范登科，劉良明，劉 洋

(1.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079;2.黑龍江測(cè)繪局，哈爾濱 150081)

水資源作為人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮著巨大作用，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)日趨嚴(yán)重，由此引發(fā)供需、競(jìng)爭(zhēng)等多種矛盾。各國(guó)政府早已將水環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理納入到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中，特別是對(duì)與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的內(nèi)陸湖泊、河流的環(huán)境監(jiān)測(cè)，成為一項(xiàng)需要大力投入和長(zhǎng)期執(zhí)行的重要工作。為了更加科學(xué)高效地開(kāi)展這項(xiàng)工作，遙感技術(shù)被成功應(yīng)用到水環(huán)境監(jiān)測(cè)上來(lái)，并得到越來(lái)越廣泛的認(rèn)可和關(guān)注。

目前，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法是根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析水質(zhì)情況，該方法能夠比較精確地測(cè)出某個(gè)局部點(diǎn)范圍內(nèi)的污染情況，但是不能快速地統(tǒng)計(jì)出大區(qū)域的污染信息。為了更加有效地對(duì)湖北省水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)該綜合利用遙感、地理信息系統(tǒng)等空間信息技術(shù)，并和傳統(tǒng)方法相結(jié)合，對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)。為了快速、精確地從遙感影像中提取與水環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)的生化指標(biāo)信息，需要一個(gè)軟件系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織和高效處理，使人們能夠有效地查看各個(gè)水網(wǎng)的環(huán)境情況，便于水環(huán)境監(jiān)測(cè)專家和工作者做出分析和決策?，F(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多依賴于地面?zhèn)鞲衅骷皩?shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析[1，2]，國(guó)外有關(guān)引入遙感技術(shù)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)的可行性研究仍處于起步階段[3]，自2008年環(huán)境一號(hào)小衛(wèi)星在軌運(yùn)行起，我國(guó)以應(yīng)用該星座數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)為研究目標(biāo)，將太湖列為示范區(qū)域，開(kāi)展了水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的可行性研究[4]，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了包括數(shù)據(jù)管理、遙感影像處理、遙感模型應(yīng)用、專題產(chǎn)品生產(chǎn)和發(fā)布等功能在內(nèi)的太湖水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)的研究和示范平臺(tái)。

由于湖泊的水環(huán)境狀況與地理位置、氣候條件、周邊土地利用類(lèi)型等因素密切相關(guān)，不同湖泊的水質(zhì)變化規(guī)律表現(xiàn)出不一致性，需要根據(jù)具體的水域系統(tǒng)構(gòu)建符合該區(qū)域特征的水質(zhì)參數(shù)反演模型。此外，太湖區(qū)域水質(zhì)參數(shù)模型的反演依賴了大量歷史和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，擁有較為密集分布的地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而大東湖水網(wǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較為稀疏，特別是近湖岸區(qū)域缺乏有效的監(jiān)測(cè)。因此在確保水質(zhì)參數(shù)反演精度的基礎(chǔ)上，為了更好的表達(dá)水環(huán)境狀況的空間分布，提出了適用于本文研究區(qū)域的水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施方案。并借鑒太湖水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，針對(duì)湖北省大東湖水網(wǎng)和梁子湖水系水環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要和特殊性，在遙感技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的具體實(shí)施路線基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施方案

使用遙感數(shù)據(jù)實(shí)施水環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要是對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，得到可以反映水質(zhì)狀況的遙感特征參數(shù)，通過(guò)構(gòu)建反演模型或利用空間分析方法，提取水體目標(biāo)中的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)水環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合多種水質(zhì)參數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度、污染程度、水質(zhì)類(lèi)別等做出判別。與傳統(tǒng)地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)方法相比較而言，遙感監(jiān)測(cè)方法表現(xiàn)出大范圍、時(shí)空連續(xù)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)湖北省大東湖水網(wǎng)的湖區(qū)分布特點(diǎn)和歷史環(huán)境狀況資料，提出該區(qū)域內(nèi)湖泊環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線，包括遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理、水環(huán)境指標(biāo)提取、水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)3個(gè)部分，實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

