HJ-1B星地表蒸散發遙感估算系統的設計與應用

尹新沆，張友靜,2，錢志奇，李曉寧，陳靜欣

（1.河海大學 地球科學與工程學院, 江蘇 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098；3.江蘇省地質勘察技術院信息中心，江蘇 南京 210008；4.江蘇省測繪產品質量監督檢驗站，江蘇 南京 210013）

地表蒸散發涉及多個圈層水熱交換與平衡[1,2]。近年來應用遙感方法在估算區域蒸散發方面取得了諸多成果[3-7]。由于衛星數據處理過程繁瑣，不利于研究的進一步深入與成果的推廣，人們在此基礎上研發了許多針對地表蒸散發的遙感估算系統。吳炳方等[8]設計的ETWatch系統和鄧世贊等[9]針對黃河流域設計的地表蒸散發參數估算系統，采用ENVI/IDL語言實現了對下墊面因子和地表蒸散發的估算，但系統開發平臺單一，擴展性存在一定的局限性；錢志奇等[10]針對黃河三花間設計的地表蒸散發遙感監測系統，采用組件技術解決了遙感模型與水熱模型的集成問題。但上述系統均未建立簡潔規范的地表蒸散發遙感估算流程和專門的空間數據庫用于多源異構空間數據的存儲與管理，且大多以MODIS為主要數據源。隨著研究的深入，km級的數據已越來越不能滿足地表蒸散發實際應用的需求。

本文以HJ-1B星數據與氣象數據為數據源，構建了基于ArcSDE的空間數據庫，用于對多源異構空間數據進行統一的管理，以ENVI/IDL語言進行蒸散發遙感估算模型算法的封裝，以C#語言控制系統的流程與模型算法的調用，以ArcEngine與ArcSDE相結合的方式實現系統與空間數據庫之間數據的交互，解決了系統設計中多平臺、多模型的集成問題，設計了簡潔規范的流程圖式模型參數操作界面，開發了基于HJ-1B星的地表蒸散發遙感估算系統。

1 遙感估算系統設計與集成

地表蒸散發遙感估算系統涉及到眾多數據、參數與模型的管理，為更加有效地實現對系統進程的流程化控制、數據的規范化管理，系統的設計須滿足：①具備HJ-1B星數據、氣象數據、DEM、土壤墑情數據等多源異構空間數據的統一存儲與管理能力；②設計簡潔規范的流程化操作模式，規范地表蒸散發遙感估算系統的進程；③合理地將遙感平臺、GIS平臺與數據庫平臺進行多平臺綜合集成，使系統能夠對遙感數據、GIS數據及其他空間數據進行統一的調用與管理；④規范遙感模型與水熱模型集成中不同類型的數據、模型、參數的調用與傳遞次序；⑤具備統計分析功能與各類專題地圖的快速編制功能。

1.1 系統架構

根據系統的需求分析，系統總體架構可分為數據層、技術層、用戶交互層和應用層4部分（見圖1）。

1）數據層。在SQL Server2008數據庫上架構ArcSDE空間數據引擎構建空間數據庫，搭建系統與SQLServer 2008數據庫之間的數據通路，提供系統開發所需的ArcEngine COMAPI（application programming interface,應用程序編程接口）[11]，實現對HJ-1B星數據、氣象站點數據、DEM、土壤墑情數據、統計信息、用戶信息等多源異構空間數據的規范化管理。

2）技術層。利用ENVI/IDL編寫二次開發函數并進行模型算法封裝，實現對數據預處理與地表蒸散發遙感估算的模塊化運算；利用ArcSDE實現對空間數據的統一管理，其中數據的存儲與提取由SQL Server 2008數據庫實現，數據的整合與處理功能由應用層的ArcEngine提供，ArcSDE則提供SQL Server 2008數據庫與ArcEngine之間進行交流的通道；利用ArcEngine與C#混編的方式，控制空間數據的傳遞及ENVI/IDL二次開發函數的調用，實現對各模塊之間生成的空間數據的規范化管理和系統與空間數據庫之間數據的交互。

