畢業(yè)論文：東平湖水體葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題 目： 東平湖水體葉綠素濃 </p><p>　　度遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　專業(yè)代碼： 070703 </p><p>　　作者姓名： 李鏡堯 </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 2007202073 </p><p>　　單 位： 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 馬雪梅 </p><p>　　2011年5月31日</p><p><b>　　原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所提交

3、的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文中不含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得聊城大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位證書而使用過的材料。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的相應(yīng)責(zé)任。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 日期　 　.</p><p>

4、　　指導(dǎo)教師簽名：　　　　　　 日期　　 .</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1引 言1</b></p><p><b>　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)源1</p>

5、<p>　　2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.3系統(tǒng)處理流程3</p><p><b>　　3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)3</b></p><p>　　3.1影像自動(dòng)篩選與裁剪3</p><p>　　3.2限區(qū)域控制點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別4</p><p>　　3.3數(shù)據(jù)管理技術(shù)4&l

6、t;/p><p><b>　　3.4影像建模5</b></p><p>　　4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)5</p><p><b>　　4.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備6</b></p><p>　　4.1.1影像準(zhǔn)備6</p><p>　　4.1.2數(shù)據(jù)入庫6</p><p&

7、gt;　　4.1.3數(shù)據(jù)列表7</p><p>　　4.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理7</p><p>　　4.2.1點(diǎn)集操作7</p><p>　　4.2.2插值操作7</p><p>　　4.3影像預(yù)處理7</p><p>　　4.3.1輻射校正8</p><p>　　4.3.2幾何校正8&

8、lt;/p><p>　　4.3.3噪聲處理9</p><p><b>　　4.4水質(zhì)監(jiān)測(cè)9</b></p><p>　　4.4.1反演模型10</p><p>　　4.4.2監(jiān)測(cè)結(jié)果分析11</p><p>　　4.4.3影像動(dòng)畫播放11</p><p><b&

9、gt;　　4.5專題圖11</b></p><p><b>　　5應(yīng)用實(shí)例12</b></p><p><b>　　6結(jié) 語13</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　葉綠素濃度是衡量湖水富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)。利用遙感圖

10、像快速獲取東平湖水質(zhì)狀況的空間信息，并構(gòu)建信息系統(tǒng)對(duì)湖區(qū)污染治理有著重要意義。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，以免費(fèi)下載的中巴環(huán)境小衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，構(gòu)建集遙感信息提取、葉綠素濃度反演于一體的信息系統(tǒng)。除實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)自動(dòng)篩選、影像預(yù)處理自動(dòng)化、應(yīng)用數(shù)據(jù)管理及葉綠素濃度自動(dòng)反演等功能以外，還具有較高的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，用戶可根據(jù)需要自己定義反演模型，所得結(jié)果可為制定東平湖水質(zhì)優(yōu)化方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持和信息服務(wù)。</p><p&g

11、t;　　關(guān)鍵詞：葉綠素濃度；遙感監(jiān)測(cè)；信息系統(tǒng)；東平湖；環(huán)境小衛(wèi)星</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Chlorophyll concentration is an important index to measure the lake eutrophication level. It is significant for Do

12、ngping Lake pollution control to fast acquire spatial information of its water quality and to build its information system. Used three-layer C/S framework model, the information system is built at the command of remote s

13、ensing information extraction and chlorophyll concentration monitoring with the environmental satellite image data source. Besides automatically filter the massive da</p><p>　　Key words: chlorophyl

14、l concentration；remote sensing monitoring；information system； Dongping Lake；CBERS HJ-1A /1B</p><p>　　東平湖葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　1引 言</b></p><p>　　東平湖是山東省第二大淡水

15、湖泊，接納全部大汶河流域的來水，根據(jù)南水北調(diào)東線規(guī)劃方案，承擔(dān)調(diào)蓄任務(wù)。濟(jì)南市、泰安市、淄博市將從東平湖直接取水，同時(shí)黃河洛口以下河段缺水或斷流時(shí)，也由其向黃河補(bǔ)水，故東平湖在山東省的水資源調(diào)配和供給中起著重要作用。但隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、工業(yè)化程度加劇及人為活動(dòng)的影響，湖區(qū)污染逐漸加重[1-2]。因此對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就變得尤為重要。據(jù)了解湖區(qū)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法大多是通過實(shí)驗(yàn)室分析個(gè)別水樣點(diǎn)，檢測(cè)較少，結(jié)果也很難代表湖區(qū)整體情況，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。&l

