2012Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏——“北京市气溶胶反演与发布系统”
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2016-06-17
作品单位:聊城大学环境与规划学院
小组成员：田德山、李冰、耿浩、房井洋
指导老师：马雪梅、肖燕
作品视频：http://v.youku.com/v_show/id_X ... o%3D0
一、系统概述
北京市气溶胶反演与发布系统采用C/S与B/S混合架构的方式进行开发，桌面系统（C/S）以北京市为例，采用MODIS L1B 1KM数据为数据源进行气溶胶、PM10、PM2.5和气溶胶影响因子的反演最终将反演结果进行输入和发布成服务。在WEB系统（B/S）注册用户可以查看发布的影像，做简单的GIS空间分析，发表留言以及提出建议。因此本系统的实现的是气溶胶反演与发布的流程化处理。
二、解决思路
首先，北京市气溶胶反演与发布系统采用时间分辨率高的MODIS HDF数据，同一个地区每天至少可以获得昼夜两幅图像，图像宽达2230KM，覆盖面积广。
其次，北京市气溶胶反演与发布系统的桌面端（C/S）利用IDL实现MODIS数据预处理、生成查找表、气溶胶反演，C#采用COM_CONNECT_IDL方式调用IDL功能，把反演过程进行流程化。而且增加WEB端方便不同用户进行查看气溶胶和影响因子反演结果。
再者，系统采用ArcGIS文件地理数据库存储空间数据、SQL数据库存储表数据，这样两个客户端就可以实现数据的传输。
最后，无论是桌面端还是WEB端，都需要应用人员来操作和使用，因此图形用户界面的设计尤为重要，北京市气溶胶反演与发布系统中桌面端采用Dotnetbar V9，WEB端采用Sliverlight进行开发，界面美观大方。
三、系统亮点及特点介绍
1、本系统为C/S和B/S混合架构，采用ArcGIS 文件地理数据库存储空间数据和SQL Server数据库存储表数据。
2、桌面系统（C/S）和WEB系统（B/S）都是采用实体框架ADO.NET Entity Framework进行SQL数据库的连接。其中WEB端（B/S）采用的是WCF RIA service进行前后台通信。
3、桌面系统（C/S）采用C# + ArcEngine + IDL混合编程技术，采用COM_IDL_CONNECT的方式调用IDL源码。调用了常用的GP工具。
4、桌面系统（C/S）采用第三方控件Dotnerbar V9进行开发，既有Ribbon界面的美观大方又有ArcGIS界面的简约实用。
5、桌面系统（C/S）采用时间分辨率较高的MODIS HDF数据实现了气溶胶、PM10、PM2.5和其影响因子的遥感反演。其中PM10 、PM2.5的模型是根据多时相的MODIS数据以及从北京市气象中心发布网站上每天获取的数据进行回归分析得到的线性、指数、对数模型。
6、WEB端（B/S）采用ArcGIS API for Silverlight2.4进行开发，界面效果美轮美奂，功能较强。
7、WEB端（B/S）底图采用ArcGISOnline上的北京地图和全球影像地图，方便实用。
四、系统架构及流程设计
北京市气溶胶反演与发布系统的系统架构和系统流程设计见图4-1和图4-2。
图4-1 系统架构图
图4-2 系统流程设计
五、系统功能简介
5.1、北京市气溶胶反演与发布系统的各功能模块见图5-1。
图5-1 系统功能模块
5.2 系统功能详细介绍
(一) 地图基本功能
地图基本功能模块包括地图文档的新建、打开、保存、另存等基本操作；影像入库、空间数据库的管理；选择要素、识别；添加数据、添加XY数据；以及调用的常用GP工具包括栅格掩膜，按掩膜提取、SHP转EVF、栅格转矢量、投影转换、栅格转点、样条函数插值、等值线生成、栅格渲染。数据库管理中的加载影像操作界面见图5-2。
