張勝茂,張 衡,黃洪亮，樊 偉

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，上海 200090)

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南極海表溫度與葉綠素專題圖自動制作

張勝茂,張 衡,黃洪亮，樊 偉*

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院東海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)部東海與遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源開發(fā)利用重點實驗室，上海 200090)

南極周邊海域有豐富的磷蝦資源，磷蝦分布與海表溫度和葉綠素空間分布有密切的關(guān)系。通過編程實現(xiàn)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)下載、解壓、裁剪、投影、數(shù)值計算、分級設(shè)色等功能，在制圖中實現(xiàn)了陸地與漁區(qū)圖層、地圖標(biāo)題、圖例、標(biāo)注等信息添加等功能。程序運行于服務(wù)器后臺，完全實現(xiàn)自動化制圖，為磷蝦資源分布研究提供參考。

南極； 海表溫度； 葉綠素； 專題圖； 自動制圖

1 引言

南極是世界最冷的地區(qū)，南極海域不僅受到極地低壓帶的影響，還受到內(nèi)陸地區(qū)強冷空氣的襲擊，其海表溫度由低緯度向高緯度逐漸遞減，在南極達(dá)到最低，等值線呈東西帶狀分布[1],溫度值基本都在0℃左右。葉綠素的分布具有明顯的區(qū)域特征，浮游植物的旺發(fā)主要受海冰消融以及營養(yǎng)鹽供給的影響[2]。在南極生態(tài)系統(tǒng)中南極磷蝦占有特殊地位，是目前地球上最大的單種生物資源之一，20世紀(jì)60年代以來，漁業(yè)發(fā)達(dá)國家已先后對南極海洋生物資源進(jìn)行了商業(yè)性的開發(fā)和利用，近幾年南極磷蝦的捕獲量維持在每年20×104t以上，特別在48漁區(qū)捕撈活動最為密集。南大洋海洋環(huán)境較復(fù)雜，環(huán)境因素對南極磷蝦豐度及其分布有顯著的影響，許多學(xué)者已經(jīng)對南大洋海冰、葉綠素和海表面溫度等環(huán)境要素進(jìn)行了研究[3]。中國在2009年首次進(jìn)行了南極海洋生物資源開發(fā)利用項目探捕調(diào)查，為了輔助磷蝦捕撈生產(chǎn)和科學(xué)研究，開發(fā)南極磷蝦專題圖制圖軟件與服務(wù)系統(tǒng)[4]，但專題圖制作過程中數(shù)據(jù)下載、解壓等步驟為借助軟件手工操作，沒有做到整個流程的自動化，本文的制圖方法實現(xiàn)了整個流程自動制圖，專題圖通過FTP發(fā)布服務(wù)。海洋漁業(yè)專題圖作為地圖的一種，集各種海洋環(huán)境要素和漁業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)于一體，能夠表達(dá)多種綜合信息，為漁業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究提供參考[5]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 海表溫度和葉綠素數(shù)據(jù)

海表溫度(Sea Surface Temperature，SST)和葉綠素濃度(Chlorophyll concentration, CHL)數(shù)據(jù)使用MODIS的Terra和Aqua 3級產(chǎn)品數(shù)據(jù)(NASA Ocean Color, oceancolor.gsfc.nasa.gov)，空間分辨率9 km，數(shù)據(jù)格式為NetCDF數(shù)據(jù)。獲取每天數(shù)據(jù)，由于8天基本可以覆蓋全球，因此制圖中采用8天平均合成圖像。

2.2 數(shù)據(jù)處理

SST和CHL數(shù)據(jù)在網(wǎng)站上被壓縮為bz2格式，本研究通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動下載，然后用ICSharpCode的SharpZipLib類庫解壓縮。SharpZipLib(參考網(wǎng)址www.icsharpcode.net，曾命名為NZipLib)是一個開源組件，有壓縮、解壓縮、加密等一系列功能，它完全用C#語言編寫，支持DotNET平臺，是一個可以處理ZIP、GZIP、TAR和bzip2等格式文件的庫。

專題圖自動制圖選用ARCEngine控件，用C#編程開發(fā)，程序運行在服務(wù)器后臺，每天定時自動制圖，專題圖基本信息包括標(biāo)題、時間、圖例、制作單位、單位Logo等。