1.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了更科學(xué)、合理地將遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用到水環(huán)境監(jiān)測(cè)中，需要對(duì)未經(jīng)地理坐標(biāo)校準(zhǔn)和輻射定標(biāo)的初級(jí)遙感影像產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算處理，生成表達(dá)地物反射率和亮度溫度的中間產(chǎn)品。此外，由于所關(guān)注和研究的目標(biāo)是湖泊區(qū)域內(nèi)的水體，而非其他地物類(lèi)型，需要對(duì)水體與非水體目標(biāo)進(jìn)行提取和區(qū)分。綜上所述，水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的預(yù)處理過(guò)程包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、輻射定標(biāo)、幾何校正和湖區(qū)提取4個(gè)部分，而且它們執(zhí)行處理的先后順序是固定不變的。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備根據(jù)原始影像的元數(shù)據(jù)計(jì)算輻射定標(biāo)系數(shù);輻射定標(biāo)使用該定標(biāo)系數(shù)轉(zhuǎn)換影像DN值到地表反射率;幾何校正通過(guò)配準(zhǔn)的方式將影像地理空間坐標(biāo)修正為真實(shí)、正確的數(shù)值;湖區(qū)提取對(duì)所有研究水域目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，轉(zhuǎn)換其他陸地目標(biāo)為影像背景。其中，幾何校正和湖區(qū)提取受影像質(zhì)量和處理算法的影響較大，需要根據(jù)環(huán)境小衛(wèi)星影像的特點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，從效率和精度2個(gè)方面，選擇最優(yōu)的算法以達(dá)到監(jiān)測(cè)需要。

1.2 水環(huán)境指標(biāo)提取

不同水質(zhì)的水體在遙感影像上有較明顯的反映[5]，使用預(yù)處理后的遙感影像數(shù)據(jù)，借助光學(xué)－生化/光學(xué)－物理模型，對(duì)比參考國(guó)內(nèi)外同類(lèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)(TM、CBERS等)水質(zhì)指標(biāo)提取方法，通過(guò)波段組合運(yùn)算的方式構(gòu)造多種具有光學(xué)、生化、物理或混合特性的特征，將其與同一時(shí)期內(nèi)的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立關(guān)系模型，尋找最佳的數(shù)學(xué)模型描述二者間的數(shù)值關(guān)系。由于影像的輻射信息可能受到季節(jié)、經(jīng)緯度、高程等因素的影響，分析獲得到的某一特定水質(zhì)指標(biāo)的反演模型并不唯一，為了提高模型的適用性和穩(wěn)定性，需要使用大量影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)，為了避免應(yīng)急過(guò)程中模型反演結(jié)果精度與實(shí)際地面監(jiān)測(cè)差異明顯的情況，采用先把遙感影像分割為湖區(qū)圖斑，再將地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)插計(jì)算分布到圖斑中的空間數(shù)據(jù)分析方法，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境指標(biāo)含量的真實(shí)化遙感方式表達(dá)。

1.3 水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)

使用通過(guò)遙感手段所提取的水環(huán)境指標(biāo)影像數(shù)據(jù)，依據(jù)傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)方式下的水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較計(jì)算獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度、水污染程度、水質(zhì)等級(jí)，并將分級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果記錄生成相應(yīng)的遙感專題影像，水環(huán)境狀況的空間分布情況在遙感影像上得到直觀地反映。根據(jù)國(guó)家環(huán)保部公布的水環(huán)境狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)使用遙感影像數(shù)據(jù)反演獲得的葉綠素a、總磷、總氮、高錳酸鹽等總計(jì)13項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，其中富營(yíng)養(yǎng)化程度分為輕營(yíng)養(yǎng)、中營(yíng)養(yǎng)、輕度富營(yíng)養(yǎng)、中度富營(yíng)養(yǎng)和重度富營(yíng)養(yǎng)5級(jí)，水污染程度分為優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染5級(jí)，水質(zhì)等級(jí)分為Ⅰ～Ⅴ與劣Ⅴ類(lèi)六級(jí)，當(dāng)參與評(píng)價(jià)的單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)限值所在級(jí)別，且為所評(píng)價(jià)指標(biāo)中最高時(shí)，將水環(huán)境狀況確定為該級(jí)別，直到所有參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)完成限值判定。

