游代安 姜 俊 曹 飛 王昌佐 范 磊
(1.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094;2.北京吉威時(shí)代軟件股份有限公司,北京 100043)
環(huán)境污染和生態(tài)破壞對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì),需要不斷提高環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力,建立天-空-地一體化的環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系,以適應(yīng)大范圍、全天候、全天時(shí)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、高效的環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要。隨著衛(wèi)星載荷技術(shù)、航空航天技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,環(huán)境遙感技術(shù)已在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[1-2,13]。高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)國(guó)家重大專項(xiàng)將通過(guò)研制發(fā)射7 顆高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星,初步建成我國(guó)空間基礎(chǔ)對(duì)地觀測(cè)體系[2],這些衛(wèi)星具有高空間、高時(shí)間、高光譜分辨率、寬觀測(cè)頻段等特點(diǎn),將在我國(guó)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用。環(huán)境保護(hù)部作為專項(xiàng)實(shí)施的四個(gè)重大應(yīng)用示范行業(yè)部門之一,對(duì)高分專項(xiàng)工作高度重視。根據(jù)新時(shí)期國(guó)家環(huán)保遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需求,我們基于面向環(huán)保領(lǐng)域的高分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)流程和系統(tǒng)構(gòu)架,構(gòu)建了集高分?jǐn)?shù)據(jù)獲取與集成、高分環(huán)境信息產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)提取、環(huán)境影響評(píng)估與預(yù)測(cè)和信息服務(wù)于一體的高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái),為建立我國(guó)“天-空-地”一體化環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)提供技術(shù)基礎(chǔ)[13],為高分及其它多源遙感數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的有效應(yīng)用提供技術(shù)示范,為全面提升我國(guó)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力和技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)工作歷史性轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支撐。
高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)以高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源,基于地表水、大氣和生態(tài)環(huán)境遙感參數(shù)定量反演關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法的研究成果,將業(yè)務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)中的各類功能進(jìn)行合理粒度劃分,開(kāi)發(fā)出獨(dú)立插件,以插件靈活組合搭建工作流的方式進(jìn)行各類環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的生產(chǎn),同時(shí)集成高分衛(wèi)星環(huán)境遙感應(yīng)用技術(shù)體系和數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)流程、系統(tǒng)構(gòu)架,研制高分衛(wèi)星的環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和支撐數(shù)據(jù)庫(kù),最終形成高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)。
高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)采用多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-6],在邏輯上從下到上主要?jiǎng)澐譃檐浻布螌印?shù)據(jù)層、插件層、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)系統(tǒng)層和用戶層,如圖1 所示。
針對(duì)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn),根據(jù)示范系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要,將整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)劃分為環(huán)境圖像處理應(yīng)用示范分系統(tǒng)、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理分系統(tǒng)、產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)、產(chǎn)品分發(fā)與用戶服務(wù)分系統(tǒng)、專題制圖與可視化分系統(tǒng)、衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)分系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)等10 個(gè)分系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn),平臺(tái)組成如圖2 所示。
圖1 高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)體系架構(gòu)
高分環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)從設(shè)計(jì)上支持對(duì)數(shù)據(jù)資源和計(jì)算資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度,支持基于Linux 和Windows 的跨平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提供協(xié)同計(jì)算服務(wù)平臺(tái),支持多機(jī)多任務(wù)并行處理。系統(tǒng)平臺(tái)以插件集成和工作流驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行構(gòu)建和集成,通過(guò)集成多家參研單位研制開(kāi)發(fā)的大氣、水、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)相關(guān)處理算法插件,實(shí)現(xiàn)高分環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)。
