MODIS积雪遥感监测系统的研建

２００６年全国生态与农业气象业务宸展与技术交流全文集

ＭＯＤｌＳ积雪遥感监测系统的研建

傅华１沙依然１黄镇２李聪１王蕾１

（１．新疆维吾尔自治区气候中心，乌鲁木齐８３０００２；

２．新疆维吾尔自治区气象台，乌鲁木齐８３０００２）

摘要：基于数学模型逐步判别和Ｂａｙｅｓ判别等反演雪深的原理，采用面向对象的开发方法，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统环境下，用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ＮＥＴ作为开发工具，成功开发了ＥＯＳ＼ＭＯＤＩＳ积雪遥感监测系统．系统将３Ｓ技术集成在一起，实现了各模块之间以及多元化积雪判识（自动和人机交互）的无缝连接．系统运行良好，可为用户提供多层次、高品位、图文并茂的积雪产品专题图．关键宇：ＭＯＤＩＳ数据积雪遥感监测积雪产品地理信息

引言

我国气象部门在８０年代中期就利用气象卫星制作全国积雪覆盖图，９０年代初开发了一些省级和国家级的ＮＯ从气象卫星雪深反演模型和积雪监测系统，新疆气象局也开展了ＮＯＡＡ气象卫星资料反演雪深的工作，这些系统都是在ＤＯＳ环境下开发的，受当时的软硬件条件所限，系统的性能较低，系统化和业务化程度不够。２０００年实施西部大开发，开展生态环境保护建设，遥感技术应用要先行，２００１年底在保障气象卫星信息源的基础上，新疆建立了省级气象部门第一家ＥｏＳ／ＭｏＤＩＳ接收处理系统，并使之成为“科技部数据大平台新疆ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ资料接收基地＂，而积雪监测和积雪产品专题图的制作一直采用归一化差分积雪指数ＮＤＳｌ分层阈值法和图像处理软件等相结合的方法，目视解译、人工经验判识和大量的人工操作已不能适应雪情分析、灾害监测等需求。诸如：对多层雪深的判识，某一乡镇、公路、河流具体发生雪灾、雪崩的位置，在争取第一时间进行抢险救灾等方面都带来了一定的限制，己无法提供更多和更准确的信息，以致很难进行各种积雪灾害评估，大大限制了ＭＯＤＩＳ数据的开发和利用，不利于对＿ＩＯＤＩＳ数据的科学化管理和处理各种突发事件的需要。

新疆冬季积雪时间长，雪量丰沛，各行各业，尤其是农牧业生产与季节性积雪这一重要水资源有着十分密切的关系，冬季积雪对新疆农业起着举足轻重的作用，土壤墒情和春季灌溉都高度依赖于积雪融水。因此利用美国地球观测卫星的ＥＯＳ／ＭｏＤＩＳ卫星资料，考虑积雪、云、地表、水体等多种目标物的不同光谱特性和ＤＥＭ、地表粗糙度、土地覆盖类型等多个因子以及季节变化等因素，采用数学模型的逐步判别和Ｂａｙｅｓ判别等方法，结合３Ｓ技术、虚拟现实技术等高新技术手段，完成积雪面积、覆盖率、深度数据的科学获取以及为配合积雪遥感监测的业务化运行，采用科学的技术手段和现代化管理形式，开发基于３Ｓ技术的ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ积雪遥感监测系统在新疆显得尤其重要。１

１．１系统设计和组成系统设计的指导思想

ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ积雪遥感监测系统是在雪深反演数学模型的基础上建立的一个信息处理系统。系统集ＭＯＤＩＳ数据处理、图形图像处理、应用、统计分析、地理信息合成等功能为一体．多层次地、图

２泓年全国生态与农生气象业务发展与技术交流会文集

文并茂地展现了积雪的分布特征。为使系统具有矢量栅格一体化、信息表达多样性、可移植性、良好的用户界面、可维护性和安全性等方面的特点，采用一系列技术手段将矢量和栅格两种不同性质的数据有机地结合为一体，使图形图像数据在信息表达方面，既互为补充又丰富积雪产品的内容。通过数据接口叠加各种地理信息、ＤＥＭ、实时台站观测雪深信息等，帮助用户从多角度、全方位的了解积雪分布状况。同时，整个系统还要有很好的扩展性和继承性。

