城市生態遙感參數提取與格網分析技術研究

摘" 要：為提高城市生態遙感指標快速提取與分析效率，該文采用C#+GDAL開源庫+ArcGIS Engine方法庫+數據庫二次開發模式，圍繞城市生態環境指標提取中遙感數據處理、參數提取、成果制圖等關鍵性問題展開方法與算法設計;然后采用GDAL開源方法庫和數據庫技術，實現對處理后柵格、矢量數據的快速管理，對綠度（NDVI）、干度（NDSI）、濕度（WET）和熱度（LST）等參數的快速提取，及相關指標建模與計算和相關城市生態指標的統計與分析。實現基于格網統計數據的快速連接、分析模型構建、統計分析和成果制圖等功能。表明用GDAL、ArcGIS Engine、DB結合的方法可實現指標運算、格網分析、分類統計等方法，從而實現城市生態環境的格網化空間分析，可為城市生態環境數據管理、快速分析提供有效技術支持。

關鍵詞：城市環境遙感參數;參數快速計算;生態指標動態構建;網格化空間分析;數據管理

中圖分類號：TP79" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0011-06

Abstract： In order to enhance the efficacy of rapid extraction and analysis of urban ecological remote sensing indicators， this paper employs the secondary development mode of C#+GDAL open source library+ArcGIS Engine method library+database to devise methodologies and algorithms surrounding the pivotal concerns of remote sensing data processing， parameter extraction and result mapping in the extraction of urban ecological environment indicators. Subsequently， the GDAL open source library is utilized. The processing of raster and vector data is then achieved through the use of the GDAL open source library and database technology， which also facilitates the rapid extraction of NDVI， NDSI， WET， LST and other parameters， as well as the modelling and calculation of related indicators and the statistical analysis of related urban ecological indicators. The software realizes functions such as rapid connection of grid statistical data， construction of analytical models， statistical analysis and result mapping. It shows that the combination of GDAL， ArcGIS Engine， and DB can realize indicator calculation， grid analysis， classified statistics and other methods， thereby realizing grid-based spatial analysis of urban ecological environment， and providing effective technical support for urban ecological environment data management and rapid analysis.

Keywords： urban environmental remote sensing parameters; rapid parameter calculation; dynamic construction of ecological indicators; grid spatial analysis; data management

隨著人類不斷發展，城市化進程不斷加速，城市是人類最重要的居住地之一，良好的城市環境成為人們不斷追尋的目標，城市生態環境日益受到重視，遙感作為重要的宏觀監測手段，在城市環境監測中具有獨特優勢。如何快速獲取城市環境參數，實現數據管理、迅速分析與預測。對于改善城市環境質量，提高居民生活質量等方面具有重要價值。

城市遙感在城市研究中廣泛應用于植被研究、水體空氣質量研究、生態環境與人居環境研究及不透水面研究等方面[1-7]。城市生態環境質量分析、評估等研究，往往依據不同的影響因素和環境評估思想來構建模型，有學者從“綠度、濕度、干度及熱度”等方面構建分析模型，有些學者常借助基于遙感的植被指數數據應用NDVI進行大尺度植被變化的分析研究[8-10];有些學者利用ASTER和Landsat TM/ETM+等衛星數據以及MODIS地表溫度產品數據反演LST[11-12]，針對地表溫度方法研究;有些學者使用遙感生態指數RSEI指數，該模型綜合了4個指標信息包括NDVI、NDSI、WET和LST指標的函數[13-14]，更是直觀地反映了生態環境優劣的評價因素。

目前，國內外在解決遙感數據處理、參數提取和成果制圖問題上廣泛應用數據庫、ArcGIS Engine和GDAL技術。許多學者利用ArcGIS Engine開發多種系統，包括城市公園綠地評價系統、土地資源承載力評價系統、遙感影像質量評價軟件以及城市用地分類系統等[15-16]。

在使用遙感手段進行城市環境分析的過程中，城市環境遙感研究具有參數多樣、遙感參與度深、指標以定量化為主等特點，同時這些指標常用，又有一定的專業性。如何根據城市生態遙感指標特點，設計有針對性的數據管理、信息提取、動態分析算法是一個值得研究的問題。