16、t;/p><p>　　與之相比，利用遙感技術(shù)對(duì)湖水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。因此有很多學(xué)者進(jìn)行了這方面的深入研究[3-7]，雖然所得研究成果豐富，但因影像處理步驟復(fù)雜，成果應(yīng)用性較差，問題主要集中在影像處理過程專業(yè)性較強(qiáng)，很難被非專業(yè)工作人員掌握[8]；影像操作過程重復(fù)工作較多，且不具備可升級(jí)性和可擴(kuò)展性；人為海量數(shù)據(jù)篩選較為困難，且不客觀[9]。針對(duì)以上問題，本文結(jié)合遙

17、感水質(zhì)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程，借助C#和IDL語言，構(gòu)建東平湖的葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水質(zhì)快速宏觀檢測(cè)及處理提供可靠數(shù)據(jù)支持和信息服務(wù)。</p><p><b>　　2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)源</b></p><p>　　系統(tǒng)采用的遙感數(shù)據(jù)為中國和巴西研制的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A

18、、B星(HJ-1A /1B星，簡(jiǎn)稱HJ)，該數(shù)據(jù)具有高時(shí)效性，過境時(shí)間為2天；同時(shí)，影像CCD相機(jī)的譜段設(shè)置和空間分辨率與Landsat7/TM前4個(gè)波段完全相同；同時(shí)，HJ-1A星裝載的超光譜成像儀（HSI）可提供110-128個(gè)波段信息[10]。此外，系統(tǒng)還用到了影像同步水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、GPS定位數(shù)據(jù)及湖區(qū)及周邊DEM數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)<

19、;/b></p><p>　　系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，按照葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)流程，遵循系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性原則，運(yùn)用IDL和C#語言，以類交互的方式構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)[11] ，該系統(tǒng)可為東平湖水質(zhì)優(yōu)化處理提供空間分布信息及信息服務(wù)。具體系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層，邏輯層和表現(xiàn)層，結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p>&l

20、t;p>　　Fig.1 Structure of the system</p><p>　　1）數(shù)據(jù)層。為了實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)獨(dú)立訪問功能和提高數(shù)據(jù)庫調(diào)用速度，遙感影像和影像元數(shù)據(jù)采用不同的存儲(chǔ)模式，其中影像元數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)使用Access2007數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，由DPHDataSetTableAdapters類管理，而影像數(shù)據(jù)存入用戶指定的文件目錄下，由C#從數(shù)據(jù)庫中獲取影像存儲(chǔ)地址，并由IDL語言根據(jù)地址調(diào)用所需

21、影像。同時(shí)，本系統(tǒng)使用AppManager類對(duì)當(dāng)前應(yīng)用所需數(shù)據(jù)與處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，從而實(shí)現(xiàn)快捷訪問。</p><p>　　2）邏輯層。這一層是連接數(shù)據(jù)層和用戶界面層之間的橋梁，該層以IDL類的形式進(jìn)行封裝，開放出不同的接口供用戶界面層調(diào)用，并能夠從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)輸送到用戶界面層。該層主要包括：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)管理、影像預(yù)處理、監(jiān)測(cè)模型和專題圖輸出等。各模塊之間既相互獨(dú)立，又提供一些標(biāo)準(zhǔn)且簡(jiǎn)單的接口，允

22、許使用者設(shè)置參數(shù)和屬性以適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。</p><p>　　3）表現(xiàn)層。表現(xiàn)層是與用戶交互的一層。用戶可根據(jù)系統(tǒng)界面反饋的信息，通過交互控件調(diào)用邏輯層中的功能，實(shí)現(xiàn)用戶的處理目的。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)處理流程</b></p><p>　　本系統(tǒng)運(yùn)用C # 語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)，運(yùn)用IDL 語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中影像處理功能模塊，采

23、用IDLDrawWidget 控件實(shí)現(xiàn)二者銜接。影像經(jīng)篩選后加載進(jìn)入系統(tǒng)，再經(jīng)過影像預(yù)處理、影像建模和影像制圖等處理流程，最后通過動(dòng)畫播放、專題圖制圖及統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行發(fā)布，系統(tǒng)處理流程如圖2所示。</p><p>　　圖2 系統(tǒng)處理流程圖</p><p>　　Fig.2 Workflow of the system</p><p><b>　

