高分农业遥感数据产品生产系统
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2017-01-01
——中国农业科学院农业自然资源和农业区划研究所提供
2010年5月，高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）全面启动实施。农业作为高分专项的重要应用领域，主要应用于耕地面积调查、草地和水产资源调查、作物面积测量、作物估产、农业灾害监测等，是建设现代农业的重要技术支撑。本系统以丰富的国产卫星影像为核心，利用现代的计算机硬件资源，专业的遥感技术，专业的农学模型，建立一个在线农情遥感监测平台。通过平台可以快速处理大量的国产高分系列卫星数据，高效生产农业基础信息产品，进行农作物面积监测、农作物长势监测以及产量预测等。
1、系统概述
高分农业遥感数据产品生产系统（后面简称系统）是基于SOA进行平台架构设计，以创新的企业级遥感服务器软件ENVI Services Engine为平台，构建了B/S结构的农情遥感监测系统。系统以REST服务方式提供农情遥感功能，包括1个数据处理和4个业务功能服务，分别为数据预处理子系统、农业基础产品生产子系统（15种主要农情信息产品）、农作物面积监测子系统、农作物长势监测子系统、农作物单产和产量预测子系统。基于JavaScript技术开发了人性化的Web端应用程序。
系统部署在高性能集群计算机环境下，提供在线、高效的并行处理服务。系统主要由两个特点：
一、基于企业级遥感平台技术，在高性能集群计算机环境下，支持高分一号（GF-1）、高分二号（GF-2）、高分四号（GF-4）等高性能预处理，支持上百景影像在线和多任务并行处理。
二、企业级遥感技术与农业遥感核心业务的深度整合。在全国范围内，根据任务按需、在线进行遥感数据生产和分析，过平台可以快速处理大量的国产高分系列卫星数据，高效生产农业基础信息产品，进行农作物面积监测、农作物长势监测以及产量预测等。
高分农业遥感数据产品生产系统荣获2016Esri中国最佳应用奖。
2、系统结构
系统采用基于B/S的体系结构，总体框架可划分为集群环境、数据层、功能服务层、Web应用层四个层次，以及标准规范体系、管理规定两大支撑手段。总体框架如下图所示。
一、集群环境
集群环境是本系统的部署环境。遵循经济性与实用性原则，使用现有的集群环境平台。
二、数据层
本系统的数据包含地图服务和影像数据两种。其中影像数据使用国产高分系列卫星影像，为功能服务层提供数据支撑。
三、功能服务层
功能服务层采用SOA架构，以REST服务方式提供遥感影像业务分析功能，包括1个数据处理和4个业务功能服务，分别为数据预处理系统、农业基础产品生产系统、农作物面积监测系统、农作物长势监测、农作物单产和产量预测系统。5个子系统功能是在遥感技术和业务模型的基础上，利用成熟算法库和组件库开发实现。
四、应用层
应用层是通过Web应用客户端实现与服务器交互，它是用户使用本系统的入口。可以执行数据预处理、农业基础产品生产、农作物面积监测、农作物长势监测、单产和产量预测等应用请求，以及检测结果浏览及下载等交互。
图：系统总体结构图
本系统基于ENVI/IDL进行服务器应用程序开发，当服务器应用程序开发出来后，把它封装为一个REST服务并部署到遥感服务器平台ENVI Services Engine引擎上；数据使用国产高分系列卫星影像和地图服务；Web服务系统可选择TOMCAT、GeoTech、WebLogic、Mongoose等Web服务器软件，默认为Mongoose；应用界面基于JavaScript开发。如下图为系统技术结构图。
图：系统技术架构图
3、系统功能
系统采用基于B/S的体系结构，包括5个业务子系统：数据预处理子系统、农业基础产品生产子系统、农作物面积监测子系统、农作物长势监测子系统、单产和产量预测子系统，每个业务子系统包括一个Web客户端，Web客户端提供一些基础功能，包括图层管理、地图浏览、任务浏览等；两个辅助子系统：登录系统和个人中心。
系统功能组成如下图所示：
图：系统功能结构图
（1）系统主页面
输入系统地址后，首先进入的是系统主页面，如下图所示。
图：系统主页面
（2）个人中心
个人中心可以管理自己目录中的文件、提交的任务，浏览公共数据目录和密码管理。如果是管理员用户还可以用户管理和监控服务器。
（3）数据预处理子系统
