2013Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“基于高分影像的水利要素变化检测系统”
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2016-06-12
作品单位：河海大学 地球科学与工程学院
小组成员：李晓宁 尹新航 王金龙 孙璐
指导教师：张友静 佘远见
获奖情况:三等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XNjMxMTU3ODc2.html
一、 系统概述
针对基于高分辨率遥感影像的水利要素信息变化检测问题，以天津宝坻区为研究区，采用ALOS和资源三号卫星遥感影像数据为主要数据源，利用变化矢量分析的方法研究水利要素变化检测。系统从影像的几何校正、辐射定标、影像融合、自动辐射校正等基本预处理操作到各种参数及变化信息提取、模型计算，以及空间数据的入库与管理建立一整套业务化流程，实现了从数据到产品，再到空间数据管理的完全自动处理，达到遥感监测实效性要求，形成了基于高分辨率卫星水利对象变化更新的技术解决方案，为水利要素的自动变化检测提供技术支持，和水资源管理、规划、监测、评价和决策提供参考，同时使该系统在应用、技术和理论上都具有一定的借鉴性和可靠性。
二、 系统设计框架
本系统采用组件技术，集成多个主流组件，包括ArcGISEngine10.0、ENVI/IDL4.8、Oracle数据库、ArcSDE10.0、DevExpress2010.2IDE，在Microsoft.NET Framework4.0框架下运用IDL语言与C#语言混编开发的一套基于高分影像的水利对象变化更新系统。系统针对高分影像数据，功能模块主要包括数据预处理、基本功能模块、变化监测模块和水利对象变化类型模块、统计分析模块、数据库管理模块等。其中变化监测模块和水利对象变化模块、数据库管理模块是系统的核心，技术流程、系统架构图如下所示。
图：系统整体技术路线图
图：系统框架图
三、 系统功能设计
3.1 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，图像显示区域，图层管理器，信息显示区，状态栏。
图：系统运行主界面
3.2 图层显示与操作功能模块
3.2.1 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、鹰眼等操作，
3.2.2 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，另外在影像加载时默认对影像采用直方图归一化渲染。
图：图层渲染功能
3.3 数据预处理模块
1）裁剪：输入栅格数据为ZY-3全色数据baodi_pan.tif数据，矢量数据为ercicaijian.shp；
输出数据为baodi1.img。
图：图像裁剪与几何校正
2）几何校正：以ZY-3的全色波段影像为基准影像校正多光谱影像。
3）影像融合：将上一步校正后ZY-3多光谱数据与全色波段进行融合。
图：图像融合与辐射定标
4）辐射定标：对多波段影像辐射定标。
5）波段合成：将经过以上裁剪、几何校正、融合、辐射定标后的ZY-3多光谱数据与ALOS多光谱数据进行波段合成，得到8个波段的影像数据，作为下面特征参数和变化监测模块的输入数据。
图：波段合成主界面
3.4 特征参数计算模块
1） 植被指数：根据公式ndvi=(NIR-R)/(NIR+R)计算植被指数。
图：植被指数与水体指数计算界面
2） 水体指数：根据公式NDWI=（GREEN-NIR）/（GREEN+NIR）计算水体指数。
3） 主成分分析：借助于一个正交变换，将合成后的8个波段数据其分量相关的原随机向量转化成其分量不相关的新随机向量。
4） 纹理特征：采用灰度共生矩阵算法对主成分分析的第一波段计算纹理特征，得到8个纹理向量。
5） 波段合成：将以上4步生成的结果文件（ZY_ndvi.img、ZY_ndwi.img、ZY_pc-band1.img、ZY_texture.img）进行合成，为下文土地利用变化类型分类做准备数据。
6） 计算像元相关系数。
7） 变化强度。
图：像元相关系数计算与变化强度计算界面
8） 像元光谱角。
