2014Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“基于多源多尺度遥感影像秸秆燃烧监测及环境评”
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2016-06-08
作品单位：中国矿业大学 环境与测绘学院 地理信息系统
小组成员：夏海萍、欧德品、马伟波、周建彤
指导教师：谭琨
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XODAxNTA0MjQ0.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
利用基于多源遥感信息的遥感图像反演方法与变化监测等技术，实现对实测数据进行分类、分析，对秸秆焚烧进行实时监测及变化影响分析，建立基于多源多尺度遥感影像的秸秆焚烧环境影响分析系统十分必要。在提取火点的基础上，对火点周围环境在焚烧前后的物质变化通过光谱匹配与识别去分析，然后通过各种模型提取出各种环境因子指标，利用GIS中的空间分析和地理统计方法，建立焚烧影响变化的时空分布模型，在对火点周围环境进行分析与模拟的同时，也可预测未知火点对其周围环境的影响。
本项目是基于ENVI 5.1/IDL 8.3和ArcGIS Engine10.2技术框架，利用基于多源遥感信息的遥感图像反演方法与变化监测等技术，结合GIS中的空间分析和地理统计方法，遵循环境监测精度要求，构建从影像数据输入、影像数据的预处理（定标、校正、增强处理等）、影像数据精确分类，火点提取及环境影响尺度分析的环境监测预警预测信息系统。与传统的监测方法相比，该系统是一种更能反映现实的信息管理系统，不仅可以直观地提取灾害区域的火点分布，还能根据火点区域的监测影像分析在焚烧前后的环境变化，将秸秆焚烧对环境影响量化地呈现，提供给相关部门较为精确的数据分析结果。
二、系统设计框架
本系统基于ENVI/IDL和ArcGIS Engine的功能和函数，利用强大和灵活的C#程序设计语言，主要针对秸秆焚烧问题，通过遥感监测的方法，引进多线程技术，采用Visual Studio2010平台进行开发，注重系统的并发性能和小区域数据处理的实时性，并提供对未知情况的模拟与预警，能够达到对秸秆焚烧的及时监测并对火点区域的环境状况进行跟踪研究。
基于多源多尺度遥感影像秸秆燃烧监测及环境评估系统的开发具备4层体系结构（系统体系结构见下图）：
图：系统体系架构图
本系统可以实现以下功能：数据管理、数据处理、查询、统计与显示、物质分析、环境影响的反演与分析、影响评价及报表的生成、火点模拟分析、专题图生成等功能。系统功能模块图如下图所示。
图：系统功能模块图
三、系统功能设计
3.1 影像预处理模块
该模块主要包括遥感影像的数据压缩管理，其主要实现了高光谱遥感影像的波段选择与特征提取功能，便于系统对高光谱影像进行高效快速的处理；该模块还包括核心部分遥感影像预处理，其主要包括几何校正、大气校正以及影像去云处理功能，由于遥感图像在获取过程中，受到如大气吸收与散射、传感器定标、地形等因素的影响，且它们会随时间的不同而有所差异，因而需要对这些误差加以改正，可以方便用户对遥感影像处理为后续工作做准备；遥感影像分类模块主要包括遥感分类的基本方法，包括ROI绘制、监督分类与非监督分类、支持向量机分类法、人工神经元网络法等分类方法，通过遥感影像的分类可以对地区的土地利用情况有一个大致的了解；该模块还集成了常用的遥感分析工具，主要包括平滑、拉伸、锐化等影像增强方法，基本满足用户对影像处理的需求；该模块还提供了影像的一些基本的GIS分析功能，主要包括图像的裁剪、联合及更新。
