2015Esri开发竞赛ENVI组作品欣赏——“基于主被动遥感技术的大气灰霾污染制图分析系统”
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2016-06-15
作品单位：中国矿业大学（徐州） 环境与测绘学院 地理信息科学专业
小组成员：马晓栋、仲城成、王洪林、沈阳阳
指导教师：秦凯、白杨
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_X ... .html
一、系统概述
基于主被动遥感技术的大气灰霾污染分析系统将计算机显示技术、数据库技术、网络技术，空间分析和遥感技术相结合，根据不同的用户需求，可以方便地处理遥感数据和雷达数据，并对实测数据进行显示、计算及分析。系统利用了卫星遥感影像数据和地基激光雷达数据，实现了对多源遥感影像的存储、显示、三维化、查询与分析的功能。可以自动绘制气溶胶在水平方向上、垂直大气分层方向上的浓度图像；通过合并图像，把两幅不同维度的信息合在一个三维立体空间中，从而可综合直观的观测气溶胶的空间分布情况。最后基于获取的信息实现对气溶胶的形成及发展变化机制的动态分析，从而辅助相关人员决策分析。
二、系统设计框架
系统主要以IDL为开发平台，AE为二次开发平台实现图像基本操作功能，C#及第三方界面软件DevExpress对系统界面进行美化。MODIS数据与激光雷达数据输入，处理，绘图，制图，输出和时空加权回归分析功能模块使用IDL编码实现，空间分析，三维显示等功能模块使用C#结合AE来实现。
系统功能结构
系统组织结构
三、系统功能设计
3.1基本处理功能
提供遥感影像的基本处理功能。包括能够打开各种形式的影像、保存影像、新建地图文档、导出图像、另存图像、退出。对加载的地图图层进行管理以及显示其详细的图像信息。对图层进行放大、缩小、漫游、全图功能，对界面主题进行更换；对遥感影像进行波段统计、颜色渲染。对栅格影像和矢量影像进行互相转换。对图像进行面积、距离的量测。对要素图层进行缓冲区分析、属性查询等功能。
3.2多算法多尺度气溶胶光学厚度反演
通过该模块实现AOD反演的两种算法，即暗像元法、Sara算法。
暗像元法反演AOD子模块，实现对Modis和HJ卫星影像的数据预处理、地表反射率以及角度计算、暗像元提取、建立6S查找表、反演AOD、综合成图等功能。
Sara算法反演AOD子模块，实现对Modis和Landsat卫星影像的数据预处理、影像裁剪、计算大气模式参数、反演AOD等功能。
暗像元法反演气溶胶功能菜单
MODIS-Sara算法反演气溶胶功能菜单
环境星-Sara算法反演气溶胶功能菜单
Landsat-Sara算法反演气溶胶功能菜单
MODIS数据反演气溶胶界面
HJ数据反演气溶胶界面
Landsat数据反演气溶胶界面
Landsat数据反演气溶胶结果
3.3激光雷达反演AOT垂直分布
对Calipso激光雷达获得数据进行处理并绘制AOT。对CAL_LID_L1级数据获取的数据，绘制反向散射衰减图以及卫星轨道图。对CAL_LID_L2级数据获取的数据，绘制AOT图以及卫星轨道图。
绘制AOT与消光系数界面
绘制结果
绘制卫星轨道
卫星轨道绘制结果
3.4综合分析批量制图
包括MODIS04数据获取AOD；空间分析统计和制图输出
1、Modis04获取AOD：
根据NASA提供的MODIS04影像，从中提取出AOD。转换HDF、绘制MODIS04影像、求取AOD年均值、月均值。
2、空间分析统计：
1）空间插值
对获取的各气象观测站观测的风力、湿度、温度、气压信息进行插值，以获取卫星影像覆盖范围内的插值结果。主要实现Krige插值、Spline插值、IDW插值方法。
2）生成等高线：实现要素生成等高线、栅格生成等高线。
3）统计分析：实现对获取的影像进行变化监测功能，然后对变化较大的区域进行选取，并合并输出，最后利用合并后的矢量图层统计各分区域的风湿温压的像元值（包括各区域的编号、区域面积、像元值的平均值、最大最小值、标准差）
3、地图制图输出：
对生成的AOD影像进行最终的成图整饰。对其进行添加标题、图例、指北针、比例尺；图廓整饰、要素移动、要素缩放、图框缩放；以及页面设置等基本功能。
3.5近地面颗粒物反演
使用个别点的地基实测颗粒物信息通过地理加权方法得到一片区域的颗粒物信息。
地理加权回归界面
差值得到的PM2.5结果图
3.6三维显示