城市環境指標主要包括NDVI、NDSI、WET和LST等指標，這些具有遙感專業性，因此首先要解決柵格數據的計算問題。而GDAL開源庫提供了多種柵格數據處理算法，因此，采用C#編程語言、GDAL開源庫可以實現遙感參數快速計算，從而解決數據的處理與計算問題;然后，可以利用程序和數據庫技術實現對計算結果管理與分析、提供動態的指標算法模型與數據對接;深層次分析離不開空間特征的解讀，所以本文研究采用C#+ArcGIS二次開發技術實現數據轉換、空間運算、制圖等功能，又可以利用數據庫方法實現格網空間統計與分析的屬性通信。

1" 技術方法

為了實現城市生態環境遙感參數快速分析、指標構建及網格化空間分析，本文采用C#+GDAL+數據庫+ArcGIS Engine融合的開發模式，將復雜的專業性分析問題轉換成專業依賴性低的基礎操作問題，從而提供城市生態環境遙感空間快速分析的參考技術方案。

首先，進行城市遙感影像整理，利用算法進行簡單的掩膜、格式轉換等遙感數據預處理。然后，采用數據庫與GIS二次開發方法，實現城市遙感參數計算、數據集管理及遙感指標計算等柵格數據運算與管理功能。此后，使用上述方法計算得到的柵格數據進一步進行矢量柵格數據空間分析，對已有的柵格數據或對通過數據處理方法“柵格轉面”格式轉換得到的矢量數據進行分析。格網區域統計與分析功能應用實現分析后矢量數據與格網數據間字段信息的連接，并實現格網數據的模型數據分析。通過分析與制圖模塊實現分析計算數據的可視化制圖展示（圖1）。

上述技術方法需重點解決如下核心問題：①柵格數據運算與管理技術，對柵格數據的參數計算與指標運算，本研究通過GDAL開源方法庫實現NDVI、NDSI、WET及LST 4個城市環境遙感參數的計算，形成新的柵格遙感結果影像。并使用數據庫技術實現各參數數據集的管理，使用計算得到的各參數柵格數據進一步進行遙感指標的計算。通過該方式將復雜的空間分析問題轉換成簡單的數值運算問題，簡化了空間統計算法，極大地提高了空間統計的效率。②格網區域統計與分析技術，對格網數據的空間分析，本研究通過數據庫OLEDB技術實現在空間數據間的屬性數據連接與統計，并通過連接字段實現目標區域的矢量文件內的參數或指標數據傳輸至對應格網矢量文件內，以進一步實現格網空間模型計算分析。③空間制圖技術，本研究的制圖功能采用ArcGIS二次開發技術實現空間數據元素、圖名、指北針、比例尺及圖例的添加，并可將地圖元素結合包含空間數據進行自動內容設置及自動匹配至預先設置位置。

2" 核心步驟的實現技術

2.1" 數據配置與管理技術

要想實現動態分析，需要靈活地組織城市生態遙感數據，并為其后期維護、調用提供管理與支持。本項研究中將需要維護的數據集信息存放在SQL Server數據庫中，利用 C#+OLEDB 數據庫方法與 SQL語言進行調用與管理;模型參數、數據信息等以Excel文件為對外交互格式，利用數據庫編程方法導入到SQL Server數據庫，從而實現數據交互式管理。通過SQL語言實現對管理數據、模型參數等信息的添加、刪除和修改。

2.2" 遙感數據基本處理技術

實現遙感數據基本處理功能至少需要包括按掩膜處理、柵格轉面及相交3項功能。此類功能均需首先獲取所需矢量柵格文件，通過ArcGIS Engine組件調用相應GP工具，實現相應功能以生成目標結果文件。

2.3" 柵格參數指標運算與管理技術

柵格參數指標主要是指城市生態遙感參數。為了解決這些柵格參數指標的計算與結果數據管理，計算采用Visual Stadioc#的OSGeo.GDAL方法庫實現柵格數據的調用與計算。首先采用文件控制實現城市柵格遙感影像數據配置，通過GDAL開源庫方法調用柵格數據，并實現各數據集計算公式程序化運行，從而實現NDVI、NDSI、WET及LST等城市環境遙感參數的計算。其次，通過庫中的方法函數，控制柵格遙感影像對應波段，以像素為計算單元實現參數與指標的提取，并將計算結果重構為新的柵格成果數據;然后，進一步通過數據庫技術對結果數據集進行管理，實現城市遙感參數數據及其基本信息的添加（Insert into）、修改（Update）及刪除（Delete）功能。其中，部分自定義的指標使用GDAL開源庫方法，實現個性化提?。▓D2）。