图：影像几何校正
图：PCA变换结果
图：波段计算功能
3.2 光谱识别及分析模块
本模块采用HJ 1A 1B数据，结合高光谱图像的光谱匹配算法，对经过图像预处理的遥感影像进行目标识别，获取物质成分信息。该模块的主要功能包括PPI纯净像元提取、混合像元分解、波谱匹配等。波谱匹配采用的算法包括二值匹配法、光谱角填图法、交叉相关法等。用于波谱匹配的光谱来自于USGS矿物波谱库、植被波谱库、JHU波谱库等。用户也可以将自行测定的光谱导入到系统波谱库中。
图：波谱库操作界面
3.3 植被分析模块
该模块是系统的核心模块之一，其主要功能就是实现对秸秆焚烧期间植被受到影响的分析。植被影响分析主要从植被覆盖率、植物叶片含水量、叶片有机质含量入手。通过计算若干植被指数，分离出植被分布与土壤分布图。植被衰减则通过比较不同时期的植被覆盖来获取。植被的健康评价则综合植被有机质含量、水含量、光利用率来进行分析。由于秸秆焚烧的特殊性，其对植被的影响具体表现在对农作物的影响，该模块的健康评价也是建立在农作物的物质含量来进行测评的。该模块使用的数据是经过大气校正等预处理的MODIS数据。
图：ARVI计算结果
图：植被分离结果
图：植被衰减变化图
图：叶片有机质含量
图：植被健康指数图
3.4 土壤分析模块
该模块主要完成对土壤的健康测评工作。土壤的健康指数由其生长的植物所决定，不同植物对土壤的要求不同，因此该模块的分析不针对特定植物，仅仅从影响土壤健康的若干因子出发，分析各影响因子的数据，用户可以根据分析得到的数据结合相关区域的作物进行进一步的分析。影响土壤健康的因子包括土壤温度、土壤湿度、土壤有机质含量。该模块利用遥感影像实现地表土壤温度的反演、地表湿度反演及有机质反演，然后根据焚烧前后不同时期内的影像分析各因子的变化。该模块也包括土壤成分获取的功能，通过光谱分析模块对经过土壤分离的影像进行光谱匹配与目标识别，获取土壤内部的成分。然后通过不同时期的土壤因子分析土壤的健康程度。
图：地表温度反演
图：地表湿度反演
图：土壤评估分析结果
3.5 气溶胶分析模块
该模块的主要功能就是实现气溶胶的反演与分析。气溶胶反演的过程包括影像辐射校正、几何校正、去云处理、生成查找表、获得气溶胶光学厚度等。气溶胶厚度反演利用6S模型对MODIS影像进行分析，生成查找表后提取AOD。气溶胶的分析包括气溶胶的含量变化分析及气溶胶的影响范围。通过不同时期的影像来进行反演与比较可以得到气溶胶的含量变化，气溶胶的空间分布通过反演的结果获取。
图：去云结果文件
图：获取气溶胶光学厚度值
3.6 时空模型分析及火点模拟模块
该模块是系统的核心。对该模块的分析需要结合火点信息和之前植被分析、土壤分析、气溶胶分析的结果，权衡各因子的影响比重，得到一个秸秆焚烧对环境时空影响分布的结果。该模块的功能包括火点提取、影响分析、模型建立。火点提取采用MODIS数据进行预处理、去云、去耀斑、大气校正、热异常点提取等获得。将火点数据分别与植被、土壤、气溶胶的分析结果相结合，得到植被时空影响分析、土壤时空影响分析、气溶胶时空影响分析。根据得到的分析结果，用户可以对该区域自定义绘制火点，并进行火点对周围环境影响的模拟。
图：逐一提取火点空间位置
图：植被时空影响
3.7 地理统计分析模块
地理统计分析是本系统的一项重要功能，主要实现所有的分析结果和各种专题信息在某种介质上以地图的形式输出并保存在计算机中。地图制图指的是图名、图廓、图例、附图及各种说明的位置、范围、大小及形式的设计和配置，地图制图是地图在输出之前进行的一道工序。该模块功能完善，以较强的流程化处理减轻了工作人员的劳动强度，提高了劳动效率，也有助于工作管理的科学化、规范化，提高了系统的实用性。