实现对分析区域的三维动态分析，模拟真实场景。主要实现的功能有飞行、漫游、导航、放大、缩小以及打开图像、叠加DEM与TIN、坡度分析与通视分析等功能。
四、系统亮点
（1）数据源多样
本系统是基于主被动遥感数据源的分析制图系统。被动遥感影像数据源，主要是Modis数据、国产HJ星数据、Landsat陆地资源卫星数据；主动遥感影像数据源来自地基激光雷达Calipso获取的CAL_LID_L1级数据和CAL_LID_L2级数据。这是以往的遥感影像处理系统所不具备的。
（2）AOD反演算法多样
除了采用了传统的暗像元法进行Modis和HJ星的AOD反演。并且使用了Sara算法对Modis和LandSat进行了AOD反演，解决了暗像元法只对气溶胶类型为大陆型时精确度较高，而对城市型精度较低的影响，扩大了AOD的反演类型范围。
（3）激光雷达绘图
可以对不同级别的激光雷达数据进行反演和绘制，同时可以绘制其卫星轨道，使用户对卫星的运行有深刻的了解。同时主被动遥感所得到的AOD图像可以同时显示在窗体中，用户可以结合AOD的水平与垂直信息进行分析与决策。
（4）地理加权回归分析模型
在颗粒物反演模块中使用最新的时空加权回归分析模型，此模型的建立模型的考虑到不同时间，地理位置等因素对模型建立的影响程度，以时空窗口的大小对其进行控制，以得到最真实的数学模型。对得到的PM2.5等空气质量数据与气溶胶光学厚度、风、温度、湿度等因素之间，建立数学模型，探究其联系，为分析决策提供帮助。
（5）自行绘制感兴趣区并分区统计
用户可以选择遥感影像上值变化较大的区域，进行感兴趣区域的提取，并自动将提取的栅格影像转化为矢量图层，并存储到数据库中。最后根据所提取的区域自动统计风湿温压影像中的像元值，并输出为Word文档，以帮助研究人员分析决策。
（6）三维显示
将反演得到AOD数据的三维显示成为可能，使用户能更加直观的看到AOD的分布状况，影响范围等。同时，又结合空间分析，为用户分析与决策提供帮助。
（7）良好美观的用户交互界面
本系统采用的Office2007风格的操作界面，采用第三方插件DevExpress现，系统主题颜色背景可以根据喜好更换，系统主界面、功能界面设计合理、简洁大方、便于使用。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102wtr6.html
小组成员：马晓栋、仲城成、王洪林、沈阳阳
指导教师：秦凯、白杨
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_X ... .html
一、系统概述
基于主被动遥感技术的大气灰霾污染分析系统将计算机显示技术、数据库技术、网络技术，空间分析和遥感技术相结合，根据不同的用户需求，可以方便地处理遥感数据和雷达数据，并对实测数据进行显示、计算及分析。系统利用了卫星遥感影像数据和地基激光雷达数据，实现了对多源遥感影像的存储、显示、三维化、查询与分析的功能。可以自动绘制气溶胶在水平方向上、垂直大气分层方向上的浓度图像；通过合并图像，把两幅不同维度的信息合在一个三维立体空间中，从而可综合直观的观测气溶胶的空间分布情况。最后基于获取的信息实现对气溶胶的形成及发展变化机制的动态分析，从而辅助相关人员决策分析。
二、系统设计框架
系统主要以IDL为开发平台，AE为二次开发平台实现图像基本操作功能，C#及第三方界面软件DevExpress对系统界面进行美化。MODIS数据与激光雷达数据输入，处理，绘图，制图，输出和时空加权回归分析功能模块使用IDL编码实现，空间分析，三维显示等功能模块使用C#结合AE来实现。
系统功能结构
系统组织结构
三、系统功能设计
3.1基本处理功能
提供遥感影像的基本处理功能。包括能够打开各种形式的影像、保存影像、新建地图文档、导出图像、另存图像、退出。对加载的地图图层进行管理以及显示其详细的图像信息。对图层进行放大、缩小、漫游、全图功能，对界面主题进行更换；对遥感影像进行波段统计、颜色渲染。对栅格影像和矢量影像进行互相转换。对图像进行面积、距离的量测。对要素图层进行缓冲区分析、属性查询等功能。
3.2多算法多尺度气溶胶光学厚度反演
通过该模块实现AOD反演的两种算法，即暗像元法、Sara算法。
暗像元法反演AOD子模块，实现对Modis和HJ卫星影像的数据预处理、地表反射率以及角度计算、暗像元提取、建立6S查找表、反演AOD、综合成图等功能。
