2014Esri开发竞赛ENVIIDL组作品欣赏——“城市生态环境质量遥感监测系统”
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2016-05-29
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 全球学院
小组成员：韦晶、郭亚敏、谢秋霞、孙光德
指导老师：孙林、李雷
获奖情况：三等奖
在线视频：http://v.youku.com/v_show/id_XODAwOTgyMTY0.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
应用多源遥感数据：MODIS 1B数据、VIIRS数据、Landsat TM/ETM+/OLI卫星影像数据，利用IDL语言编写数据处理核心代码，并结合ArcGIS Engine 10.1、C#语言及第三方插件Dexpress，构建"城市生态环境质量遥感监测系统"。
系统利用MODIS 1B数据，使用成熟的分裂窗算法完成城市热岛效应监测与分析；利用Landsat TM/ETM/OLI数据，通过构建不同的指数监测城市扩张情况、城市水质质量及城市绿化面积；利用NPP-VIIRS卫星影像数据，通过对其进行辐射定标、角度文件数据的分离等相应预处理，用6S模型建立查找表，进行气溶胶光学厚度反演，并转换为近地表颗粒物浓度PM2.5和PM10；地图制图模块实现影像专题图的制作，获取城市扩张分布图、城市绿地分布图、城市热岛效应分级图及大气颗粒物污染分布图等。该系统实现了城市生态环境质量的监测。
二、系统设计框架
系统实现了用户注册登录及基础的影像读取、显示、漫游、缩放和基本信息浏览等功能，满足了基本的可视化要求，并实现了遥感影像的读取。主要实现城市大气颗粒物污染遥感监测、城市面积扩张监测、城市绿地信息提取、城市热岛效应评价及城市水质监测5大核心模块。
三、系统功能设计
系统包括登录模块、基本操作功能模块、数据预处理模块、大气颗粒物污染模块、城市扩张监测、城市绿地信息监测、城市热岛效应监测、城市水质监测、地图制图输出模块、视图模块10大模块。以下为各模块所实现的具体功能。
1、用户注册登录模块
包括用户登录、注册信息、找回密码，用户登录主要是通过输入正确的用户名和密码进入主窗体，它可以提高程序的安全性，保护数据资料不外泄。有新用户注册，密码找回功能。
正确输入用户名和密码，点击登录，便弹出系统加载界面，如图1所示。稍等片刻便可成功进入系统，系统主界面如图2所示。
图1 系统加载界面
图2 系统主界面
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。基本操作模块功能组织如图3所示。
图3 基本操作模块功能组织图
3、数据预处理模块
该模块主要包括影像重采样，EVF转SHP、栅格矢量化、按掩膜裁剪等基本数据处理； MODIS数据几何校正及太阳高度角订正等；Landsat TM/ETM+/OLI数据辐射定标等功能。数据预处理模块功能组织如图4所示。
图4 数据预处理模块功能组织图
图5 Landsat TM数据辐射定标结果
4、大气颗粒物污染模块
该模块主要包括VIIRS数据读取、利用GLT进行几何校正、实现角度文件和数据文件分离等VIIRS数据预处理功能；以及构建查找表、气溶胶光学厚度反演和近地表颗粒物浓度转换等主要功能。城市热岛效应模块各功能组织如图6所示：
图6 大气颗粒物污染模块功能组织图
图7 近地表颗粒物PM10反演
5、城市扩张监测模块
该模块主要包括利用Landsat TM/ETM+/OLI等数据，分别计算归一化差异水体指数、归一化建筑指数及土壤调整植被指数，最终实现城市用地信息的高精度提取；同时，实现了不同时相同一地区城市用地信息变化检测及面积统计功能。城市扩张功能组织如图8所示：
图8 城市扩张监测模块功能组织图
图9 归一化建筑指数
6、城市绿地信息模块
该模块主要包括利用Landsat TM/ETM+/OLI等数据，分别计算归一化植被指数，利用像元二分法自动计算植被覆盖度，实现研究区内城市绿地信息的提取；同时，实现了不同时相同一地区的城市绿地信息变化检测及面积统计功能。城市绿地信息模块各功能组织如图10所示：
图10 城市绿地信息模块功能组织图
图11 植被覆盖度计算
7、城市热岛效应模块