插件是具備某種通用功能或者專用功能的功能對(duì)象,可以被用戶使用或者作為一個(gè)小功能顆粒構(gòu)成更大顆粒的功能[7,8]。插件要求至少能夠在環(huán)境遙感業(yè)務(wù)內(nèi)有一定的共享和復(fù)用能力,能夠?qū)崿F(xiàn)通用或者行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應(yīng)用場(chǎng)景。工作流是指功能節(jié)點(diǎn)按一定順序連接的功能集合體,它把小粒度功能插件等按順序連接形成大粒度的流程來(lái)完成某種功能[9-11]。高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)具備一套可視化、拖放式的流程搭建方法構(gòu)建工作流,工作流引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)插件的調(diào)用。平臺(tái)通過(guò)對(duì)插件、工作流的封裝[14],構(gòu)建圖像、水、大氣、生態(tài)四個(gè)業(yè)務(wù)分系統(tǒng)。
系統(tǒng)平臺(tái)基于插件集成和工作流驅(qū)動(dòng)的模式[12,14-15],通過(guò)對(duì)高分圖像處理共性技術(shù)、地表水、大氣和生態(tài)環(huán)境遙感參數(shù)定量反演關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法的集成,構(gòu)建了環(huán)境圖像處理、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)等4個(gè)典型環(huán)境應(yīng)用示范分系統(tǒng),為環(huán)保相關(guān)部門的衛(wèi)星遙感應(yīng)用提供高效、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)和技術(shù)支持。其中,環(huán)境圖像處理應(yīng)用示范分系統(tǒng)、大氣環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)、水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范分系統(tǒng)能分別實(shí)現(xiàn)圖像、大氣、水、生態(tài)業(yè)務(wù)產(chǎn)品的生產(chǎn);產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各業(yè)務(wù)分系統(tǒng)功能插件的集成、工作流集成及配置工作,滿足系統(tǒng)平臺(tái)業(yè)務(wù)生產(chǎn)的需要;衛(wèi)星軌道預(yù)測(cè)分系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)管理分系統(tǒng)、產(chǎn)品分發(fā)與用戶服務(wù)分系統(tǒng)、專題制圖與可視化分系統(tǒng)提供系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)功能,支撐業(yè)務(wù)人員和運(yùn)行管理人 員進(jìn)行日常工作。
圖2 高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)總體組成
圖3 業(yè)務(wù)集成框架
系統(tǒng)平臺(tái)接口包括內(nèi)部接口和外部接口。內(nèi)部接口是高分環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和信息交換接口;外部接口則是高分環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)與外部高分?jǐn)?shù)據(jù)中心、共性應(yīng)用技術(shù)中心以及現(xiàn)有其他環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)之間的外部數(shù)據(jù)和信息交換接口。環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)的內(nèi)部接口關(guān)系如圖4 所示。
面對(duì)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中不斷提出的新需求、不斷更新的影像處理算法、業(yè)務(wù)反演算法等,高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)需要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性,需要具備由用戶根據(jù)需求靈活擴(kuò)展功能的能力。結(jié)合業(yè)務(wù)需求,平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)將業(yè)務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)中的具體功能進(jìn)行劃分,使其滿足模塊化的設(shè)計(jì)要求,在“單一職責(zé)原則”、“接口與實(shí)現(xiàn)分離”等設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下,以插件的形式實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā),并通過(guò)產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一注冊(cè)、更新、管理等。以插件為基礎(chǔ),用戶可根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)的不同而靈活定制、更新工作流。這種設(shè)計(jì)方式可以大大提高環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行的靈活性和復(fù)用性,可達(dá)到方便快捷的擴(kuò)展功能以滿足多變的用戶需求的目的,并極大的降低了業(yè)務(wù)系統(tǒng)升級(jí)的成本。
高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)要管理使用的數(shù)據(jù)不僅包括高分專項(xiàng)系列衛(wèi)星數(shù)據(jù),還包括大量其它衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、環(huán)境背景數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地面采集數(shù)據(jù)以及高精度影像產(chǎn)品數(shù)據(jù)、環(huán)境專題產(chǎn)品數(shù)據(jù)、環(huán)境應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)等,具有多層次、多專題、多尺度、多形態(tài)、海量等特點(diǎn),平臺(tái)建設(shè)充分考慮數(shù)據(jù)源的多樣性、復(fù)雜性及數(shù)據(jù)量,空間數(shù)據(jù)模型將可以進(jìn)行靈活配置,同時(shí)通過(guò)多種優(yōu)化手段提高對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)加載以及數(shù)據(jù)瀏覽的效率,實(shí)現(xiàn)對(duì)多層次、多專題、多尺度、多形態(tài)海量地理空間信息的高效組織與管理。具體措施如下:
(1)基于數(shù)據(jù)分類的海量遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)編目,數(shù)據(jù)編目是海量數(shù)據(jù)管理的重要基礎(chǔ),通過(guò)數(shù)據(jù)分類技術(shù),首先建立數(shù)據(jù)分類體系,通過(guò)數(shù)據(jù)編目與數(shù)據(jù)分類的關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)編目建立,滿足海量遙感數(shù)據(jù)的管理。
