張建永，張景訓(xùn)，李名松，劉朋濤，梁春利，石海崗

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

HJ-1 衛(wèi)星遙感與地理信息系統(tǒng)的集成開發(fā)

張建永1，張景訓(xùn)1，李名松1，劉朋濤2，梁春利1，石海崗1

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.內(nèi)蒙古生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

闡述了基于ArcGIS Engine和IDL實現(xiàn)遙感及地理信息系統(tǒng)一體化集成的技術(shù)方法。以曹妃甸工業(yè)區(qū)遙感監(jiān)測系統(tǒng)為例，介紹了相應(yīng)功能、設(shè)計思路及實現(xiàn)過程。

遙感；地理信息系統(tǒng)；集成；開發(fā)

1 一體化集成方法

遙感與地理信息系統(tǒng)一體化集成有3個層次，即數(shù)據(jù)一體化管理與共享、平臺一體化分析及系統(tǒng)一體化集成開發(fā)[1]。數(shù)據(jù)一體化管理與共享是指實現(xiàn)RS和GIS軟件之間的數(shù)據(jù)互操作，可以通過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換來完成。該功能已經(jīng)在多個商業(yè)軟件中實現(xiàn)，如PCI、ER Mapper、ERDAS、ENVI、ArcGIS等都支持多種文件格式的讀取。平臺一體化分析是指RS和GIS軟件平臺無縫鏈接，實現(xiàn)RS軟件中處理好的數(shù)據(jù)通過菜單傳送到GIS平臺中，避免了中間的保存、打開等步驟。ENVI與ArcGIS通過鏈接功能實現(xiàn)了此項工作，但也只是將數(shù)據(jù)顯示窗口的圖像傳送到ArcGIS平臺中，傳送后的圖像與原圖像不能聯(lián)動，一旦對圖像進(jìn)行了處理就需要再次傳送到ArcGIS平臺中，且存在文件大小限制。系統(tǒng)一體化集成開發(fā)是指用戶針對自己的需求，在進(jìn)行RS或GIS開發(fā)時，將專業(yè)的遙感影像數(shù)據(jù)處理功能和分析工具與GIS功能集成到同一系統(tǒng)平臺環(huán)境中，在同一系統(tǒng)中既能完成遙感數(shù)據(jù)的專業(yè)處理與分析，又能完成GIS分析和管理等功能，同時用戶可以針對業(yè)務(wù)需求在系統(tǒng)中開發(fā)相應(yīng)的工具和處理流程，提高系統(tǒng)的適用性。

2 集成開發(fā)環(huán)境

目前系統(tǒng)一體化集成開發(fā)中，ENVI/IDL與ArcGIS Engine的集成具有開發(fā)方便、功能強大的特點，有較為廣泛的應(yīng)用。ENVI軟件本身是一個在IDL環(huán)境下開發(fā)的數(shù)字影像處理系統(tǒng)，提供了豐富的影像處理函數(shù)供IDL調(diào)用。同時IDL自身功能也非常強大，并具有很好的擴展性，能便捷地與其他常用開發(fā)環(huán)境（VB、VC、． NET、Java等）進(jìn)行集成開發(fā)。因此，可以將IDL作為中間介質(zhì)，自定義開發(fā)與調(diào)用ENVI圖像處理函數(shù)相結(jié)合，在常用開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)影像處理功能。ArcGIS Engine是由ESRI公司提供的面向開發(fā)的嵌入式GIS組件包，提供了豐富、強大的GIS制圖、分析功能函數(shù)以及許多高級GIS功能，可以方便、靈活地定制GIS解決方案。基于兩者進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)內(nèi)部協(xié)議對兩者進(jìn)行橋接，從而使得兩者能夠互相操作并應(yīng)用對方的優(yōu)勢能力[2,3]。利用ArcGIS Engine實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、顯示、矢量編輯、渲染、制圖及空間分析功能，利用IDL實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)處理過程。二者均是成熟平臺，可以快速實現(xiàn)系統(tǒng)無縫集成開發(fā)，降低程序的開發(fā)量和開發(fā)周期；同時可以靈活、方便地將專業(yè)的影像處理流程或矢量數(shù)據(jù)處理流程集成到系統(tǒng)中。本次研究開發(fā)平臺選擇Microsoft公司的Visual Studio2005，對ENVI/IDL與ArcGIS Engine都具有很好的兼容性。

3 一體化集成實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)框架體系

系統(tǒng)在設(shè)計中充分考慮數(shù)據(jù)的互操作性、業(yè)務(wù)邏輯的流程化和功能的可擴展性，打破了傳統(tǒng)的GIS與RS的壁壘，使用了可伸縮框架、多語言混合編程等前沿軟件技術(shù)。系統(tǒng)框架體系如圖1所示，整個系統(tǒng)邏輯上可以劃分為4個層次：數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用平臺層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)表現(xiàn)層。

