静止卫星数据准实时处理与亮温场远程计算服务综合技术研究与应用

论文摘要

卫星热红外遥感以其大视野、高精度和短周期等诸多优势以及对某些强震红外异常的良好反映,成为监测断裂活动性及地震短临前兆的很有前途的观测技术。然而由于地表热红外辐射受云层、地形地貌、地物类型和气象等诸多外部非震因素的影响,仅靠震前震后一定时段的卫星资料不足以排除所有非震因素的影响,至少需利用两年以上的卫星历史数据从不同的时间、空间尺度进行综合统计分析和相关性研究,才能提取出普遍性的规律。就地震热红外遥感来说,静止卫星相对于极轨卫星来说时间分辨率高（非汛期每小时,汛期每半小时可以获取约覆盖三分之一地球的一幅地球全景图像）,有利于生成时效快、高质量的全国地表亮温数据,有利于地震前兆信息的捕获。但是,由于缺乏面向地震行业的、大规模的静止卫星数据处理系统以及相应的海量数据仓库,这方面的研究工作受到了严重制约。目前,卫星热红外遥感观测与应用技术已经列入《国家中长期科技和技术发展规划纲要》,《国家防震减灾规划》中,以及5部委发布的《国家地震科学技术发展纲要》业已把卫星热红外等多源遥感卫星及地面应用系统,天地一体化观测数据处理技术和地震信息识别与提取方法列入重点发展领域与优先研究主题。我们于2007年8月份架设了风云静止卫星接收系统,每天接收到的卫星数据量多达3G,每年将接收到1000G的原始数据,加上追加的从2006年1月到2007年8月的原始数据3TB,数据量庞大。如果这些数据仅仅依靠人工值守进行接收、校正、备份、专题图生成等预处理,工作量巨大,很难保证卫星数据获取的及时性和可靠性。针对静止卫星数据的特点,本文通过静止卫星数据处理的方法研究、改进和应用,提出了静止卫星地表亮温时区差校正模型,静止卫星短周期去云算法,实现了静止卫星图像精确定位算法,解决了全自动去噪、去云、数据订正、合成、编码、时间解码和地理信息处理等一系列技术问题;在此基础上,从底层开始自主开发了卫星数据准实时自动处理系统,避免了大量的人工操作,获得了大量的、时间上不间断的、空间上覆盖全国的卫星热红外无云遥感影像库,以及相应的、经过适当设计的卫星影像信息库,组成了包含大量历史数据并且具有自动动态更新能力的数据仓库,积累了从2006年至今的数据。热红外地表亮温数据的质量问题一直是利用热红外遥感数据进行地震活动性热红外异常研究的瓶颈。首先要解决的就是自动化处理应用中遇到的原始数据的噪声和干扰线问题,针对此本文研究和发展噪声、干扰线的自动识别算法并予以消除。其次是云层干扰问题,如果地表上空被云层覆盖,卫星探测到的则是云顶的热红外辐射信息。目前云层消除的主要手段是利用一个时期内（例如十天）同一地区的多景影像进行对比分析。假设在这一时期内任一地段出现过无云天气,则可利用该时段的影像生成合成影像的局部。对于目前地震热红外监测所利用的极轨卫星来说,由于其重访周期长（单颗星,24h）,在中国区域内每天夜间对同一地点重复观测的数据两幅（极少时间为3幅）,若要获得大面积如全国范围内的无云合成地表亮温大概需要10天左右的数据（对于同一接收点）才能完成,且西部地区很难完全覆盖（卫星接收天线仰角小）,局部地区可进行像素比对的图幅数据少,因此利用极轨气象卫星很难得到高质量、短周期的连续的全国合成地表亮温数据。本文根据静止卫星时间分辨率高、覆盖范围大的特点,通过对每3-5天夜间0点-3点的数据（这样无论太阳高度角、相对方位角还是日照、降温时间的影响都是大体相同的）利用热红外通道2辐射值进行比对以NE值大的像素替代NE值小的像素来消除云层实验,得出每5天一个周期进行像素对比合成消除云层能够达到较好的效果,并进行了具体算法实现。对于热红外通道来说虽然处在大气窗区,但仍存在大气影响（主要表现为水汽吸收）,使得到达星载传感器的下垫面热红外辐射能量受到了大气削弱。本文利用分裂窗方法,通过对9个监测区样本从2007年9月18日至2008年8月15日夜间4点的共211幅影像数据进行了地表亮温反演,反演结果表明大气对地表亮温会造成-128K的影响,本文通过此方法有效地实现了对影像的大气校正,生成了中国区域及邻区的无云地表亮温影像库。