24、　3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) </b></p><p>　　3.1影像自動(dòng)篩選與裁剪</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得了適合東平湖HJ星衛(wèi)星影像的評(píng)價(jià)體系，該體系的影響因子有：影像元數(shù)據(jù)中的質(zhì)量信息和云覆蓋度、氣象數(shù)據(jù)庫中的氣溫和風(fēng)速。系統(tǒng)通過該評(píng)價(jià)體系對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)篩選。</p><p>　　篩選后的影像每景約為800M，而東平湖只占其中一小部分，為排除其他部分的影

25、響、減少數(shù)據(jù)量、提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，系統(tǒng)根據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置了東平湖范圍的四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)該坐標(biāo)值對(duì)初次導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的影像進(jìn)行粗略裁剪。</p><p>　　3.2限區(qū)域控制點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別</p><p>　　鑒于影像配準(zhǔn)工作較大，且受限于判讀人員的判讀能力，而由遙感專業(yè)軟件中的幾何自動(dòng)校正功能得到的控制點(diǎn)精度較低，本系統(tǒng)采用限區(qū)域自動(dòng)識(shí)別控制點(diǎn)的方式進(jìn)行影像間幾何配準(zhǔn)，首先在基礎(chǔ)影像中利用標(biāo)識(shí)框

26、框出標(biāo)識(shí)地物，再把待校正圖中的標(biāo)識(shí)框移至包括該標(biāo)志地物的任意區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)通過灰度共生計(jì)算得出兩區(qū)域內(nèi)相似度最大的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，如圖3-A/B所示。</p><p>　　該方法大大提高了影像間幾何配準(zhǔn)的精度和速度，非遙感技術(shù)人員可在2分鐘之內(nèi)完成影像配準(zhǔn)，平均誤差為0.3個(gè)像元，從而大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。</p><p>　　圖3-A 自動(dòng)識(shí)別前</p><p>

27、　　Fig.3-A Before the automatic identification</p><p>　　圖3-B 自動(dòng)識(shí)別后</p><p>　　Fig.3-B After the automatic identification</p><p><b>　　3.3數(shù)據(jù)管理技術(shù)</b></p><p>　　系統(tǒng)采

28、用文件+數(shù)據(jù)庫的管理方式對(duì)下載影像進(jìn)行管理[12-13]，這種管理方式管理數(shù)據(jù)時(shí)，影像數(shù)據(jù)按照文件方式組織管理，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，每個(gè)文件有唯一的ID與影像對(duì)應(yīng)。為了提高影像數(shù)據(jù)管理效率，方便系統(tǒng)每個(gè)模塊對(duì)其進(jìn)行快捷訪問，系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用數(shù)據(jù)管理器（如圖4所示），該管理器用于統(tǒng)一管理當(dāng)前正在應(yīng)用的影像數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，管理器由C#語言編寫的AppManager靜態(tài)類完成。</p><p>　　圖4 應(yīng)用數(shù)據(jù)管理器&l

29、t;/p><p>　　Fig.4 Application data manager</p><p><b>　　3.4影像建模</b></p><p>　　反演模型是該系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)針對(duì)有無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出指數(shù)模型和統(tǒng)計(jì)回歸模型兩種模型對(duì)湖區(qū)葉綠素濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]。在沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況下，根據(jù)水體及其所含物質(zhì)的影像表征理論，利用指數(shù)模型對(duì)湖區(qū)

30、的各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其目的是獲取湖區(qū)水質(zhì)變化的相對(duì)信息；如具備影像地面同步數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可通過統(tǒng)計(jì)回歸模型對(duì)湖區(qū)的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演。兩種模型的算法變量均可由用戶根據(jù)實(shí)驗(yàn)自行設(shè)置和更新，從而大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。</p><p>　　系統(tǒng)中使用歸一化植被指數(shù)NDVI作為葉綠素濃度監(jiān)測(cè)的算法變量，統(tǒng)計(jì)回歸模型確定為二次形式[14]。同時(shí)系統(tǒng)為其他水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)留了擴(kuò)展空間，只需向數(shù)據(jù)庫中錄入相應(yīng)的算法變量和相關(guān)參