1）數(shù)據(jù)庫層。數(shù)據(jù)庫層由ArcGIS Geodatabase數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，包括柵格數(shù)據(jù)子庫、矢量數(shù)據(jù)子庫和文檔數(shù)據(jù)子庫，用于將原始數(shù)據(jù)以及處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫管理，并建立必要的元數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)的集中管理。

2）應(yīng)用平臺層。應(yīng)用平臺層主要為核心應(yīng)用功能提供支撐，包括GIS基礎(chǔ)平臺功能開發(fā)（ArcGISEngine）、RS基礎(chǔ)平臺功能開發(fā)（ENVI/IDL）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。其中GIS基礎(chǔ)平臺功能在ArcGIS Engine基礎(chǔ)平臺上開發(fā)，提供數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)檢查、格式轉(zhuǎn)換、矢量編輯、屬性編輯、空間分析等功能；RS基礎(chǔ)平臺功能在ENVI/IDL平臺基礎(chǔ)上，利用IDL進(jìn)行開發(fā)，提供遙感圖像的導(dǎo)入導(dǎo)出、幾何校正、圖像增強、數(shù)據(jù)融合、分類等功能；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)入庫、綜合數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)備份和系統(tǒng)管理等功能。

圖1 系統(tǒng)框架體系結(jié)構(gòu)圖

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層依據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，結(jié)合應(yīng)用模型，實現(xiàn)一些具體的面向系統(tǒng)最終用戶的業(yè)務(wù)邏輯及綜合分析評價功能，包括獨立的RS、GIS數(shù)據(jù)處理功能模塊和業(yè)務(wù)邏輯工具模塊。數(shù)據(jù)處理功能模塊包括圖像融合、分類、空間分析等功能；業(yè)務(wù)邏輯工具模塊對專有的數(shù)據(jù)處理和信息提取流程進(jìn)行功能實現(xiàn)和批量化，包括專題信息提取、建模反演、數(shù)據(jù)評價等功能。

4）數(shù)據(jù)表現(xiàn)層。數(shù)據(jù)表現(xiàn)層利用ArcGIS Engine的MapControl、TOCControl、PageLayoutControl等控件實現(xiàn)系統(tǒng)界面，控制各類數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和輸出，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯示、符號化、縮放平移、制圖、輸出等。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的部分關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 柵格數(shù)據(jù)加載、渲染

柵格數(shù)據(jù)的加載和渲染過程主要基于ArcGIS Engine實現(xiàn)，用到ArcGIS Engine的IWorkspaceFactory、RasterWorkspace Factory、IRaster Workspace、IRasterDataset、IRaster、IRasterProps、IRaster Renderer、IRasterLayer、IRasterStretch ColorRampRenderer、IAlgorithmicColorRamp等 接 口 以 及OpenFromFile、OpenRasterDataset、CreateFullRaster、CreateRamp、Renderer等方法[4]。

主要實現(xiàn)過程如下。首先打開柵格文件。

Dim pWorkSpaceFactory As IWorkspaceFactory = New RasterWorkspaceFactory

Dim pRasterWorkSpace As IRasterWorkspace

pRasterWorkSpace = pWorkSpaceFactory．OpenFrom File(FolderName, 0)

Dim pRasterDataset As IRasterDataset =pRasterWork Space．OpenRasterDataset(FileName)

Dim pRasterDataset2 As IRasterDataset2 = pRasterDataset

Dim pRaster As IRaster = pRasterDataset2．CreateFullRaster

再創(chuàng)建柵格文件渲染器，并對渲染器進(jìn)行設(shè)置。

Dim pStretchRen As IRasterStretchColorRampRenderer pStretchRen = New RasterStretchColorRampRenderer Dim pRasRen As IRasterRenderer = pStretchRen pRasRen．Raster = pRaster

最后創(chuàng)建柵格文件圖層，將圖層的渲染方式設(shè)置為上述渲染器。

Dim pRLayer As IRasterLayer = New RasterLayer //創(chuàng)建柵格圖層文件

pRLayer．CreateFromRaster(pRaster)

pRLayer．Renderer = pStretchRen //對柵格圖層渲染

3.2.2 專題信息提取

以葉綠素信息提取為例，葉綠素信息的提取基于IDL和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯崿F(xiàn)，利用IDL對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行運算。以葉綠素提取的經(jīng)驗統(tǒng)計模型算法為例，該算法以遙感數(shù)據(jù)的“波段組合比值法”為基礎(chǔ)，實現(xiàn)過程如下：

打開對應(yīng)的遙感圖像柵格文件。

Filenames=envi_pickfile(title='打開文件',filter='*.*',/ MULTIPLE_FILES)

envi_open_file,filenames[i],r_fid=r_fid

envi_file_query,r_fid,dims=dims,nb=nb,nl=nl,ns=ns

獲取對應(yīng)的波段數(shù)據(jù)。

Dataori=envi_get_data(fid=r_fid,dims=dims,pos=0)

