2014Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“基于GF-1影像的水文下垫面分类制图系统”
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2016-06-06
作品单位：河海大学 地球科学与工程学院
小组成员：杨文治，王金龙，许莹，宋军伟
指导教师：张友静，佘远见
获奖情况：三等奖
在线视频：http://v.youku.com/v_show/id_XODAwOTczMzky.html?f=22042559
一、系统概述
系统以GF-1号为数据源，将流域下垫面专题制图系统设计中所涉及的组件技术、RS技术、GIS技术、数据库技术与流域下垫面特征“描述器”（流域下垫面综合特征定量描述的方法）等模型与方法进行综合集成。采用IDL分块数据处理方式与多线程的运行方式，实现了对大数据量的GF-1影像的数据处理，提高了系统运行的效率；采用多窗口交互式通信的方式，实现了不同模块之间及模块与主窗口之间参数与变量的交互。采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器进行遥感影像分类，然后利用多分类器组合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则进行组合，实现了多分类器遥感影像分类成果的融合，完成了下垫面信息的提取。
二、系统设计框架
基于GF-1影像的水文下垫面分类制图系统采用结构化的设计方法，主要包括以下六个功能模块：基本功能模块、数据预处理模块、分类特征提取模块、下垫面分类模块、专题图制作模块，帮助模块。
图1 系统设计框架图
三、系统功能设计
1. 基本功能模块
基础功能模块主要包括方案管理、数据操作。
n 新建方案
方案管理中新建方案主要通过axMapControl1控件的Map.clearlayers（）接口实现所有图层的删除与刷新。
n 添加方案
添加方案通过MapDocument的Open（）接口打开mxd文件，通过循环遍历mxd文件中所有的图层，并将它添加到axMapControl1中。
n 保存方案
保存方案主要通过IMapDocument接口的save命令实现mxd文件的保存。
n 视图操作：
基本影像数据操作，缩放、平移、全景、鹰眼。
n 图层管理：
基本图层控制，可添加/删除图层、显示/隐藏所选择的图层、调整突出顺序；
n 单/多波段合成显示：
支持单波段显示色彩方案、多波段影像不同波段（R,G,B）彩色合成方案设置。
图2 系统主界面
图3 图层管理的右键菜单
2. 数据预处理模块
数据预处理设计主要用于GF-1星数据的预处理，包括了辐射定标、影像裁剪、波段运算、波段合成、数据重采样、投影转换等。
图4 辐射定标运行界面
图5 波段运算运行界面
3. 分类特征提取模块
流域下垫面覆盖特征提取模块包括了下垫面参数提取及影像变换。下垫面参数可作为规则集后处理的参数输入，影像变换可增强影像信息。
图6 最小噪声变换运行界面
图7 纹理特征提取运行界面
4. 下垫面分类模块
根据流域下垫面地表覆盖特征分类标准，流域下垫面地表覆盖特征分为植被、水体、不透水率、裸地、耕地五类。利用GF-1影像为数据源进行流域下垫面地表覆盖特征提取，若采用传统的遥感影像分类方法，需要不断重复一些复杂操作，不仅耗时耗力而且容易出错。同时，大多数的遥感分类系统主要面对遥感数据处理专业人员，对于一些不具备丰富的遥感影像分类知识的人员或非专业遥感数据处理人员，更难以保证数据处理效率。因此，如何简化遥感影像分类的操作过程，保证遥感影像分类的精度，规范遥感影像分类的流程，是系统功能设计中考虑的主要问题之一。
针对这些问题，本文设计了基于特征选择的多分类器组合分类方法，面向流域下垫面地表各覆盖特征对象，实现了下垫面地表覆盖特征的快速提取。针对流域下垫面地表覆盖特征分要素提取的要求，对不同的下垫面地表覆盖分类对象，建立了特征选择先验知识库；采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器，对多分类器融合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则进行组合，实现了多分类器遥感影像分类成果的融合；建立了影像分类后处理规则，实现了对下垫面地表覆盖特征分类成果的后处理功能。
该提取模型避免了常用遥感分类系统需要进行频繁波段运算构建分类特征集与分类后处理的操作的弊端，减少了对用户专业知识的依赖程度，提高了分类提取效率，实现了流域下垫面覆盖特征的一键式快速提取。同时，模型中除了具备常规的遥感分类后处理功能外，还允许用户通过自建后处理规则的方法实现对分类成果的进一步处理。该设计充分考虑了先验知识的作用，提高了分类的精度。基于特征选择的多分类器组合分类方法的设计思想如图8：