9） 相对辐射校正：根据相对辐射校正流程图，首先设置像元相关系数和像元光谱角的阈值分别为1和0，得到稳健地物点，对选取的点对进行相关性分析，建立线性回归方程，实现逐波段自动化相对辐射校正。
图：相对辐射校正计算主界面
3.5 变化检测模块
1) 计算变化曲率：根据公式2.11，计算变化强度，相关系数和波谱角的直方图变化曲率最大值即频率最大处，所对应的变化强度像元值就是下文变化强度分割阈值下限参数，对应的像元相关系数像元值是相关系数分割阈值上限参数，对应的波谱角像元值为其分割阈值的上限。
2) 迭代阈值：上一步得到变化强度、像元相关系数和波谱角的分割阈值下限或上限，通过变化和未变化感兴趣roi数据，计算kappa系数，当kappa系数最大时对应的分割阈值为变化强度、像元相关系数和波谱角的分割阈值上线或下线参数。用户可以选择输入迭代的阈值，以减少迭代次数。
3) 变化二值图：由以上两步得到最合理的变化分割阈值为变化强度和波谱角相结合双阈值输入到系统中，得到变化区域和未变化区域二值图。
图：变化二值图与土地利用变化主界面
4) 土地利用变化类型：通过上一步阈值分割获取的变化区域，与3.4节中生成特征集数据进行叠加，得到具有多个特征向量的变化区域，采用最大似然监督分类确定具体的变化类型。
5) 变化类型：根据上一步得到的变化类型图change_class.img与已有的Alos线状水体影像进行叠加分析，得到水利对象变化与未变化区域。
图3-20 变化类型计算主界面
图3-21 水利对象变化类型提取主界面
6) 水利对象变化类型：根据上一步得到的水利对象变化区域图，提取变化区域的水利对象变化类型。
7) 精度评价：可对变化类型图、水利对象变化类型图图以混淆矩阵的方法进行精度评价。
图：精度评价主界面
3.6数据统计分析模块
1）散点图分析：用于对两个波段的相互关联性进行分析。
2) 直方图分析：以直方图的形式统计图像不同类型的像元所占的比列。
图：直方图统计主界面
3) 饼状图分析：以饼状图的形式统计图像不同类型的像元所占的比列。
图3-24 饼状图统计主界面
3.7数据库管理模块
在oracle商用数据库之上架构ArcSDE空间数据引擎，构建空间数据库用于系统数据的规范化管理。
1) 数据库连接测试：用于对数据库的连接状态进行测试。
2) 数据库数据浏览：连接空间数据库并遍历数据库中不同类型的数据集的名称，加载在checklistbox中。
3) 数据库数据导出：遍历数据库中的数据集，并将选中的数据以不同的格式导出数据库。
图：数据导出主界面
4) 数据导入批处理：可将选中的外部数据批量导入空间数据的栅格数据集中。
图：数据导入主界面
四、系统亮点
1) 选题实用性：该系统研究是全国第一次水利普查的衍生项目，是“基于高分遥感信息源的水利基础数据库建设与更新”课题的重要组成部分。研究成果可望为该课题实现中小比例尺、重点地区大比例尺水利基础空间数据库的定期更新提供有效的技术支持。
2) 资源三号卫星数据处理技术：针对我国最新发射的高分辨率卫星ZY-3，从影像的几何校正、辐射定标、影像融合、辐射校正等基本预处理操作到各种参数及变化信息提取、模型计算，以及变化信息统计分析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，达到遥感监测实效性要求，形成了基于高分辨率卫星水利对象变化更新的技术解决方案，为水资源管理、规划、监测、评价和决策提供支持。
3) 水利对象变化检测模块：针对水利对象自身存在的象类型多、结构复杂、空间分布广且关联性强等特征属性，设计独特的变化检测技术，引进变化矢量分析方法，结合像元光谱角实现不同时相影像的自动相对辐射校正过程；并通过计算直方图曲率确定最佳分割阈值，最终采用双窗口阈值确定水利对象的变化信息，且通过典型示范区的实验与验证，使之在技术和理论上都具有一定的借鉴性和可靠性。
4) 统计分析功能：该系统不仅实现了对水利对象的变化更新等，还对结果文件的专题数据产品提供了统计分析功能。用户可以更加直观的显示水利对象的变化信息。
5) 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，主要包括图层的基本操作功能，如影像显示主窗口和鹰眼窗口，放大、缩小等。
6) 数据库管理：系统在oracle数据库架构ArcSDE空间数据引擎，构建专门的空间数据库进行数据的规范化管理。系统实现了由外部向空间数据库导入数据集与数据由空间数据库导出的功能，在一定程度上使得系统更加的完善与规范。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0101biaj.html
