中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 言 杰 鄺祝芳 郝攀剛 譚駿珊

對(duì)冰凍災(zāi)害的監(jiān)測(cè)關(guān)系到生產(chǎn)安全、工程安全、公共安全和社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是國(guó)計(jì)民生的重大需求，是構(gòu)建和諧社會(huì)的重要保障。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警是應(yīng)對(duì)冰凍災(zāi)害的有效手段。本文設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)基于遙感技術(shù)的冰凍災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件。首先對(duì)MODIS遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后對(duì)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行需求分析，其次對(duì)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)了遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，包括原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測(cè)等功能模塊。測(cè)試結(jié)果表明軟件能夠?qū)Ρ鶅鰹?zāi)害進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，可以為防災(zāi)減災(zāi)部門提供有力的技術(shù)支撐。

1 引言

湖南地處全國(guó)三條易災(zāi)帶的中部地帶，因地理環(huán)境的特殊性,是冰凍災(zāi)害高發(fā)省份[1-3]。2008年，中國(guó)南方地區(qū)發(fā)生了歷史罕見(jiàn)的冰凍災(zāi)害，湖南受災(zāi)人口達(dá)1871萬(wàn)人次，死亡5人，直接經(jīng)濟(jì)損失65億元，引發(fā)了政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[4-7]。對(duì)冰凍災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)，關(guān)系到生產(chǎn)安全、工程安全、公共安全和社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是國(guó)計(jì)民生的重大需求，是構(gòu)建和諧社會(huì)的重要保障。

低溫、雨雪、冰凍等災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)、分析和研究工作一直是國(guó)內(nèi)外氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)，萬(wàn)素琴[8]，王遵婭[9]，劉敏[10]等人對(duì)冰凍災(zāi)害進(jìn)行一些的研究工作。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警是應(yīng)對(duì)冰凍災(zāi)害的有效手段[11-13]。本文基于遙感技術(shù)對(duì)冰凍災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)冰凍災(zāi)害遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件。

2 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件需求分析

遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件需求分析包括功能性需要分析和非功能性需求分析，本文重點(diǎn)對(duì)本系統(tǒng)需要具有的功能進(jìn)行分析，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）向使用者提供一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的展示降雪區(qū)域的系統(tǒng)。用戶可以查看七天時(shí)間的冰雪覆蓋的變化情況，了解其趨勢(shì)。

（2）實(shí)現(xiàn)Java對(duì)MODIS文件的解析和處理，數(shù)據(jù)后臺(tái)主要是對(duì)MODIS文件的處理,讀取其中的信息然后進(jìn)行分析。

（3）實(shí)現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷雪的信息，通過(guò)這些信息確認(rèn)某些地方是否是雪，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把雪的部分用特殊的顏色標(biāo)記出來(lái)，使用戶一眼就可以看出雪的區(qū)域。

（4）實(shí)現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷雪深度的信息，通過(guò)這些信息確認(rèn)某些地方是雪的深度，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把雪的不同深度用不同的顏色標(biāo)記出來(lái)，使用戶一眼就可以看出雪不同深度的區(qū)域。

（5）實(shí)現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷溫度的信息，通過(guò)這些信息確認(rèn)某些地方溫度值，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把不同溫度段用不同顏色標(biāo)記，使用戶一眼就可以看不同溫度的分布。

（6）實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)該系統(tǒng)上傳自己的文件，該系統(tǒng)可以對(duì)用戶上傳到的文件分析出雪的范圍、雪的深度、各個(gè)區(qū)域的溫度，這樣用戶就可以通過(guò)這個(gè)功能迅速查看到自己想要的信息。

（7）我們的系統(tǒng)是一個(gè)web系統(tǒng)，也就是我們可以更加方便的使用該系統(tǒng)，不需要單獨(dú)下載軟件。

3 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件包含的功能模塊有：MODIS數(shù)據(jù)處理模塊查看七天信息模塊，文件上傳模塊，頁(yè)面展示模塊，MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，MODIS數(shù)據(jù)讀取模塊。

3.1 MODIS數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是該系統(tǒng)核心的功能，主要是對(duì)我們獲得的原始MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取其中相應(yīng)波段的信息。對(duì)于MODIS數(shù)據(jù)，其中主要存儲(chǔ)的是不同波段的反射信息和輻射信息。通過(guò)我們特定的方法，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的波段進(jìn)行處理，然后提取出各個(gè)元素的雪，深度和溫度信息然后存儲(chǔ)起來(lái)。

3.2 查看七天信息模塊

當(dāng)用戶點(diǎn)擊展示圖片的相應(yīng)位置時(shí)，可以通過(guò)AJAX向后臺(tái)傳回其相對(duì)位置，后臺(tái)根據(jù)這個(gè)位置然后對(duì)七天的信息進(jìn)行分析和處理，處理完成以后返回前端一個(gè)JSON數(shù)據(jù)，前端接收到JSON數(shù)據(jù)之后，然后在彈出框上以表格的信息展示出來(lái)，讓用戶可以更加直觀的查看當(dāng)前區(qū)域的七天的信息，便可以監(jiān)測(cè)未來(lái)雪的覆蓋大概趨勢(shì)以及受災(zāi)嚴(yán)重區(qū)域。

