到水利信息中心的業(yè)務(wù)化運行中，為了進一步的深入和完善，計劃開展以下2個方面的研究工作：

1）研究旱情監(jiān)測、水體提取、冰凌監(jiān)測產(chǎn)品等衛(wèi)星水利遙感業(yè)務(wù)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，并整合到網(wǎng)格自動化處理平臺中，實現(xiàn)水利業(yè)務(wù)產(chǎn)品的自動化處理；

2）研究其他涉及水利業(yè)務(wù)的衛(wèi)星尤其是國產(chǎn)中高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理流程，并逐步整合到網(wǎng)格自動化處理平臺。

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