小组成员：李晓宁 尹新航 王金龙 孙璐
指导教师：张友静 佘远见
获奖情况:三等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XNjMxMTU3ODc2.html
一、 系统概述
针对基于高分辨率遥感影像的水利要素信息变化检测问题，以天津宝坻区为研究区，采用ALOS和资源三号卫星遥感影像数据为主要数据源，利用变化矢量分析的方法研究水利要素变化检测。系统从影像的几何校正、辐射定标、影像融合、自动辐射校正等基本预处理操作到各种参数及变化信息提取、模型计算，以及空间数据的入库与管理建立一整套业务化流程，实现了从数据到产品，再到空间数据管理的完全自动处理，达到遥感监测实效性要求，形成了基于高分辨率卫星水利对象变化更新的技术解决方案，为水利要素的自动变化检测提供技术支持，和水资源管理、规划、监测、评价和决策提供参考，同时使该系统在应用、技术和理论上都具有一定的借鉴性和可靠性。
二、 系统设计框架
本系统采用组件技术，集成多个主流组件，包括ArcGISEngine10.0、ENVI/IDL4.8、Oracle数据库、ArcSDE10.0、DevExpress2010.2IDE，在Microsoft.NET Framework4.0框架下运用IDL语言与C#语言混编开发的一套基于高分影像的水利对象变化更新系统。系统针对高分影像数据，功能模块主要包括数据预处理、基本功能模块、变化监测模块和水利对象变化类型模块、统计分析模块、数据库管理模块等。其中变化监测模块和水利对象变化模块、数据库管理模块是系统的核心，技术流程、系统架构图如下所示。
图：系统整体技术路线图
图：系统框架图
三、 系统功能设计
3.1 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，图像显示区域，图层管理器，信息显示区，状态栏。
图：系统运行主界面
3.2 图层显示与操作功能模块
3.2.1 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、鹰眼等操作，
3.2.2 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，另外在影像加载时默认对影像采用直方图归一化渲染。
图：图层渲染功能
3.3 数据预处理模块
1）裁剪：输入栅格数据为ZY-3全色数据baodi_pan.tif数据，矢量数据为ercicaijian.shp；
输出数据为baodi1.img。
图：图像裁剪与几何校正
2）几何校正：以ZY-3的全色波段影像为基准影像校正多光谱影像。
3）影像融合：将上一步校正后ZY-3多光谱数据与全色波段进行融合。
图：图像融合与辐射定标
4）辐射定标：对多波段影像辐射定标。
5）波段合成：将经过以上裁剪、几何校正、融合、辐射定标后的ZY-3多光谱数据与ALOS多光谱数据进行波段合成，得到8个波段的影像数据，作为下面特征参数和变化监测模块的输入数据。
图：波段合成主界面
3.4 特征参数计算模块
1） 植被指数：根据公式ndvi=(NIR-R)/(NIR+R)计算植被指数。
图：植被指数与水体指数计算界面
2） 水体指数：根据公式NDWI=（GREEN-NIR）/（GREEN+NIR）计算水体指数。
3） 主成分分析：借助于一个正交变换，将合成后的8个波段数据其分量相关的原随机向量转化成其分量不相关的新随机向量。
4） 纹理特征：采用灰度共生矩阵算法对主成分分析的第一波段计算纹理特征，得到8个纹理向量。
5） 波段合成：将以上4步生成的结果文件（ZY_ndvi.img、ZY_ndwi.img、ZY_pc-band1.img、ZY_texture.img）进行合成，为下文土地利用变化类型分类做准备数据。
6） 计算像元相关系数。
7） 变化强度。
图：像元相关系数计算与变化强度计算界面
8） 像元光谱角。
9） 相对辐射校正：根据相对辐射校正流程图，首先设置像元相关系数和像元光谱角的阈值分别为1和0，得到稳健地物点，对选取的点对进行相关性分析，建立线性回归方程，实现逐波段自动化相对辐射校正。
图：相对辐射校正计算主界面
3.5 变化检测模块
