尹新沆，張友靜,2，錢(qián)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(guó)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(cè)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(lái)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(guò)程繁瑣，不利于研究的進(jìn)一步深入與成果的推廣，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上研發(fā)了許多針對(duì)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(duì)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)下墊面因子和地表蒸散發(fā)的估算，但系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)單一，擴(kuò)展性存在一定的局限性；錢(qián)志奇等[10]針對(duì)黃河三花間設(shè)計(jì)的地表蒸散發(fā)遙感監(jiān)測(cè)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(wèn)題。但上述系統(tǒng)均未建立簡(jiǎn)潔規(guī)范的地表蒸散發(fā)遙感估算流程和專(zhuān)門(mén)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)用于多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jí)的數(shù)據(jù)已越來(lái)越不能滿(mǎn)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(kù)，用于對(duì)多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，以ENVI/IDL語(yǔ)言進(jìn)行蒸散發(fā)遙感估算模型算法的封裝，以C#語(yǔ)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(kù)之間數(shù)據(jù)的交互，解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多平臺(tái)、多模型的集成問(wèn)題，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔規(guī)范的流程圖式模型參數(shù)操作界面，開(kāi)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(duì)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(mǎn)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(chǔ)與管理能力；②設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(tái)、GIS平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)進(jìn)行多平臺(tái)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(lèi)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(lèi)專(zhuān)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(hù)交互層和應(yīng)用層4部分（見(jiàn)圖1）。

1）數(shù)據(jù)層。在SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)上架構(gòu)ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎構(gòu)建空間數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建系統(tǒng)與SQLServer 2008數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)通路，提供系統(tǒng)開(kāi)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(duì)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(hù)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(xiě)二次開(kāi)發(fā)函數(shù)并進(jìn)行模型算法封裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，其中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與提取由SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(kāi)發(fā)函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)之間數(shù)據(jù)的交互。

3）用戶(hù)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(yǔ)言控制模型參數(shù)操作界面中各類(lèi)參數(shù)、模型算法的調(diào)用與傳遞，通過(guò) SQL引擎執(zhí)行空間數(shù)據(jù)的搜索，通過(guò)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(kù)之間數(shù)據(jù)的交互與傳遞，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)程進(jìn)行流程化控制和對(duì)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(kāi)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(tái)的集成問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jiàn)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(guò)WebBrower控件將相關(guān)數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)頁(yè)內(nèi)嵌入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程中，是用戶(hù)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(guò)構(gòu)建基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用ArcEngine將系統(tǒng)對(duì)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(kù)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(kù)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(duì)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(cè)等常規(guī)的遙感圖像處理操作之外，還針對(duì)HJ-1B星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了HDF文件查詢(xún)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(guò)程，設(shè)計(jì)了流程圖式的模型參數(shù)操作界面，通過(guò)對(duì)不同模型參數(shù)操作界面的選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(lèi)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析、專(zhuān)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(tái)集成

IDL語(yǔ)言[12]是面向矩陣操作、遙感影像開(kāi)發(fā)的交互式語(yǔ)言，ArcEngine在空間數(shù)據(jù)處理與分析中具有顯著的優(yōu)勢(shì)[13]，VisualStudio2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)預(yù)處理與ET反演的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)并進(jìn)行模型算法的封裝，在C#下通過(guò)COM_IDL_Connect組件調(diào)用ENVI/IDL語(yǔ)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(tái)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(fǎng)問(wèn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的API接口，在C#下調(diào)用AE組件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)之間數(shù)據(jù)的交互利用，將數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)集成到系統(tǒng)中；在C#下進(jìn)行AE的二次開(kāi)發(fā)，控制影像數(shù)據(jù)與ENVI/IDL語(yǔ)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(duì)空間數(shù)據(jù)的操作、顯示與管理，將GIS平臺(tái)集成于系統(tǒng)中，從而解決了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中多平臺(tái)、多模型的集成問(wèn)題。

1.3.2 流程圖式的模型參數(shù)操作界面

針對(duì)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(wèn)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(jiǎn)潔規(guī)范地實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)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(hù)可方便地查詢(xún)每個(gè)處理過(guò)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(hù)需要進(jìn)行如下操作：連接空間數(shù)據(jù)庫(kù)、選擇處理模型、設(shè)定數(shù)據(jù)查詢(xún)格式與輸入?yún)?shù)文件。當(dāng)用戶(hù)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(huì)首先對(duì)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(kù)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(huì)提示用戶(hù)需要輸入某個(gè)文件而不執(zhí)行運(yùn)算。

1.3.3 多線(xiàn)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(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象，解決單線(xiàn)程運(yùn)行方式效率低下的問(wèn)題，提高系統(tǒng)友好性，本系統(tǒng)利用線(xiàn)程控制函數(shù)Thread（）設(shè)計(jì)了多線(xiàn)程的運(yùn)行方式，合理設(shè)計(jì)了各個(gè)功能函數(shù)在線(xiàn)程中的狀態(tài)，有效減少了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的線(xiàn)程沖突和數(shù)據(jù)冗余問(wèn)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(jiàn)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(xún)欄、網(wǎng)頁(yè)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(tái)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(duì)蒸散發(fā)遙感估算流程繁瑣的問(wèn)題，建立了可視化的、簡(jiǎn)潔規(guī)范的流程圖式模型參數(shù)操作界面（見(jiàn)圖5）。模型參數(shù)操作界面以蒸散發(fā)遙感估算過(guò)程為依據(jù)，按照影像處理次序與估算參數(shù)類(lèi)型，劃分成不同的模型參數(shù)操作界面。使用時(shí)，用戶(hù)首先需連接空間數(shù)據(jù)庫(kù)，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(xún)條件，篩選出空間數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)。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(guò)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(guò)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(xiàn)法進(jìn)行日尺度擴(kuò)展。

同時(shí)，系統(tǒng)利用IDL 語(yǔ)言在統(tǒng)計(jì)分析方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了統(tǒng)計(jì)分析功能（直方圖、散點(diǎn)圖和樣點(diǎn)趨勢(shì)線(xiàn)）。如圖6所示，利用系統(tǒng)直方圖統(tǒng)計(jì)功能，對(duì)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(xiàn)所對(duì)應(yīng)的310多個(gè)采樣點(diǎn)的趨勢(shì)線(xiàn)圖。由圖7可見(jiàn)，HJ-Ed相鄰像元值波動(dòng)明顯，MODIS-Ed相鄰像元值波動(dòng)緩和；HJ-Ed值分布相對(duì)較集中，MODISEd的方差較大，離散程度較高，但二者總體趨勢(shì)相同。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)km級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)越來(lái)越不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題，以百米級(jí)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(kāi)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(zhuān)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(duì)地表蒸散發(fā)遙感估算的技術(shù)解決方案。經(jīng)測(cè)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?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)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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