2013Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“淮河流域蒸散发双层模型遥感监测系统”

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作品单位: 河海大学地球科学与工程学院
小组成员:安卫辉、王寸婷、虞文丹、尹新沆
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_XNjMxNTMxODgw.html?f=20705604
一、 系统概述
基于ENVI/IDL语言自主开发的淮河流域蒸散发双层模型遥感监测系统,综合应用了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、蒸散发估算模型、水文气象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、以及专题地图的编制与发布建立了一整套系统化、业务化过程,形成了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。
二、 系统设计框架
系统设计框架如图1所示,根据系统需求分析和业务流程,将系统分为以下功能模块:图层显示与操作模块、数据预处理模块、地表参数提取模块、瞬时通量计算模块、专题制图模块。


图1 系统设计框架图
三、 系统功能设计
(1) 主界面介绍
主界面主要由以下几部分组成,标题栏,菜单栏,工具栏,图像显示区域,图层管理器,信息显示区,状态栏,见图2。


图2 淮河流域蒸散发双层模型遥感监测系统图层显示窗口
通过点击制图tab控件,将切换到制图输出窗口(图3),默认为对当前顶图层进行制图输出。


图3 淮河流域蒸散发双层模型遥感监测系统制图窗口
其中,工具栏根据功能模块分为以下几种:
1) 基本操作工具条


图4基本操作工具条
2) MODIS影像预处理


图5 MODIS影像预处理
3) 地表参数反演

图6地表参数反演

4) 地表通量反演


图7地表通量反演
(2) 图层显示与操作功能模块
(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,实现基本图层放大、缩小、平移等操作。
(2) 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8),另外在影像加载时默认对影像采用直方图归一化处理。

图8 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(图9)。通过鼠标按钮在主窗口中点击获取当前点经纬度坐标,转换成行列号,获取对应点基本属性信息。
图9 样本点属性信息查询窗口
(4) 制图输出
通过获取工作空间中当前栅格图层,可以选择不同颜色对各专题影像数据进行渲染。渲染时可以设置网格、边界、颜色等显示方式。通过“保存”按钮可以将制图输出窗口保存为图片文件(图10)。


图10 专题图输出产品
(3) MODIS影像预处理模块
(1) 几何校正
子模块介绍:针对原始MODIS影像几何校正,并对最终结果根据研究区域进行裁剪。


图11 几何校正运行窗口
(2) 辐射定标
子模块介绍:针对几何校正后影像文件进行反射率或辐射率定标。


图12 辐射定标运行窗口
(3) 大气校正
子模块介绍:针对TM、MODIS等影像数据,将6S辐射传输模型嵌入系统中,通过自定义参数输入界面来实现大气校正。

图13 6S大气校正输入参数界面
(4) 气象数据插值
子模块介绍:离散气象站点数据插值,可选择30,250,500,1000分辨率大小(默认克里金插值方法)。
图14 气象数据插值运行窗口
(5) 产品数据影像镶嵌
子模块介绍:将上步骤中产生的投影文件根据条带号基于地理坐标进行影像镶嵌,并在镶嵌过程中对边缘位置进行均值处理。


图15 MODIS产品数据影像镶嵌运行界面
(4) 下垫面因子提取模块
5.4.1地表温度
子模块介绍:基于覃自豪分裂窗算法对MODIS影像1KM地表温度反演


图16 地表温度参数反演界面
5.4.2地表反照率
子模块介绍:采用预定义经验公式对MODIS影像进行地表反照率反演,用于后续地表净辐射通量和土壤热通量的反演。


图17 地表反照率参数反演界面
5.4.3植被指数
子模块介绍:针对MODIS影像,可实现各种常见植被指数(NDVI、VI、LAI、RVI、PV等)的计算。

图18 植被指数参数反演界面
5.4.4空气密度
子模块介绍:采用经验公式计算,用来地表净辐射通量计算过程中大气透过率计算提供依据。
图19 空气密度参数反演界面
5.4.5空气比辐射率
子模块介绍:基于瞬时温度和实际水汽压根据经验模型反演,为后续地表净辐射通量中地表接收到的来自大气向下的长波辐射提供参数。