3）用戶交互層。利用窗體控件（Windows控件）設計了流程圖式的模型參數操作界面，采用C#語言控制模型參數操作界面中各類參數、模型算法的調用與傳遞，通過 SQL引擎執行空間數據的搜索，通過ArcSDE與ArcEngine相結合的方式實現系統與空間數據庫之間數據的交互與傳遞，達到對系統進程進行流程化控制和對空間數據進行規范化管理的目的。

4）應用層。利用Visual Studio2010的GUI界面設計功能，開發了基于HJ-1B星的地表蒸散發遙感估算系統，有效解決了系統設計中多模型、多平臺的集成問題，實現了對多源異構空間數據的統一管理，建立了從影像到數據成果的一整套系統化、業務化流程，提高了系統的友好性與實用性。

1.2 系統功能設計

根據系統的總體架構，將系統劃分為數據交互、數據管理、數據處理與數據輸出4部分（見圖2）。

1）數據交互包括數據獲取、數據與參數的輸入。數據獲取主要通過WebBrower控件將相關數據獲取網頁內嵌入系統，實現對蒸散發遙感估算所需的影像數據與氣象數據的網絡獲取功能。數據與參數的輸入主要集中在數據預處理與ET反演過程中，是用戶交互的主要內容，決定了系統運行的進程與最終成果的精度。

2）數據管理主要通過構建基于ArcSDE的空間數據庫來實現。利用ArcEngine將系統對空間數據的操作指令傳遞給ArcSDE，由ArcSDE與SQL Server2008數據庫進行交互，并將交互結果再返回ArcEngine，實現系統與空間數據庫之間的數據交互，規范化管理多源異構的空間數據。

3）數據處理包括基本功能、影像預處理與ET反演。基本功能與影像預處理除實現對數據的格式轉換、波段運算、投影轉換、空間插值、大氣校正、輻射定標、云監測等常規的遙感圖像處理操作之外，還針對HJ-1B星數據的特點設計了HDF文件查詢與HSI去條帶功能。ET反演功能是根據能量平衡模型（SEBAL模型）反演地表蒸散發的過程，設計了流程圖式的模型參數操作界面，通過對不同模型參數操作界面的選擇，實現了對ET反演的流程化、規范化控制。

4）數據輸出實現對地表溫度、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等各類參數的統計分析、專題圖的快速編制等功能。

1.3 系統關鍵技術與集成

1.3.1 多平臺集成

IDL語言[12]是面向矩陣操作、遙感影像開發的交互式語言，ArcEngine在空間數據處理與分析中具有顯著的優勢[13]，VisualStudio2010開發平臺在GUI界面設計上有著廣泛的應用。本系統采用Visual Studio2010開發平臺，構建了流程圖式的模型參數操作界面，規范了遙感模型與水熱模型集成時數據、參數調用與傳遞次序。系統采用ENVI/IDL語言編寫數據預處理與ET反演的二次開發函數并進行模型算法的封裝，在C#下通過COM_IDL_Connect組件調用ENVI/IDL語言所封裝的算法函數，實現二者之間的交互利用，將遙感平臺集成于系統中；采用ArcSDE與AE相結合的方式，由ArcSDE提供AE訪問空間數據庫的API接口，在C#下調用AE組件庫，實現系統與空間數據庫之間數據的交互利用，將數據庫平臺集成到系統中；在C#下進行AE的二次開發，控制影像數據與ENVI/IDL語言所封裝的算法函數之間參數的交互與傳遞，實現對空間數據的操作、顯示與管理，將GIS平臺集成于系統中，從而解決了系統開發中多平臺、多模型的集成問題。

1.3.2 流程圖式的模型參數操作界面

針對地表蒸散發遙感估算系統涉及反演模塊眾多、流程繁瑣復雜的問題，本系統參考ArcGIS Desktop建模工具的方法，結合地表蒸散發遙感估算的實際情況，設計了流程圖式的模型參數操作界面，簡潔規范地實現了對地表蒸散發遙感估算的流程化控制。