柵格參數指標運算核心代碼如下。

Bitmap ndviBitmap = new Bitmap（bufferWidth， bufferHeight，System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format24bppRgb）; // 創建用于存儲NDVI圖像的Bitmap對象

for （int i = 0; i lt;bufferWidth; i++）

{

for （int j = 0; j lt;bufferHeight; j++）

{

int redVal = Convert.ToInt32（redData[i + j * bufferWidth]）;

double ndvi = （nirVal - redVal） / （nirVal + redVal + EPSILON）;

}

}

2.4" 格網區域統計與分析技術

以格網為評價單元，進行數據提取與模型運算，是實現生態情況區域規律認識的重要手段之一，可解決單一像素區域特征不明顯的問題。其方法與像素級運算的簡單操作相比，經復雜得多，因此提出如下解決方案。

其實現主要應用GIS空間分析與數據庫技術聯合處理的方法。格網區域統計的實現技術路徑是，采用空間分析實現矢量格網與相關柵格數據的區域統計，然后采用 Visual Stadio C#的OSGeo.OGR方法庫實現字段控制，并基于C#數據庫編程方法，以for循環形式實現每個格網單元的統計（Select）與計算結果更新（Update）。

格網區域分析功能的實現思路是，利用SQL語言對矢量數據屬性表字段值進行查詢（Select），將單個矢量文件數據庫中的字段類型分為更新字段和計算參數字段2類;利用listbox與textbox控件配合實現字段選擇，達到輸入公式模型的目的，并用構建的公式更新（Update）到數據屬性表中，如圖3所示。

格網數據連接核心代碼如下。

stringsql_GetBH = \"select * from \" + label2.Text.Replace（\".shp\"， \".dbf\"）;

……

MyOdbcAdapter0bh.Fill（dsBH）;

for （int i = 0; i lt;dsBH.Tables[0].Rows.Count; i++）

{

UpdatebyBH（dsBH.Tables[0].Rows[i][comboBox3.Text].ToString（）， dsBH.Tables[0].Rows[i][comboBox1.Text].ToString（））;

}……

private void UpdatebyBH（string inputBH， string inputEindex）

{

……//連接并打開表label4.Text.Replace（\".shp\"， \".dbf\"）

string sql_GetField = \"update\" + label4.Text.Replace（\".shp\"， \".dbf\"） + \"set\" + comboBox2.Text + \"=\" + inputEindex + \"where\" + comboBox4.Text + \"=\" + inputBH + \"\";

……

}

格網數據模型計算核心代碼如下。

string SQLFacturestr = textBox1.Text;

…… //連接表label1.Text.Replace（\".shp\"， \".dbf\"）

string sql_GetBH = \"Update \" + label1.Text.Replace（\".shp\"， \".dbf\"） + \" set \" + comboBox1.Text + \"=\" + SQLFacturestr;

OleDbDataAdapter MyOdbcAdapter0bh = new OleDbDataAdapter（sql_GetBH， conn02）;

DataSetdsBH = new DataSet（）;

MyOdbcAdapter0bh.Fill（dsBH）;

……

2.5" 空間制圖技術

空間制圖功能是對分析結果進行地圖式表達的重要方式，采用的技術是：通過對ArcGIS Engine的ITextElement接口設置地圖圖名。利用ArcGIS Engine組件調用ArcGIS符號庫“ESRI.ServerStyle”用以實現圖形符號化。使用axPageLayoutControl控件顯實現輸出地圖配置，實現指北針、比例尺的控制。使用IMapSurroundFrame接口創建mapSurroundFrame對象接收并添加幾何元素至axPageLayoutControl控件，并刷新頁面實現圖例的制作與添加。地圖輸出功能，通過地圖輸出菜單設置文件儲存格式與分辨率后，從輸出類中獲取制圖結果并輸出。

3" 實踐與分析

通過實踐來檢驗本研究技術成果，可以很好地判斷其方法的可行性、合理性及其分析效果。因此，選擇試驗區以柵格數據作為試驗對象，開展城市環境遙感參數提取與生態指標網格化空間分析技術的驗證工作。

3.1" 數據處理

遙感數據處理功能包含掩膜處理、柵格轉面及相交等空間數據基本處理工具。通過路徑選擇配置數據，利用ArcEngine提供的函數實現圖像掩膜、格式轉換。調查用分析函數實現相交、判別等空間分析功能（圖4）。