结合亮温场远程计算与数据共享系统的需求,构建了基于Netfilter/Iptables技术的双出口透明网关,提高了地震地质与地震动力学数据共享分中心的访问速度,减少网络拥塞;提出了利用ArcIMS Servlet Connector连接器,把ArcIMS与.NET平台集成开发方案的新思路,这样的优点有:1、保留了利用ArcIMS Servlet Connector的开发方式;2、把Asp.net服务器端的强大功能融合进去,以便用户实现更高级的数值分析、计算;3、大大提高了项目的开发效率。在上述静止卫星自动化处理系统所形成的数据仓库的基础上,依此方案实现了基于WebGIS的分布式热红外遥感影像发布、共享系统。随着信息技术的发展,高精度、数字化、网络化、海量地震观测数据的获取已经成为可能,正是密集丰富的地球信息促进地震预测预报研究和地球科学研究的发展,利用现代网络信息技术,把观测系统、科学计算系统、数据库系统和基础资源互连互通、资源共享,建立现代地震网络计算应用和网络科技环境平台,实现网络实时协同研究、实验仪器远程使用、资源共享的信息技术环境,提升我国地球科学研究和地震预测等科技创新能力,同时也是我国网络科技环境的有机组成部分,并为国家网络科技环境建设提供参考和经验。本文以国家地震网络计算应用系统大框架为支撑,依托于地质研究所网络远程计算分节点建设,在自主开发的静止卫星准实时处理系统日常运行基础上,设计了涵盖连续历史数据的海量规模的数据仓库、数据交换和数据服务中心,设计了Web Service与WebGIS系统集成框架,开发了静止卫星亮温场远程准实时计算服务系统,实现了为网络客户端提供全国范围内任意自选区域的亮温场、变化场计算模型与计算应用。经过以上方面的研究工作,从而实现了把观测系统、科学计算系统、数据库系统和基础资源互连互通、资源共享。本文主要取得了如下研究成果:（1）利用Vc++平台,从底层开发实现了具有自主知识产权的静止卫星数据准实时处理综合系统。通过全自动去噪算法、短周期合成去云算法、静止卫星精确定位算法的实现,有效地提高了热红外地表亮温数据质量,并生成了动态性较强的地表亮温数据库。该系统的完成为地震热红外研究提供了实用的技术手段和技术基础。（2）以静止卫星数据仓库为支撑,通过Web Service与WebGIS的系统集成,实现了静止亮温场远程计算服务,研究了动态区域亮温信息提取算法、为网络客户端提供全国范围内任意自选区域的亮温场、变化场计算模型与计算应用,把目前较为成熟的Web Service技术和网格计算进行了初步结合应用。（3）首次提出了静止卫星亮温时区差校正模型。利用静止卫星每5日合成数据对4个不同时区地理位置点的亮温进行年采样统计,得到了自然月1-3月（冬季）,4-6月（春季）,7-9月（夏季）,10-12月（秋季）4个不同阶段4个位置的共16条亮温日变化曲线,从曲线图上可以明显看出时区差对亮温所造成的影响。基于曲线变化规律,给出了亮温时区差校正的3种情况及校正公式。通过上面的校正模型,能够较好地消除不同地方因时区差所造成的亮温的增高和降低。（4）利用数据仓库理念和统计学方法,对2006年到2008年9个监测区进行了全面研究得出了通常情况下亮温随时间演化和按空间分布的规律。通过对2008年新疆于田地震研究区震前、后的逐幅热红外地表亮温图像解译,2008年震前、震后逐幅数据亮温变化曲线,以及2006-2008年每5日合成数据亮温变化曲线对比分析得知:在震前35天开始,于田地震附近的康西瓦断裂带亮温值明显比周围增高,属于亮温增高阶段;震前8天时间内,于田地震附近的康西瓦断裂带亮温值明显比周围增高,在震前7天亮温达到最高值263.36K;震前4小时于田地震附近的康西瓦断裂带亮温值出现下降趋势。在地震发生后,亮温值开始下降,下降幅度约4K。2008年于田监测区震前25天亮温均值比2006年、2007年同期亮温值分别高出1.1-6.84K,3.8-14.2K。（5）通过建立地震网络计算应用和网络科技环境平台,对静止卫星数据准实时处理综合系统、基于WebGIS的遥感影像发布系统、远程计算服务系统进行了网络实时协同研究,从而实现了把观测系统、科学计算系统、数据库系统和基础资源互连互通、资源共享。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的 论文
• 致谢
• 第一章 概述
• 1.1 卫星热辐射信息在地震监测中的应用
• 1.1.1 卫星热红外遥感介绍
• 1.1.2 地震热红外监测研究进展
• 1.2 静止卫星热红外数据处理技术手段现状及存在问题
