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HJ-1B星地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2014-09-29 02:37:08尹新沆張友靜錢志奇李曉寧陳靜欣
地理空間信息 2014年1期
關(guān)鍵詞:空間數(shù)據(jù)流程圖反演

尹新沆,張友靜,2,錢志奇,李曉寧,陳靜欣

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098;3.江蘇省地質(zhì)勘察技術(shù)院信息中心,江蘇 南京 210008;4.江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站,江蘇 南京 210013)

地表蒸散發(fā)涉及多個(gè)圈層水熱交換與平衡[1,2]。近年來應(yīng)用遙感方法在估算區(qū)域蒸散發(fā)方面取得了諸多成果[3-7]。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理過程繁瑣,不利于研究的進(jìn)一步深入與成果的推廣,人們在此基礎(chǔ)上研發(fā)了許多針對地表蒸散發(fā)的遙感估算系統(tǒng)。吳炳方等[8]設(shè)計(jì)的ETWatch系統(tǒng)和鄧世贊等[9]針對黃河流域設(shè)計(jì)的地表蒸散發(fā)參數(shù)估算系統(tǒng),采用ENVI/IDL語言實(shí)現(xiàn)了對下墊面因子和地表蒸散發(fā)的估算,但系統(tǒng)開發(fā)平臺單一,擴(kuò)展性存在一定的局限性;錢志奇等[10]針對黃河三花間設(shè)計(jì)的地表蒸散發(fā)遙感監(jiān)測系統(tǒng),采用組件技術(shù)解決了遙感模型與水熱模型的集成問題。但上述系統(tǒng)均未建立簡潔規(guī)范的地表蒸散發(fā)遙感估算流程和專門的空間數(shù)據(jù)庫用于多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的存儲與管理,且大多以MODIS為主要數(shù)據(jù)源。隨著研究的深入,km級的數(shù)據(jù)已越來越不能滿足地表蒸散發(fā)實(shí)際應(yīng)用的需求。

本文以HJ-1B星數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,構(gòu)建了基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫,用于對多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理,以ENVI/IDL語言進(jìn)行蒸散發(fā)遙感估算模型算法的封裝,以C#語言控制系統(tǒng)的流程與模型算法的調(diào)用,以ArcEngine與ArcSDE相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的交互,解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多平臺、多模型的集成問題,設(shè)計(jì)了簡潔規(guī)范的流程圖式模型參數(shù)操作界面,開發(fā)了基于HJ-1B星的地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)。

1 遙感估算系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成

地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)涉及到眾多數(shù)據(jù)、參數(shù)與模型的管理,為更加有效地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)程的流程化控制、數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須滿足:①具備HJ-1B星數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、DEM、土壤墑情數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與管理能力;②設(shè)計(jì)簡潔規(guī)范的流程化操作模式,規(guī)范地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)的進(jìn)程;③合理地將遙感平臺、GIS平臺與數(shù)據(jù)庫平臺進(jìn)行多平臺綜合集成,使系統(tǒng)能夠?qū)b感數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)及其他空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)用與管理;④規(guī)范遙感模型與水熱模型集成中不同類型的數(shù)據(jù)、模型、參數(shù)的調(diào)用與傳遞次序;⑤具備統(tǒng)計(jì)分析功能與各類專題地圖的快速編制功能。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析,系統(tǒng)總體架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、用戶交互層和應(yīng)用層4部分(見圖1)。

1)數(shù)據(jù)層。在SQL Server2008數(shù)據(jù)庫上架構(gòu)ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫,搭建系統(tǒng)與SQLServer 2008數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通路,提供系統(tǒng)開發(fā)所需的ArcEngine COMAPI(application programming interface,應(yīng)用程序編程接口)[11],實(shí)現(xiàn)對HJ-1B星數(shù)據(jù)、氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、DEM、土壤墑情數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息、用戶信息等多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。

2)技術(shù)層。利用ENVI/IDL編寫二次開發(fā)函數(shù)并進(jìn)行模型算法封裝,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)預(yù)處理與地表蒸散發(fā)遙感估算的模塊化運(yùn)算;利用ArcSDE實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,其中數(shù)據(jù)的存儲與提取由SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)的整合與處理功能由應(yīng)用層的ArcEngine提供,ArcSDE則提供SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫與ArcEngine之間進(jìn)行交流的通道;利用ArcEngine與C#混編的方式,控制空間數(shù)據(jù)的傳遞及ENVI/IDL二次開發(fā)函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)對各模塊之間生成的空間數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理和系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的交互。

3)用戶交互層。利用窗體控件(Windows控件)設(shè)計(jì)了流程圖式的模型參數(shù)操作界面,采用C#語言控制模型參數(shù)操作界面中各類參數(shù)、模型算法的調(diào)用與傳遞,通過 SQL引擎執(zhí)行空間數(shù)據(jù)的搜索,通過ArcSDE與ArcEngine相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的交互與傳遞,達(dá)到對系統(tǒng)進(jìn)程進(jìn)行流程化控制和對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化管理的目的。