2 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

參照水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施的技術(shù)路線，結(jié)合系統(tǒng)操作的方便性、可視化性，以及業(yè)務(wù)化運(yùn)行的靈活性、可變性等特點(diǎn)，“遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”采用多文檔多視圖主框架結(jié)構(gòu)結(jié)合COM組件的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)和組織，采取分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)?？紤]到與用戶交互的需求，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可分為4層，各部分的耦合關(guān)系盡量少，以保證系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。不同的服務(wù)層對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)功能模塊，具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，也具有不同程度的復(fù)用和更新。其中功能層預(yù)處理部分包括一個(gè)配準(zhǔn)分系統(tǒng)，與本系統(tǒng)共享文件數(shù)據(jù)接口。在主要處理運(yùn)算功能設(shè)計(jì)確保生產(chǎn)效率和成果精度的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)各層接口間、本系統(tǒng)與配準(zhǔn)分系統(tǒng)接口間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)系是系統(tǒng)靈活操作和遙感影像流程化處理的關(guān)鍵。系統(tǒng)的四層總體架構(gòu)組織方式如圖2所示。

圖2 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 主要功能設(shè)計(jì)

在整個(gè)水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中，由于大多數(shù)系統(tǒng)功能僅涉及簡(jiǎn)單的遙感影像波段組合運(yùn)算，影響最終水環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果的處理主要表現(xiàn)在空間地理定位和水環(huán)境指標(biāo)的遙感手段提取2個(gè)階段。其中空間地理定位需要根據(jù)影像特征采用特定的圖像配準(zhǔn)算法，修正因采集環(huán)境、傳感器姿態(tài)、地形起伏等多種因素造成的地理坐標(biāo)偏差，考慮影像全局幾何畸變的方式與對(duì)校正精度的需求，該功能設(shè)計(jì)對(duì)算法有較高的依賴性，并且為了達(dá)到流程化、少量乃至無(wú)人工干預(yù)的處理目標(biāo)，應(yīng)盡量減少參數(shù)配置和匹配操作，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別分析完成判斷，完成幾何校正預(yù)處理操作，即設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的遙感影像配準(zhǔn)處理功能。

影像匹配是指在兩幅影像之間的識(shí)別同名點(diǎn)[6]。由于影像配準(zhǔn)包括控制點(diǎn)提取、控制點(diǎn)匹配、模型估計(jì)和重采樣4個(gè)過(guò)程，對(duì)流程化處理和數(shù)據(jù)I/O的要求較高，因此幾何校正的功能使用獨(dú)立的配準(zhǔn)分系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。配準(zhǔn)分系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)如圖3所示。在接到執(zhí)行幾何校正處理任務(wù)的請(qǐng)求時(shí)，由水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送啟動(dòng)配準(zhǔn)分系統(tǒng)命令，并將數(shù)據(jù)I/O信息以文件傳遞消息方式通知配準(zhǔn)分系統(tǒng)進(jìn)行處理準(zhǔn)備。在校正開(kāi)始前需要手工選擇配準(zhǔn)影像和配置參數(shù)，進(jìn)行校正時(shí)系統(tǒng)首先打開(kāi)第一組影像自動(dòng)提取和匹配控制點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算糾正模型精度，完成后提示用戶重采樣操作，此時(shí)可以選擇執(zhí)行人工干預(yù)調(diào)整模型精度，當(dāng)精度滿足需要時(shí)，確認(rèn)重采樣操作完成匹配操作，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)加入第2組影像以上述流程執(zhí)行幾何校正，循環(huán)操作和處理直到完成所有待配準(zhǔn)數(shù)據(jù)的校正。

圖3 幾何校正功能實(shí)現(xiàn)流程

在保證產(chǎn)品精度的同時(shí)，為了提高影像配準(zhǔn)處理在遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)化生產(chǎn)中的效率，國(guó)內(nèi)外專家根據(jù)影像特征和研究區(qū)域提出了許多快速配準(zhǔn)算法，有基于控制點(diǎn)庫(kù)的快速同名點(diǎn)搜索和匹配方法[7]，有分層匹配候選特征點(diǎn)集優(yōu)化搜索策略的配準(zhǔn)方法[8]，本文水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)兼顧常規(guī)與應(yīng)急運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)了2種遙感影像幾何校正方案，在常規(guī)運(yùn)行下采用基于SIFT特征的配準(zhǔn)方法，在應(yīng)急運(yùn)行下使用基于窗口灰度相關(guān)的控制點(diǎn)庫(kù)的方法，平衡精度與效率之間的矛盾。