图：制图输出
四、系统亮点
（1）数据来源多样，信息丰富，获取方便，且挖掘充分
本系统采用多源遥感信息，所需数据来源于不同遥感影像的数据挖掘，数据来源广、获取易、挖掘充分：如植被、土壤、气溶胶的分析及火点的提取均以MODIS较为初级L1B影像为数据源，地物的识别与分类采用HJ1-A HIS 影像为数据源，物质提取则结合实测采样数据进行光谱分析。本系统具有充分挖掘多源信息的优势，实现了多源遥感数据对秸秆燃烧研究的综合应用。
（2）系统针对性强，基本功能强大，对火点的影响情况实现一体化分析
本系统功能协同植被、土壤、大气三个基本环境质量因子展开，系统综合性强，结合定性和定量的方法分析，针对秸秆燃烧对环境的影响进行多时域的分析；同时对物质成分通过光谱匹配来进行识别与提取。系统中既有针对单一环境要素的质量进行评价，又有针对综合各种环境因子的综合质量评价。总之，环境质量评价结果准确可靠。
（3）多线程技术增加系统处理速度
系统使用多线程技术进行开发，这不仅可以让系统同时处理多个任务，增加数据处理的效率，还可以在处理任务的时候，不让主程序"卡死"，让用户继续使用系统的其他功能。
（4）系统模块间独立性强，有良好可拓展性
整个系统遵循模块化设计思想，模块间独立性高，每个模块完成一项特定的子功能，然后将所有的模块组装起来，成为一个整体，达到完成整个系统所要求的功能的目的。植被、土壤、大气三个核心子系统之间设计独立、运行独立，仅依靠数据连接，实现了系统模块划分方面高内聚低耦合，使系统更加稳定使系统的独立性可拓展性得到很大提高。
另外，技术发开方面采用预编译处理关键程序接口代码，使系统运行更加快速流畅。
（5）系统模块功能完善
本系统集成了包括校正、裁剪、拉伸、锐化、平滑等所有系统需要的影像预处理基本功能，所有系统相关操作都可在系统界面下完成。在主要功能模块，系统对植被大气土壤的展开细致分析功能更为具体，能满足对秸秆燃烧环境评估的需求。而且系统集成了完备的地图输出功能，图例、指北针、比例尺添加窗口简单方便，专题地图可在系统内制作、整饰、输出。
（6）友好的用户界面
用户界面是应用程序的重要组成部分，所以本系统在用户界面的设计上做了很多方面的考虑，例如一共需要使用多少个窗体、要不要使用菜单、要不要创建工具栏、采用什么样的方式来与用户交换信息、应当给用户提供哪些帮助等。本系统采用第三方控件DevExpress实现灵活的系统框架，通过多次反复的设计和测试，系统的主界面、功能界面、附属界面、帮助文档等都做得科学合理，美观大方，便于使用。系统风格简洁大方，可以适用于不同的用户，尽最大可能满足用户的需求。
（7）系统人性化服务，操作便捷，易于掌握
本系统中的数据处理大大简化了专业遥感GIS软件中繁琐的数据参数设置等环节。在本系统中，大部分的数据操作处理操作仅需要用户将待处理的数据首先在TOC中点击选中，然后再在点击选择菜单栏中的功能图标即可开始处理数据。因为本系统所需数据都是特定类型的，在数据处理方法方面我们在后台已经为用户选择好最优的处理方式及相应参数设置，所以处理的结果精度是可靠的。如此一来，为用户快速上手熟悉并掌握本系统软件提供了便利，并且为用户大大节省了在数据处理专业参数设置难题以及多个环节上的时间损耗。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v6ge.html