图20空气比辐射率参数反演界面
5.4.6地表粗糙度
子模块介绍:根据归一化植被指数和叶面积指数建立经验模型,为后续显热通量过程中计算空气动力学阻抗提供依据。

图21 地表粗糙度参数反演界面

5.4.7地表比辐射率
子模块介绍:根据不同地物类型采用基于植被指数和植被覆盖度因子的成熟经验模型来计算。


图22 地表比辐射率参数反演界面
5.4.8地表参数波段合成
子模块介绍:将前面反演后的各种地表参数影像文件进行波段合成一幅影像以供后续调用操作方便,合成时部分参数可以直接选择产品数据。
5.4.9地表参数批处理
子模块介绍:将各种地表参数反演过程整合在一起,进行批处理操作。


图23 地表参数波段合成界面
(5) 地表通量反演模块
5.5.1地表净辐射通量
子模块介绍:该模块用于计算地表接收到的短波辐射和辐射的长波辐射的净值。


图24 地表净辐射通量运行窗口
5.5.2土壤热通量
子模块介绍:土壤内部能量交换,利用成熟的经验模型,结合地表净辐射通量、植被指数、地表温度和反照率参数进行估算。
图25 土壤热通量运行窗口
5.5.3显热通量
子模块介绍:下垫面与大气间热量传输

图26 显热通量参数设置窗口
5.5.5日蒸散发
子模块介绍:下垫面与大气间热量传输。

图27 日蒸散发计算窗口
5.5.6蒸散发反演批处理(重点)
子模块介绍:从影像的几何校正、辐射定标等预处理到各种地表参数及通量信息提取、模型计算,以及专题地图的编制与监测报告的发布建立一整套业务化流程。
(6) 统计分析
5.9.1统计信息查询
子模块介绍:通过对数据库中影像统计信息表中根据需要进行查询获取影像文件,并可对影像文件进行预览显示。
图28 气象数据统计信息查询运行界面
5.9.2制图输出
子模块介绍:专题产品排版制图与输出。


四、 系统亮点
(1) . C#+ IDL +ArcGIS Engine混合编程
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) 采用流程图式运行界面
为方便进行遥感数据的计算处理,本系统提供了流程图式的操作界面。用户既可以使用菜单完成操作,又可以切换到流程图界面,这样即使不懂蒸散发的人也能够按照,流程图一步一步计算出蒸散发,用户能够很容易掌握整个系统的布局以及业务流程,使得操作更加简便,降低了用户对系统的学习成本。
图29 主界面流程图式计算蒸散发界面
(3) 地表蒸散发反演批处理
本系统充分利用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,以及专题地图的编制与监测报告的发布建立一整套业务化流程, 实现了从数据到产品,再到图像的完全自动处理。
(4) 遥感模型的集成
该系统结合了大量多源、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、气象水文信息、蒸散发估算及验证模型等进行综合管理, 结合了基于地表能量平衡的SEBAL模型、水量平衡原理的桑斯威特模型和互补相关模型,将遥感模型和水文气象方法很好的结合起来。
(5) 统一的数据组织与命名规则
系统中涉及的总多数据由系统统一管理,数据的存放目录、数据的计算与命名,将由系统统一实现,在使用中用户只需要将初始源数据文件放入指定的初试文件文件夹中,就可以按照系统流程逐步计算出所需要的专题数据,不需要对该过程作干涉,系统将自己读取文件,自动判断文件种类与数据类型。
(6) 良好的用户交互界面
本系统采用的Office2007风格的操作界面,采用第三方插件DevExpress实现,系统的菜单栏、鹰眼窗口,制图窗口,工具栏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_764b1e9d0101bip8.html

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