2015Esri开发竞赛ENVI组作品欣赏——“大气污染遥感监测与扩散模拟系统”
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2016-06-24
作品单位：山东科技大学 测绘科学与工程学院、北京师范大学 地理学与遥感学院
小组成员：韦 晶、郭亚敏、贾 臣、李小军
指导教师：孙 林、杨东旭
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMTM1NDE4MjM2NA==.html
一、系统概述
以当前城市大气污染日益严重现象为背景，针对大气气溶胶和气体污染物两种大气污染物，以研究较为成熟的大气辐射传输方程、高斯气体污染扩散模型为理论基础，使用MODIS、LandsatTM/OLI等多源遥感卫星数据和不同污染源数据分别进行气溶胶遥感实时监测、气体污染扩散模拟，并使用气溶胶实测数据对结果进行精度验证，保证反演结果的准确性和可靠性，以此获取城市的大气污染空间分布状况，分析城市中不同污染源在不同环境因素下的空间扩散情况，从而对大气污染产生的影响作出分析和评价。系统基于上述理论基础，结合GIS的空间分析和空间可视化展现方式，利用C#、IDL、ArcEngine及SQL数据库等构建了"大气污染遥感监测与扩散模拟系统"，将计算结果中的物理现象或物理量随时间和空间的变化呈现在用户面前，使用户能够更加直观地观察到城市大气污染物现状。
二、系统设计框架
该系统以Windows系统为操作平台，基于ArcGIS Engine，使用IDL、C#和Python三种语言混合开发而成。该系统充分利用GIS空间分析和可视化技术以及RS广尺度长时间监测的优势，利用当前研究较为成熟的算法和模型，实现城市大气污染实时监测、精度验证和动态模拟等功能，得到城市颗粒物等污染物在大气中的扩散情况，以分级图的形式展示在视图中，最后输出为相应的专题图。系统的框架设计如下：
（1）地图视图与浏览功能：实现多种数据文件的加载，地图文档的新建、保存等；实现地图的放大、缩小、漫游、全图、上下视图切换、属性查询、距离和面积量测、皮肤更换等功能。
（2）空间数据处理与分析：实现常用的反距离插值、重分类、按掩膜裁剪等栅格数据处理；实现缓冲区分析、相交、裁剪等矢量数据空间分析以及简单的栅格、矢量相互转换功能。
（3）遥感数据预处理功能：包括数据重采样、波段组合及数据拼接等基本数据预处理功能，Landsat TM/OLI系列数据和MODIS数据辐射定标、几何校正和云检测等处理。
（4）气溶胶遥感监测模拟：（核心模块）首先实现了地表反射率数据的处理，支持传统气溶胶反演算法：浓密植被法（DT）以及自主开发的地表反射率数据支持算法（LSRS）实现了Landsat TM/OLI和MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演，并通过高度订正，转换为近地表颗粒物浓度（PM2.5及PM10.0）。
（5）精度验证与分析功能：（核心模块）支持气溶胶光学厚度反演结果、MOD04气溶胶产品、AERONET气溶胶地基观测数据处理，验证站点气溶胶数据定位读取，气溶胶反演结果、气溶胶产品与地基观测数据对比验证，以及月气溶胶动态扩散模拟功能。
（6）气体污染扩散与模拟：（核心模块）支持高斯气体污染扩散模型，通过输入污染源信息（比如工厂、道路等）及其环境信息（如风速、风向等），模拟出气体污染物在大气中的扩散情况，以分级的形式显示在视图中。针对各种模型分析出来的污染物扩散的范围，统计出该范围内受影响的居民区、学校以及受影响程度等统计数据。
（7）地图专题制图输出：将城市气溶胶空间分布状况和气体污染扩散结果以专题图的形式输出。
三、系统功能设计
3.1 系统登录模块
该模块主要包括用户登录、用户注册和密码找回等功能。
图：用户登录界面
3.2 基本操作功能模块
该模块主要包括新建、打开、保存、另存为地图文档，全图显示、放大、缩小、前一视图及后一视图的功能，距离量测、面积量测、图层刷新、显示当前图层属性及当前图片输出的功能，以及个性化皮肤选择。该模块功能组织如下图所示：
图：地图视图与浏览界面
3.3 空间数据处理分析
该模块主要包括反距离权重插值、栅格重分类、按掩膜裁剪等栅格数据处理分析工具和缓冲区分析、相交等矢量数据处理分析工具，以及矢量和栅格相互转换工具。该模块功能组织如下图所示：
图：反距离权重插值结果
3.4 遥感数据预处理模块
该模块主要包括重采样、波段组合、数据拼接，Landsat系列数据和MODIS数据辐射定标、几何校正、云检测等预处理功能。该模块功能组织如下图所示：
图：MODIS数据辐射定标结果
图：MODIS数据云检测结果
3.5 气溶胶遥感监测模拟
