2012Esri开发竞赛ENVI/IDL组作品欣赏——“基于CASA模型的陆地植被碳通量分析系统”
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2016-06-09
作品单位：中国矿业大学环境与测绘学院
小组成员：许冬、张骏鹏、杨源譞、何芸
指导教师：谭琨、赵银娣
作品视频：http://v.youku.com/v_show/id_XNDc1NDU4NzA0.html?f=17315260&o=0
一、系统概述
系统基于ENVI4.8、IDL8.0和ArcGIS Engine 10技术框架，充分利用遥感与GIS技术日益成熟，遥感数据具有时间同步性好、覆盖范围广的特点，结合GIS强大的空间信息管理和分析功能，使之成为陆地植被碳通量的强有力的手段。
主要利用遥感反演模型和遥感信息提取和管理，再结合其他评价数据及数学模型进行分析，制作区域陆地植被碳通量专题图，为碳监测项目的建设提供理论依据，为维系区域生态系统和环境健康发展提供了保障。与传统的系统相比，该系统是一种更专业的信息管理系统，可以对研究区域的信息进行更全方位、综合、高效的管理，为区域的发展规划决策提供更为可靠的依据。
二、系统设计框架
根据陆地植被碳通量的估算与分析的具体要求，本系统选用目前应用成熟C/S结构，以提高系统的运行效率。系统的软件结构采用地理信息系统组件式开发平台+商业数据库的模式。以Visual C#为开发语言，利用C# + ENVI/IDL + ArcGIS Engine的开发方式，结合ENVI/IDL处理栅格数据的优势和ArcGIS Engine强大的空间分析能力，在同一系统中既能完成遥感数据专业的处理分析，又能完成GIS分析，实现了无缝集成，进而实现GIS与遥感的一体化，针对研究区域，综合应用各种数据管理技术、地理信息系统技术、遥感图像处理技术和软件组件技术，实现遥感模型与空间分析模型及气象模型的结合，进而实现陆地植被碳通量的估算与分析。在数据库设计方面，系统将采用ArcGIS提供的的GeoDatabase数据模型并结合Access数据库对系统的空间数据进行分析与管理。在数据访问时，针对不同的数据采用不同的方式。对与地理位置有关的空间数据采用ArcEngine 提供的接口ArcSDE空间数据库引擎访问数据库；对与地理位置无关的数据，例如业务数据、管理数据，则通过ADO控件读取。
陆地植被碳通量分析系统是构建在.NET体系结构上，开发具备4层体系结构（系统体系结构见图3）：
（1）用户表现层（表示层）：系统通过对各类人员分级授权的方式进行展示。
（2）业务逻辑层（中间层）：提供基础的应用服务，中间层包括：基础应用模块 （包括CASA模型计算、信息查询、数据交换、数据维护、统计分析等模块）。
（3）信息资源层(数据层)：主要包括区域遥感影像数据库、区域基础地理信息数据库、区域气象水文资料数据库、区域地面监测信息数据库等。
（4）系统层：主要包括系统搭建所需的软硬件平台，如客户端和服务器端的硬件配置，系统运行的软件环境等等。
图1 矿区土地复垦管理信息系统体系结构
三、系统功能设计
系统可以实现以下功能：数据管理、数据处理、查询、统计与显示、植被碳通量分析与统计和报告、专题图生成等功能。
系统功能模块和数据处理流程如下图所示。
图2 系统功能模块图
图3 系统数据处理流程图
图4 系统初始化及主界面
(一) 项目及数据管理
该模块是整个系统的入口，系统采用工程化的管理思想，将一套数据的输入到最终成果的输出进行统一管理。
图5 项目工程创建
图6 气象信息查询
(二) 遥感数据分析
遥感影像预处理是遥感应用的第一步，也是非常重要的一步。该模块主要是对遥感数据进行预处理等操作，目的是从遥感影像中获取更准确的信息，增强后续分析的可用性，实现影像价值最大化。
图7 影像数据预览
图8 遥感影像快速分类
(三) 区域影像分析