(2)多元數(shù)據(jù)一體化存儲(chǔ)模型:依據(jù)數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)及應(yīng)用的特點(diǎn),整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)采用文件編目庫(kù)、Oracle關(guān)系表和基于Oracle 的ArcSDE 大型空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的方式等進(jìn)行存儲(chǔ),針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用特點(diǎn)采用不同的存儲(chǔ)模式。而在存儲(chǔ)的過(guò)程中采用建模思想對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行管理,并為用戶提供簡(jiǎn)單、易用、一致的系統(tǒng)界面,避免重復(fù)性操作。
(3)構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù),能夠跨平臺(tái)訪問(wèn)數(shù)據(jù),能支持不同類型數(shù)據(jù)源間的連接,通過(guò)屏蔽各種數(shù)據(jù)源之間的差異,為程序提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖,并通過(guò)在存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、應(yīng)用系統(tǒng)等多個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)的存儲(chǔ)、管理與訪問(wèn)效率。
圖4 高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)支撐平臺(tái)內(nèi)部接口圖
在解決安全控制問(wèn)題方面,主要從系統(tǒng)架構(gòu)、用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)幾個(gè)方面來(lái)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
(1)系統(tǒng)架構(gòu)上,使用多層架構(gòu)和插件的方式來(lái)保證系統(tǒng)每個(gè)模塊的相對(duì)獨(dú)立和各個(gè)層次的獨(dú)立,系統(tǒng)請(qǐng)求在任何一環(huán)出現(xiàn)異常,都會(huì)立即終止該次請(qǐng)求。
(2)在用戶權(quán)限方面,使用單點(diǎn)登錄的方式來(lái)整合各系統(tǒng)程序,并通過(guò)用戶的功能操作權(quán)限和數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限予以控制。
(3)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面,采用安全性非常高的Oracle數(shù)據(jù)庫(kù),此數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)庫(kù)的連接和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性上有很大的成就,且在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)上,通過(guò)主外鍵的方式來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性。
(4)在文件存儲(chǔ)方面,將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與共享分區(qū)隔離,嚴(yán)格控制存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)授權(quán),并支持對(duì)核心數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ),保障文件系統(tǒng)的訪問(wèn)完全。
高分環(huán)境應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái)研制采用了多層的體系架構(gòu)、B/S 與C/S 架構(gòu)相結(jié)合、二三維一體化展示相結(jié)合的方式進(jìn)行;C/S 客戶端應(yīng)用系統(tǒng)采用C#作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,C#是.NET 下應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,采用Visual Studio 2010.NET 作為開(kāi)發(fā)環(huán)境;B/S 開(kāi)發(fā)以及服務(wù)端應(yīng)用采用JAVA 語(yǔ)言開(kāi)發(fā),以滿足跨平臺(tái)的需求。
系統(tǒng)平臺(tái)集成則采用組件模式,保持業(yè)務(wù)邏輯層或業(yè)務(wù)支撐層功能組件的“松耦合”,具有被封裝為不同粒度“服務(wù)”的可能;通過(guò)消息總線來(lái)連接各個(gè)分系統(tǒng),以靈活、松散耦合的方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)分系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通;在消息總線的基礎(chǔ)上構(gòu)建系統(tǒng)服務(wù)總線,采用SOA 的軟件構(gòu)架來(lái)完成各分系統(tǒng)間的服務(wù)集成。
圖5 為基于示范應(yīng)用平臺(tái)利用高分一號(hào)數(shù)據(jù)開(kāi)展太湖地區(qū)水華遙感監(jiān)測(cè)周報(bào)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)行的工作流應(yīng)用實(shí)例。
本文面向環(huán)保領(lǐng)域的高分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)流程和系統(tǒng)構(gòu)架,采用多層體系架構(gòu)、C/S 與B/S 混合架構(gòu)設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)、研制開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)了一套滿足環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)際和業(yè)務(wù)化運(yùn)行需要高分環(huán)境遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)平臺(tái),研制集成了4 大類、126 個(gè)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)工作流、288 個(gè)功能插件,在環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心初步建成了利用國(guó)產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣、水、生態(tài)環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)支撐與業(yè)務(wù)化運(yùn)行平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類高分遙感數(shù)據(jù)從接收、管理、處理、應(yīng)用到服務(wù)的全流程環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用與監(jiān)管能力。
圖5 高分一號(hào)水華遙感監(jiān)測(cè)周報(bào)產(chǎn)品生產(chǎn)運(yùn)行流程
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