小组成员：夏海萍、欧德品、马伟波、周建彤
指导教师：谭琨
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XODAxNTA0MjQ0.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
利用基于多源遥感信息的遥感图像反演方法与变化监测等技术，实现对实测数据进行分类、分析，对秸秆焚烧进行实时监测及变化影响分析，建立基于多源多尺度遥感影像的秸秆焚烧环境影响分析系统十分必要。在提取火点的基础上，对火点周围环境在焚烧前后的物质变化通过光谱匹配与识别去分析，然后通过各种模型提取出各种环境因子指标，利用GIS中的空间分析和地理统计方法，建立焚烧影响变化的时空分布模型，在对火点周围环境进行分析与模拟的同时，也可预测未知火点对其周围环境的影响。
本项目是基于ENVI 5.1/IDL 8.3和ArcGIS Engine10.2技术框架，利用基于多源遥感信息的遥感图像反演方法与变化监测等技术，结合GIS中的空间分析和地理统计方法，遵循环境监测精度要求，构建从影像数据输入、影像数据的预处理（定标、校正、增强处理等）、影像数据精确分类，火点提取及环境影响尺度分析的环境监测预警预测信息系统。与传统的监测方法相比，该系统是一种更能反映现实的信息管理系统，不仅可以直观地提取灾害区域的火点分布，还能根据火点区域的监测影像分析在焚烧前后的环境变化，将秸秆焚烧对环境影响量化地呈现，提供给相关部门较为精确的数据分析结果。
二、系统设计框架
本系统基于ENVI/IDL和ArcGIS Engine的功能和函数，利用强大和灵活的C#程序设计语言，主要针对秸秆焚烧问题，通过遥感监测的方法，引进多线程技术，采用Visual Studio2010平台进行开发，注重系统的并发性能和小区域数据处理的实时性，并提供对未知情况的模拟与预警，能够达到对秸秆焚烧的及时监测并对火点区域的环境状况进行跟踪研究。
基于多源多尺度遥感影像秸秆燃烧监测及环境评估系统的开发具备4层体系结构（系统体系结构见下图）：
- 用户表现层（表示层）：系统通过对各类人员分级授权的方式进行展示；
- 业务逻辑层（中间层）：提供基础的应用服务，中间层包括：基础应用模块（包括信息查询、数据交换、数据维护、空间分析、火点模拟等模块）；
- 信息资源层(数据层)：主要包括区域遥感影像数据、光谱数据、区域基础地理信息数据等；
- 系统层：主要包括系统搭建所需的软硬件平台，如客户端的硬件配置，系统运行的软件环境等。
图：系统体系架构图
本系统可以实现以下功能：数据管理、数据处理、查询、统计与显示、物质分析、环境影响的反演与分析、影响评价及报表的生成、火点模拟分析、专题图生成等功能。系统功能模块图如下图所示。
图：系统功能模块图
三、系统功能设计
3.1 影像预处理模块
该模块主要包括遥感影像的数据压缩管理，其主要实现了高光谱遥感影像的波段选择与特征提取功能，便于系统对高光谱影像进行高效快速的处理；该模块还包括核心部分遥感影像预处理，其主要包括几何校正、大气校正以及影像去云处理功能，由于遥感图像在获取过程中，受到如大气吸收与散射、传感器定标、地形等因素的影响，且它们会随时间的不同而有所差异，因而需要对这些误差加以改正，可以方便用户对遥感影像处理为后续工作做准备；遥感影像分类模块主要包括遥感分类的基本方法，包括ROI绘制、监督分类与非监督分类、支持向量机分类法、人工神经元网络法等分类方法，通过遥感影像的分类可以对地区的土地利用情况有一个大致的了解；该模块还集成了常用的遥感分析工具，主要包括平滑、拉伸、锐化等影像增强方法，基本满足用户对影像处理的需求；该模块还提供了影像的一些基本的GIS分析功能，主要包括图像的裁剪、联合及更新。