3.3 文件上傳模塊

為了能更加人性化冰凍災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)自己上傳要處理的MODIS文件，如果用戶想要處理自己的遙感數(shù)據(jù)便可以上傳到服務(wù)端進(jìn)行處理，在WEB頁(yè)面中就可以查看到處理的結(jié)果，這樣可以使我們的冰凍災(zāi)害動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。

3.4 頁(yè)面展示模塊

該模塊充分利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地查看，不用安裝任何軟件。該模塊主要是通過(guò)Spring框架實(shí)現(xiàn)，界面更加友好。為了更加利于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的研究和分析以及更好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，頁(yè)面中不光顯示處理后信息展示，還有原始圖片的展示，該原始圖片經(jīng)過(guò)線性處理后的，更能清楚的看到每個(gè)塊區(qū)域的類型，這樣就可以實(shí)現(xiàn)鮮明的對(duì)比。

3.5 MODIS數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

由于MODIS數(shù)據(jù)在剛開(kāi)始是一片區(qū)域的的數(shù)據(jù)，該區(qū)域不是固定的也不一定就是你想要的省份或者國(guó)家，因此需要通過(guò)ENVI工具對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把我們想要的省份剪切出來(lái)，并且把對(duì)應(yīng)的波段順序要按照一定的規(guī)則進(jìn)行排序。得到我們想要的省份或地區(qū)。這樣可以減少大量無(wú)用的計(jì)算，大大減少服務(wù)端的計(jì)算量。

3.6 MODIS數(shù)據(jù)讀取模塊

當(dāng)處理好MODIS數(shù)據(jù)之后，我們要編譯好GDAL庫(kù)，它是我們用來(lái)讀取文件的核心庫(kù)。本系統(tǒng)用Java來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，盡管GDAL的底層是用的C++實(shí)現(xiàn)的，但GDAL中已經(jīng)提供了Java的接口，這樣我們使用起來(lái)更加便利。

圖1 系統(tǒng)登錄界面

4 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)

遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件主要實(shí)現(xiàn)了原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測(cè)等模塊。登錄界面截圖如圖1所示。在成功通過(guò)驗(yàn)證之后就可以進(jìn)入管理功能頁(yè)面。

4.1 原始圖像處理模塊

當(dāng)點(diǎn)擊首頁(yè)的提交按鈕時(shí)，便可以進(jìn)入到展示頁(yè)面，如圖2所示，其中左面展示的是原始圖像，右面展示的是我們處理出積雪區(qū)域，積雪溫度，積雪深度的展示。

圖2 原始圖像處理模塊

4.2 積雪區(qū)域處理模塊

在軟件主界面中，選擇右側(cè)的下拉列表，選擇積雪區(qū)域，可以在右下方顯示處理之后的積雪區(qū)域圖片，如圖3所示。右下方給處理積雪、水和其他物體的對(duì)照顏色。

圖3 積雪區(qū)域展示

4.3 積雪溫度處理模塊

在軟件主界面中，從下拉列表中選擇積雪溫度，右下方顯示處理之后的積雪溫度，如圖4所示。又下方給出了不同溫度對(duì)應(yīng)的顏色。

圖4 積雪溫度展示

圖5 積雪深度展示

4.4 積雪深度處理模塊

在軟件主界面中，從下拉列表中選擇積雪深度時(shí)，會(huì)在右下方顯示處理之后的積雪深度，如圖5所示。右下方給出了不同積雪深度對(duì)應(yīng)的顏色。

4.5 積雪七天監(jiān)測(cè)模塊

在主界面中，點(diǎn)擊查看七天信息，進(jìn)入積雪七天監(jiān)測(cè)頁(yè)面，如圖6所示，右邊選擇原始圖像某一點(diǎn)，左邊顯示該點(diǎn)連續(xù)七天的溫度變化、積雪深度變化和積雪面積變化情況。

圖6 數(shù)據(jù)展示

4.6 上傳文件功能模塊

在主界面中，點(diǎn)擊上傳文件按鈕，進(jìn)入文件上傳頁(yè)面。如圖7所示。在該頁(yè)面中選擇需要上傳軟件進(jìn)行處理的遙感數(shù)據(jù)文件，包括DAT文件和對(duì)應(yīng)的HDR文件，選擇遙感數(shù)據(jù)文件所屬的省份和日期。

圖7 文件上傳

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)冰凍災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，首先分析了MODIS遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后對(duì)基于遙感數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行了需求分析，其次對(duì)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)了遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，包括原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測(cè)等功能模塊。測(cè)試結(jié)果表明軟件能夠?qū)Ρ鶅鰹?zāi)害進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，可以為防災(zāi)減災(zāi)部門提供有力的技術(shù)支撐。