2015Esri用户大会分享之：环境遥感中的智能化遥感平台技术与应用

讲座人：韩春峰

内容简介：在环境保护中，遥感在生态、大气、水等领域得到广泛应用。讲座介绍智能化遥感软件ENVI在环境遥感中的一些应用方案，如Landsat8快速处理、植被盖度指数计算、在线水环境监测系统构建等。助力环境遥感由"事故监测"变成"常规主动监测"。 

PPT下载：http://pan.baidu.com/s/1i3Lcyxf

本讲座主要从三大方面进行讲解阐述：

• 
  环保行业遥感应用
  


• 
  ENVI Services Engine企业级遥感平台方案
  


• 
  环保行业中企业级遥感建设案例
  

在环境保护中，遥感在生态、大气、水等领域的应用较为广泛。本节主要讲解一下在过去的一年，Esri在这三个方面都做了哪些事情，能给大家提供哪些便利的使用工具。

1.1 生态环境监测

在过去的一年Esri在生态环境监测中形成了一套完整的处理流程以及给大家提供了一些便捷的使用扩展工具。接下来就以XX市的培训为例进行讲解。

• 
  XX市要开展生态环境评价工作，已有数据如下：
  
  
  
  
  • 
    各市覆盖的 Landsat 8 数据
    
  
  
  • 
    广东区行政矢量文件
    
    
    
    
    • 
      gd_shi.shp
      
    
    
    • 
      gd_xian.shp
      
    
    
    
    
  
  
  • 
    2014年5月-9月20景MOD13产品数据
    
  
  
  
  


• 
  最终实现目标
  
  
  
  
  • 
    韶关市县级分幅数据
    
  
  
  • 
    韶关市植被覆盖数据
    
  
  
  
  


• 
  基于ENVI的Landsat 8数据处理流程
  

Landsat8 数据处理流程

1.1.1 Landsat 8 数据处理——图像融合

生态环境监测中对于影像信息提取精度要求较高，为了保全影像的高光谱以及高分辨率的信息，接下来采用最新的融合算法NND进行融合，在数据质量上得以保证。ENVI提供的NND算法具有以下几个优势：

• 
  ENVI提供最新的图像融合算法NND
  


• 
  操作简单，易上手
  


• 
  处理速度快
  

1.1.2 Landsat 8 投影转换

影像数据投影一直是大家关心的问题，大家都知道ArcGIS的投影引擎比较强大，在遥感与GIS一体化技术集成以后，ENVI中采用了ArcGIS的投影引擎进行影像数据的投影转换问题，本次对于Landsat 8的数据就采用了此种方法进行投影转换，ENVI投影转换的优势特别总结如下：

• 
  ENVI使用ArcGIS投影引擎
  


• 
  轻松定义任意投影坐标系
  


• 
  支持从文件中读取投影坐标系参数
  


• 
  支持国内三大坐标系统
  

1.1.3 Landsat 8 数据处理——XX市影像裁剪范围数据准备

XX市矢量范围的提取，在ENVI操作界面下打开先前提供的整体矢量数据范围，根据需求找出需要裁剪的XX市的数据字段，将其导出为裁剪所需的文件，并给予保存下来，具体的操作步骤如下：

• 
  打开gd_shi.shp
  


• 
  选择XX市字段
  


• 
  属性表中File>Save Selected Records To New Shapefile另存为XX市.shp文件
  

1.1.4 Landsat 8 数据处理——批量数据镶嵌

此镶嵌工具在去年的用户大会已经给大家介绍过，在这里再重新回顾一下ENVI提供的镶嵌数据集给我们带来的便利。

流程化的图像镶嵌工具，集成所有功能在一个流程化的界面，可以：

• 
  控制图层的叠放顺序
  


• 
  设置忽略值、计算有效的轮廓线
  


• 
  选择重采样方法和输出范围
  


• 
  可指定输出波段和背景值
  


• 
  还可进行颜色校正、羽化/调和
  


• 
  提供高级的自动生成接边线功能
  


• 
  可手动编辑接边线
  


• 
  提供镶嵌结果的预览
  

1.1.5 Landsat 8 分幅裁剪

上述的准备工作都已经做好，接下来就采用Esri的遥感事业部技术同事开发的小工具进行有规则的分幅裁剪。分幅裁剪的扩展工具为：Frame Subset via Shapefile.sav（详细使用内容请见ENVI扩展工具：简单分幅裁剪 ）。