Sara算法反演AOD子模块，实现对Modis和Landsat卫星影像的数据预处理、影像裁剪、计算大气模式参数、反演AOD等功能。
暗像元法反演气溶胶功能菜单
MODIS-Sara算法反演气溶胶功能菜单
环境星-Sara算法反演气溶胶功能菜单
Landsat-Sara算法反演气溶胶功能菜单
MODIS数据反演气溶胶界面
HJ数据反演气溶胶界面
Landsat数据反演气溶胶界面
Landsat数据反演气溶胶结果
3.3激光雷达反演AOT垂直分布
对Calipso激光雷达获得数据进行处理并绘制AOT。对CAL_LID_L1级数据获取的数据，绘制反向散射衰减图以及卫星轨道图。对CAL_LID_L2级数据获取的数据，绘制AOT图以及卫星轨道图。
绘制AOT与消光系数界面
绘制结果
绘制卫星轨道
卫星轨道绘制结果
3.4综合分析批量制图
包括MODIS04数据获取AOD；空间分析统计和制图输出
1、Modis04获取AOD：
根据NASA提供的MODIS04影像，从中提取出AOD。转换HDF、绘制MODIS04影像、求取AOD年均值、月均值。
2、空间分析统计：
1）空间插值
对获取的各气象观测站观测的风力、湿度、温度、气压信息进行插值，以获取卫星影像覆盖范围内的插值结果。主要实现Krige插值、Spline插值、IDW插值方法。
2）生成等高线：实现要素生成等高线、栅格生成等高线。
3）统计分析：实现对获取的影像进行变化监测功能，然后对变化较大的区域进行选取，并合并输出，最后利用合并后的矢量图层统计各分区域的风湿温压的像元值（包括各区域的编号、区域面积、像元值的平均值、最大最小值、标准差）
3、地图制图输出：
对生成的AOD影像进行最终的成图整饰。对其进行添加标题、图例、指北针、比例尺；图廓整饰、要素移动、要素缩放、图框缩放；以及页面设置等基本功能。
3.5近地面颗粒物反演
使用个别点的地基实测颗粒物信息通过地理加权方法得到一片区域的颗粒物信息。
地理加权回归界面
差值得到的PM2.5结果图
3.6三维显示
实现对分析区域的三维动态分析，模拟真实场景。主要实现的功能有飞行、漫游、导航、放大、缩小以及打开图像、叠加DEM与TIN、坡度分析与通视分析等功能。
四、系统亮点
（1）数据源多样
本系统是基于主被动遥感数据源的分析制图系统。被动遥感影像数据源，主要是Modis数据、国产HJ星数据、Landsat陆地资源卫星数据；主动遥感影像数据源来自地基激光雷达Calipso获取的CAL_LID_L1级数据和CAL_LID_L2级数据。这是以往的遥感影像处理系统所不具备的。
（2）AOD反演算法多样
除了采用了传统的暗像元法进行Modis和HJ星的AOD反演。并且使用了Sara算法对Modis和LandSat进行了AOD反演，解决了暗像元法只对气溶胶类型为大陆型时精确度较高，而对城市型精度较低的影响，扩大了AOD的反演类型范围。
（3）激光雷达绘图
可以对不同级别的激光雷达数据进行反演和绘制，同时可以绘制其卫星轨道，使用户对卫星的运行有深刻的了解。同时主被动遥感所得到的AOD图像可以同时显示在窗体中，用户可以结合AOD的水平与垂直信息进行分析与决策。
（4）地理加权回归分析模型
在颗粒物反演模块中使用最新的时空加权回归分析模型，此模型的建立模型的考虑到不同时间，地理位置等因素对模型建立的影响程度，以时空窗口的大小对其进行控制，以得到最真实的数学模型。对得到的PM2.5等空气质量数据与气溶胶光学厚度、风、温度、湿度等因素之间，建立数学模型，探究其联系，为分析决策提供帮助。
（5）自行绘制感兴趣区并分区统计
用户可以选择遥感影像上值变化较大的区域，进行感兴趣区域的提取，并自动将提取的栅格影像转化为矢量图层，并存储到数据库中。最后根据所提取的区域自动统计风湿温压影像中的像元值，并输出为Word文档，以帮助研究人员分析决策。
（6）三维显示
将反演得到AOD数据的三维显示成为可能，使用户能更加直观的看到AOD的分布状况，影响范围等。同时，又结合空间分析，为用户分析与决策提供帮助。
（7）良好美观的用户交互界面
本系统采用的Office2007风格的操作界面，采用第三方插件DevExpress现，系统主题颜色背景可以根据喜好更换，系统主界面、功能界面设计合理、简洁大方、便于使用。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102wtr6.html