3.2" 基本參數計算與管理

參數提取與指標運算功能包含NDVI、NDSI、WET及LST城市環境遙感參數的計算及部分指標的運算。按照指示輸入各參數計算所需波段數據與相應參數，計算參數并生成儲存參數計算結果的柵格數據文件。以LST指標計算為例，界面如圖5所示。

3.3" 格網空間分析與統計

格網空間分析功能能夠實現包含參數或指標數據的矢量文件與格網文件間的字段傳輸，并實現空間數據格網分析。格網數據配置窗體包括格網字段連接、新建字段及字段更新功能，在應用過程中，分別選擇源文件及目標格網文件，并選擇相對應的連接字段及源文件統計或更新字段，如需新建字段則在下方格網文件內新建制定字段名的雙精度字段，并可以在下方直接選擇該字段或其他字段將上方選擇的更新字段傳遞至目標格網文件;參數設置結束后，運行該模塊進行格網數據配置。

格網分析窗體包括格網分析模型構建及格網分析模型管理功能，在應用過程中，選擇目標分析格網文件，并選擇結果更新字段，選擇下方字段并輸入系數與運算符構建模型，并可在右上方直接查看已有模型或將輸入模型導入模型管理系統，供給后續使用，如圖6所示。

通過上述步驟得到獲得分析數據的格網文件，在ArcMap軟件中打開該文件可見分析后數據如圖7所示，通過本軟件所包含的制圖功能即可將該分析后數據可視化成圖。

3.4" 制圖與分析

結果制圖功能包含地圖整飾與導出功能，為地理圖件添加地圖元素，例如圖名、指北針、比例尺及圖例，界面如圖8所示。并可將整飾完成的圖件導出，選擇輸出格式及輸出分辨率后輸出制圖結果圖件。

本研究成果在該實踐中的良好應用，證明了本研究在思路設計、方法應用、技術研發等方面的合理性、科學性與可行性。

4" 結論

本文通過C#+GDAL開源庫+ArcGIS Engine方法庫+數據庫融合研究方法，實現了城市環境遙感參數快速計算、生態指標動態構建及網格化空間分析等功能，構建了一個較為完整的城市環境遙感指標計算與分析工具。

1）城市生態遙感指標的快速提取與分析，主要涉及NDVI、NDSI、WET和LST等參數，常規情況下采用ArcGIS、MapGIS、ENVI等遙感、GIS主流軟件進行提取與分析。由于參數計算與指標提取的復雜性和專業性較高，非專業從業者難以通過常規數據處理手段實現空間數據的相關計算，面臨較大的障礙與困難。利用GDAL、ArcGIS Engine等GIS軟件二次開發方式，解決復雜的運算過程，降低專業操作繁瑣步驟，為城市生態條件分析提供技術參考。

2）使用ArcGIS Engine GP工具可以實現遙感圖像處理和參數提取的多方面功能，包括數據處理、數據管理、信息提取及動態分析等。通過該工具，可以輕松實現按掩模提取、柵格轉面、相交分析等操作，最終的處理結果以柵格矢量數據的形式進行存儲和管理，為進一步進行指標動態分析提供數據支持。這一方法的成功應用，結合制圖技術，使得能夠為城市生態環境相關數據提供一種接口和初步的算法驗證，實現計算與分析結果的數據可視化，為城市規劃和生態保護提供了直觀的數據支持。

3）通過利用GDAL、ArcGIS Engine、DB結合技術，成功實現了對處理后柵格和矢量指標數據的快速運算、網格化、屬性連接、結果分類和分類統計，實現城市生態環境的網格化空間分析。這一方法的成功應用，結合制圖技術，使得能夠對城市生態環境相關數據進行統一管理、快速指標計算以及統計分析，為城市規劃和生態保護提供了高效的支持手段。

本研究通過C#+ArcGIS Engine組件和GDAL開源方法庫的創新整合，為城市可持續發展、城市生態規劃的分析與發展問題提供工具，對于促進城市規劃和生態保護的科學決策具有一定意義。

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基金項目：河北省自然資源廳項目（454-0801-JBN-L7D4）

*通信作者：李遠華（1979-），男，博士，講師，遙感地信系副主任。研究方向為國土資源遙感、GIS領域應用與研究。