该模块主要是对通过CASA模型估算陆地植被碳通量的相关数据的准备。根据CASA模型计算的特点，所需要的相关数据甚多，如太阳总辐射、归一化植被指数、温度水分胁迫因子、实测气象数据等参数或中间结果。
图9 区域降水量插值分析
图10 快速水分胁迫因子分析
(四) 陆地植被碳通量分析
该模块是系统的核心，主要包括最大光能利用率、植被指数、吸收光合辐射率、碳通量分析等功能。
图11 光合辐射率分析
图12 植物净初级生产力分析
(五) 地理统计分析
地理统计分析是本系统的一项重要功能，主要实现所有的分析结果和各种专题信息在某种介质上以地图的形式输出并保存在计算机中，并可以对得到的结果数据进行三维浏览，另外，可以对估算结果进行时间轴的分析。
图13 栅格图三维浏览
图14 地图制图分析
图15 时间序列分析
四、系统特点
本系统主要是在整合ENVI/IDL和ArcGIS Engine已有的功能、函数的基础上，利用强大的和灵活的C#程序设计语言开发出来的，且结合目前我国和全球变暖的课题，针对陆地植被碳通量分析的具体需求，简化了ENVI和ArcGIS中的部分功能，引进多线程技术增加了系统的并发性能和大区域数据处理的实时性，使用户操作简单明了。
（1）C#+ArcGIS Engine+IDL混合编程
结合了ENVI/IDL处理栅格数据的优势和ArcGIS Engine强大的空间分析能力，在同一系统中既能完成遥感数据专业的处理分析，又能完成GIS分析，实现无缝集成，从而达到优势互补，提升GIS软件的可操作性，提升空间和影像分析的工作效率，有效节约系统成本，有效解决了传统GIS应用软件中栅格数据处理功能薄弱和传统遥感数据分析系统空间分析能力不足的问题，有效的实现了功能的集成，从而实现了系统流程化处理。
（2）多线程技术增加系统处理速度
系统使用多线程技术进行开发，这不仅让系统可以同时处理多个任务，增加数据处理的效率，还可以在处理任务的时候，主程序不会进入“卡死”状态，另外系统的侧边栏中显示正在处理的数据，用户可以通过其了解系统的运行状态，以保证了系统的稳定性和安全性。
（3）友好的用户界面
用户界面是应用程序的重要组成部分，设计用户界面时，有许多问题需要考虑：例如一共需要使用多少个窗体、要不要使用菜单、要不要创建工具栏、采用什么样的方式来与用户交换信息、应当给用户提供哪些帮助等。本系统采用Office2007的界面风格，采用第三方控件DevExPress实现灵活的系统框架，通过多次反复的设计和测试，系统的主界面、功能界面、附属界面、帮助文档等都做得科学合理，美观大方，便于使用。特别是可以随意更换系统皮肤，使得系统风格可以适用于不同的用户，尽最大可能满足用户的需求。
（4）丰富的用户体验
系统结合FLASH技术，将工作流的思想集成在FLASH中，通过这一技术的使用，用户可以感受不一样的窗体风格，增加用户的体验；另外，系统帮助从普通用户出发，集成有“傻瓜式”的用户手册，不仅可以一步一步的引导用户使用系统，还详细说明了系统的工作原理，让“零基础”的用户可以方便的使用系统。通过功能的简化，可以使用户更加方便快捷的构建感兴趣区，减少了不必要的操作，用户每选择一个地类就会绘制相应的颜色，颜色根据第二次国土调查的地类颜色要求进行设置，增加系统的规范性。
（5）清晰的业务处理流程
系统具有清晰的业务流程，并根据业务流程进行功能的设计，采用工程化的设计思想，用户能够很容易掌握整个系统的规划布局以及业务流程，操作简单，同时系统添加了很多细节的功能，如快捷操作区的设计及使用，使系统操作更加方便实效。
（6）条理清晰的数据组织 根据该系统所使用模型算法，经分析总结得出一系列的所需数据及影像处理所得的结果影像，为了方便管理整个工程全生命周期的数据，系统创造性地将工程所需数据按照分级分条目的方式进行组织，使系统的数据使用条理清晰，数据存取方便快捷，数据回访准确无误，为系统的顺利运行提供必要的数据保障。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010145ji.html