图8 基于特征选择的多分类器组合分类方法的设计流程
图9 样本选取界面
图10 支持向量机分类运行界面
图11 植被提取运行界面
图12 分类融合运行界面
图13 分类后处理：最大最小分析运行界面
图14 精度评价运行界面
5. 专题图制作模块
专题图制作功能主要包括专题要素的添加与专题图要素的整饰等功能。专题图要素的添加一般指图名、图例、指北针、方格网、比例尺的设置等功能。
图15 制图界面
图16 添加经纬网
四、系统亮点
(1) C#+ IDL +AE混合编程
系统将AE丰富的开发组件与可以高效处理影像数据的IDL语言很好的结合起来，并采用C#语言，通过混合编程，实现AE平台和IDL之间图像处理工作流的无缝连接和交换，将遥感模型、流域下垫面综合特征“描述器”与GIS模型集成，使得系统可以完成遥感数据的专业处理与分析，又能完成GIS的空间分析与制图出图工作，形成一个遥感与GIS的一体化平台。
(2) 采用GF-1影像数据
“高分一号”卫星是《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)》十六个重大专项中的中国高分辨率对地观测系统的首发星。高分一号卫星虽然没有提供更高空间分辨率的影像，但它具有高空间分辨率、高时间分辨率、大覆盖范围、一星多应用目标等特点，更加注重卫星影像的民用性。高分一号卫星在技术上实现了多项突破，对于提升我国卫星研制水平具有重要意义。
(3) 基于特征选择的多分类器组合分类方法
针对流域下垫面地表覆盖特征分要素提取的要求，利用数据挖掘软件分析样本数据，建立基于下垫面各分类对象的遥感影像分类特征选择先验知识库；采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器，进行各要素的分类，利用多分类器组合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则，实现多分类器遥感影像分类成果的融合。
(4) 简约高效的用户交互界面
系统提供换肤功能。通过窗体继承devXpress插件的窗体风格，用户可在“帮助”菜单设置自己喜欢的皮肤。
系统将样本选取及分类功能集成在系统主界面下，风格集约高效。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_764b1e9d0102v6gx.html
小组成员：杨文治，王金龙，许莹，宋军伟
指导教师：张友静，佘远见
获奖情况：三等奖
在线视频：http://v.youku.com/v_show/id_XODAwOTczMzky.html?f=22042559
一、系统概述
系统以GF-1号为数据源，将流域下垫面专题制图系统设计中所涉及的组件技术、RS技术、GIS技术、数据库技术与流域下垫面特征“描述器”（流域下垫面综合特征定量描述的方法）等模型与方法进行综合集成。采用IDL分块数据处理方式与多线程的运行方式，实现了对大数据量的GF-1影像的数据处理，提高了系统运行的效率；采用多窗口交互式通信的方式，实现了不同模块之间及模块与主窗口之间参数与变量的交互。采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器进行遥感影像分类，然后利用多分类器组合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则进行组合，实现了多分类器遥感影像分类成果的融合，完成了下垫面信息的提取。
二、系统设计框架
基于GF-1影像的水文下垫面分类制图系统采用结构化的设计方法，主要包括以下六个功能模块：基本功能模块、数据预处理模块、分类特征提取模块、下垫面分类模块、专题图制作模块，帮助模块。
三、系统功能设计
1. 基本功能模块
基础功能模块主要包括方案管理、数据操作。
n 新建方案
方案管理中新建方案主要通过axMapControl1控件的Map.clearlayers（）接口实现所有图层的删除与刷新。
n 添加方案
添加方案通过MapDocument的Open（）接口打开mxd文件，通过循环遍历mxd文件中所有的图层，并将它添加到axMapControl1中。
n 保存方案
保存方案主要通过IMapDocument接口的save命令实现mxd文件的保存。
n 视图操作：
基本影像数据操作，缩放、平移、全景、鹰眼。
n 图层管理：
基本图层控制，可添加/删除图层、显示/隐藏所选择的图层、调整突出顺序；
n 单/多波段合成显示：