该模块主要包括利用基于MODIS 1B数据，利用分裂窗算法分别计算大气透过率、地表比辐射率和亮度温度等参数，进行地表温度反演，提取研究区城市热岛效应空间分布等功能。城市热岛效应模块各功能组织如图12所示：
图12 城市热岛效应模块功能组织图
图13 城市热岛等级划分
8、城市水质监测模块
该模块主要实现城市河流、湖泊等水域叶绿素浓度、悬浮颗粒物浓度反演功能。城市水质监测模块各功能组织如图14所示：
图14 城市水质监测模块功能组织图
图15 悬浮物浓度反演
9、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。地图制图输出模块各功能组织如图16所示：
图16 地图制图输出模块功能组织图
10、视图切换模块
该模块主要实现了鹰眼视图、地图视图与布局视图的切换的功能。
鹰眼视图：实现当前地图视图局部放大，快速浏览的功能。在鹰眼视图窗口右键拉框绘制矩形框，右键弹起完成矩形框绘制，按住鼠标左键移动矩形框便可进行鹰眼视图浏览，鹰眼视图效果如图17所示。
图17 鹰眼视图效果图
视图切换：实现当前视图切换至布局视图，将当前地图文档自动加载到布局视图中，用于进行专题制图操作。布局视图如图18所示。
图18 地图视图切换为布局视图
四、系统特点
（1）系统利用IDL语言实现了新型传感器NPP—VIIRS（格式为.h5）影像的读取、GLT几何校正及文件分离等预处理功能，并实现利用6S模型构建查找表，利用浓密植被法进行气溶胶反演，并转化为近地表颗粒物浓度，结果实用。
（2）系统在Landsat TM/ETM+卫星数据的基础上增加了Landsat 8 OLI卫星数据，通过Landsat 8 OLI数据监测城市扩张变化、城市绿地分布及城市水质质量，获得了较好的结果。
（3）系统利用MODIS 1B数据，以成熟的分裂窗算法理论基础，利用IDL编写数据处理核心代码，进行地表温度反演，实现了大尺度地区的城市热岛效应监测与分析。
（4）系统利用DevExpress、ArcGIS Engine搭建系统界面，连接数据库（SQL），IDL语言编写数据处理核心代码，并用C#语言调用IDL语言，构建"城市生态环境质量遥感监测系统"。
（5）系统界面美观，用户体验良好。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v6g6.html
小组成员：韦晶、郭亚敏、谢秋霞、孙光德
指导老师：孙林、李雷
获奖情况：三等奖
在线视频：http://v.youku.com/v_show/id_XODAwOTgyMTY0.html?f=22042559&o=0
一、系统概述
应用多源遥感数据：MODIS 1B数据、VIIRS数据、Landsat TM/ETM+/OLI卫星影像数据，利用IDL语言编写数据处理核心代码，并结合ArcGIS Engine 10.1、C#语言及第三方插件Dexpress，构建"城市生态环境质量遥感监测系统"。
系统利用MODIS 1B数据，使用成熟的分裂窗算法完成城市热岛效应监测与分析；利用Landsat TM/ETM/OLI数据，通过构建不同的指数监测城市扩张情况、城市水质质量及城市绿化面积；利用NPP-VIIRS卫星影像数据，通过对其进行辐射定标、角度文件数据的分离等相应预处理，用6S模型建立查找表，进行气溶胶光学厚度反演，并转换为近地表颗粒物浓度PM2.5和PM10；地图制图模块实现影像专题图的制作，获取城市扩张分布图、城市绿地分布图、城市热岛效应分级图及大气颗粒物污染分布图等。该系统实现了城市生态环境质量的监测。
二、系统设计框架
系统实现了用户注册登录及基础的影像读取、显示、漫游、缩放和基本信息浏览等功能，满足了基本的可视化要求，并实现了遥感影像的读取。主要实现城市大气颗粒物污染遥感监测、城市面积扩张监测、城市绿地信息提取、城市热岛效应评价及城市水质监测5大核心模块。
三、系统功能设计
系统包括登录模块、基本操作功能模块、数据预处理模块、大气颗粒物污染模块、城市扩张监测、城市绿地信息监测、城市热岛效应监测、城市水质监测、地图制图输出模块、视图模块10大模块。以下为各模块所实现的具体功能。
1、用户注册登录模块
包括用户登录、注册信息、找回密码，用户登录主要是通过输入正确的用户名和密码进入主窗体，它可以提高程序的安全性，保护数据资料不外泄。有新用户注册，密码找回功能。