图5-2 基本功能模块（数据库管理加载影像）
(二) HDF数据辐射定标
北京市气溶胶反演与发布系统中利用了影像的部分波段，因此为了节省处理的时间把波段1、2、3、6、7、8、26、29、31、32单独进行辐射定标，然后合成为一个新的数据。辐射定标之后太阳反射波段1、2、3、6、7、8、26定标后为发射率，热辐射波段29、31、32定标后辐射亮度（热辐射强度）。辐射定标界面见图5-3，用户选择HDF影像，填写保存结果名称系统会调用IDL功能实现辐射定标以及亮温转换。
图5-3辐射校正
(三) HDF几何校正
MODIS HDF包含经纬度数据集，因此可以进行几何校正。本系统使用的方法是先读取HDF中的经纬度数据集，然后建立GCP控制点，通过对GCP点的投影转换来对角度数据集和辐射定标后的科学数据集进行几何校正同时去除了MODIS L1B数据特有的双眼皮。在几何校正的过程中将角度数据重采样到1000*1000分辨率，以便后来进行气溶胶反演的时候，按行列号查找角度数据。几何校正参数设置以及校正前后对比见图5-4和图5-5。为了减轻空间数据的负担以及方便后来的气溶胶影响因子反演几何校正的结果是经过了裁剪之后的。
图5-4几何校正参数选择
图5-5 辐射校正结果与几何校正结果
(四) 云检测
北京市气溶胶反演与发布系统采用的云检测算法是多光谱综合去云法。该算法从可见光反射率、红外波段亮温值以及亮温差等方面综合考虑，逐步建立一个云检测掩膜。对于预测的MODIS数据必须是经过了辐射定标的，热辐射强度转换成了亮温的。多光谱综合去云算法见图5-6
图5-6 云检测算法
(五) 七纬查找表
北京市气溶胶反演与发布系统反演气溶胶采用的方法是建立七纬查找表，是通过在IDL中调用6S辐射模型循环输入参数得到，由于要计算每种情况，虽然设置了一定的步长但由于参数较多，因此七纬查找表的建立时间较长，一般在20分钟左右，图5-7为系统中查找表参数的设置以及建立的七纬查找表，从左向右，依次为太阳天顶角，卫星天顶角，相对方位角，P<sub>0</sub> 、T、 S（具体参见图5-8辐射传输方程），最后一列为气溶胶光学厚度（AOD）。
图5-7查找表参数设置及查找表库中打开的查找表文件
(六) 气溶胶反演
北京市气溶胶反演与发布系统是建立七纬查找表然后按几何角度查找得到对应的P、T、S参数，同时将红蓝波段暗像元法（浓密植被法）得到的表观反射P<sub>TOA</sub>和地表反射率P<sub>S</sub>带入辐射传输方程见图5-8，计算等式是否成立，如果成立则查找表中对应的气溶胶光学厚度（AOD）即为该像元的气溶胶光学厚度。暗像元法得到的北京市2012年6月4日的气溶胶反演结果见图5-9。PM2.5反演和PM10反演不做详细介绍，是实测数据与气溶胶计算相关性得到的线性、指数、对数模型来反演。
图 5-8 辐射传输方程
图5-9气溶胶反演结果及点击提取光学厚度值
(七) 气溶胶影响因子反演
北京市气溶胶反演与发布系统的气溶胶影响因子包括土壤湿度、地表温度、植被覆盖率、NDVI（归一化植被指数）、NDWI（水体指数）、大气含水量等。以地表温度反演为例介绍反演。
地表温度的反演技术参考覃志豪的《MODIS数据地表温度反演分裂窗算法的IDL实现》论文，IDL编程实现，采用分裂窗算法，系统中的影响因子分析都是一键式反演，用户只要输入结果名称即可。图5-10为系统中地表温度反演参数设置，及反演结果。
图5-10 地表温度参数设置及反演结果
(八) 地图整饰输出与服务发布
北京市气溶胶反演与发布系统可以对反演结果进行地图整饰例如添加文字、比例尺、指北针、图例和图片输出（jpg、bmp、png、pdf）；可以将ArcGIS ServerManager发布的URL导入SQL数据库，以方便WEB端加载影像服务。服务发布和URL管理库见图5-11。