小组成员：许冬、张骏鹏、杨源譞、何芸
指导教师：谭琨、赵银娣
作品视频：http://v.youku.com/v_show/id_XNDc1NDU4NzA0.html?f=17315260&o=0
一、系统概述
系统基于ENVI4.8、IDL8.0和ArcGIS Engine 10技术框架，充分利用遥感与GIS技术日益成熟，遥感数据具有时间同步性好、覆盖范围广的特点，结合GIS强大的空间信息管理和分析功能，使之成为陆地植被碳通量的强有力的手段。
主要利用遥感反演模型和遥感信息提取和管理，再结合其他评价数据及数学模型进行分析，制作区域陆地植被碳通量专题图，为碳监测项目的建设提供理论依据，为维系区域生态系统和环境健康发展提供了保障。与传统的系统相比，该系统是一种更专业的信息管理系统，可以对研究区域的信息进行更全方位、综合、高效的管理，为区域的发展规划决策提供更为可靠的依据。
二、系统设计框架
根据陆地植被碳通量的估算与分析的具体要求，本系统选用目前应用成熟C/S结构，以提高系统的运行效率。系统的软件结构采用地理信息系统组件式开发平台+商业数据库的模式。以Visual C#为开发语言，利用C# + ENVI/IDL + ArcGIS Engine的开发方式，结合ENVI/IDL处理栅格数据的优势和ArcGIS Engine强大的空间分析能力，在同一系统中既能完成遥感数据专业的处理分析，又能完成GIS分析，实现了无缝集成，进而实现GIS与遥感的一体化，针对研究区域，综合应用各种数据管理技术、地理信息系统技术、遥感图像处理技术和软件组件技术，实现遥感模型与空间分析模型及气象模型的结合，进而实现陆地植被碳通量的估算与分析。在数据库设计方面，系统将采用ArcGIS提供的的GeoDatabase数据模型并结合Access数据库对系统的空间数据进行分析与管理。在数据访问时，针对不同的数据采用不同的方式。对与地理位置有关的空间数据采用ArcEngine 提供的接口ArcSDE空间数据库引擎访问数据库；对与地理位置无关的数据，例如业务数据、管理数据，则通过ADO控件读取。
陆地植被碳通量分析系统是构建在.NET体系结构上，开发具备4层体系结构（系统体系结构见图3）：
（1）用户表现层（表示层）：系统通过对各类人员分级授权的方式进行展示。
（2）业务逻辑层（中间层）：提供基础的应用服务，中间层包括：基础应用模块 （包括CASA模型计算、信息查询、数据交换、数据维护、统计分析等模块）。
（3）信息资源层(数据层)：主要包括区域遥感影像数据库、区域基础地理信息数据库、区域气象水文资料数据库、区域地面监测信息数据库等。
（4）系统层：主要包括系统搭建所需的软硬件平台，如客户端和服务器端的硬件配置，系统运行的软件环境等等。
图1 矿区土地复垦管理信息系统体系结构
三、系统功能设计
系统可以实现以下功能：数据管理、数据处理、查询、统计与显示、植被碳通量分析与统计和报告、专题图生成等功能。
系统功能模块和数据处理流程如下图所示。
图2 系统功能模块图
图3 系统数据处理流程图
图4 系统初始化及主界面
(一) 项目及数据管理
该模块是整个系统的入口，系统采用工程化的管理思想，将一套数据的输入到最终成果的输出进行统一管理。
图5 项目工程创建
图6 气象信息查询
(二) 遥感数据分析
遥感影像预处理是遥感应用的第一步，也是非常重要的一步。该模块主要是对遥感数据进行预处理等操作，目的是从遥感影像中获取更准确的信息，增强后续分析的可用性，实现影像价值最大化。
图7 影像数据预览
图8 遥感影像快速分类
(三) 区域影像分析
该模块主要是对通过CASA模型估算陆地植被碳通量的相关数据的准备。根据CASA模型计算的特点，所需要的相关数据甚多，如太阳总辐射、归一化植被指数、温度水分胁迫因子、实测气象数据等参数或中间结果。