分幅裁剪前、后的对比

1.1.6 植被覆盖度指数计算

新的评价方法中的植被覆盖指数：评价区域（市、县）单位面积归一化植被指数（ NDVI），采用MODIS卫星的 MOD13 的 NDVI 数据，详见2015年版生态环境状况评价技术规范（HJ 192-2015）。

A、传统的计算方法：

在ENVI的BandMath中输入上述的公式对于非专业的工作人员而言，其中参数含义，以及每个参数的计算方法都不是很明白，根据这种情况，Esri遥感事业部的技术同事半天时间写了这么一个简单的小扩展工具工大家使用，工程的名称为：Vegetation Cover Index Calculator.sav（详情请见：植被指数计算器 ）。

B、植被覆盖指数扩展工具

植被覆盖指数计算流程以及原理

扩展工具计算界面

计算结果统计

1.2 大气环境监测

8.12天津爆炸突发事件的发生，我们可以在各个网站上看到来自不同卫星拍摄的情况，除了常用的modis，风云系列的卫星数据意外，还有NPP VIIRS气象卫星，日本的向日葵气象卫星等，本章节主要讲解一下NPP VIIRS可以用于大气环境的监测，让环保部门在大气环境监测方面有了更多的数据源。

大气环境监测方面应用最多的应该是气溶胶的反演，在这方面Esri遥感事业部的技术同事根据用户的需求开发出了MODIS，环境小卫星气溶胶反演工具，可以直接下载进行使用，给用户的应用工作带来了很多的便利。

气溶胶反演的结果很专业，对于非专业的人员不能从反演的结果看出该区域整体环境质量，为了能给大众展现更直观的结果，环境保护部卫星环境应用中心将气溶胶转换为人们熟知的PM2.5，让大众能更直观的看到大气的环境质量。

2013.03.13反演的AOD结果（550nm）与PM2.5结果(mg/m³)

大家都熟知在去年esri搭建了这样的一套在线的气溶胶反演系统，此系统主要使用ENVI/IDL构建气溶胶浓密植被法反演模型，利用ENVI Services Engine将模型部署在服务器端，采用Silverlight API定制Web客户端，实现在线、按需、自助式反演气溶胶并在Web端展示。

技术架构

面对这样的体系架构，大气环境监测后期的发展方向如何？或者整体行业的发展趋势是怎么样的？用户对于未来的发展有没有这样的设想：

• 如何与地面观测站的实时数据对接？


• 如何与实时获取的地面观测点数据进行趋势分析？


• 如何与遥感影像数据关联、分析？


• ……

根据这样的设想提问，Esri今后在此方面的发展规划是怎样的呢？整体的发展设想框架如下：

大气环境监测的未来发展模式

从上述的体系框架中可以看出，大气环境监测后续的发展是将地面观测点数据与在线的分析系统进行集成，实现基础数据，观测数据，影像数据一体化的解决方案，将海量数据真正应用起来造福人类。

采用的技术点有：

• Geoevent 实时抓取专业数据；


• Dashboard 以仪表盘、统计表格等形式展现动态数据


• 类似案例可查看ArcGIS技术博客：http://tm.arcgisonline.cn/2013/0401/548.html

1. 
   