该模块主要包括MODIS地表反射率数据处理，Landsat TM/OLI数据和MODIS数据DT、LSRS两种算法的气溶胶光学厚度遥感反演，以及向近地表颗粒物浓度转换等功能。该模块的功能组织如下图所示：
图：MODIS气溶胶光学厚度反演结果
图：LANDSAT5气溶胶光学厚度反演结果
图：LANDSAT8气溶胶光学厚度反演结果
图：近地表PM2.5反演结果
3.6 精度验证与分析模块
该模块主要包括气溶胶反演结果、MODIS气溶胶产品、地基观测数据的定点获取、处理和对比分析，以及气溶胶扩散模拟等功能。该模块各功能组织下图所示：
图：气溶胶反演结果验证
3.7 气体污染扩散与模拟
该模块主要包括高斯单源污染扩散、基于工厂污染和不同等级道路污染的高斯面源污染扩散模型；基于扩散结果实现气体污染影响强度等级划分和受污染的周围学校、居民区数据统计等功能。该模块功能组织如下图所示：
图：高斯单源污染扩散模拟分布图
图：工厂污染扩散模拟分布图
图：道路污染扩散模拟分布图
图：高斯面源污染扩散模拟分布图
图：高斯污染强度等级划分
图：高斯污染影像统计分析
3.8 地图制图输出模块
该模块主要包括打开、保存地图文档，设置布局属性、添加指北针、图例、比例尺等制图要素及专题地图输出的功能。该模块各功能组织如下图所示：
图：北京地区气溶胶光学厚度空间分布图
四、系统亮点
（1）本系统以城市地区大气污染日益严重为研究背景，使用丰富的理论算法为基础，针对大气气溶胶污染物和气体状态污染物，利用多源遥感卫星数据和不同污染源矢量数据实现了城市地区的大气污染实时监测和扩散模拟。
（2）使用提出的地表反射率数据支持的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演算法（LSRS），实现了MODIS、LandsatTM/OLI数据由数据预处理、气溶胶反演、近地表颗粒物浓度转换、气溶胶反演精度验证分析和气溶胶扩散模拟一体化处理。
（3）基于高斯气体污染扩散模型，考虑了工厂、道路不同污染源在风速、风向等不同环境因素下对环境的影响，分别从高斯点源污染扩散和高斯面源污染扩散两部分进行气体污染扩散模拟与分析。实现了气体污染在城市中的空间扩散情况。
（4）系统利用DevExpress、ArcEngine搭建系统界面，外接SQL数据库，核心语言为IDL和C#。为保证系统操作快速、稳定运行，充分利用不同语言优势，针对不同的功能模块使用不同的方法实现。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102wtrs.html
小组成员：韦 晶、郭亚敏、贾 臣、李小军
指导教师：孙 林、杨东旭
获奖情况：二等奖
视频地址：http://v.youku.com/v_show/id_XMTM1NDE4MjM2NA==.html
一、系统概述
以当前城市大气污染日益严重现象为背景，针对大气气溶胶和气体污染物两种大气污染物，以研究较为成熟的大气辐射传输方程、高斯气体污染扩散模型为理论基础，使用MODIS、LandsatTM/OLI等多源遥感卫星数据和不同污染源数据分别进行气溶胶遥感实时监测、气体污染扩散模拟，并使用气溶胶实测数据对结果进行精度验证，保证反演结果的准确性和可靠性，以此获取城市的大气污染空间分布状况，分析城市中不同污染源在不同环境因素下的空间扩散情况，从而对大气污染产生的影响作出分析和评价。系统基于上述理论基础，结合GIS的空间分析和空间可视化展现方式，利用C#、IDL、ArcEngine及SQL数据库等构建了"大气污染遥感监测与扩散模拟系统"，将计算结果中的物理现象或物理量随时间和空间的变化呈现在用户面前，使用户能够更加直观地观察到城市大气污染物现状。
二、系统设计框架
该系统以Windows系统为操作平台，基于ArcGIS Engine，使用IDL、C#和Python三种语言混合开发而成。该系统充分利用GIS空间分析和可视化技术以及RS广尺度长时间监测的优势，利用当前研究较为成熟的算法和模型，实现城市大气污染实时监测、精度验证和动态模拟等功能，得到城市颗粒物等污染物在大气中的扩散情况，以分级图的形式展示在视图中，最后输出为相应的专题图。系统的框架设计如下：
（1）地图视图与浏览功能：实现多种数据文件的加载，地图文档的新建、保存等；实现地图的放大、缩小、漫游、全图、上下视图切换、属性查询、距离和面积量测、皮肤更换等功能。
（2）空间数据处理与分析：实现常用的反距离插值、重分类、按掩膜裁剪等栅格数据处理；实现缓冲区分析、相交、裁剪等矢量数据空间分析以及简单的栅格、矢量相互转换功能。
（3）遥感数据预处理功能：包括数据重采样、波段组合及数据拼接等基本数据预处理功能，Landsat TM/OLI系列数据和MODIS数据辐射定标、几何校正和云检测等处理。