图5-11发布影像服务
(九) B/S系统登陆和主界面
WEB系统进入的第一个界面就是用户登录与注册界面，这里注册用户可以登录进入系统，没有注册用户可以点击快速注册进行注册。界面设计见图图5-12。
主界面是用户操作的主要界面图5-13，功能包括：导航、卫星与影像的切换、工具条，侧栏（气溶胶反演、GIS分析）。
图5-12 WEB端用户登录与注册
图5-13 B/S系统主界面
(十) 影像服务加载
模块中可以根据选择时间来加载发布的影像服务，点击显示按钮将把同一时间的服务全部加载近来，显示到下面的图层列表中，在图层列表中可以控制图层是否显示，透明度调节等。点击清除按钮可以将加载的影像服务清除。见图5-14
图5-14 按时间加载图层及清除
(十一) GIS分析模块
该模块中可以进行简单的GIS空间分析，功能包括：识别查询、长度测量、面积和周长测量。
①识别显示区是隐藏的，只有加载了影像服务，下拉列表中才会出选择项，然后点击识别按钮，点击地图就可以提取影像的值。见图5-15。
图5-15 识别
②长度和面积周长测量模块中，用户可以点击开始测量进行画线测量长度和画面测量面积和周长，点击停止测量即可停止。见图5-16。
图5-16 长度测量
(十二) 4.2.3 用户发表留言页面
该页面主要功能是登录用户用来提出建议和举报气溶胶污染点，用户可以在地图上某一位置发表文字、上传图片。例如用户A上班路过东直门地铁站，看见有施工单位正在施工，尘土分扬，马上掏出手机拍下照片，回到公司，打开电脑登陆北京市气溶胶反演与发布系统WEB端，点击地图东直门，上传图片，发表如下留言：请速速检查东直门施工单位，不注重环保，无规则施工。点击发表发表成功。登陆系统的其他用户点击地图上的按钮查看用户A的留言，相关部门查看后马上派人过去检查，如果属实，进行处理。用户发表状态见图5-17。
图5-17用户状态发表
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010143nv.html
小组成员：田德山、李冰、耿浩、房井洋
指导老师：马雪梅、肖燕
作品视频：http://v.youku.com/v_show/id_X ... o%3D0
一、系统概述
北京市气溶胶反演与发布系统采用C/S与B/S混合架构的方式进行开发，桌面系统（C/S）以北京市为例，采用MODIS L1B 1KM数据为数据源进行气溶胶、PM10、PM2.5和气溶胶影响因子的反演最终将反演结果进行输入和发布成服务。在WEB系统（B/S）注册用户可以查看发布的影像，做简单的GIS空间分析，发表留言以及提出建议。因此本系统的实现的是气溶胶反演与发布的流程化处理。
二、解决思路
首先，北京市气溶胶反演与发布系统采用时间分辨率高的MODIS HDF数据，同一个地区每天至少可以获得昼夜两幅图像，图像宽达2230KM，覆盖面积广。
其次，北京市气溶胶反演与发布系统的桌面端（C/S）利用IDL实现MODIS数据预处理、生成查找表、气溶胶反演，C#采用COM_CONNECT_IDL方式调用IDL功能，把反演过程进行流程化。而且增加WEB端方便不同用户进行查看气溶胶和影响因子反演结果。
再者，系统采用ArcGIS文件地理数据库存储空间数据、SQL数据库存储表数据，这样两个客户端就可以实现数据的传输。
最后，无论是桌面端还是WEB端，都需要应用人员来操作和使用，因此图形用户界面的设计尤为重要，北京市气溶胶反演与发布系统中桌面端采用Dotnetbar V9，WEB端采用Sliverlight进行开发，界面美观大方。
三、系统亮点及特点介绍
1、本系统为C/S和B/S混合架构，采用ArcGIS 文件地理数据库存储空间数据和SQL Server数据库存储表数据。