4)應(yīng)用層。利用Visual Studio2010的GUI界面設(shè)計(jì)功能,開發(fā)了基于HJ-1B星的地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng),有效解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多模型、多平臺的集成問題,實(shí)現(xiàn)了對多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,建立了從影像到數(shù)據(jù)成果的一整套系統(tǒng)化、業(yè)務(wù)化流程,提高了系統(tǒng)的友好性與實(shí)用性。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu),將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸出4部分(見圖2)。

1)數(shù)據(jù)交互包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)與參數(shù)的輸入。數(shù)據(jù)獲取主要通過WebBrower控件將相關(guān)數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)頁內(nèi)嵌入系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對蒸散發(fā)遙感估算所需的影像數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)獲取功能。數(shù)據(jù)與參數(shù)的輸入主要集中在數(shù)據(jù)預(yù)處理與ET反演過程中,是用戶交互的主要內(nèi)容,決定了系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)程與最終成果的精度。

2)數(shù)據(jù)管理主要通過構(gòu)建基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。利用ArcEngine將系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)的操作指令傳遞給ArcSDE,由ArcSDE與SQL Server2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互,并將交互結(jié)果再返回ArcEngine,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互,規(guī)范化管理多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)。

3)數(shù)據(jù)處理包括基本功能、影像預(yù)處理與ET反演?;竟δ芘c影像預(yù)處理除實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、波段運(yùn)算、投影轉(zhuǎn)換、空間插值、大氣校正、輻射定標(biāo)、云監(jiān)測等常規(guī)的遙感圖像處理操作之外,還針對HJ-1B星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了HDF文件查詢與HSI去條帶功能。ET反演功能是根據(jù)能量平衡模型(SEBAL模型)反演地表蒸散發(fā)的過程,設(shè)計(jì)了流程圖式的模型參數(shù)操作界面,通過對不同模型參數(shù)操作界面的選擇,實(shí)現(xiàn)了對ET反演的流程化、規(guī)范化控制。

4)數(shù)據(jù)輸出實(shí)現(xiàn)對地表溫度、地表反照率、地表凈輻射通量、土壤熱通量、顯熱通量和日蒸散發(fā)等各類參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析、專題圖的快速編制等功能。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與集成

1.3.1 多平臺集成

IDL語言[12]是面向矩陣操作、遙感影像開發(fā)的交互式語言,ArcEngine在空間數(shù)據(jù)處理與分析中具有顯著的優(yōu)勢[13],VisualStudio2010開發(fā)平臺在GUI界面設(shè)計(jì)上有著廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用Visual Studio2010開發(fā)平臺,構(gòu)建了流程圖式的模型參數(shù)操作界面,規(guī)范了遙感模型與水熱模型集成時(shí)數(shù)據(jù)、參數(shù)調(diào)用與傳遞次序。系統(tǒng)采用ENVI/IDL語言編寫數(shù)據(jù)預(yù)處理與ET反演的二次開發(fā)函數(shù)并進(jìn)行模型算法的封裝,在C#下通過COM_IDL_Connect組件調(diào)用ENVI/IDL語言所封裝的算法函數(shù),實(shí)現(xiàn)二者之間的交互利用,將遙感平臺集成于系統(tǒng)中;采用ArcSDE與AE相結(jié)合的方式,由ArcSDE提供AE訪問空間數(shù)據(jù)庫的API接口,在C#下調(diào)用AE組件庫,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫之間數(shù)據(jù)的交互利用,將數(shù)據(jù)庫平臺集成到系統(tǒng)中;在C#下進(jìn)行AE的二次開發(fā),控制影像數(shù)據(jù)與ENVI/IDL語言所封裝的算法函數(shù)之間參數(shù)的交互與傳遞,實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的操作、顯示與管理,將GIS平臺集成于系統(tǒng)中,從而解決了系統(tǒng)開發(fā)中多平臺、多模型的集成問題。

1.3.2 流程圖式的模型參數(shù)操作界面

針對地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)涉及反演模塊眾多、流程繁瑣復(fù)雜的問題,本系統(tǒng)參考ArcGIS Desktop建模工具的方法,結(jié)合地表蒸散發(fā)遙感估算的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了流程圖式的模型參數(shù)操作界面,簡潔規(guī)范地實(shí)現(xiàn)了對地表蒸散發(fā)遙感估算的流程化控制。

流程圖式的模型參數(shù)操作界面將數(shù)據(jù)預(yù)處理與能量平衡模型(SEBAL模型)反演地表蒸散發(fā)的過程,以固定流程圖的形式封裝成不同的處理模型,并擴(kuò)展了部分模型的參數(shù)交互窗口,用戶可方便地查詢每個(gè)處理過程的可視化流程圖。由圖3可知,模型參數(shù)操作界面中用戶需要進(jìn)行如下操作:連接空間數(shù)據(jù)庫、選擇處理模型、設(shè)定數(shù)據(jù)查詢格式與輸入?yún)?shù)文件。當(dāng)用戶操作完成后,點(diǎn)擊流程圖的輸出框即可執(zhí)行運(yùn)算。運(yùn)算時(shí)系統(tǒng)會首先對輸入文件的完整性進(jìn)行判斷,然后執(zhí)行相應(yīng)的模型算法,并將運(yùn)算結(jié)果存入空間數(shù)據(jù)庫的柵格數(shù)據(jù)集中。同時(shí),如果輸入?yún)?shù)或數(shù)據(jù)不全,系統(tǒng)會提示用戶需要輸入某個(gè)文件而不執(zhí)行運(yùn)算。

