2014Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“基于MODIS影像的地表能量与水平衡遥感反演系”
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2016-06-17
作品单位：河海大学 地球科学与工程学院 地图学与地理信息系统
小组成员：王金龙、孙璐、虞文丹
指导教师：张友静、佘远见
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XODAxNTAzNTY4.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
水资源是受气候变化影响最直接和最重要的领域，气候变化已经对我国的水资源系统和人民生产生活产生了巨大的影响。国内专家张仁华指出：区域地表通量涉及全球变化三大主题——碳循环、水资源和食物纤维（物质流）中的核心问题。因此，以区域地表为基础，研究气候变化下水资源的响应，对保障水资源安全和科学可持续发展等方面具有重要的科学价值和意义。
面对流域水资源安全问题日益突出的情况，本软件实现基于能量平衡的陆地表面蒸散发模型，研究和分析流域蒸散量时空分布特征；探索日蒸散模式，针对研究区气候特点和下垫面条件，构建改进的蒸散发估算模型，为气候变化下流域水文循环研究提供技术支持，软件具有重要实际应用价值。
二、系统设计框架
针对研究区域，本系统将综合应用各种数据库管理技术、地理信息系统技术、遥感图像处理技术和软件组件技术，利用具有处理影像优势的ENVI/IDL语言和具有定制强大空间分析功能的ArcGIS Engine，结合大量多源、多尺度、多时相卫星遥感影像数据、地面气象站观测数据，将遥感信息、气象信息、遥感蒸散发估算模型及验证模型等进行综合管理，从影像数据的基本预处理过程到下垫面信息的提取、模型计算及验证、尺度扩展、统计分析以及专题地图的编制与发布建立一整套系统化、业务化过程，形成针对地表蒸散发能量与水平衡遥感监测的技术解决方案，为水资源管理、规划、监测、评价和决策提供支持。基于MODIS影像的地表能量与水平衡遥感反演系统业务总体流程如下图。
图：系统业务总体流程
三、系统功能设计
3.1 系统主界面
主界面主要由以下几部分组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、图像显示区域，图层管理器，信息显示区。
图：系统主界面
通过点击制图tab控件，将切换到制图输出窗口，默认为对当前顶图层进行制图输出。
图：系统制图界面
3.2 工程文件模块
（1）基本图层操作
结合Arcgis Engine在交互方面的灵活性以及IDL在遥感影像操作上的优势结合起来，主要利用AE提供的toolbar工具条实现基本图层放大、缩小、平移等操作。
（2）影像渲染
影像渲染主要用于栅格影像数据加载时颜色渲染，栅格数据显示时默认为灰度显示，系统提供基于单波段和多波段方式，单波段影像时通过调用arcgis Engine颜色符号库rampcolor，多波段时可选择不同波段组合方式对影像进行渲染显示。
图：影像渲染设置窗口
（3）样本属性信息查询
由于各种反演结果以遥感影像文件的方式提供，为方便用户获取某些坐标位置处参数信息，特提供交互式获取方式进行属性查询。通过鼠标按钮在主窗口中点击属性信息或影像信息tab按钮获取影像的属性信息或影像基本信息。
图：影像属性信息查询窗口
3.3 数据预处理模块
数据预处理是进行遥感应用的前提，也是反演下垫面信息过程中不可或缺的一部分。本系统能够所应用的MODIS数据格式为HDF，需要经过几何纠正与辐射校正；同时对于水文气象数据，因其来自地面台站实测数据，需经过插值方可与影像数据尺度匹配后导入模型中。基于以上，预处理过程主要包括影像数据的几何纠正、辐射校正、大气校正、云检测以及针对MODIS 三级产品数据进行批处理投影转换及影像镶嵌操作。
图：数据预处理模块
图：几何校正功能
图：辐射定标功能
图：大气校正功能面板
图：影像拼接面板
图：云层监测面板
3.4 地表参数反演模块