31、數(shù)即可。</p><p><b>　　4系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)</b></p><p>　　根據(jù)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)處理流程，設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖5。其中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口與規(guī)整化處理模塊；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)管理模塊主要提供對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一些處理功能；影像預(yù)處理和水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)的主要目的是將水質(zhì)參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程化，并盡量簡(jiǎn)化影像的處理步驟；專題圖輸出模塊主要用于監(jiān)測(cè)

32、結(jié)果輸出打印。</p><p>　　圖5 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　Fig.5 Design of system function module</p><p><b>　　4.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備</b></p><p>　　數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口與規(guī)整化處理模塊。系統(tǒng)三大主要源數(shù)據(jù)為影像數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象數(shù)

33、據(jù)。針對(duì)這三種數(shù)據(jù)的自身特點(diǎn)，該模塊分別為它們提供了不同的導(dǎo)入、瀏覽與維護(hù)操作。</p><p><b>　　4.1.1影像準(zhǔn)備</b></p><p>　　1）影像下載。用戶接通互聯(lián)網(wǎng)后，可使用“影像下載”功能通過系統(tǒng)內(nèi)置瀏覽器直接訪問HJ-1A /1B星影像下載頁面，登錄后便可以進(jìn)行影像選購與下載。</p><p>　　2）影像篩選。用戶指

34、定待篩選影像所在路徑的根目錄，程序自動(dòng)讀取該目錄下所有影像的元數(shù)據(jù)，并自動(dòng)連接氣象數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)時(shí)間的氣象數(shù)據(jù)，然后根據(jù)影像質(zhì)量評(píng)定模型對(duì)其進(jìn)行篩選，最后生成篩選結(jié)果報(bào)表。</p><p><b>　　4.1.2數(shù)據(jù)入庫</b></p><p>　　1）導(dǎo)入影像。影像導(dǎo)入功能集多波段合成、影像粗裁剪與元數(shù)據(jù)入庫為一體，影像經(jīng)合成裁剪后存入影像文件路徑下，并同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中

35、建立相關(guān)信息。 </p><p>　　2）導(dǎo)入實(shí)測(cè)數(shù)值。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型中必不可少的參數(shù)，該功能將實(shí)測(cè)值導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)一管理，在導(dǎo)入過程中同時(shí)按基準(zhǔn)影像計(jì)算其投影坐標(biāo)與行列號(hào)，已備監(jiān)測(cè)模塊直接使用。</p><p>　　3）導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)是影像自動(dòng)篩選的主要參考因子，本系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)由東平湖中心氣象站提供。新的氣象數(shù)據(jù)可通過此功能導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，以供影像篩選使用。<

36、/p><p><b>　　4.1.3數(shù)據(jù)列表</b></p><p>　　1）影像列表與元數(shù)據(jù)列表。提供影像及其元數(shù)據(jù)瀏覽與管理功能，其中“查看父影像” 操作將定位到選中影像的父影像，所謂父影像是指生成該影像的影像，而“查看元數(shù)據(jù)”操作將打開選中影像的元數(shù)據(jù)。</p><p>　　2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列表。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列表列出了每次導(dǎo)入的實(shí)測(cè)值的記錄，雙擊某條

37、記錄，將打開這次實(shí)測(cè)值的詳細(xì)列表。該功能提供了對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的“打開”、“導(dǎo)入”、“刪除”操作。</p><p>　　3）氣象數(shù)據(jù)列表。顯示與管理當(dāng)前系統(tǒng)中已有的氣象數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　4.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　該模塊提供了對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一些輔助處理功能：實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成點(diǎn)數(shù)據(jù)集，點(diǎn)集與影像疊加和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)插值操作。&

38、lt;/p><p><b>　　4.2.1點(diǎn)集操作</b></p><p>　　1）生成點(diǎn)數(shù)據(jù)集。該功能將根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)生成當(dāng)前基準(zhǔn)影像坐標(biāo)系下的Shapefile點(diǎn)數(shù)據(jù)集。該點(diǎn)文件可以與影像疊加顯示，從而給出采樣點(diǎn)的分布情況。</p><p>　　2）點(diǎn)集疊加操作。與前一操作一起構(gòu)成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空間分布查看功能。</p><