依據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯?shù)據(jù)進(jìn)行運算。

Data[j]=alog((Dataori[j]-a)/b) ；a為水體的固有光學(xué)參數(shù)吸收系數(shù)，b為后向散射系數(shù)。

將計算結(jié)果保存為文件。

envi_write_envi_file,Data,nb=1,nl=nl,ns=ns,bnames= bnames,descrip=descrip,out_name=outfile

3.2.3 VS中調(diào)用IDL

1）添加IDL控件：在VS2005工具箱中添加選擇項---COM組件---IDLDrawWidget Control

2）初始化IDL控件：

m_IDLControl．IdlPath="C:ProgramFilesITTIDL70inin．x86idl．dll"

m_IDLInitFlag = m_IDLControl．InitIDL(frmMain．Handle)

3）在具體響應(yīng)事件中調(diào)用函數(shù)處理文件（pro或者sav）：

m_IDLControl．ExecuteStr("．COMPILE " & IDLExecuteString) //pro文件

m_IDLControl．ExecuteStr("restore,'" & IDLExecuteString & "'") //sav文件

ExeStr="IDL_Function_Name,'" +InputFile + "','" + OutpuFile + "'" //有參數(shù)形式

ExeStr="IDL_Function_Name" //無參數(shù)形式，在IDL代碼中執(zhí)行打開、保存文件功能

m_IDLControl．ExecuteStr(ExeStr) //執(zhí)行程序

3.3 擴展模塊

為了完善系統(tǒng)功能，滿足用戶業(yè)務(wù)邏輯的多樣化需要，本系統(tǒng)基于VS2005的Reflection、Assembly和IDL的調(diào)用執(zhí)行方式設(shè)計了擴展模塊，提供功能擴展接口，用戶可以編寫擴展模塊，添加新的圖像處理方法或新的應(yīng)用流程。加載擴展插件主要實現(xiàn)過程如下：

Dim plugin As New Plugin

Dim pMenu As New ToolStripMenuItem(plugin．MenuName)

AddHandler pMenu．Click, New EventHandler (AddressOf ExecuteIDLExt)

mnuExtension．DropDownItems．AddRange(New ToolStripMenuItem() {pMenu})

圖2 曹妃甸遙感監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖3 HSV數(shù)據(jù)融合示意圖

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

曹妃甸遙感監(jiān)測系統(tǒng)是以國產(chǎn)HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，針對環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)容和需求，對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并提取相關(guān)的專題信息，以實現(xiàn)監(jiān)測曹妃甸工業(yè)區(qū)環(huán)境變化為目標(biāo)的應(yīng)用系統(tǒng)。

根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需求，在一體化框架基礎(chǔ)上，增加了陸區(qū)監(jiān)測、海洋監(jiān)測和甸區(qū)監(jiān)測等菜單，土地利用、水土流失、植被監(jiān)測、沿岸水質(zhì)、海面溫度、懸浮泥沙濃度、海冰、赤潮等專項信息提取子菜單，并針對HJ-1衛(wèi)星的數(shù)據(jù)特點，結(jié)合經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯@些信息提取實現(xiàn)了流程化和批量化處理。系統(tǒng)主界面如圖2所示，基于IDL的HSV數(shù)據(jù)融合過程如圖3所示。

5 結(jié) 語

RS與GIS一體化集成技術(shù)為集影像數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用分析和信息提取為一體的空間信息平臺提供了良好的解決方案，保證了信息流的完整性和連貫性，將多源信息的采集、處理和應(yīng)用分析進(jìn)行了統(tǒng)一。與以往的信息提取集成方法相比，具有精度高、提取速度快、綜合程度高、節(jié)約系統(tǒng)資源、流程化等優(yōu)點。將一體化集成框架應(yīng)用到曹妃甸遙感監(jiān)測系統(tǒng)中，構(gòu)建了包括圖像處理、地表監(jiān)測、海洋監(jiān)測等專題信息提取功能，實現(xiàn)集信息快速收集和分析為一體的完整監(jiān)測系統(tǒng)，對曹妃甸工業(yè)區(qū)的建設(shè)和環(huán)境保護(hù)具有積極的推動和促進(jìn)作用。

[1] 鄧書斌，陳秋錦．遙感與GIS一體化集成技術(shù)[J]．遙感信息，2009(5):97-98

[2] 宮鵬，趙永超，俞靚，等．全球尺度下遙感與地理信息系統(tǒng)一體化軟件平臺研究進(jìn)展[J]．地理信息世界，2011(4):34-37

[3] ESRI． ArcGIS Engine Developer Guide [M]．ESRI Press,2004

[4] ITT． IDL User Guide [M]．ITT Press,2008

[5] 蔣波濤． ArcObjects開發(fā)基礎(chǔ)與技巧——基于VisualBasic．NET [M]．武漢：武漢大學(xué)出版社，2006

P208

B

1672-4623（2015）02-0045-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.017

張建永，高級工程師，研究方向為GIS、遙感軟件的應(yīng)用及集成、開發(fā)。

2014-03-20。

項目來源：環(huán)境星應(yīng)用推廣工程資助項目（A01A0100）。