1.3.3 多線程運(yùn)行機(jī)制

為了防止系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)量較大的遙感圖像時(shí)出現(xiàn)耗時(shí)過長的現(xiàn)象,解決單線程運(yùn)行方式效率低下的問題,提高系統(tǒng)友好性,本系統(tǒng)利用線程控制函數(shù)Thread()設(shè)計(jì)了多線程的運(yùn)行方式,合理設(shè)計(jì)了各個(gè)功能函數(shù)在線程中的狀態(tài),有效減少了系統(tǒng)運(yùn)行過程中的線程沖突和數(shù)據(jù)冗余問題,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的效率與穩(wěn)定性。

2 HJ-1B星地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)所選實(shí)驗(yàn)區(qū)位于淮河下游一個(gè)典型區(qū)域,包括臨沂市、棗莊市、宿遷市及徐州市北部,面積約3 000 km2(見圖4)。以2010-05-24HJ-1B星數(shù)據(jù)為例,建立了基于HJ-1B星地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng)。系統(tǒng)界面分為主菜單、圖層控制欄、鷹眼區(qū)、文件查詢欄、網(wǎng)頁瀏覽區(qū)、模型流程圖式參數(shù)操作界面、制圖輸出區(qū)和IDL控制臺等。

根據(jù)系統(tǒng)需求,設(shè)計(jì)了基本功能、數(shù)據(jù)預(yù)處理、ET反演、統(tǒng)計(jì)分析和輔助功能5大主菜單。系統(tǒng)的主要特色是針對蒸散發(fā)遙感估算流程繁瑣的問題,建立了可視化的、簡潔規(guī)范的流程圖式模型參數(shù)操作界面(見圖5)。模型參數(shù)操作界面以蒸散發(fā)遙感估算過程為依據(jù),按照影像處理次序與估算參數(shù)類型,劃分成不同的模型參數(shù)操作界面。使用時(shí),用戶首先需連接空間數(shù)據(jù)庫,根據(jù)模型參數(shù)操作界面中輸入?yún)?shù)的格式,設(shè)置文件查詢條件,篩選出空間數(shù)據(jù)庫中符合要求的數(shù)據(jù);然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)拖拽至模型輸入框內(nèi)。當(dāng)參數(shù)全部輸入完畢后,點(diǎn)擊模型輸入框即可完成運(yùn)算,運(yùn)算的結(jié)果將按統(tǒng)一格式存入空間數(shù)據(jù)庫。圖5為模型參數(shù)操作界面中ET反演的總操作界面,以經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)為源頭,按SEBAL模型反演ET過程為依據(jù),進(jìn)行下墊面因子的提取,并采用謝賢群正弦曲線法進(jìn)行日尺度擴(kuò)展。

同時(shí),系統(tǒng)利用IDL 語言在統(tǒng)計(jì)分析方面的優(yōu)勢,開發(fā)了統(tǒng)計(jì)分析功能(直方圖、散點(diǎn)圖和樣點(diǎn)趨勢線)。如圖6所示,利用系統(tǒng)直方圖統(tǒng)計(jì)功能,對HJ-1B估算的地表三通量(Rn、Gn、H)的分布區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖7為MODIS與HJ星估算日蒸散量在300 m分辨率尺度下,影像范圍內(nèi)中心線所對應(yīng)的310多個(gè)采樣點(diǎn)的趨勢線圖。由圖7可見,HJ-Ed相鄰像元值波動明顯,MODIS-Ed相鄰像元值波動緩和;HJ-Ed值分布相對較集中,MODISEd的方差較大,離散程度較高,但二者總體趨勢相同。

3 結(jié) 語

本文針對km級衛(wèi)星數(shù)據(jù)越來越不能滿足實(shí)際應(yīng)用的問題,以百米級分辨率的HJ-1B星數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,結(jié)合蒸散發(fā)遙感估算所需的其他空間數(shù)據(jù),開發(fā)了基于HJ-1B星地表蒸散發(fā)遙感估算系統(tǒng);實(shí)現(xiàn)了從影像的獲取、管理、預(yù)處理到下墊面因子及通量信息的模型化提取,以及專題地圖的編制和統(tǒng)計(jì)分析,建立了從數(shù)據(jù)到成果的一整套業(yè)務(wù)化處理流程,達(dá)到遙感估算實(shí)效性要求,形成了針對地表蒸散發(fā)遙感估算的技術(shù)解決方案。經(jīng)測試,3 000 km2的實(shí)驗(yàn)區(qū),若采用默認(rèn)運(yùn)行參數(shù),整體運(yùn)行時(shí)間控制在3 min以內(nèi),能夠滿足業(yè)務(wù)化運(yùn)行需求,可為大范圍的水分循環(huán)與能量平衡的研究提供支持。

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