下垫面因子是研究区下垫面条件的反映，不同因子反映不同下垫面条件。该系统选取与下垫面水资源条件有关的，且与SEBAL单层及双层模型反演蒸散发有关的下垫面参数做统一反演与处理，最终形成数据集。此数据集是研究区下垫面能量水资源条件的综合反映，既可以单独做统计分析，也可以为进一步模型计算提供输入。主要包含地表温度反演、地标反照率、地表比辐射率、地表粗糙度、植被指数、植被覆盖度、空气比辐射率、空气密度、温度干旱植被指数反演等功能。
图：地表温度反演
图：地表粗糙度
图：温度干旱植被指数反演界面
3.5 地表通量反演模块
地表能量平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land，SEBAL）模型是一种基于陆表能量平衡原理来计算蒸散发的方法。根据能量守恒原理可知，净辐射通量、土壤热通量、显热通量都可根据下垫面参数反演得到，若想得到与蒸散发有关的潜热通量，只要反演出等式中除潜热通量以外的其它项，即可通过剩余法得到潜热通量，进一步得到区域蒸散发。因此本模块包括以下功能模块：净辐射通量、土壤热通量、感热通量、潜热通量、日蒸散量、蒸散发日尺度扩展等。
图：土壤热通量
图：潜热通量
图：蒸散发日尺度扩展
3.6 数据查询与统计分析
IDL除了具有强大的图象批处理功能外，还具有数学统计分析功能，本功能模块充分利用数学统计函数，对地表蒸散发计算过程中各中间参数进行相关分析、回归分析（线性、高斯、指数、双曲线、对数模型等），并对各遥感数据类型包括（气象信息、植被信息、地表参数、蒸散发）等各影像直观的进行象元统计分析。
系统不仅实现了对三种蒸散发模型的反演、尺度扩展、模型验证等，还对各功能模块生成的专题数据产品提供了完善的统计分析功能。除了以表格、图形或公式的形式进行直方图统计分析、相关性分析、回归分析，比较各参数之间的相互关联性外，同时可以对反演后专题数据从时间和空间分布上进行分析，提供根据自定义日期范围动态显示反演参数变化情况，以及提供对统计数据进行查询并对专题数据产品进行制图输出等。
图：统计信息查询
图：蒸散查询与分析
图：绘图分析查询参数的走势及相关性
图：相关性分析功能
图：制图输出模块
四、系统亮点
（1）AE和IDL语言的集成
系统将AE强大的空间分析功能和交互灵活性特点与在影像数据操作具有高效、批处理功能的IDL语言很好的结合起来。
（2）地表蒸散发反演批处理
系统充分利用IDL强大高效率的批处理功能，针对MODIS原始影像，从影像的几何校正、辐射定标等基本预处理操作到各种地表参数及通量信息提取、模型计算，实现了从数据到产品，再到图像的完全自动处理，达到遥感监测实效性要求，形成了针对地表能量与水平衡遥感反演的技术解决方案。模块运行过程中只需提供原始MODIS影像、DEM高程因子、研究区域矢量边界等数据，大大提高了影像处理效率，这对于多时间分辨率的MODIS影像具有很大的实用价值。
（3）改进的结合土壤水分可功率估算感热通量算法
土壤水分可功率改进感热通量算法是本课题组的最新研究成果之一。针对地表植被稀疏或土壤供水不足地区，将土壤水分可功率因子嵌入感热通量遥感估算模型的剩余阻抗当中，可以有效地改善这些地区感热通量被低估的现象，有很好的理论与实际应用价值。将此改进算法运用到本系统中，提高了感热通量及潜热通量的估算精度。
（4）遥感模型的集成
该系统结合了大量多尺度、多时相卫星遥感影像数据、地面气象站观测数据，将遥感信息、气象水文信息等进行综合管理，结合了基于地表能量平衡的SEBAL模型与基于水量平衡的互补相关模型，将遥感模型和水文气象方法很好的结合起来。系统不仅利用遥感影像实现了基于MODIS影像的地表能量与水平衡反演，同时基于气象数据实现了日蒸散发数据时间尺度的扩展，并从不同时间尺度或空间尺度对模型进行分析，最终建立长时间序列的ET数据集，动态反映时间变化规律。
（5）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及DotNetbar实现，系统的菜单栏、鹰眼窗口、目录及信息检索窗口、视图与制图窗口、工具栏、状态栏及快捷工具等均可以随意变换位置，且可以自己定制所显示按钮，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_764b1e9d0102v6gb.html