支持单波段显示色彩方案、多波段影像不同波段（R,G,B）彩色合成方案设置。
图3 图层管理的右键菜单
2. 数据预处理模块
数据预处理设计主要用于GF-1星数据的预处理，包括了辐射定标、影像裁剪、波段运算、波段合成、数据重采样、投影转换等。
图4 辐射定标运行界面
图5 波段运算运行界面
3. 分类特征提取模块
流域下垫面覆盖特征提取模块包括了下垫面参数提取及影像变换。下垫面参数可作为规则集后处理的参数输入，影像变换可增强影像信息。
图6 最小噪声变换运行界面
图7 纹理特征提取运行界面
4. 下垫面分类模块
根据流域下垫面地表覆盖特征分类标准，流域下垫面地表覆盖特征分为植被、水体、不透水率、裸地、耕地五类。利用GF-1影像为数据源进行流域下垫面地表覆盖特征提取，若采用传统的遥感影像分类方法，需要不断重复一些复杂操作，不仅耗时耗力而且容易出错。同时，大多数的遥感分类系统主要面对遥感数据处理专业人员，对于一些不具备丰富的遥感影像分类知识的人员或非专业遥感数据处理人员，更难以保证数据处理效率。因此，如何简化遥感影像分类的操作过程，保证遥感影像分类的精度，规范遥感影像分类的流程，是系统功能设计中考虑的主要问题之一。
针对这些问题，本文设计了基于特征选择的多分类器组合分类方法，面向流域下垫面地表各覆盖特征对象，实现了下垫面地表覆盖特征的快速提取。针对流域下垫面地表覆盖特征分要素提取的要求，对不同的下垫面地表覆盖分类对象，建立了特征选择先验知识库；采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器，对多分类器融合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则进行组合，实现了多分类器遥感影像分类成果的融合；建立了影像分类后处理规则，实现了对下垫面地表覆盖特征分类成果的后处理功能。
该提取模型避免了常用遥感分类系统需要进行频繁波段运算构建分类特征集与分类后处理的操作的弊端，减少了对用户专业知识的依赖程度，提高了分类提取效率，实现了流域下垫面覆盖特征的一键式快速提取。同时，模型中除了具备常规的遥感分类后处理功能外，还允许用户通过自建后处理规则的方法实现对分类成果的进一步处理。该设计充分考虑了先验知识的作用，提高了分类的精度。基于特征选择的多分类器组合分类方法的设计思想如图8：
图8 基于特征选择的多分类器组合分类方法的设计流程
图9 样本选取界面
图10 支持向量机分类运行界面
图11 植被提取运行界面
图12 分类融合运行界面
图13 分类后处理：最大最小分析运行界面
图14 精度评价运行界面
5. 专题图制作模块
专题图制作功能主要包括专题要素的添加与专题图要素的整饰等功能。专题图要素的添加一般指图名、图例、指北针、方格网、比例尺的设置等功能。
图15 制图界面
图16 添加经纬网
四、系统亮点
(1) C#+ IDL +AE混合编程
系统将AE丰富的开发组件与可以高效处理影像数据的IDL语言很好的结合起来，并采用C#语言，通过混合编程，实现AE平台和IDL之间图像处理工作流的无缝连接和交换，将遥感模型、流域下垫面综合特征“描述器”与GIS模型集成，使得系统可以完成遥感数据的专业处理与分析，又能完成GIS的空间分析与制图出图工作，形成一个遥感与GIS的一体化平台。
(2) 采用GF-1影像数据
“高分一号”卫星是《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006-2020年)》十六个重大专项中的中国高分辨率对地观测系统的首发星。高分一号卫星虽然没有提供更高空间分辨率的影像，但它具有高空间分辨率、高时间分辨率、大覆盖范围、一星多应用目标等特点，更加注重卫星影像的民用性。高分一号卫星在技术上实现了多项突破，对于提升我国卫星研制水平具有重要意义。
(3) 基于特征选择的多分类器组合分类方法
针对流域下垫面地表覆盖特征分要素提取的要求，利用数据挖掘软件分析样本数据，建立基于下垫面各分类对象的遥感影像分类特征选择先验知识库；采用分类性以及多样性最好的最大似然、支持向量机（SVM）、神经网络（BP）等三种分类器作为子分类器，进行各要素的分类，利用多分类器组合算法投票/加权投票法、贝叶斯平均法、意见一致性原则，实现多分类器遥感影像分类成果的融合。
(4) 简约高效的用户交互界面
系统提供换肤功能。通过窗体继承devXpress插件的窗体风格，用户可在“帮助”菜单设置自己喜欢的皮肤。
系统将样本选取及分类功能集成在系统主界面下，风格集约高效。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_764b1e9d0102v6gx.html