39、;p><b>　　4.2.2插值操作</b></p><p>　　系統(tǒng)提供了線性回歸插值法，多元回歸插值法，克呂格插值法，反距離權(quán)重插值法。用戶可以使用該功能對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值操作。</p><p><b>　　4.3影像預(yù)處理</b></p><p>　　影像預(yù)處理功能主要包括輻射校正和幾何校正。此外，因衛(wèi)星成像探

40、元陣列不一致和大電路頻率響應(yīng)等因素影響，HJ-1A /1B影像存在比較明顯的周期噪聲，因此系統(tǒng)在預(yù)處理功能中設(shè)計(jì)了高斯濾波器對(duì)所有影像進(jìn)行除噪處理，以提高影像的信噪比。</p><p><b>　　4.3.1輻射校正</b></p><p>　　1）星上定標(biāo)。該功能是將影像灰度級(jí)值轉(zhuǎn)換為反射率值。遙感數(shù)據(jù)反射率值可以用下面的公式計(jì)算：</p><p

41、>　　式中， DN為像元灰度值，GAINλ和BLASλ分別為圖像中各個(gè)波段的增益和偏移值，系統(tǒng)直接從元數(shù)據(jù)庫中讀取增益與偏移值對(duì)影像進(jìn)行星上定標(biāo)計(jì)算。</p><p>　　2）相對(duì)輻射校正。系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)計(jì)回歸法：把從影像中采樣所得的亮暗像元點(diǎn)，用下式做線性回歸：</p><p>　　其中，y是待校正波段，x是參考波段（系統(tǒng)默認(rèn)為第四波段），系數(shù)β1是氣溶膠吸收系數(shù)，截距β0是大氣

42、程輻射。各波段只需減去β0以消除程輻射對(duì)影像波段的影響。系統(tǒng)中亮暗像元通過繪制ROI功能獲得（如圖6）。</p><p>　　圖6 ROI選取與相對(duì)輻射校正</p><p>　　Fig.6 ROI selection and Relative radiation correction</p><p><b>　　4.3.2幾何校正</b><

43、;/p><p>　　遙感圖像的幾何校正，是遙感信息處理過程中的一個(gè)基本環(huán)節(jié)。在進(jìn)行水質(zhì)變化監(jiān)測(cè)和分析時(shí)，必需保證不同時(shí)期圖像的幾何一致性。目前，采用的幾何位置變換方法有多項(xiàng)式變換、共線變換和隨機(jī)場(chǎng)插值變換等方法。本系統(tǒng)采用基于二次多項(xiàng)式的坐標(biāo)擬合。其表達(dá)式如下：</p><p>　　根據(jù)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，可以計(jì)算A、B … L的值，構(gòu)建幾何校正表達(dá)式，對(duì)影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)。</p>&

44、lt;p>　　1）半自動(dòng)選點(diǎn)校正。半自動(dòng)選點(diǎn)的處理思想與航空影像的相對(duì)定向相似。首先在基礎(chǔ)影像中利用標(biāo)識(shí)框框出標(biāo)識(shí)地物，再把待校正圖中的標(biāo)識(shí)框移至包括該標(biāo)志地物的任意區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)通過灰度共生計(jì)算得出兩區(qū)域內(nèi)相似度最大的點(diǎn)作為控制點(diǎn)。</p><p>　　2）自動(dòng)選點(diǎn)校正。開啟自動(dòng)選點(diǎn)功能后，系統(tǒng)首先讓用戶輸入自動(dòng)選點(diǎn)參數(shù)，如同ENVI自動(dòng)選點(diǎn)操作一樣，然后根據(jù)用戶的參數(shù)調(diào)用ENVI中的自動(dòng)選則控制點(diǎn)函數(shù)E

45、NVI_AUTO_TIE_POINTS_DOIT實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選點(diǎn)功能，選點(diǎn)結(jié)束后不會(huì)直接校正，而是帶著這些點(diǎn)轉(zhuǎn)入半自動(dòng)校正模式下，用戶可以根據(jù)誤差計(jì)算結(jié)果調(diào)整或刪除自動(dòng)選則的壞點(diǎn)，也可繼續(xù)添加控制點(diǎn)。</p><p><b>　　4.3.3噪聲處理</b></p><p>　　HJ-1A /1B星產(chǎn)生比較明顯的周期噪聲，主要來源是由于衛(wèi)星成像探元陣列的不一致和大電路的頻率