小组成员：王金龙、孙璐、虞文丹
指导教师：张友静、佘远见
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XODAxNTAzNTY4.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
水资源是受气候变化影响最直接和最重要的领域，气候变化已经对我国的水资源系统和人民生产生活产生了巨大的影响。国内专家张仁华指出：区域地表通量涉及全球变化三大主题——碳循环、水资源和食物纤维（物质流）中的核心问题。因此，以区域地表为基础，研究气候变化下水资源的响应，对保障水资源安全和科学可持续发展等方面具有重要的科学价值和意义。
面对流域水资源安全问题日益突出的情况，本软件实现基于能量平衡的陆地表面蒸散发模型，研究和分析流域蒸散量时空分布特征；探索日蒸散模式，针对研究区气候特点和下垫面条件，构建改进的蒸散发估算模型，为气候变化下流域水文循环研究提供技术支持，软件具有重要实际应用价值。
二、系统设计框架
针对研究区域，本系统将综合应用各种数据库管理技术、地理信息系统技术、遥感图像处理技术和软件组件技术，利用具有处理影像优势的ENVI/IDL语言和具有定制强大空间分析功能的ArcGIS Engine，结合大量多源、多尺度、多时相卫星遥感影像数据、地面气象站观测数据，将遥感信息、气象信息、遥感蒸散发估算模型及验证模型等进行综合管理，从影像数据的基本预处理过程到下垫面信息的提取、模型计算及验证、尺度扩展、统计分析以及专题地图的编制与发布建立一整套系统化、业务化过程，形成针对地表蒸散发能量与水平衡遥感监测的技术解决方案，为水资源管理、规划、监测、评价和决策提供支持。基于MODIS影像的地表能量与水平衡遥感反演系统业务总体流程如下图。
图：系统业务总体流程
三、系统功能设计
3.1 系统主界面
主界面主要由以下几部分组成：标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏、图像显示区域，图层管理器，信息显示区。
图：系统主界面
通过点击制图tab控件，将切换到制图输出窗口，默认为对当前顶图层进行制图输出。
图：系统制图界面
3.2 工程文件模块
（1）基本图层操作
结合Arcgis Engine在交互方面的灵活性以及IDL在遥感影像操作上的优势结合起来，主要利用AE提供的toolbar工具条实现基本图层放大、缩小、平移等操作。
（2）影像渲染
影像渲染主要用于栅格影像数据加载时颜色渲染，栅格数据显示时默认为灰度显示，系统提供基于单波段和多波段方式，单波段影像时通过调用arcgis Engine颜色符号库rampcolor，多波段时可选择不同波段组合方式对影像进行渲染显示。
图：影像渲染设置窗口
（3）样本属性信息查询
由于各种反演结果以遥感影像文件的方式提供，为方便用户获取某些坐标位置处参数信息，特提供交互式获取方式进行属性查询。通过鼠标按钮在主窗口中点击属性信息或影像信息tab按钮获取影像的属性信息或影像基本信息。
图：影像属性信息查询窗口
3.3 数据预处理模块
数据预处理是进行遥感应用的前提，也是反演下垫面信息过程中不可或缺的一部分。本系统能够所应用的MODIS数据格式为HDF，需要经过几何纠正与辐射校正；同时对于水文气象数据，因其来自地面台站实测数据，需经过插值方可与影像数据尺度匹配后导入模型中。基于以上，预处理过程主要包括影像数据的几何纠正、辐射校正、大气校正、云检测以及针对MODIS 三级产品数据进行批处理投影转换及影像镶嵌操作。
图：数据预处理模块
图：几何校正功能
图：辐射定标功能
图：大气校正功能面板
图：影像拼接面板
图：云层监测面板
3.4 地表参数反演模块