水環(huán)境指標(biāo)提取作為水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能之一，負(fù)責(zé)完成遙感輻射指標(biāo)到水環(huán)境生化指標(biāo)的計(jì)算轉(zhuǎn)換，目前應(yīng)用遙感技術(shù)開(kāi)展環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作的一般方式是:使用大量遙感數(shù)據(jù)與同期地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)回歸分析理論，選擇有直接影響作用或相關(guān)程度高的光譜范圍，建立能夠表達(dá)遙感指標(biāo)與物理生化指標(biāo)之間數(shù)值關(guān)系的反演模型，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期對(duì)比驗(yàn)證和精度調(diào)整，達(dá)到脫離地面監(jiān)測(cè)而依靠遙感影像推演計(jì)算所需參數(shù)的目標(biāo)。關(guān)于內(nèi)陸水域指標(biāo)的遙感反演提取方法正處于研究和實(shí)驗(yàn)階段[9，10]，且不同的水域自成系統(tǒng)，采用的反演模型各不相同，水環(huán)境指標(biāo)提取功能設(shè)計(jì)應(yīng)包括反演模型管理和指標(biāo)計(jì)算2個(gè)部分。

由于系統(tǒng)涉及的水環(huán)境指標(biāo)、監(jiān)測(cè)水域、傳感器類(lèi)型、模型公式種類(lèi)較多，組合千變?nèi)f化，需要進(jìn)行統(tǒng)一有效的管理和調(diào)用。反演模型管理功能采用XML文件結(jié)點(diǎn)記錄方式，按模型所屬類(lèi)別的重要性進(jìn)行分級(jí)管理，結(jié)點(diǎn)級(jí)別自頂向下分別是:水質(zhì)參數(shù)類(lèi)別、所在湖區(qū)、影像所屬衛(wèi)星傳感器類(lèi)別、模型信息，其中模型信息包括介紹、湖區(qū)代碼、公式和計(jì)算波段4個(gè)部分。XML文件管理反演模型的內(nèi)容形式如圖4所示。

圖4 管理反演模型的XML文件內(nèi)容

水環(huán)境指標(biāo)計(jì)算功能的設(shè)計(jì)除包括從XML文件中調(diào)用指定反演模型公式執(zhí)行計(jì)算(模型反演方法)的常規(guī)運(yùn)行模式外，還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)應(yīng)急運(yùn)行模型下地面實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖斑化分布(影像分割方法)的新穎指標(biāo)提取方式，該方式在保證遙感指標(biāo)值與實(shí)測(cè)值一致的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展到空間區(qū)域中，是遙感技術(shù)應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)表達(dá)的新思路。水環(huán)境指標(biāo)提取功能實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 水環(huán)境指標(biāo)提取功能實(shí)現(xiàn)流程

2.2 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是面向數(shù)據(jù)處理的業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)，在執(zhí)行處理任務(wù)的過(guò)程中會(huì)涉及多種類(lèi)型數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)以及頻繁的數(shù)據(jù)I/O操作，特別是對(duì)于多線程批處理任務(wù)下的數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)，效率顯得尤為重要。在上節(jié)主要功能設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)接口給出一些說(shuō)明，具體到整個(gè)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)接口來(lái)說(shuō)，總共包括有3種類(lèi)型:文本數(shù)據(jù)接口、空間數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫(kù)接口，表1列出了這3種數(shù)據(jù)接口的實(shí)現(xiàn)方式和作用。

實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)接口所使用的GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是目前流行的開(kāi)源空間數(shù)據(jù)抽象函數(shù)庫(kù)，幾乎包括了對(duì)所有矢量和柵格數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)支持，而且采用鏈表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)XML文本數(shù)據(jù)的操作訪問(wèn)也十分方便，能夠科學(xué)、有效地管理水環(huán)境指標(biāo)遙感反演模型。數(shù)據(jù)庫(kù)接口通過(guò)ADO(ActiveX Data Objects)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)用于存取數(shù)據(jù)源的COM組件。提供了編程語(yǔ)言和統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式OLE DB的一個(gè)中間層。在設(shè)計(jì)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的代碼時(shí)不用關(guān)心數(shù)據(jù)庫(kù)是如何實(shí)現(xiàn)的，而只用顧及數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。作為一種面向?qū)ο蟮木幊探涌?，ADO在高速度以及較低的內(nèi)存占用方面優(yōu)勢(shì)明顯，是目前最廣泛采用的數(shù)據(jù)庫(kù)接口設(shè)計(jì)方式。