1) 计算变化曲率：根据公式2.11，计算变化强度，相关系数和波谱角的直方图变化曲率最大值即频率最大处，所对应的变化强度像元值就是下文变化强度分割阈值下限参数，对应的像元相关系数像元值是相关系数分割阈值上限参数，对应的波谱角像元值为其分割阈值的上限。
2) 迭代阈值：上一步得到变化强度、像元相关系数和波谱角的分割阈值下限或上限，通过变化和未变化感兴趣roi数据，计算kappa系数，当kappa系数最大时对应的分割阈值为变化强度、像元相关系数和波谱角的分割阈值上线或下线参数。用户可以选择输入迭代的阈值，以减少迭代次数。
3) 变化二值图：由以上两步得到最合理的变化分割阈值为变化强度和波谱角相结合双阈值输入到系统中，得到变化区域和未变化区域二值图。
图：变化二值图与土地利用变化主界面
4) 土地利用变化类型：通过上一步阈值分割获取的变化区域，与3.4节中生成特征集数据进行叠加，得到具有多个特征向量的变化区域，采用最大似然监督分类确定具体的变化类型。
5) 变化类型：根据上一步得到的变化类型图change_class.img与已有的Alos线状水体影像进行叠加分析，得到水利对象变化与未变化区域。
图3-20 变化类型计算主界面
图3-21 水利对象变化类型提取主界面
6) 水利对象变化类型：根据上一步得到的水利对象变化区域图，提取变化区域的水利对象变化类型。
7) 精度评价：可对变化类型图、水利对象变化类型图图以混淆矩阵的方法进行精度评价。
图：精度评价主界面
3.6数据统计分析模块
1）散点图分析：用于对两个波段的相互关联性进行分析。
2) 直方图分析：以直方图的形式统计图像不同类型的像元所占的比列。
图：直方图统计主界面
3) 饼状图分析：以饼状图的形式统计图像不同类型的像元所占的比列。
图3-24 饼状图统计主界面
3.7数据库管理模块
在oracle商用数据库之上架构ArcSDE空间数据引擎，构建空间数据库用于系统数据的规范化管理。
1) 数据库连接测试：用于对数据库的连接状态进行测试。
2) 数据库数据浏览：连接空间数据库并遍历数据库中不同类型的数据集的名称，加载在checklistbox中。
3) 数据库数据导出：遍历数据库中的数据集，并将选中的数据以不同的格式导出数据库。
图：数据导出主界面
4) 数据导入批处理：可将选中的外部数据批量导入空间数据的栅格数据集中。
图：数据导入主界面
四、系统亮点
1) 选题实用性：该系统研究是全国第一次水利普查的衍生项目，是“基于高分遥感信息源的水利基础数据库建设与更新”课题的重要组成部分。研究成果可望为该课题实现中小比例尺、重点地区大比例尺水利基础空间数据库的定期更新提供有效的技术支持。
2) 资源三号卫星数据处理技术：针对我国最新发射的高分辨率卫星ZY-3，从影像的几何校正、辐射定标、影像融合、辐射校正等基本预处理操作到各种参数及变化信息提取、模型计算，以及变化信息统计分析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，达到遥感监测实效性要求，形成了基于高分辨率卫星水利对象变化更新的技术解决方案，为水资源管理、规划、监测、评价和决策提供支持。
3) 水利对象变化检测模块：针对水利对象自身存在的象类型多、结构复杂、空间分布广且关联性强等特征属性，设计独特的变化检测技术，引进变化矢量分析方法，结合像元光谱角实现不同时相影像的自动相对辐射校正过程；并通过计算直方图曲率确定最佳分割阈值，最终采用双窗口阈值确定水利对象的变化信息，且通过典型示范区的实验与验证，使之在技术和理论上都具有一定的借鉴性和可靠性。
4) 统计分析功能：该系统不仅实现了对水利对象的变化更新等，还对结果文件的专题数据产品提供了统计分析功能。用户可以更加直观的显示水利对象的变化信息。
5) 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，主要包括图层的基本操作功能，如影像显示主窗口和鹰眼窗口，放大、缩小等。
6) 数据库管理：系统在oracle数据库架构ArcSDE空间数据引擎，构建专门的空间数据库进行数据的规范化管理。系统实现了由外部向空间数据库导入数据集与数据由空间数据库导出的功能，在一定程度上使得系统更加的完善与规范。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0101biaj.html