下垫面因子是研究区下垫面条件的反映，不同因子反映不同下垫面条件。该系统选取与下垫面水资源条件有关的，且与SEBAL单层及双层模型反演蒸散发有关的下垫面参数做统一反演与处理，最终形成数据集。此数据集是研究区下垫面能量水资源条件的综合反映，既可以单独做统计分析，也可以为进一步模型计算提供输入。主要包含地表温度反演、地标反照率、地表比辐射率、地表粗糙度、植被指数、植被覆盖度、空气比辐射率、空气密度、温度干旱植被指数反演等功能。
图：地表温度反演
图：地表粗糙度
图：温度干旱植被指数反演界面
3.5 地表通量反演模块
地表能量平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land，SEBAL）模型是一种基于陆表能量平衡原理来计算蒸散发的方法。根据能量守恒原理可知，净辐射通量、土壤热通量、显热通量都可根据下垫面参数反演得到，若想得到与蒸散发有关的潜热通量，只要反演出等式中除潜热通量以外的其它项，即可通过剩余法得到潜热通量，进一步得到区域蒸散发。因此本模块包括以下功能模块：净辐射通量、土壤热通量、感热通量、潜热通量、日蒸散量、蒸散发日尺度扩展等。
图：土壤热通量
图：潜热通量
图：蒸散发日尺度扩展
3.6 数据查询与统计分析
IDL除了具有强大的图象批处理功能外，还具有数学统计分析功能，本功能模块充分利用数学统计函数，对地表蒸散发计算过程中各中间参数进行相关分析、回归分析（线性、高斯、指数、双曲线、对数模型等），并对各遥感数据类型包括（气象信息、植被信息、地表参数、蒸散发）等各影像直观的进行象元统计分析。
系统不仅实现了对三种蒸散发模型的反演、尺度扩展、模型验证等，还对各功能模块生成的专题数据产品提供了完善的统计分析功能。除了以表格、图形或公式的形式进行直方图统计分析、相关性分析、回归分析，比较各参数之间的相互关联性外，同时可以对反演后专题数据从时间和空间分布上进行分析，提供根据自定义日期范围动态显示反演参数变化情况，以及提供对统计数据进行查询并对专题数据产品进行制图输出等。
图：统计信息查询
图：蒸散查询与分析
图：绘图分析查询参数的走势及相关性
图：相关性分析功能
图：制图输出模块
四、系统亮点
（1）AE和IDL语言的集成
系统将AE强大的空间分析功能和交互灵活性特点与在影像数据操作具有高效、批处理功能的IDL语言很好的结合起来。
（2）地表蒸散发反演批处理
系统充分利用IDL强大高效率的批处理功能，针对MODIS原始影像，从影像的几何校正、辐射定标等基本预处理操作到各种地表参数及通量信息提取、模型计算，实现了从数据到产品，再到图像的完全自动处理，达到遥感监测实效性要求，形成了针对地表能量与水平衡遥感反演的技术解决方案。模块运行过程中只需提供原始MODIS影像、DEM高程因子、研究区域矢量边界等数据，大大提高了影像处理效率，这对于多时间分辨率的MODIS影像具有很大的实用价值。
（3）改进的结合土壤水分可功率估算感热通量算法
土壤水分可功率改进感热通量算法是本课题组的最新研究成果之一。针对地表植被稀疏或土壤供水不足地区，将土壤水分可功率因子嵌入感热通量遥感估算模型的剩余阻抗当中，可以有效地改善这些地区感热通量被低估的现象，有很好的理论与实际应用价值。将此改进算法运用到本系统中，提高了感热通量及潜热通量的估算精度。
（4）遥感模型的集成
该系统结合了大量多尺度、多时相卫星遥感影像数据、地面气象站观测数据，将遥感信息、气象水文信息等进行综合管理，结合了基于地表能量平衡的SEBAL模型与基于水量平衡的互补相关模型，将遥感模型和水文气象方法很好的结合起来。系统不仅利用遥感影像实现了基于MODIS影像的地表能量与水平衡反演，同时基于气象数据实现了日蒸散发数据时间尺度的扩展，并从不同时间尺度或空间尺度对模型进行分析，最终建立长时间序列的ET数据集，动态反映时间变化规律。
（5）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及DotNetbar实现，系统的菜单栏、鹰眼窗口、目录及信息检索窗口、视图与制图窗口、工具栏、状态栏及快捷工具等均可以随意变换位置，且可以自己定制所显示按钮，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_764b1e9d0102v6gb.html