数据预处理子系统包括QuickBird、SPOT5、SPOT6 、SPOT 7、Worldview2、Worldview3、RapidEye、Pleiades、资源三号、高分一号PMS、高分一号WFV、高分二号PMS数据、高分四号PMS预处理功能。包括正射校正、图像融合、大气校正、图像镶嵌和一键式批处理。
采用流程化的操作方式，如下图所示。
图：流程化的操作方式
（4）农业基础产品生产子系统
农业基础产品生产子系统以国产"高分系列卫星"，包括高分一号、高分二号、高分四号为主要遥感数据源，结合农业遥感模型生产15种农业基础产品。15种农业基础产品包括：耕地破碎度、复种指数、作物物候期、作物叶面积指数、作物冠层叶绿素含量、作物氮含量、作物水分、作物覆盖度、农田蒸发度、净初级生产力、土壤水分、土壤有机质、草原植被返青期、草地地上生物量、草原植被盖度。同样采用流程化操作方式。
图："农业基础产品生产子系统"页面
如下为复种指数处理结果。
图：复种指数指数处理结果
（5）农作物面积监测子系统
农作物面积监测子系统采用专家知识决策树和面向对象图像分类方法进行农作物面积监测，最终生产农作物面积专题产品。不同作物在遥感影像上呈现不同的颜色、纹理、形状等特征信息，利用专家知识决策树或者面向对象图像分类的方法，将作物种植区域提取出来，从而得到作物种植面积和种植区域。
图：专家知识决策树提取耕种面积信息
（6）农作物长势监测子系统
子系统包括三个模块，分别采用不同的三种监测方法：直接作物长势监测模块、实时作物长势监测模块和过程作物长势监测模块。通过本子系统可以在农作物生长期内尽早掌握农作物生长形势，长势包括作物的苗情、生长状况及其变化等，从中可及时获取作物产量信息。
如下图为过程作物长势监测方法得到农作物长势监测结果，监测单元的结果以点的方式显示在地图上，单击某个监测单元上的点就会显示监测结果（图中的对比曲线图）。
图：过程作物长势监测方法得到农作物长势监测结果
（7）单产和产量预测子系统
单产和产量预测子系统利用遥感技术地获得地表作物生理参数（如NDVI等），使用长势监测中所获取的单元遥感指数及其特征数据进行单产的估算，结合作物耕作面积专题产品和单产估算产品，获取产量预测。
如下图为单产预测结果，另外会生成一个电子表格的统计报表，包括单产和产量信息。
图：单产预测结果
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102xr61.html
2010年5月，高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）全面启动实施。农业作为高分专项的重要应用领域，主要应用于耕地面积调查、草地和水产资源调查、作物面积测量、作物估产、农业灾害监测等，是建设现代农业的重要技术支撑。本系统以丰富的国产卫星影像为核心，利用现代的计算机硬件资源，专业的遥感技术，专业的农学模型，建立一个在线农情遥感监测平台。通过平台可以快速处理大量的国产高分系列卫星数据，高效生产农业基础信息产品，进行农作物面积监测、农作物长势监测以及产量预测等。
1、系统概述
高分农业遥感数据产品生产系统（后面简称系统）是基于SOA进行平台架构设计，以创新的企业级遥感服务器软件ENVI Services Engine为平台，构建了B/S结构的农情遥感监测系统。系统以REST服务方式提供农情遥感功能，包括1个数据处理和4个业务功能服务，分别为数据预处理子系统、农业基础产品生产子系统（15种主要农情信息产品）、农作物面积监测子系统、农作物长势监测子系统、农作物单产和产量预测子系统。基于JavaScript技术开发了人性化的Web端应用程序。
系统部署在高性能集群计算机环境下，提供在线、高效的并行处理服务。系统主要由两个特点：
一、基于企业级遥感平台技术，在高性能集群计算机环境下，支持高分一号（GF-1）、高分二号（GF-2）、高分四号（GF-4）等高性能预处理，支持上百景影像在线和多任务并行处理。
二、企业级遥感技术与农业遥感核心业务的深度整合。在全国范围内，根据任务按需、在线进行遥感数据生产和分析，过平台可以快速处理大量的国产高分系列卫星数据，高效生产农业基础信息产品，进行农作物面积监测、农作物长势监测以及产量预测等。
高分农业遥感数据产品生产系统荣获2016Esri中国最佳应用奖。
2、系统结构
系统采用基于B/S的体系结构，总体框架可划分为集群环境、数据层、功能服务层、Web应用层四个层次，以及标准规范体系、管理规定两大支撑手段。总体框架如下图所示。
一、集群环境
集群环境是本系统的部署环境。遵循经济性与实用性原则，使用现有的集群环境平台。