流程圖式的模型參數操作界面將數據預處理與能量平衡模型(SEBAL模型)反演地表蒸散發的過程，以固定流程圖的形式封裝成不同的處理模型，并擴展了部分模型的參數交互窗口，用戶可方便地查詢每個處理過程的可視化流程圖。由圖3可知，模型參數操作界面中用戶需要進行如下操作：連接空間數據庫、選擇處理模型、設定數據查詢格式與輸入參數文件。當用戶操作完成后，點擊流程圖的輸出框即可執行運算。運算時系統會首先對輸入文件的完整性進行判斷，然后執行相應的模型算法，并將運算結果存入空間數據庫的柵格數據集中。同時，如果輸入參數或數據不全，系統會提示用戶需要輸入某個文件而不執行運算。

1.3.3 多線程運行機制

為了防止系統在處理數據量較大的遙感圖像時出現耗時過長的現象，解決單線程運行方式效率低下的問題，提高系統友好性，本系統利用線程控制函數Thread（）設計了多線程的運行方式，合理設計了各個功能函數在線程中的狀態，有效減少了系統運行過程中的線程沖突和數據冗余問題，提高了系統運行的效率與穩定性。

2 HJ-1B星地表蒸散發遙感估算系統的應用

本系統所選實驗區位于淮河下游一個典型區域，包括臨沂市、棗莊市、宿遷市及徐州市北部，面積約3 000 km2（見圖4）。以2010-05-24HJ-1B星數據為例，建立了基于HJ-1B星地表蒸散發遙感估算系統。系統界面分為主菜單、圖層控制欄、鷹眼區、文件查詢欄、網頁瀏覽區、模型流程圖式參數操作界面、制圖輸出區和IDL控制臺等。

根據系統需求，設計了基本功能、數據預處理、ET反演、統計分析和輔助功能5大主菜單。系統的主要特色是針對蒸散發遙感估算流程繁瑣的問題，建立了可視化的、簡潔規范的流程圖式模型參數操作界面（見圖5）。模型參數操作界面以蒸散發遙感估算過程為依據，按照影像處理次序與估算參數類型，劃分成不同的模型參數操作界面。使用時，用戶首先需連接空間數據庫，根據模型參數操作界面中輸入參數的格式，設置文件查詢條件，篩選出空間數據庫中符合要求的數據；然后將相應數據拖拽至模型輸入框內。當參數全部輸入完畢后，點擊模型輸入框即可完成運算，運算的結果將按統一格式存入空間數據庫。圖5為模型參數操作界面中ET反演的總操作界面，以經過預處理的遙感影像數據和氣象數據為源頭，按SEBAL模型反演ET過程為依據，進行下墊面因子的提取，并采用謝賢群正弦曲線法進行日尺度擴展。

同時，系統利用IDL 語言在統計分析方面的優勢，開發了統計分析功能（直方圖、散點圖和樣點趨勢線）。如圖6所示，利用系統直方圖統計功能，對HJ-1B估算的地表三通量（Rn、Gn、H）的分布區間進行統計。圖7為MODIS與HJ星估算日蒸散量在300 m分辨率尺度下，影像范圍內中心線所對應的310多個采樣點的趨勢線圖。由圖7可見，HJ-Ed相鄰像元值波動明顯，MODIS-Ed相鄰像元值波動緩和；HJ-Ed值分布相對較集中，MODISEd的方差較大，離散程度較高，但二者總體趨勢相同。

3 結 語

本文針對km級衛星數據越來越不能滿足實際應用的問題，以百米級分辨率的HJ-1B星數據為數據源，結合蒸散發遙感估算所需的其他空間數據，開發了基于HJ-1B星地表蒸散發遙感估算系統；實現了從影像的獲取、管理、預處理到下墊面因子及通量信息的模型化提取，以及專題地圖的編制和統計分析，建立了從數據到成果的一整套業務化處理流程，達到遙感估算實效性要求，形成了針對地表蒸散發遙感估算的技術解決方案。經測試，3 000 km2的實驗區，若采用默認運行參數，整體運行時間控制在3 min以內，能夠滿足業務化運行需求，可為大范圍的水分循環與能量平衡的研究提供支持。

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