表1 水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口說(shuō)明

3 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

基于上述技術(shù)路線及架構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用VC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下的Arc Engine組件式二次開(kāi)發(fā)方法，引入前臺(tái)操作顯示與后臺(tái)運(yùn)算處理同步執(zhí)行的雙線程運(yùn)行模式，系統(tǒng)的主要功能包括:可視化的影像瀏覽查詢操作;以工程文件及文件夾的方式幫助用戶組織管理數(shù)據(jù);環(huán)境小衛(wèi)星影像預(yù)處理;水質(zhì)參數(shù)提取，包含模型反演和空間分析2種方法;水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化、水污染程度、水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià);水環(huán)境遙感評(píng)價(jià)產(chǎn)品制作;影像文件入庫(kù)管理與柵格圖像矢量化。除雙線程運(yùn)行模式外，系統(tǒng)的特色還表現(xiàn)在遙感影像自動(dòng)化預(yù)處理、多任務(wù)多文件批處理、水環(huán)境遙感專題產(chǎn)品流程化生產(chǎn)等方面。

圖6展示了遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面，界面的組成部分有:功能菜單欄、工具欄、工程管理面板、視圖工作區(qū)、影像信息面板和系統(tǒng)狀態(tài)欄。

圖6 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面

遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所調(diào)用的自動(dòng)配準(zhǔn)分系統(tǒng)界面如圖7所示，該系統(tǒng)是基于VC++的多文檔多視圖框架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的程序，包括空間數(shù)據(jù)管理、影像瀏覽、顯示方式控制、控制點(diǎn)添加和編輯、殘差控制等人機(jī)交互式操作設(shè)計(jì)，通過(guò)參數(shù)預(yù)設(shè)及少量人工干預(yù)，該系統(tǒng)可自動(dòng)完成對(duì)環(huán)境星CCD影像的自動(dòng)配準(zhǔn)，滿足水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品業(yè)務(wù)化生產(chǎn)過(guò)程中高效率、高精度的幾何校正需求。

圖7 幾何校正功能實(shí)現(xiàn)(自動(dòng)配準(zhǔn)分系統(tǒng))界面

圖8展示了水環(huán)境指標(biāo)提取反演模型的管理界面，包括前面功能設(shè)計(jì)介紹的模型添加、刪除、修改等功能，每個(gè)組合框、編輯框控件獨(dú)立負(fù)責(zé)一個(gè)XML結(jié)點(diǎn)的編輯。通過(guò)打開(kāi)訪問(wèn)符合模型記錄標(biāo)準(zhǔn)的XML文件，對(duì)模型進(jìn)行同步的更新操作，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境指標(biāo)提取反演模型的記錄和管理。

圖8 水環(huán)境指標(biāo)反演模型管理界面

水環(huán)境指標(biāo)提取批處理配置界面如圖9所示，支持模型反演和圖像分割2種提取方法，可以完成處理任務(wù)添加和刪除、模型選擇配置、提取指標(biāo)選擇、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等交互式操作，通過(guò)一次參數(shù)配置完成多種指標(biāo)輸出的生產(chǎn)任務(wù)。

圖9 水環(huán)境指標(biāo)提取批處理界面

圖10展示了系統(tǒng)生產(chǎn)的湖北省梁子湖水質(zhì)分級(jí)專題產(chǎn)品，專題圖所包含的標(biāo)題、圖例、統(tǒng)計(jì)信息、制作信息等全部由產(chǎn)品生產(chǎn)功能模塊自動(dòng)添加，減少了人工制圖的工作量，實(shí)現(xiàn)了批量化的水環(huán)境專題產(chǎn)品生產(chǎn)。

圖10 水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水質(zhì)分級(jí)專題產(chǎn)品圖

4 總結(jié)和展望

針對(duì)內(nèi)陸湖泊水域的環(huán)境監(jiān)測(cè)提出可行化的遙感技術(shù)路線，以該技術(shù)路線的實(shí)施為目標(biāo)詳細(xì)介紹了水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組織架構(gòu)方式、主要功能模塊和數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于環(huán)境小衛(wèi)星CCD影像的遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)可以生產(chǎn)3種水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專題產(chǎn)品，精度和效率已基本滿足業(yè)務(wù)化生產(chǎn)的需要，但其仍處于應(yīng)用示范階段，需要對(duì)以上技術(shù)路線和功能設(shè)計(jì)的適用性做進(jìn)一步測(cè)試和評(píng)價(jià)，希望該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能給水環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展帶來(lái)一些有價(jià)值的借鑒和參考。

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