46、響應(yīng)等因素導(dǎo)致。經(jīng)過試驗(yàn)，本系統(tǒng)最后決定采用高斯低通濾波器對(duì)其進(jìn)行去噪處理。高斯低通濾波器設(shè)有不同大小的窗口供用戶選擇，以適應(yīng)個(gè)別影像的特殊要求，圖7為高斯去噪前后對(duì)比圖。</p><p>　　圖7 高斯濾波前后對(duì)比</p><p>　　Fig.7 Contrast between before and after gaussian filter</p><p>&

47、lt;b>　　4.4水質(zhì)監(jiān)測(cè)</b></p><p>　　系統(tǒng)中提供了葉綠素濃度的遙感監(jiān)測(cè)模型有指數(shù)模型和統(tǒng)計(jì)回歸模型兩種。并同時(shí)為其他水質(zhì)參數(shù)（如懸浮物、透明度、總磷、總氮等）的監(jiān)測(cè)預(yù)留了擴(kuò)展空間，只需錄入相應(yīng)的算法變量即可。系統(tǒng)提供了監(jiān)測(cè)結(jié)果分析功能對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分與變化監(jiān)測(cè)。另外動(dòng)畫播放功能可以演示多時(shí)相湖區(qū)葉綠素濃度連續(xù)變化情況。</p><p><b

48、>　　4.4.1反演模型</b></p><p>　　1）指數(shù)模型。指數(shù)模型主要原理是通過對(duì)水體及其所含物質(zhì)的物理光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，獲得不同水質(zhì)參數(shù)在影像中的波譜響應(yīng)特征，從而構(gòu)建水質(zhì)遙感模型，該模型最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以不依賴于與衛(wèi)星同步的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，這也使得遙感對(duì)水質(zhì)分析的應(yīng)用更容易。從系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果來看，利用基于影像光譜的指數(shù)模型, 可以快速有效地揭示不同時(shí)間段的水質(zhì)變化情況，其處理流程如下

49、。</p><p>　　圖8 指數(shù)模型流程圖</p><p>　　Fig.8 Workflow of exponential model</p><p>　　2）統(tǒng)計(jì)模型。統(tǒng)計(jì)模型主要是通過GPS定位，結(jié)合準(zhǔn)同步遙感與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用線性回歸模型對(duì)不同時(shí)期的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演。該模型具體處理步驟如圖9所示。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)回歸等級(jí)劃分時(shí)參考了中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提供的有關(guān)分級(jí)

50、標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1。</p><p>　　圖9 統(tǒng)計(jì)模型流程圖 </p><p>　　Fig.9 Workflow of statistical model</p><p>　　表1 葉綠素濃度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　Tab.1 Chlorophyll concentration hierarchies standards<

51、/p><p>　　4.4.2監(jiān)測(cè)結(jié)果分析</p><p>　　1）等級(jí)劃分。等級(jí)劃分操作對(duì)前面所得的反演結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分，并給每等賦以不同的顏色，以便于觀察。對(duì)不同模型的反演結(jié)果有不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)：指數(shù)模型按K-mean聚類劃分為5等，統(tǒng)計(jì)模型按表1的葉綠素濃度標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分。</p><p>　　2）變化分析。變化分析操作，用來檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)的變化區(qū)域。系統(tǒng)提供了對(duì)等級(jí)

52、劃分后的圖像作差和作商兩種方式來求取變化信息。并用不同的顏色來表示區(qū)域的變化情況。</p><p>　　4.4.3影像動(dòng)畫播放</p><p>　　湖泊水質(zhì)隨著時(shí)間的推移不斷地發(fā)生變化，為了能更好的反映不同時(shí)期水質(zhì)的不同，采用動(dòng)畫播放的方式，用戶可以直觀的看到不同時(shí)期東平湖水質(zhì)的變化與不同，這樣可以更好的反映水質(zhì)質(zhì)量變化。進(jìn)入動(dòng)畫播放功能后，用戶首先需要選擇播放影像，系統(tǒng)為用戶提供了影像篩