2、桌面系统（C/S）和WEB系统（B/S）都是采用实体框架ADO.NET Entity Framework进行SQL数据库的连接。其中WEB端（B/S）采用的是WCF RIA service进行前后台通信。
3、桌面系统（C/S）采用C# + ArcEngine + IDL混合编程技术，采用COM_IDL_CONNECT的方式调用IDL源码。调用了常用的GP工具。
4、桌面系统（C/S）采用第三方控件Dotnerbar V9进行开发，既有Ribbon界面的美观大方又有ArcGIS界面的简约实用。
5、桌面系统（C/S）采用时间分辨率较高的MODIS HDF数据实现了气溶胶、PM10、PM2.5和其影响因子的遥感反演。其中PM10 、PM2.5的模型是根据多时相的MODIS数据以及从北京市气象中心发布网站上每天获取的数据进行回归分析得到的线性、指数、对数模型。
6、WEB端（B/S）采用ArcGIS API for Silverlight2.4进行开发，界面效果美轮美奂，功能较强。
7、WEB端（B/S）底图采用ArcGISOnline上的北京地图和全球影像地图，方便实用。
四、系统架构及流程设计
北京市气溶胶反演与发布系统的系统架构和系统流程设计见图4-1和图4-2。
图4-1 系统架构图
图4-2 系统流程设计
五、系统功能简介
5.1、北京市气溶胶反演与发布系统的各功能模块见图5-1。
图5-1 系统功能模块
5.2 系统功能详细介绍
(一) 地图基本功能
地图基本功能模块包括地图文档的新建、打开、保存、另存等基本操作；影像入库、空间数据库的管理；选择要素、识别；添加数据、添加XY数据；以及调用的常用GP工具包括栅格掩膜，按掩膜提取、SHP转EVF、栅格转矢量、投影转换、栅格转点、样条函数插值、等值线生成、栅格渲染。数据库管理中的加载影像操作界面见图5-2。
图5-2 基本功能模块（数据库管理加载影像）
(二) HDF数据辐射定标
北京市气溶胶反演与发布系统中利用了影像的部分波段，因此为了节省处理的时间把波段1、2、3、6、7、8、26、29、31、32单独进行辐射定标，然后合成为一个新的数据。辐射定标之后太阳反射波段1、2、3、6、7、8、26定标后为发射率，热辐射波段29、31、32定标后辐射亮度（热辐射强度）。辐射定标界面见图5-3，用户选择HDF影像，填写保存结果名称系统会调用IDL功能实现辐射定标以及亮温转换。
图5-3辐射校正
(三) HDF几何校正
MODIS HDF包含经纬度数据集，因此可以进行几何校正。本系统使用的方法是先读取HDF中的经纬度数据集，然后建立GCP控制点，通过对GCP点的投影转换来对角度数据集和辐射定标后的科学数据集进行几何校正同时去除了MODIS L1B数据特有的双眼皮。在几何校正的过程中将角度数据重采样到1000*1000分辨率，以便后来进行气溶胶反演的时候，按行列号查找角度数据。几何校正参数设置以及校正前后对比见图5-4和图5-5。为了减轻空间数据的负担以及方便后来的气溶胶影响因子反演几何校正的结果是经过了裁剪之后的。
图5-4几何校正参数选择
图5-5 辐射校正结果与几何校正结果
(四) 云检测
北京市气溶胶反演与发布系统采用的云检测算法是多光谱综合去云法。该算法从可见光反射率、红外波段亮温值以及亮温差等方面综合考虑，逐步建立一个云检测掩膜。对于预测的MODIS数据必须是经过了辐射定标的，热辐射强度转换成了亮温的。多光谱综合去云算法见图5-6
(五) 七纬查找表
北京市气溶胶反演与发布系统反演气溶胶采用的方法是建立七纬查找表，是通过在IDL中调用6S辐射模型循环输入参数得到，由于要计算每种情况，虽然设置了一定的步长但由于参数较多，因此七纬查找表的建立时间较长，一般在20分钟左右，图5-7为系统中查找表参数的设置以及建立的七纬查找表，从左向右，依次为太阳天顶角，卫星天顶角，相对方位角，P<sub>0</sub> 、T、 S（具体参见图5-8辐射传输方程），最后一列为气溶胶光学厚度（AOD）。