图9 区域降水量插值分析
图10 快速水分胁迫因子分析
(四) 陆地植被碳通量分析
该模块是系统的核心，主要包括最大光能利用率、植被指数、吸收光合辐射率、碳通量分析等功能。
图11 光合辐射率分析
图12 植物净初级生产力分析
(五) 地理统计分析
地理统计分析是本系统的一项重要功能，主要实现所有的分析结果和各种专题信息在某种介质上以地图的形式输出并保存在计算机中，并可以对得到的结果数据进行三维浏览，另外，可以对估算结果进行时间轴的分析。
图13 栅格图三维浏览
图14 地图制图分析
图15 时间序列分析
四、系统特点
本系统主要是在整合ENVI/IDL和ArcGIS Engine已有的功能、函数的基础上，利用强大的和灵活的C#程序设计语言开发出来的，且结合目前我国和全球变暖的课题，针对陆地植被碳通量分析的具体需求，简化了ENVI和ArcGIS中的部分功能，引进多线程技术增加了系统的并发性能和大区域数据处理的实时性，使用户操作简单明了。
（1）C#+ArcGIS Engine+IDL混合编程
结合了ENVI/IDL处理栅格数据的优势和ArcGIS Engine强大的空间分析能力，在同一系统中既能完成遥感数据专业的处理分析，又能完成GIS分析，实现无缝集成，从而达到优势互补，提升GIS软件的可操作性，提升空间和影像分析的工作效率，有效节约系统成本，有效解决了传统GIS应用软件中栅格数据处理功能薄弱和传统遥感数据分析系统空间分析能力不足的问题，有效的实现了功能的集成，从而实现了系统流程化处理。
（2）多线程技术增加系统处理速度
系统使用多线程技术进行开发，这不仅让系统可以同时处理多个任务，增加数据处理的效率，还可以在处理任务的时候，主程序不会进入“卡死”状态，另外系统的侧边栏中显示正在处理的数据，用户可以通过其了解系统的运行状态，以保证了系统的稳定性和安全性。
（3）友好的用户界面
用户界面是应用程序的重要组成部分，设计用户界面时，有许多问题需要考虑：例如一共需要使用多少个窗体、要不要使用菜单、要不要创建工具栏、采用什么样的方式来与用户交换信息、应当给用户提供哪些帮助等。本系统采用Office2007的界面风格，采用第三方控件DevExPress实现灵活的系统框架，通过多次反复的设计和测试，系统的主界面、功能界面、附属界面、帮助文档等都做得科学合理，美观大方，便于使用。特别是可以随意更换系统皮肤，使得系统风格可以适用于不同的用户，尽最大可能满足用户的需求。
（4）丰富的用户体验
系统结合FLASH技术，将工作流的思想集成在FLASH中，通过这一技术的使用，用户可以感受不一样的窗体风格，增加用户的体验；另外，系统帮助从普通用户出发，集成有“傻瓜式”的用户手册，不仅可以一步一步的引导用户使用系统，还详细说明了系统的工作原理，让“零基础”的用户可以方便的使用系统。通过功能的简化，可以使用户更加方便快捷的构建感兴趣区，减少了不必要的操作，用户每选择一个地类就会绘制相应的颜色，颜色根据第二次国土调查的地类颜色要求进行设置，增加系统的规范性。
（5）清晰的业务处理流程
系统具有清晰的业务流程，并根据业务流程进行功能的设计，采用工程化的设计思想，用户能够很容易掌握整个系统的规划布局以及业务流程，操作简单，同时系统添加了很多细节的功能，如快捷操作区的设计及使用，使系统操作更加方便实效。
（6）条理清晰的数据组织 根据该系统所使用模型算法，经分析总结得出一系列的所需数据及影像处理所得的结果影像，为了方便管理整个工程全生命周期的数据，系统创造性地将工程所需数据按照分级分条目的方式进行组织，使系统的数据使用条理清晰，数据存取方便快捷，数据回访准确无误，为系统的顺利运行提供必要的数据保障。
文章来源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d010145ji.html