3 專題圖自動制圖

3.1 數(shù)據(jù)裁剪

CHL和SST數(shù)據(jù)為全球數(shù)據(jù)，范圍比較大，如果全部影像經(jīng)過配準(zhǔn)、投影、計算等處理，消耗的CPU、內(nèi)存資源多，處理的時間較長，因此數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行了裁剪，只保留30°S以南的數(shù)據(jù)，裁剪出的數(shù)據(jù)范圍較南大洋范圍大，是因為數(shù)據(jù)在投影轉(zhuǎn)換時要經(jīng)過插值處理，插值過程中需要待插值點的周邊數(shù)據(jù)，對于專題圖邊界點的插值，用到邊界外的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與投影

海表溫度和葉綠素濃度的NetCDF格式數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序處理后保存為常用的柵格數(shù)據(jù)格式(如tif、img格式)，這些柵格數(shù)據(jù)沒有地圖中的空間位置信息，它的行列矩陣位置信息與地圖中的位置坐標(biāo)信息不同，需要經(jīng)過配準(zhǔn)和定義投影，才能使柵格數(shù)據(jù)賦予實際地物空間的位置。行列矩陣位置原點坐標(biāo)在左上角，地圖坐標(biāo)系的原點坐標(biāo)在左下角，通過對柵格圖進(jìn)行坐標(biāo)配準(zhǔn)和投影定義，以使得其具有實際的地理坐標(biāo)意義。

SST、CHL的像素空間分辨率和投影方式已知(如表1)，空間分辨率是9 km，像素數(shù)為2 160×4 320，投影為等距離柱狀投影(Equidistant Cylindrical Projection)，即等經(jīng)緯度投影，據(jù)數(shù)據(jù)已知的空間分辨率設(shè)置像素代表的縱橫方向分辨率大小，設(shè)置原點像素位置，在柵格的向量空間進(jìn)行一次線性變換并接上一個平移，變換為地圖上的向量空間，再對配準(zhǔn)好的影像定義投影坐標(biāo)系。本文采用南極蘭伯特方位角等面積(South Pole Lambert Azimuthal Equal Area)投影，柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過配準(zhǔn)與投影定義，已經(jīng)具有了投影坐標(biāo)(或地理坐標(biāo))信息，可以在兩個投影之間轉(zhuǎn)換[6]。

表1 投影參數(shù)

投影轉(zhuǎn)換過程中需要經(jīng)過柵格數(shù)據(jù)的插值處理，以生成符合新坐標(biāo)系的連續(xù)影像。常用的插值方法有三種：鄰近內(nèi)插(Nearest Neighbor)，雙線性內(nèi)插(Bilinear Interpolation)，立方卷積內(nèi)插(Cubic Convolution)。本文選用鄰近內(nèi)插法，把等距離柱狀投影和極地投影轉(zhuǎn)換到南極蘭伯特方位角等面積投影。

3.3 數(shù)值計算

SST、CHL是通過遙感數(shù)據(jù)反演的獲得，反演后的數(shù)據(jù)大部分保存為計數(shù)值，無效值以某個特定值填充，在經(jīng)過線性變換后獲得物理值，物理值與實際值存在一定的偏差，因此設(shè)定了有效值范圍，本文涉及的海況反演數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)如表 2。

SST數(shù)據(jù)中先去掉無效值，再通過“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”計算出像素的物理值(式中Slope為斜率，Intercept為截距)，SST的物理值范圍限定在-2～45之間，小于-2的設(shè)置為-2，大于45的設(shè)置為45，SST物理值的單位是攝氏度(℃)。

CHL數(shù)據(jù)中先去掉無效值，再通過“value = (Slope*l3m-data) + Intercept”計算出像素的物理值(參數(shù)意義與SST中相同)，CHL的物理有效值范圍限定在0.01～20.0之間，小于0.01的設(shè)置為0，大于20.0的設(shè)置為20，CHL物理值的單位是mg /m3。

表 2 海況數(shù)據(jù)像素值參數(shù)

3.4 數(shù)據(jù)制圖

從海表溫度統(tǒng)計值來看，海洋表面一般在-2～30 ℃之間，南大洋溫度范圍還要小一些，以2012年1月30°S以南溫度月平均的影像為例，其統(tǒng)計直方圖如圖1所示，在26～45 ℃分布的數(shù)據(jù)很少，主要分布在0～26 ℃之間，并且分布較為均勻。制圖中采用分級設(shè)色，顏色從(R=56，G=168，B= 0)到(R=255, G=0,B= 0)漸變渲染，分級的方法按照式1計算。

(1)

式中：n為分級設(shè)色劃分的等級數(shù)，x為各等級的值，min(x)為數(shù)據(jù)值限定的最小值，max(x)為數(shù)據(jù)值限定的最大值。

