利用EO卫星数据监测市区与海岸带安全和威胁的创新性网络地理信息系统

利用卫星数据基于网络的创新性海岸带管理,即市区和海岸带安全地理信息系统(SCCZ-GIS),由格但斯克工业大学地理信息科学系采用多元化地理信息系统开发,包括海洋数据的远程集成与处理以及城市危害的建模,用于支持海岸带城市圈的发展与基础设施保护。

引言

本文介绍了一项基于网络的新颖设计,即城市和海岸带安全地理信息系统(SCCZ-GIS)。现己为位于波兰北部波美拉尼亚省的格但斯克市(Golansk)开发了城市危害建模系统。该系统的目的是将危害情景模拟的数值模型与现有的地理信息集成起来,如城市地图、人口密度和关键基础设施(CI)的位置,从而为城市提供支持战略规划的统一工具。

本文提出的系统是一个复杂的解决方案,通过自动卫星EO数据采集、处理并与现有的地理数据库集成,从而监测对城市及其居民造成的危害。此外,该系统提供了一种易用的图形用户界面(GUI),用于访问并处理收集到的数据和数值模型。在意大利弗拉斯卡蒂的欧洲空间研究所(ESRIN),通过与地球观测项目地面段部门的专家讨论,己建立起对该系统中的EO数据的具体应用。

经处理数据的类型

卫星图像

该系统处理的EO数据主要来自斯克工业大学1.5米宽的HRPT/METOP-A/B卫星地面站,它位于格但斯克工业大学电子、电信与信息学院大楼的楼顶。该站能够从一组大气和陆地监测卫星中获取数据,如图1所示。

图1 1.5 米HRPT/MetOp 卫星地面站的天线及其控制台

根据可用的卫星,该站每天提供四到六个图像(即早上06:00至晚上09:00点之间)。另外的图像从其它来源采集附加图像,包括欧洲航天局(ESA)服务支持环境(SSE)部门。但是,这些图像必须手动上传到系统进行处理。

关键基础设施分析数据

在关键性、可及性、可恢复性、脆弱性、可见性冗余(C.A.R.V.E.RJ矩阵的基础上利用目标分析法进行CI脆弱性评估。由于C.A.R.V.E.R.进行定量分析,因此以附属于所分析基础设施的地理表现的一组数值的形式显示结果。

数值仿真

该系统的开放和模块化特性使外部模拟模块轻松集成。这种模块的一个例子是由格但斯克海事研究所(MIG)为波罗的海设计和研发的计算机辅助救援和石油作战系统(CAROCS),使溢油仿真模型。该模型每小时生成一系列漏油图层,将波罗的海高分辨率操作模型(HIROMB)的输入数据以及WAM4海浪预报模型用于描绘几小时后将发生的漏油走向。

现有的地理空间数据

除了由内部或外部仿真和分析模块产生的空间层外,该系统还集成了可在现有的地理数据库中找到的信息。

系统

SCCZ-GIS被设计为一个复杂的工具来支持市政服务,以保护格但斯克市及其居民。正因如此,该系统本身负责:

?监测空气质量;

?监测波罗的海及其海岸水域的蓝藻水华;

?分析关键基础设施安全性;

?对人为造成的威胁如爆炸和有害气体排放进行建模。

此外,该系统也提供火灾探测。

为了估计所关注威胁的影响,该系统提供了一套标准分析功能,包括缓冲、裁剪、找出几个特征的交叉点。

所设计的SCCZ-GIS系统架构的框图如图2所示。在图2中,该系统接收并处理两大主要来源的卫星图像数据。

图2 系统架构

该SCCZ-GIS系统由三个主要部分组成:网络地理信息系统服务器、网络地理信息系统完整客户端以及网络地理信息系统移动客户端。服务器模块通过CI分析模块、危害情景仿真模块、EO数据适配模块、空间分析模块和地理数据库管理模块等方式承担大部分系统功能。

结果

地理环境中AVHRR多频段检索图像可视化

对于NOAA/METOP AVHRR图像数据的预处理和校准,利用的是1.5米HRPT/METOP卫星地面站的原创软件。它执行单个通道值校准和整个场景的地理参照。

图3是关于SCCZ-GIS主屏幕的一个例子,显示的是从1.5米HRPT/ METOP卫星地面站获得可视化的AVHRR图像。

图3  波兰北部和波罗的海南部的AVHRR图像(NOAA卫星)显现为RGB模式中的可见光、近红外和热红外波段的结合,以多层背景显示。两种类型的云层都是可见的:高层云(浅绿色和蓝色,左侧)和低层云(奶油色/品红/紫色,右侧)

案例:空气质量监测

空气质量近来成为全欧洲的一个重要问题,欧盟委员会要求各成员国实施持续监测大气中有害物质的措施。该系统采用Siegenthaler和Baumgartner(1996年)提出的薄云检测算法,利用EO数据估算空气质量。

图4所示的是格林威治时间2014年5月23日9时35分48秒使用GUT1.5米卫星地面站对波兰地区AVHRR图像获得的空气质量评价结果的空间分布。按照地理可视化分析的范例,图中数值比例尺以彩条表示,其中健康的区域显示为绿色,中等空气质量显示为黄色和橙色,有害区域显示为红色。

图4  格林威治时间2014年5月23日09时35分48秒获得的AVHRR图像,藉此计算得出波兰北部的空气质量指数结果

结论

本文提出了基于网络型安全城市与海岸带地理信息系统的架构和应用。针对格但斯克市开发的该系统集成了用于城市基础设施保护和市民保护的工具。为此,该系统采用了一些现代的技术和解决方案。包括该系统的模块化和可轻松扩展的架构,网络服务组件的使用可以支持扩展本地SCCZGIS应用程序,来自不同外部来源和服务的数据及其处理结果的集成。该系统在操作模式下运行,分析结果处于准实时准备状态,例如,接收卫星图像的新场景之后立即生成结果。另外,利用特定的移动客户端应用程序可让移动用户利用该系统的功能,例如,负责民用服务的成员可在突发事件现场使用。上述将该系统应用到卫星数据处理和空间分析的各种情景揭示了遥感、地理信息系统、网络服务和移动技术在保障海岸带安全和威胁监测领域保障当地民用服务活动的有效性。

海洋地质信息课题组 译自:Marek Moszynski, Marcin Kulawiak, Andrzej Chybicki, Krzysztof Bruniecki,Tomasz Bieliński, Zbigniew ?ubniewski & Andrzej Stepnowski. Innovative Web-Based Geographic Information System for Municipal Areas and Coastal Zone Security and Threat Monitoring Using EO Satellite Data,Marine Geodesy, 38:203–224, 2014. (吴西顺审稿)

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