基于PIE的大气污染遥感监测系统


来源: 航天宏图    时间:2016/10/17

1研发背景

随着社会经济的快速发展,大气污染问题日益严重,大气环境保护及监测时不我待。遥感技术因其监测范围广、时效性强等特点,已成为大气环境监测的重要手段之一。在计算机技术及遥感技术不断发展的今天,对大气污染遥感数据的自动化处理、可视化显示以及实时监测已成为环境保护领域的一个重要课题。北京航天宏图信息技术股份有限公司(简称“航天宏图”),在自主研发的国产遥感图像处理软件PIE(Pixel Information Expert, PIE)平台的基础上进行二次开发,以MODIS、OMI、MOPITT、VIRR等为数据源,利用大气污染物定量监测与反演算法,设计并实现了大气污染遥感动态监测原型系统。系统实现了对研究区域的霾、PM2.5、PM10、NO2、SO2、O3、CO、火点、沙尘、大雾等指标进行数据自动化下载、数据自动化处理、可视化展示以及监测与分析等功能,从而实时、准确地对大气污染状况进行业务化监测,为环境监测部门、环保决策者及普通群众提供技术和决策支持。

图 1 大气污染遥感监测系统启动界面



2系统设计与实现

2.1系统架构设计

大气污染遥感监测系统,采用B/S、C/S混合模式进行设计和开发(如图1所示),由服务器端和客户端两大部分组成。为了避免传统桌面架构(App+DLL)的弊端:模块的耦合性大、交互性不足、排错不方便、不容易二次开发等,本系统采用插件架构来进行开发,大大降低模块之间的耦合性,增强交互性,而且方便二次开发。本系统插件架构分为三部分:插件引擎、EXE、功能插件。通过这三部分的协同开发,实现了界面定制功能、避免了界面操作中复杂的消息定义和传递、插件的样式可在插件内部定义而不需修改配置文件、可以方便的获取地图对象而无需因插件功能性要求去修改底层地图控件、利用.net反射特性实现插件动态加载及卸载、各大功能模块清晰的分类架构便于扩展维护。

图 2  总体架构示意图


2.2数据下载与预处理的自动化实现

由于霾、PM10、PM2.5、SO2、NO2、O3、CO、沙尘、火点、大雾等指标反演所需的卫星数据不同,因此需要针对不同的指标下载不同的卫星数据(如表1所示)。系统开发后台控制程序,针对OMI(Aura)、MODIS(Terra/Aqua) 、MOPITT(Terra)等数据可通过FTP地址自动下载;针对VIRR(FY3B)、VISSR(FY2F)等风云系列数据需要通过访问中国气象局国家卫星气象中心,根据需要以订单形式申请所需数据,国家卫星气象中心会根据申请将所需的数据以动态FTP地址下发到申请者邮箱,然后将动态ftp地址录入本系统,即可实现数据的自动下载。


为了实现自动化数据预处理,系统开发后台控制程序,将PIE软件中投影校正、拼接镶嵌、裁切等预处理功能封装成EXE,为了能够灵活控制输入、输出参数,为每个EXE程序配置相应的XML文件,可灵活修改各个预处理功能的所需参数。系统可实现气溶胶光学厚度(AOD)、颗粒物浓度(PM10、PM2.5)、污染气体(O3、SO2、NO2、CO)、沙尘、火点等数据产品的自动化生产,无须人工干预,在满足区域环境质量遥感监测需求的同时,降低了系统使用的技术门槛。

图 3系统任务调度管理界面



图 4 系统任务单管理界面


2.3监测结果生成

系统将监测反演功能封装成EXE以便于统一调用,为了能够灵活控制输入、输出参数,将输入、输出参数统一到XML文件。系统实现了大气污染遥感监测数据的统计制图及监测报告自动化生产,可针对不同的数据生产不同时期、不同类型的监测成果,包含日、旬、月、年监测产品、图片及专题报告等,为相关环境保护部门提供数据支持和科学管理依据。


图 5 AOD光学厚度监测结果展示



图 6 霾监测结果展示


图 7 PM2.5监测结果展示


图 8 NO2监测结果展示


图 9 SO2、CO、O3监测结果展示


图 10 火点监测结果展示


图 11 大雾监测结果展示


图 12 浓度查询结果展示


3总结

大气污染遥感监测系统基于PIE软件平台进行二次开发,大大节约了开发时间,并增强了系统的可用性及功能完备性。系统针对快速准确获取大气污染物状况信息的需求,在大气污染指标信息的自动提取、显示等方面进行了探索,实现了从遥感影像获取、遥感数据预处理、监测产品生产到专题产品制作的完整功能,为大气污染监测提供有力的技术支撑。


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