53、選器，能幫助用戶很快從所有影像中選出自己感興趣的系列圖像進(jìn)行播放。</p><p><b>　　4.5專題圖</b></p><p>　　系統(tǒng)采用“傻瓜式”專題圖輸出方式，用戶只需選擇要輸出的影像，一副標(biāo)準(zhǔn)美觀的專題圖便呈現(xiàn)在屏幕上，然后根據(jù)用戶需要可存儲(chǔ)為JPG、BMP和PNG格式，效果如圖10。</p><p><b>　　圖10

54、 專題圖輸出</b></p><p>　　Fig.10 Special charts output</p><p><b>　　5應(yīng)用實(shí)例 </b></p><p>　　系統(tǒng)在東平湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到了成功應(yīng)用，下面以2009年8月30日湖區(qū)葉綠素a濃度監(jiān)測(cè)為例，分別利用系統(tǒng)提供的指數(shù)模型和統(tǒng)計(jì)回歸模型對(duì)湖區(qū)富營養(yǎng)化指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由系統(tǒng)

55、得出該時(shí)期葉綠素a濃度統(tǒng)計(jì)回歸模型為：</p><p>　　Cch-a=459.94* Z*2+305.21*Z+49.29</p><p>　　其中Cch-a為葉綠素a濃度值；Z為歸一化植被指數(shù)NDVI((b4-b3)/(b4+b3))；模型相關(guān)系數(shù)R²為0.83，具有較高的提取精度。其中指數(shù)模型的等級(jí)劃分則是由非監(jiān)督分類方法計(jì)算得出，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。</p>

56、<p>　　圖11 系統(tǒng)中兩種模型監(jiān)測(cè)葉綠素a濃度效果圖</p><p>　　Fig.11 The effect figures monitoring chlorophyll concentration a by two models in system</p><p>　　由圖11可知，兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果大致相同，監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的客觀性。其中含葉綠素a濃度最大的是湖區(qū)內(nèi)的水生植

57、物，其類型主要為蘆葦，大面積蘆葦主要分布在湖區(qū)的東南角，該區(qū)域是國家級(jí)濕地保護(hù)區(qū)，由兩種方法得到的水生植物面積分別為29.43 KM2和25.22 KM2，兩種監(jiān)測(cè)結(jié)果之間存在一定誤差，這與兩模型的局限性有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。因水生植物的凈水作用，湖區(qū)的中南部水質(zhì)較北部好，部分區(qū)域可達(dá)到貧營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn)。由兩種方法監(jiān)測(cè)到的富營養(yǎng)化水域主要分布在湖區(qū)西南角和西北角，面積分別為28.87KM2和25.19 KM 2，西南角的污染主要是由大面

58、積養(yǎng)殖造成的，而西北角則是因?yàn)樯钗鬯欧拧?lt;/p><p><b>　　6結(jié) 語</b></p><p>　　根據(jù)葉綠素濃度遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，以東平湖HJ衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，文章總結(jié)了水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。根據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測(cè)結(jié)果比較符合實(shí)際情況，且該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　1）系統(tǒng)操作智能化。包括大氣校正、幾

59、何校正和濾波處理在內(nèi)的影像預(yù)處理操作均采用向?qū)降牧鞒棠Ｊ焦┯脩羰褂茫@不但縮短了工作時(shí)間，且提高了處理精度和系統(tǒng)的智能性，從而為該系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化提供了有利的技術(shù)支持； </p><p>　　2）界面友好。系統(tǒng)采用圖形化菜單，經(jīng)典分區(qū)模式操作界面；監(jiān)測(cè)結(jié)果信息發(fā)布形式多樣，系統(tǒng)除提供三種專題圖輸出格式以外，還向用戶提供了動(dòng)畫播放功能，這使得水質(zhì)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化過程的演示更加直觀；</p><p>

60、　　3）系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和可升級(jí)性。在水質(zhì)參數(shù)反演過程中，用戶可在系統(tǒng)中直接對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展點(diǎn)、插值運(yùn)算，并隨著相關(guān)研究不斷深入，隨時(shí)將實(shí)驗(yàn)比較穩(wěn)定的新模型加載到系統(tǒng)中，或修改系統(tǒng)中已有的反演模型；</p><p>　　4）系統(tǒng)便于維護(hù)。本系統(tǒng)充分利用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)的繼承、封裝和多態(tài)三大特點(diǎn)，從IDL到C#完全以類交互作用構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)，代碼重用率高，便于將來系統(tǒng)的更新與維護(hù)。</p>&