１．２系统的硬件组成

硬件部分是由ＥＯＳ＼矾ｏＤＩＳ接收预处理平台（接收系统的后端机），应用处理平台，输出平台三部分组成。由于ＭＯＤＩＳ资料的数据容量大，采用４８６５１２兆以上内存的Ｐｃ机各一台；彩色打印机或喷墨绘图仪一台等。各平台之间通过局域网和互联网，采用Ｎｏｔｅｓ、ｆｔｐ、Ｅ－ｍａｉｌ等应用方式进行数据传输，连接构成了积雪监测系统的硬件平台。

１．３系统的软件结构

根据软件设计要求，工作流程分数据预处理、积雪判识、数据验证、产品制作等四部分。基本结构采用模块化结构，模块之间既相互联系又相互独立。整个处理过程采用面向对象的ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＶｉｓｕａｌＣ＋＋．ＮＥＴ等软件编程技术、３Ｓ技术，在Ｗｉｎｄｏｗｓ９Ｘ和ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ／２０００系统环境下实现，工作数据流程见图ｌ。

图１ＭＯＤＩＳ积雪监测工作流程图

２７４

２泓年全国生态与农宴气象业务发展与技术交流会文亲

２主要技术方法

ＭＯＤＩＳ卫星遥感资料每天都是以ＧＢ为单位计算，在系统研建过程中，如何解决大容量数据的处理、存储和管理以及将不同性质的矢量、栅格等数据有效地结合在一起，都是本系统解决的技术关键。我们主要采用了以下的技术方法。

２．１大图像，多通道数据的处理方法

就大区域而言（如新疆巴州地区的ＬＤ２数据量达６００兆以上），在现有硬件环境条件下，将全部数据装入内存有一定困难，因此，我们采用内存动态分配管理的方法减少内存压力，随着数据处理的进程临时释放或加载数据，这样就解决了内存压力过大的矛盾，实现了对超大数据的处理；２．２矢栅一体的组织方法

先将各种类型的矢量数据转换成以经纬度所表示的数据文件，再将ＭｏＤＩＳＨＤＦ数据投影生成等经纬度ＬＤ２数据，通过编程和一体化组织把不同性质的矢量数据和栅格数据有效地管理起来，进行一体化显示和分析。

２．３基本操作参数化

在实际操作过程中，一般系统或多或少需要设置一些操作参数，因此为了获得一个满意的结果往往需要多次操作。为了简化操作过程，系统中对一些反复操作，特别是对地理信息这种多层数据的读取和显示等进行分类、参数化。用简单的命令代替复杂的操作过程（称宏操作）．

２．４位图显示的技术方法

在咒＋＋的ＭＦＣ类库中没有提供位图显示ＣＤｉｂ类技术，因此，在程序设计中采用的是面向对象的位图处理方法。首先建立一个位图处理ＤＩＢ的类，称之为ＣＤｉｂ类库，并且把它封装和组合成动态库，位图显示便可基于这个动态库来实现。