（4）气溶胶遥感监测模拟：（核心模块）首先实现了地表反射率数据的处理，支持传统气溶胶反演算法：浓密植被法（DT）以及自主开发的地表反射率数据支持算法（LSRS）实现了Landsat TM/OLI和MODIS数据的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演，并通过高度订正，转换为近地表颗粒物浓度（PM2.5及PM10.0）。
（5）精度验证与分析功能：（核心模块）支持气溶胶光学厚度反演结果、MOD04气溶胶产品、AERONET气溶胶地基观测数据处理，验证站点气溶胶数据定位读取，气溶胶反演结果、气溶胶产品与地基观测数据对比验证，以及月气溶胶动态扩散模拟功能。
（6）气体污染扩散与模拟：（核心模块）支持高斯气体污染扩散模型，通过输入污染源信息（比如工厂、道路等）及其环境信息（如风速、风向等），模拟出气体污染物在大气中的扩散情况，以分级的形式显示在视图中。针对各种模型分析出来的污染物扩散的范围，统计出该范围内受影响的居民区、学校以及受影响程度等统计数据。
（7）地图专题制图输出：将城市气溶胶空间分布状况和气体污染扩散结果以专题图的形式输出。
三、系统功能设计
3.1 系统登录模块
该模块主要包括用户登录、用户注册和密码找回等功能。
图：用户登录界面
3.2 基本操作功能模块
该模块主要包括新建、打开、保存、另存为地图文档，全图显示、放大、缩小、前一视图及后一视图的功能，距离量测、面积量测、图层刷新、显示当前图层属性及当前图片输出的功能，以及个性化皮肤选择。该模块功能组织如下图所示：
图：地图视图与浏览界面
3.3 空间数据处理分析
该模块主要包括反距离权重插值、栅格重分类、按掩膜裁剪等栅格数据处理分析工具和缓冲区分析、相交等矢量数据处理分析工具，以及矢量和栅格相互转换工具。该模块功能组织如下图所示：
图：反距离权重插值结果
3.4 遥感数据预处理模块
该模块主要包括重采样、波段组合、数据拼接，Landsat系列数据和MODIS数据辐射定标、几何校正、云检测等预处理功能。该模块功能组织如下图所示：
图：MODIS数据辐射定标结果
图：MODIS数据云检测结果
3.5 气溶胶遥感监测模拟
该模块主要包括MODIS地表反射率数据处理，Landsat TM/OLI数据和MODIS数据DT、LSRS两种算法的气溶胶光学厚度遥感反演，以及向近地表颗粒物浓度转换等功能。该模块的功能组织如下图所示：
图：MODIS气溶胶光学厚度反演结果
图：LANDSAT5气溶胶光学厚度反演结果
图：LANDSAT8气溶胶光学厚度反演结果
图：近地表PM2.5反演结果
3.6 精度验证与分析模块
该模块主要包括气溶胶反演结果、MODIS气溶胶产品、地基观测数据的定点获取、处理和对比分析，以及气溶胶扩散模拟等功能。该模块各功能组织下图所示：
图：气溶胶反演结果验证
3.7 气体污染扩散与模拟
该模块主要包括高斯单源污染扩散、基于工厂污染和不同等级道路污染的高斯面源污染扩散模型；基于扩散结果实现气体污染影响强度等级划分和受污染的周围学校、居民区数据统计等功能。该模块功能组织如下图所示：
图：高斯单源污染扩散模拟分布图
图：工厂污染扩散模拟分布图
图：道路污染扩散模拟分布图
图：高斯面源污染扩散模拟分布图
图：高斯污染强度等级划分
图：高斯污染影像统计分析
3.8 地图制图输出模块
该模块主要包括打开、保存地图文档，设置布局属性、添加指北针、图例、比例尺等制图要素及专题地图输出的功能。该模块各功能组织如下图所示：
图：北京地区气溶胶光学厚度空间分布图
四、系统亮点
（1）本系统以城市地区大气污染日益严重为研究背景，使用丰富的理论算法为基础，针对大气气溶胶污染物和气体状态污染物，利用多源遥感卫星数据和不同污染源矢量数据实现了城市地区的大气污染实时监测和扩散模拟。
（2）使用提出的地表反射率数据支持的城市地区气溶胶光学厚度遥感反演算法（LSRS），实现了MODIS、LandsatTM/OLI数据由数据预处理、气溶胶反演、近地表颗粒物浓度转换、气溶胶反演精度验证分析和气溶胶扩散模拟一体化处理。
（3）基于高斯气体污染扩散模型，考虑了工厂、道路不同污染源在风速、风向等不同环境因素下对环境的影响，分别从高斯点源污染扩散和高斯面源污染扩散两部分进行气体污染扩散模拟与分析。实现了气体污染在城市中的空间扩散情况。
（4）系统利用DevExpress、ArcEngine搭建系统界面，外接SQL数据库，核心语言为IDL和C#。为保证系统操作快速、稳定运行，充分利用不同语言优势，针对不同的功能模块使用不同的方法实现。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102wtrs.html