二、数据层
本系统的数据包含地图服务和影像数据两种。其中影像数据使用国产高分系列卫星影像，为功能服务层提供数据支撑。
三、功能服务层
功能服务层采用SOA架构，以REST服务方式提供遥感影像业务分析功能，包括1个数据处理和4个业务功能服务，分别为数据预处理系统、农业基础产品生产系统、农作物面积监测系统、农作物长势监测、农作物单产和产量预测系统。5个子系统功能是在遥感技术和业务模型的基础上，利用成熟算法库和组件库开发实现。
四、应用层
应用层是通过Web应用客户端实现与服务器交互，它是用户使用本系统的入口。可以执行数据预处理、农业基础产品生产、农作物面积监测、农作物长势监测、单产和产量预测等应用请求，以及检测结果浏览及下载等交互。
图：系统总体结构图
本系统基于ENVI/IDL进行服务器应用程序开发，当服务器应用程序开发出来后，把它封装为一个REST服务并部署到遥感服务器平台ENVI Services Engine引擎上；数据使用国产高分系列卫星影像和地图服务；Web服务系统可选择TOMCAT、GeoTech、WebLogic、Mongoose等Web服务器软件，默认为Mongoose；应用界面基于JavaScript开发。如下图为系统技术结构图。
图：系统技术架构图
3、系统功能
系统采用基于B/S的体系结构，包括5个业务子系统：数据预处理子系统、农业基础产品生产子系统、农作物面积监测子系统、农作物长势监测子系统、单产和产量预测子系统，每个业务子系统包括一个Web客户端，Web客户端提供一些基础功能，包括图层管理、地图浏览、任务浏览等；两个辅助子系统：登录系统和个人中心。
系统功能组成如下图所示：
图：系统功能结构图
（1）系统主页面
输入系统地址后，首先进入的是系统主页面，如下图所示。
图：系统主页面
（2）个人中心
个人中心可以管理自己目录中的文件、提交的任务，浏览公共数据目录和密码管理。如果是管理员用户还可以用户管理和监控服务器。
（3）数据预处理子系统
数据预处理子系统包括QuickBird、SPOT5、SPOT6 、SPOT 7、Worldview2、Worldview3、RapidEye、Pleiades、资源三号、高分一号PMS、高分一号WFV、高分二号PMS数据、高分四号PMS预处理功能。包括正射校正、图像融合、大气校正、图像镶嵌和一键式批处理。
采用流程化的操作方式，如下图所示。
图：流程化的操作方式
（4）农业基础产品生产子系统
农业基础产品生产子系统以国产"高分系列卫星"，包括高分一号、高分二号、高分四号为主要遥感数据源，结合农业遥感模型生产15种农业基础产品。15种农业基础产品包括：耕地破碎度、复种指数、作物物候期、作物叶面积指数、作物冠层叶绿素含量、作物氮含量、作物水分、作物覆盖度、农田蒸发度、净初级生产力、土壤水分、土壤有机质、草原植被返青期、草地地上生物量、草原植被盖度。同样采用流程化操作方式。
图："农业基础产品生产子系统"页面
如下为复种指数处理结果。
图：复种指数指数处理结果
（5）农作物面积监测子系统
农作物面积监测子系统采用专家知识决策树和面向对象图像分类方法进行农作物面积监测，最终生产农作物面积专题产品。不同作物在遥感影像上呈现不同的颜色、纹理、形状等特征信息，利用专家知识决策树或者面向对象图像分类的方法，将作物种植区域提取出来，从而得到作物种植面积和种植区域。
图：专家知识决策树提取耕种面积信息
（6）农作物长势监测子系统
子系统包括三个模块，分别采用不同的三种监测方法：直接作物长势监测模块、实时作物长势监测模块和过程作物长势监测模块。通过本子系统可以在农作物生长期内尽早掌握农作物生长形势，长势包括作物的苗情、生长状况及其变化等，从中可及时获取作物产量信息。
如下图为过程作物长势监测方法得到农作物长势监测结果，监测单元的结果以点的方式显示在地图上，单击某个监测单元上的点就会显示监测结果（图中的对比曲线图）。
图：过程作物长势监测方法得到农作物长势监测结果
（7）单产和产量预测子系统
单产和产量预测子系统利用遥感技术地获得地表作物生理参数（如NDVI等），使用长势监测中所获取的单元遥感指数及其特征数据进行单产的估算，结合作物耕作面积专题产品和单产估算产品，获取产量预测。
如下图为单产预测结果，另外会生成一个电子表格的统计报表，包括单产和产量信息。
图：单产预测结果
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102xr61.html