图5-7查找表参数设置及查找表库中打开的查找表文件
(六) 气溶胶反演
北京市气溶胶反演与发布系统是建立七纬查找表然后按几何角度查找得到对应的P、T、S参数，同时将红蓝波段暗像元法（浓密植被法）得到的表观反射P<sub>TOA</sub>和地表反射率P<sub>S</sub>带入辐射传输方程见图5-8，计算等式是否成立，如果成立则查找表中对应的气溶胶光学厚度（AOD）即为该像元的气溶胶光学厚度。暗像元法得到的北京市2012年6月4日的气溶胶反演结果见图5-9。PM2.5反演和PM10反演不做详细介绍，是实测数据与气溶胶计算相关性得到的线性、指数、对数模型来反演。
图 5-8 辐射传输方程
图5-9气溶胶反演结果及点击提取光学厚度值
(七) 气溶胶影响因子反演
北京市气溶胶反演与发布系统的气溶胶影响因子包括土壤湿度、地表温度、植被覆盖率、NDVI（归一化植被指数）、NDWI（水体指数）、大气含水量等。以地表温度反演为例介绍反演。
地表温度的反演技术参考覃志豪的《MODIS数据地表温度反演分裂窗算法的IDL实现》论文，IDL编程实现，采用分裂窗算法，系统中的影响因子分析都是一键式反演，用户只要输入结果名称即可。图5-10为系统中地表温度反演参数设置，及反演结果。
图5-10 地表温度参数设置及反演结果
(八) 地图整饰输出与服务发布
北京市气溶胶反演与发布系统可以对反演结果进行地图整饰例如添加文字、比例尺、指北针、图例和图片输出（jpg、bmp、png、pdf）；可以将ArcGIS ServerManager发布的URL导入SQL数据库，以方便WEB端加载影像服务。服务发布和URL管理库见图5-11。
图5-11发布影像服务
(九) B/S系统登陆和主界面
WEB系统进入的第一个界面就是用户登录与注册界面，这里注册用户可以登录进入系统，没有注册用户可以点击快速注册进行注册。界面设计见图图5-12。
主界面是用户操作的主要界面图5-13，功能包括：导航、卫星与影像的切换、工具条，侧栏（气溶胶反演、GIS分析）。
图5-12 WEB端用户登录与注册
图5-13 B/S系统主界面
(十) 影像服务加载
模块中可以根据选择时间来加载发布的影像服务，点击显示按钮将把同一时间的服务全部加载近来，显示到下面的图层列表中，在图层列表中可以控制图层是否显示，透明度调节等。点击清除按钮可以将加载的影像服务清除。见图5-14
图5-14 按时间加载图层及清除
(十一) GIS分析模块
该模块中可以进行简单的GIS空间分析，功能包括：识别查询、长度测量、面积和周长测量。
①识别显示区是隐藏的，只有加载了影像服务，下拉列表中才会出选择项，然后点击识别按钮，点击地图就可以提取影像的值。见图5-15。
图5-15 识别
②长度和面积周长测量模块中，用户可以点击开始测量进行画线测量长度和画面测量面积和周长，点击停止测量即可停止。见图5-16。
图5-16 长度测量
(十二) 4.2.3 用户发表留言页面
该页面主要功能是登录用户用来提出建议和举报气溶胶污染点，用户可以在地图上某一位置发表文字、上传图片。例如用户A上班路过东直门地铁站，看见有施工单位正在施工，尘土分扬，马上掏出手机拍下照片，回到公司，打开电脑登陆北京市气溶胶反演与发布系统WEB端，点击地图东直门，上传图片，发表如下留言：请速速检查东直门施工单位，不注重环保，无规则施工。点击发表发表成功。登陆系统的其他用户点击地图上的按钮查看用户A的留言，相关部门查看后马上派人过去检查，如果属实，进行处理。用户发表状态见图5-17。
图5-17用户状态发表
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010143nv.html