• 1.2.1 国内外地面卫星数据处理系统的发展
• 1.2.2 现有卫星热红外数据处理系统的不足
• 1.3 地震网络计算应用建设
• 1.3.1 网格计算
• 1.3.2 地震网格计算
• 1.4 需要解决的问题
• 1.4.1 地震研究和监测对静止卫星数据产品及处理手段的要求
• 1.4.2 热红外地表亮温数据质量
• 1.4.3 静止卫星亮温时区差校正
• 1.4.4 地震网格计算
• 1.5 研究内容与技术路线
• 1.5.1 论文研究技术路线
• 1.5.2 论文逻辑体系与组织结构
• 第二章 静止卫星的理论和技术基础
• 2.1 FY 系列静止卫星基本概况与特点
• 2.2 FY-2C 静止卫星传感器及辐射定标
• 2.2.1 FY-2C 卫星传感器
• 2.2.2 FY-2C 卫星辐射定标
• 2.3 FY-2C 静止卫星数据存储格式
• 2.3.1 FY-2C 星S-VISSR2.0 图像格式
• 2.3.2 FY-2C 星HDF 数据存储结构及处理
• 第三章 静止卫星数据处理算法研究
• 3.1 噪声和干扰线消除算法
• 3.1.1 噪声和干扰线的来源和分类
• 3.1.2 噪声和干扰线的消除算法
• 3.2 静止卫星数据定位算法
• 3.2.1 简化定位网格数据块插值定位
• 3.2.2 轨道和姿态参数法定位
• 3.2.3 定位精度对比
• 3.3 静止卫星数据处理地理投影算法
• 3.4 静止卫星地表亮温反演
• 3.4.1 临边效应订正
• 3.4.2 大气削弱订正
• 3.4.3 大气影响范围及亮温反演结果
• 3.5 静止卫星地表亮温时区差校正模型
• 3.5.1 静止卫星地表亮温时区差校正模型的提出
• 3.5.2 单样本时区差校正
• 3.5.3 合成去云多样本数据时区差校正
• 3.5.4 地表亮温时区差校正模型及校正结果
• 3.6 静止卫星短周期除云算法提出
• 3.6.1 极轨卫星旬数据合成除云存在的问题
• 3.6.2 静止卫星短周期除云算法的提出
• 3.6.3 静止卫星短周期除云处理结果
• 第四章 静止卫星数据准实时处理业务系统体系设计与综合技术研究
• 4.1 网络及硬件系统设计与构建
• 4.2 软件系统整体设计
• 4.3 数据存储方案、数据库设计
• 4.3.1 数据存储系统
• 4.3.2 数据存储目录结构设计
• 4.3.3 数据库设计
• 4.4 静止卫星数据处理后台管理服务子系统
• 4.4.1 基于Windows NT 服务和socket 套接字程序设计
• 4.5 静止卫星数据准实时处理子系统
• 4.6 自动化数据处理技术研究
• 4.6.1 文件系统监视的实现
• 4.6.2 自动转储和刻录功能的设计
• 4.6.3 静止卫星数据仓库的数据追加技术研究
• 4.7 影像数据共享发布子系统
• 4.7.1 地震地质与地震动力学数据共享分中心设计
• 4.7.2 静止卫星数据共享系统设计与实现
• 第五章 静止卫星地表亮温场准实时远程计算模型设计
• 5.1 系统整体设计
• 5.2 国家地震网络计算应用门户系统
• 5.2.1 物理网络拓扑
• 5.3 卫星地表亮温场准实时计算服务
• 5.3.1 Web Service 与WebGIS 系统集成框架
• 5.3.2 WebGIS 系统方案选择与实现
• 5.3.3 动态区域模板文件生成
• 5.3.4 亮温信息提取子系统
• 5.3.5 其它功能设计与实现
• 第六章 重点监测区卫星热红外地表亮温规律研究
• 6.1 地表热辐射影响因素
• 6.2 亮温变化规律的统计分析
• 6.2.1 资料来源
• 6.2.2 分析区域的数据采样
• 6.2.3 区域每日亮温样本在时间上的分布规律
• 6.2.4 区域合成亮温样本在时间上的分布规律
• 6.3 2008 年新疆于田7.3 级地震热红外亮温研究
• 6.3.1 于田地震地质背景
• 6.3.2 于田地震热红外资料处理
• 6.3.3 于田地震热红外研究
• 6.4 分析讨论
• 第七章 结论
• 7.1 静止卫星数据处理综合技术的改进
• 7.2 静止卫星地表亮温时区差校正模型的提出
• 7.3 热红外地表亮温数据质量的有效提高
• 7.4 重点监测区卫星热红外地表亮温规律研究及震例研究
• 7.5 静止卫星亮温场远程准实时计算服务
• 7.6 今后工作的展望
• 参考文献