正确输入用户名和密码，点击登录，便弹出系统加载界面，如图1所示。稍等片刻便可成功进入系统，系统主界面如图2所示。
图1 系统加载界面
图2 系统主界面
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。基本操作模块功能组织如图3所示。
图3 基本操作模块功能组织图
3、数据预处理模块
该模块主要包括影像重采样，EVF转SHP、栅格矢量化、按掩膜裁剪等基本数据处理； MODIS数据几何校正及太阳高度角订正等；Landsat TM/ETM+/OLI数据辐射定标等功能。数据预处理模块功能组织如图4所示。
图4 数据预处理模块功能组织图
图5 Landsat TM数据辐射定标结果
4、大气颗粒物污染模块
该模块主要包括VIIRS数据读取、利用GLT进行几何校正、实现角度文件和数据文件分离等VIIRS数据预处理功能；以及构建查找表、气溶胶光学厚度反演和近地表颗粒物浓度转换等主要功能。城市热岛效应模块各功能组织如图6所示：
图6 大气颗粒物污染模块功能组织图
图7 近地表颗粒物PM10反演
5、城市扩张监测模块
该模块主要包括利用Landsat TM/ETM+/OLI等数据，分别计算归一化差异水体指数、归一化建筑指数及土壤调整植被指数，最终实现城市用地信息的高精度提取；同时，实现了不同时相同一地区城市用地信息变化检测及面积统计功能。城市扩张功能组织如图8所示：
图8 城市扩张监测模块功能组织图
图9 归一化建筑指数
6、城市绿地信息模块
该模块主要包括利用Landsat TM/ETM+/OLI等数据，分别计算归一化植被指数，利用像元二分法自动计算植被覆盖度，实现研究区内城市绿地信息的提取；同时，实现了不同时相同一地区的城市绿地信息变化检测及面积统计功能。城市绿地信息模块各功能组织如图10所示：
图10 城市绿地信息模块功能组织图
图11 植被覆盖度计算
7、城市热岛效应模块
该模块主要包括利用基于MODIS 1B数据，利用分裂窗算法分别计算大气透过率、地表比辐射率和亮度温度等参数，进行地表温度反演，提取研究区城市热岛效应空间分布等功能。城市热岛效应模块各功能组织如图12所示：
图12 城市热岛效应模块功能组织图
图13 城市热岛等级划分
8、城市水质监测模块
该模块主要实现城市河流、湖泊等水域叶绿素浓度、悬浮颗粒物浓度反演功能。城市水质监测模块各功能组织如图14所示：
图14 城市水质监测模块功能组织图
图15 悬浮物浓度反演
9、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。地图制图输出模块各功能组织如图16所示：
图16 地图制图输出模块功能组织图
10、视图切换模块
该模块主要实现了鹰眼视图、地图视图与布局视图的切换的功能。
鹰眼视图：实现当前地图视图局部放大，快速浏览的功能。在鹰眼视图窗口右键拉框绘制矩形框，右键弹起完成矩形框绘制，按住鼠标左键移动矩形框便可进行鹰眼视图浏览，鹰眼视图效果如图17所示。
图17 鹰眼视图效果图
视图切换：实现当前视图切换至布局视图，将当前地图文档自动加载到布局视图中，用于进行专题制图操作。布局视图如图18所示。
图18 地图视图切换为布局视图
四、系统特点
（1）系统利用IDL语言实现了新型传感器NPP—VIIRS（格式为.h5）影像的读取、GLT几何校正及文件分离等预处理功能，并实现利用6S模型构建查找表，利用浓密植被法进行气溶胶反演，并转化为近地表颗粒物浓度，结果实用。
（2）系统在Landsat TM/ETM+卫星数据的基础上增加了Landsat 8 OLI卫星数据，通过Landsat 8 OLI数据监测城市扩张变化、城市绿地分布及城市水质质量，获得了较好的结果。
（3）系统利用MODIS 1B数据，以成熟的分裂窗算法理论基础，利用IDL编写数据处理核心代码，进行地表温度反演，实现了大尺度地区的城市热岛效应监测与分析。
（4）系统利用DevExpress、ArcGIS Engine搭建系统界面，连接数据库（SQL），IDL语言编写数据处理核心代码，并用C#语言调用IDL语言，构建"城市生态环境质量遥感监测系统"。
（5）系统界面美观，用户体验良好。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0102v6g6.html