   水质环境监测

   
   

水质环境监测内容很多，在遥感方面的应用主要有：叶绿素浓度监测、水色参数反演（盐度，黄色物质，综合污染浓度等）、水体悬浮物浓度监测、水温度监测等，相关的单位已经在这方面做了很多的工作，我们Esri都做了哪些事情？或者说Esri今后与大家一起努力的方向是什么？

美国总部的Exelis VIS公司与HySpeed Computing公司合作开发了基于云框架，具有在线、按需和可拓展的遥感图像处理能力以及在线获取水质、水深和水生栖息地特征等信息的HICO（Hyperspectral Imager for Coastal Ocean）图像处理系统在2014年第三季已经上线，该系统主要处理HICO超光谱成像仪获取的海量影像数据。

系统搭建框架

此系统主要实现的模型有：叶绿素含量、游浮植物、有色可溶性有机物、水深测量、…，该系统最大的优势是将复杂的模型简单化，流程化，让非专业人员可以很顺畅的查询，搜索以及在线获取所需要的影像数据。此系统的总体优势总结如下：

• 提供在线、按需、可拓展的图像处理功能


• 为全球用户提供HICO衍生产品和可视化工具


• 处理工具可以有效地与大型图像数据库协作


• 打破了软件和硬件需求对非专业人士的壁垒


• 可以快速集成和部署新算法和处理工具


• 通过应用程序分享加速遥感技术转化

为遥感专家和终端用户建立更直接的联系

2、ENVI Services Engine企业级遥感平台方案

从上述的大气环境监测、水质环境监测工作中可以看出，目前遥感的应用发展已经随着互联网+时代的到来实现了，真正实现了影像的在线的处理、分析的能力。是一种什么的样的技术帮助用户实现了这样的模式呢？

企业级遥感平台让先前能在线看影像变为现在的可以在线的处理、分析影像数据成为可能。具体的搭建框架如下图所示：

平台搭建框架

新一代ENVI Services Engine企业级遥感平台应用模式（如下），帮助用户解决了海量数据管理，处理的难题，让遥感在行业的发展更进一步。

• 
  高效的影像处理（栅格计算）
  
  
  
  
  • 
    服务器硬件资源
    
  
  
  • 
    支持并行处理和分布式处理
    
  
  
  • 
    可伸缩的负载均衡机制
    
  
  
  • 
    分析功能传递到数据
    
  
  
  
  


• 
  提供自助式影像处理和分析
  
  
  
  
  • 
    将复杂、专业的遥感模型部署到服务器
    
  
  
  • 
    客户端按需、在线获取影像信息
    
  
  
  
  

3、环保行业中企业级遥感建设案例

西安市环境遥感监测管理系统是由西安市环境宣教信息中心与西安煤航一起合作开发的一套企业级的云遥感平台系统，该系统是基于SOA架构，构建B/S结构的环境遥感监测系统，实现在线、按需环境遥感信息处理；是利用Landsat8卫星影像、高分1号卫星影像、环境1号卫星影像、商业高分辨率卫星（WorldView3等）及地面监测站实测数据，主要实现了以下三大模块的应用：

• 
  大气环境监测
  
  
  
  
  • 
    气溶胶
    
  
  
  • 
    沙尘暴
    
  
  
  • 
    尾气排放
    
  
  
  • 
    工地扬尘地
    
  
  
  
  


• 
  生态环境监测
  
  
  
  
  • 
    城市绿地
    
  
  
  • 
    湿地环境
    
  
  
  
  


• 
  水域环境监测
  
  
  
  
  • 
    悬浮物浓度、叶绿素含量、BOD指标、COD指标、溶解氧、氨氮
    
  
  
  
  

生态环境监测模块

大气环境监测模块

水质环境监测模块

企业级遥感平台让环保"触手可及"

• 
  
  
  
  • 
    解决大数据处理问题
    
  
  
  • 
    提升行业人员专业知识
    
  
  
  • 
    加深行业技术的深入性研究
    
  
  
  • 
    促进环保行业信息共享
    
  
  
  • 
    使专业工具流程化，简单化，让每个人参与到环境保护成为可能