３系统的功能和应用

系统是由基础信息处理、图像处理、应用处理、专题图制作、地理信息等五个应用模块组成，如附件一所示，其主要功能如下：

３．１基础信息处理：

可对ＭＯＤＩＳ数据进行局地数据检验、太阳高度校订正以及对其它常用遥感软件、ＧＩＳ软件、制图软件等等的使用；

３．１．１检查局地文件的通道数、通道顺序、文件大小；

３．１．２对反射率通道数据做太阳高度角订正，生成新的局地文件；

３．１．３利用ＥｏｓＳｈｏｐ软件对局地水．ＬＤ２数据或，Ｉｃ．ＳＮｌ『数据进行处理、通道组合、选择边界挖图等，并且存储为木．ＳＤＦ；

３．１．４可对任意地、市、县、流域的辖区面积进行统计计算；

３．１．５不需退出积雪遥感监测系统可调用ＥＮｖＩ、ＰＣＩ等遥感软件；

３。１。６不需退出积雪遥感监测系统可调用Ｍ舻ＧＩＳ、ＭＡＰＩＮＦＯ等地理信息（ＧＩＳ）软件；

３．１．７不需退出积雪遥感监测系统就可调用Ａｄｏｂｅ

３．２应用处理：Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ７．０．１等常用制图软件；

可对ＭＯＤＩＳ数据进行分区、分县、分流域积雪监测，雪深、雪面积、雪盖度统计计算以及雪水２７５

嬲耳４＂ｅｔ盎与袁土气ｌ＾｝宣＾与杖术毫魂套文毒

当量的估算．

３２１自动生成不同季节，采用不同模型的５００Ｍ分辨率的北疆、末疆、南疆和２５０ｍ分辨率各地州、县、河蒲流域的雪深雪盖圈：

３．２．２在自动判识积雪不理想的情况下，采用积雪指教、阚值加减相结台的方法进行人机交互式积雪判识；

３．２

３．２３在对薄雪判识不理想的情况下，采用阚但加减法进行薄雪判识修正；４对不同雪深卜５ｃｍ、６－ｉｏｃｍ、儿一１５ｃｍ、１６—２０ｃｍ、２１—３０ｃｓ、＞３０ｃｍ的积雪面积进行计算和统计：

３２

３５对各地区、县、流域进行雪水当量估算；２５．Ｉ２．６可以非常方便地从雪槔数据中提取５＊５（１２５“２），７．７（１＿７５．ｉ７５ｋｍ’）和９＊９（２．５＊２５ｋ一）个像素点范匿内与实测值最吻合的反演值井进行归档。

３３专麓图制作

完成新疆各地市县河流流域的积雪监测、积蓦动态变化、最大积雪旬月多天合成、多天合成晴空积雪专最田等的制作．

３３ｌ完成不同季节，采用不同模型的新疆分区、分县、分流域的积雪、积雪动态变化、最大积雪旬月多天合成、多天合成晴空积营产品专题图：

３

３３３２可任意拼接５００ｍ分辨事和２５０１．分辨率的大区域、新疆区域图等：３将台站实涮的冒涤、雪密度资料与积雪专题图进行实时叠加配准，可动态分析反演数据的准确性．

３４地理信息

完成基础地理信息数据叠加．

３．４．Ｉ任意叠加各地州县市名、团场乡镇名、公路（省干线和国家干线）、河流、雎Ｍ等信息；３４．２捌除各地州县市名、团场乡镇名、公路（省干线和田家干线）、河流、Ｄ翻等信息。

ＩＯＯＩＳ积雪遥感监涮系统已于２００５年ｌｉ月投入业务试运行．到目前为止系统运行稳定可靠．３５应用举倒井在２００６年度北疆地区积薯灾害监铡中发挥了重要的作用，系统界面见圈２所示。以下是系统制作的各类积雪专题产品的应用情况：

塑塑墅型燮塑墅些型墅坚！’塑竺望坚坚塑塑王塑！’堕塑Ｊ旦墅里１１旦里！±！竺！墅竺！！

３５删剖璺！苎ｌ积署专屋圈及相关产品的应用

宴时提供不同季节、采用不同模型的新疆分区、分县、分流域井与地理信息叠加配准的积雪产品专题圈．圉３是利用２００５年１月６日１５点监测的北疆地区ＭＯＤＩＳ卫星瓷料，经过积雪教学模型反演得到５００米分辨率积雪专题图，圉中白色表示为裸地．湖蓝色为水体．裳色为云ｔ其它不同颤色代表不同的积雪深度。以旬月报的形式．提供一段时间以来某地、县、｛可漳流域的最大积雪深度专题圈．

ｆ口甜年夺０ｔ击占毫土气毫土｝宣置与社术土电奎文毒

根据需要可提供一段时间以来不同时间同一个地点各层积雪深（１－６层）变化情况．

朋３２００６年，月６日北一地区ＥＯＳ＼Ｗ（ｍＩＳ积■监测专曩田

图４是２００５年１２月１３日和１２月２２日阿勒搴地区的积雪动态变化图，绿色表示积雪在增加为正变化，红色表示积雪在减少为负变化（±２０叫以下５ａＩ为一个级别，）２０ＣＭ咀上ＩＤｃｍ为一个级别），颤色越豫表示积雪增加蛾减少的越多，蓝色表示无积雪变化，白色表示无积雪区．此项应用为及时掌握某地区近期积雪动态变化提供了第一手宝贵瓷料．

田４２００５年１２月１３日和１２月２２Ｂ两勒泰地区积■动态变化评价围

多天台成晴空积雪专题图是针对一段时问以来如果没有晴空的ＭＯＤＩＳ资料，可将两张近期都有ｍ