图：影像几何校正
图：PCA变换结果
图：波段计算功能
3.2 光谱识别及分析模块
本模块采用HJ 1A 1B数据，结合高光谱图像的光谱匹配算法，对经过图像预处理的遥感影像进行目标识别，获取物质成分信息。该模块的主要功能包括PPI纯净像元提取、混合像元分解、波谱匹配等。波谱匹配采用的算法包括二值匹配法、光谱角填图法、交叉相关法等。用于波谱匹配的光谱来自于USGS矿物波谱库、植被波谱库、JHU波谱库等。用户也可以将自行测定的光谱导入到系统波谱库中。
图：波谱库操作界面
3.3 植被分析模块
该模块是系统的核心模块之一，其主要功能就是实现对秸秆焚烧期间植被受到影响的分析。植被影响分析主要从植被覆盖率、植物叶片含水量、叶片有机质含量入手。通过计算若干植被指数，分离出植被分布与土壤分布图。植被衰减则通过比较不同时期的植被覆盖来获取。植被的健康评价则综合植被有机质含量、水含量、光利用率来进行分析。由于秸秆焚烧的特殊性，其对植被的影响具体表现在对农作物的影响，该模块的健康评价也是建立在农作物的物质含量来进行测评的。该模块使用的数据是经过大气校正等预处理的MODIS数据。
图：ARVI计算结果
图：植被分离结果
图：植被衰减变化图
图：叶片有机质含量
图：植被健康指数图
3.4 土壤分析模块
该模块主要完成对土壤的健康测评工作。土壤的健康指数由其生长的植物所决定，不同植物对土壤的要求不同，因此该模块的分析不针对特定植物，仅仅从影响土壤健康的若干因子出发，分析各影响因子的数据，用户可以根据分析得到的数据结合相关区域的作物进行进一步的分析。影响土壤健康的因子包括土壤温度、土壤湿度、土壤有机质含量。该模块利用遥感影像实现地表土壤温度的反演、地表湿度反演及有机质反演，然后根据焚烧前后不同时期内的影像分析各因子的变化。该模块也包括土壤成分获取的功能，通过光谱分析模块对经过土壤分离的影像进行光谱匹配与目标识别，获取土壤内部的成分。然后通过不同时期的土壤因子分析土壤的健康程度。
图：地表温度反演
图：地表湿度反演
图：土壤评估分析结果
3.5 气溶胶分析模块
该模块的主要功能就是实现气溶胶的反演与分析。气溶胶反演的过程包括影像辐射校正、几何校正、去云处理、生成查找表、获得气溶胶光学厚度等。气溶胶厚度反演利用6S模型对MODIS影像进行分析，生成查找表后提取AOD。气溶胶的分析包括气溶胶的含量变化分析及气溶胶的影响范围。通过不同时期的影像来进行反演与比较可以得到气溶胶的含量变化，气溶胶的空间分布通过反演的结果获取。
图：去云结果文件
图：获取气溶胶光学厚度值
3.6 时空模型分析及火点模拟模块
该模块是系统的核心。对该模块的分析需要结合火点信息和之前植被分析、土壤分析、气溶胶分析的结果，权衡各因子的影响比重，得到一个秸秆焚烧对环境时空影响分布的结果。该模块的功能包括火点提取、影响分析、模型建立。火点提取采用MODIS数据进行预处理、去云、去耀斑、大气校正、热异常点提取等获得。将火点数据分别与植被、土壤、气溶胶的分析结果相结合，得到植被时空影响分析、土壤时空影响分析、气溶胶时空影响分析。根据得到的分析结果，用户可以对该区域自定义绘制火点，并进行火点对周围环境影响的模拟。
图：逐一提取火点空间位置
图：植被时空影响
3.7 地理统计分析模块