圖2(a)是2015年11月9日南極的海表溫度分布數(shù)據(jù)，圖2(b) 是2015年11月9日48.1到48.3漁區(qū)的海表溫度分布數(shù)據(jù)。

MODIS反演的CHL值分布范圍由0向20呈現(xiàn)指數(shù)減少，以2012年1月的月平均值影像為例，其統(tǒng)計直方圖如圖3，在2～20mg/m3分布的數(shù)據(jù)很少，主要分布在0～1mg/m3之間，數(shù)據(jù)的數(shù)量下降曲線近似-log(X)。制圖中采用分級設(shè)色，顏色從(R=255,G=255,B= 190)到(R=38,G=115,B= 0)漸變渲染，分級的方法按照式2計算。

圖4(a)是2015年11月9日南極葉綠素濃度分布數(shù)據(jù)，圖4(b)是2015年11月9日48.1到48.3葉綠素濃度分布數(shù)據(jù)。

圖1 SST統(tǒng)計直方圖Fig.1 Histogram of SST

圖2 海表溫度分布圖Fig.2 Sea surface temperature

圖3 CHL統(tǒng)計直方圖Fig.3 Histogram of CHL

lg(min(x))

(2)

式中：n為分級設(shè)色劃分的等級數(shù)，x為各等級的值，min(x)為數(shù)據(jù)值限定的最小值，max(x)為數(shù)據(jù)值限定的最大值。

4 結(jié)論

南極探捕海域環(huán)境較復(fù)雜，海況對南極磷蝦豐度及其分布有顯著影響，南極海表溫度與葉綠素專題圖可以為漁業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究提供參考。遙感數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、多時相、周期短、費用低，以遙感反演數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，可以連續(xù)地提供南極海表溫度與葉綠素專題圖。本文通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)下載、解壓、裁剪、投影、數(shù)值計算、分級設(shè)色、制圖等過程自動化。遙感反演的數(shù)據(jù)先去掉無效值，再計算出像素的物理值，海表溫度的物理值范圍限定在-2～45之間，小于-2的設(shè)置為-2，大于45的設(shè)置為45，葉綠素的物理有效值范圍限定在0.01～20.0之間，小于0.01的設(shè)置為0，大于20.0的設(shè)置為20。數(shù)據(jù)按照公式劃分間隔分級設(shè)色制作成圖，疊加陸地、漁區(qū)等圖層，制作輸出專題圖。自動制圖程序部署在服務(wù)器后臺自動運行，到目前為止，程序已經(jīng)穩(wěn)定運行一年多，2015年海表溫度專題圖制作了694幅，葉綠素專題圖制作了703幅，專題圖通過FTP方式提供服務(wù)(ftp://www.rsfishery.cn)。

圖4 葉綠素分布圖Fig.4 Chlorophyll

[1]莊卉, 鄭崇偉, 賈本凱, 等. 南大西洋海域SST特征分析[J]. 延邊大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013,39(2): 153-156.

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[3]吳越, 黃洪亮, 劉健, 等. 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在海洋漁業(yè)中的應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014(6): 223-226.

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Automatic mapping of Antarctic sea surface temperature and chlorophyll thematic map

ZHANG Sheng-mao,ZHANG Heng, HUANG Hong-liang, FAN Wei*，

(KeyLaboratoryofEastChinaSea&OceanicFisheryResourcesExploitationandUtilization,MinistryofAgriculture,EastChinaSeaFisheriesResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200090 ,China)

There are abundant krill resources in the sea surrounding the Antarctica. The relationship between krill distribution and sea surface temperature and chlorophyll spatial distribution is very close. Through programming, data downloaded, unzip, cutting, projection, numerical calculation, grading design and other functions are realized, as well as land layer, fishing layer, map title, illustration, annotation adding functionality. The program is running in server background, and it can draw thematic map fully and automatically. The map can be used as

for the analysis on the krill resources distribution.

Antarctica; sea surface temperature; chlorophyll; thematic map; automatic mapping

2095-3666(2016)03-0186-07

10.13233/j.cnki.fishis.2016.03.005

2016-04-17

2016-05-27

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD13B01)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203018)；南極海洋生物資源開發(fā)利用專項(2010-2016)

張勝茂(1976-)，男，副研究員、博士，主研方向：漁業(yè)遙感，地理信息系統(tǒng)。

E-mail：ryshengmao@126.com

樊 偉， 男，博士，研究員，研究方向為漁業(yè)遙感與地理信息。E-mail:dhyqzh@sh163.net

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