61、lt;p>　　總之，水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為解決湖泊退化、湖水富營養(yǎng)化等水環(huán)境問題的技術(shù)支持。本系統(tǒng)就該技術(shù)在操作過程存在的數(shù)據(jù)處理步驟復(fù)雜、對(duì)操作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)要求高等問題，結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況技術(shù)流程，把遙感提取水質(zhì)參數(shù)的主要方法應(yīng)用到信息系統(tǒng)建設(shè)中，構(gòu)建東平湖水質(zhì)參數(shù)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為東平湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供輔助支持，并為建立東平湖水質(zhì)優(yōu)化方案提供可靠的數(shù)據(jù)支持和信息服務(wù)。</p><p><

62、b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　孫棟,段登選,王志忠等.東平湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J].淡水漁業(yè),2006,36(4):13-16.</p><p>　　張菊,鄧煥廣,陳詩越.東平湖湖心區(qū)沉積物組成及重金屬污染評(píng)價(jià)[J].人民黃河,32(7):47- 48.</p><p>　　馬榮華,戴錦芳.結(jié)合Landsat ETM與實(shí)測(cè)光譜估測(cè)太湖

63、葉綠素及懸浮物含量[J]. 湖泊科學(xué), 2005, 17(2):97-1031.</p><p>　　佘豐寧,李旭文,蔡啟銘等. 1996. 水體葉綠素含量的遙感定量模型[J]. 湖泊科學(xué), 8 (3): 201-207.</p><p>　　徐涵秋.環(huán)廈門海域水色變化的多光譜多時(shí)相遙感分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(7): 1209-1218.</p><p

64、>　　王云鵬,閔育順,傅家謨等.水體污染的遙感方法及在珠江廣州河段水污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].遙感學(xué)報(bào),2001,5(6):460-464.</p><p>　　雷坤,鄭丙輝,王橋.基于中巴地球資源1號(hào)衛(wèi)星的太湖表層水體水質(zhì)遙感[J]. 環(huán)境科學(xué)　學(xué)報(bào),2004,24(3):376-380.</p><p>　　胡潭高,張錦水,馬衛(wèi)峰等.糧食作物面積遙感測(cè)量運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].

65、農(nóng)學(xué)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(3 :163-170.</p><p>　　王甡,江南,胡斌等.太湖藍(lán)藻水華遙感監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2009,24(3):304-311.</p><p>　　白照廣.中國的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A/B星[J].中國航天,2009,5:10-15.</p><p>　　黎陽,尹球,胡勇.遙感信息

66、與知識(shí)共享平臺(tái)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(15):244-249.</p><p>　　湯國安.地理信息系統(tǒng)概論[M].高等教育出版社出版.北京,2007.</p><p>　　李學(xué)榮,李莎.海洋水色遙感元數(shù)據(jù)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2007,26(1):81-86.</p><p>　　祝令亞.湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方法研究[D].中國科學(xué)

67、院博士學(xué)位論文.2006.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本論文即將完成之際，謹(jǐn)此向我的指導(dǎo)老師馬雪梅老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！本論文的工作是在馬老師的悉心指導(dǎo)下完成的。</p><p>　　在這大學(xué)四年里，馬老師不僅為我們創(chuàng)造了優(yōu)越的科研和學(xué)習(xí)環(huán)境，使我得以在GIS專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)操作與實(shí)踐技能大大提升，

68、同時(shí)在思想上、人生態(tài)度和意志品質(zhì)方面給予了諄諄教誨，這些教益必將激勵(lì)著我在今后的人生道路上奮勇向前。</p><p>　　真誠感謝大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目組同學(xué)們?cè)谠擁?xiàng)目的開發(fā)中的幫助，正是集體的努力才使得項(xiàng)目進(jìn)展順利。</p><p>　　衷心的感謝我的父母和其他親朋好友對(duì)我的關(guān)心、支持和理解，沒有他們對(duì)我的關(guān)心、鼓勵(lì)和支持，我無法完成現(xiàn)在的學(xué)業(yè)。</p><p&g