地理统计分析是本系统的一项重要功能，主要实现所有的分析结果和各种专题信息在某种介质上以地图的形式输出并保存在计算机中。地图制图指的是图名、图廓、图例、附图及各种说明的位置、范围、大小及形式的设计和配置，地图制图是地图在输出之前进行的一道工序。该模块功能完善，以较强的流程化处理减轻了工作人员的劳动强度，提高了劳动效率，也有助于工作管理的科学化、规范化，提高了系统的实用性。
图：制图输出
四、系统亮点
（1）数据来源多样，信息丰富，获取方便，且挖掘充分
本系统采用多源遥感信息，所需数据来源于不同遥感影像的数据挖掘，数据来源广、获取易、挖掘充分：如植被、土壤、气溶胶的分析及火点的提取均以MODIS较为初级L1B影像为数据源，地物的识别与分类采用HJ1-A HIS 影像为数据源，物质提取则结合实测采样数据进行光谱分析。本系统具有充分挖掘多源信息的优势，实现了多源遥感数据对秸秆燃烧研究的综合应用。
（2）系统针对性强，基本功能强大，对火点的影响情况实现一体化分析
本系统功能协同植被、土壤、大气三个基本环境质量因子展开，系统综合性强，结合定性和定量的方法分析，针对秸秆燃烧对环境的影响进行多时域的分析；同时对物质成分通过光谱匹配来进行识别与提取。系统中既有针对单一环境要素的质量进行评价，又有针对综合各种环境因子的综合质量评价。总之，环境质量评价结果准确可靠。
（3）多线程技术增加系统处理速度
系统使用多线程技术进行开发，这不仅可以让系统同时处理多个任务，增加数据处理的效率，还可以在处理任务的时候，不让主程序"卡死"，让用户继续使用系统的其他功能。
（4）系统模块间独立性强，有良好可拓展性
整个系统遵循模块化设计思想，模块间独立性高，每个模块完成一项特定的子功能，然后将所有的模块组装起来，成为一个整体，达到完成整个系统所要求的功能的目的。植被、土壤、大气三个核心子系统之间设计独立、运行独立，仅依靠数据连接，实现了系统模块划分方面高内聚低耦合，使系统更加稳定使系统的独立性可拓展性得到很大提高。
另外，技术发开方面采用预编译处理关键程序接口代码，使系统运行更加快速流畅。
（5）系统模块功能完善
本系统集成了包括校正、裁剪、拉伸、锐化、平滑等所有系统需要的影像预处理基本功能，所有系统相关操作都可在系统界面下完成。在主要功能模块，系统对植被大气土壤的展开细致分析功能更为具体，能满足对秸秆燃烧环境评估的需求。而且系统集成了完备的地图输出功能，图例、指北针、比例尺添加窗口简单方便，专题地图可在系统内制作、整饰、输出。
（6）友好的用户界面
用户界面是应用程序的重要组成部分，所以本系统在用户界面的设计上做了很多方面的考虑，例如一共需要使用多少个窗体、要不要使用菜单、要不要创建工具栏、采用什么样的方式来与用户交换信息、应当给用户提供哪些帮助等。本系统采用第三方控件DevExpress实现灵活的系统框架，通过多次反复的设计和测试，系统的主界面、功能界面、附属界面、帮助文档等都做得科学合理，美观大方，便于使用。系统风格简洁大方，可以适用于不同的用户，尽最大可能满足用户的需求。
（7）系统人性化服务，操作便捷，易于掌握
本系统中的数据处理大大简化了专业遥感GIS软件中繁琐的数据参数设置等环节。在本系统中，大部分的数据操作处理操作仅需要用户将待处理的数据首先在TOC中点击选中，然后再在点击选择菜单栏中的功能图标即可开始处理数据。因为本系统所需数据都是特定类型的，在数据处理方法方面我们在后台已经为用户选择好最优的处理方式及相应参数设置，所以处理的结果精度是可靠的。如此一来，为用户快速上手熟悉并掌握本系统软件提供了便利，并且为用户大大节省了在数据处理专业参数设置难题以及多个环节上的时间损耗。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v6ge.html
