2022年遥感与GIS一体化集成 .pdf

遥感事业部遥感与 GIS一体化集成技术遥感影像已经成为GIS的主要信息源，并作为GIS的核心组成部分，GIS是管理和分析空间数据的有效手段，帮助提升影像的利用价值。遥感与 GIS的一体化集成逐渐成为一种趋势和发展潮流。在上个世纪很多人提出了遥感与GIS集成的概念，但是只停留在影像栅格格式与矢量数据格式相互支持的层面上。本专题对遥感与GIS平台一体化集成途径及相应技术进行了讨论。本专题介绍以下几个内容：遥感与 GIS 遥感与 GIS一体化集成技术ENVI/IDL与 ArcGIS一体化集成方案ENVI/IDL与 ArcGIS一体化集成操作演示ENVI/IDL与 ArcGIS集成开发案例1 遥感与 GIS 遥感是空间数据采集和分类的有效工具，GIS是管理和分析空间数据的有效工具（彭望琭等，2002）。两者是空间信息的主要组成部分，有着必然的联系。遥感具有动态、多时相采集空间信息的能力，遥感影像已经成为GIS的主要信息源。作为GIS的核心组成部分，遥感影像是提供及时信息的理想方式。在遭遇灾害的情况下，遥感影像是唯一我们能够立刻获取的地理信息；在地图缺乏的地区，遥感影像甚至是我们能够获取的唯一信息；图 1 遥感与 GIS 在空间信息的许多行业，离开遥感影像，GIS就是不完整的。另一方面，遥感获取丰富的、海量的空间数据有赖于GIS的有效管理与共享，同时利用GIS强大的空间分析功能提取更深层次的专题信息，全面提升影像的利用价值。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 27 页 -遥感事业部图 2 遥感与 GIS一体化集成意义2 遥感与 GIS 一体化集成技术遥感影像类似于GIS中的栅格数据，遥感和 GIS很容易在数据层次上实现集成（邬伦等，2001）。GIS 软件没有提供完善的图像处理功能，遥感软件中也缺少空间分析及数据管理工具。遥感和GIS一体化集成，可以有以下三个层次及途径实现。(一)数据一体化管理与共享数据互操作遥感影像和图像分析功能可以作为核心组成部分与GIS实现一体化，首先解决的问题就是遥感与 GIS平台之间的数据互操作问题。数据互操作实现有两个途径：一是将遥感数据或者GIS数据都以标准格式保存，两个平台都支持；二是遥感和GIS平台直接支持对方数据格式。很明显后者比前者更加方便。栅矢数据集中和分布式管理在遥感中，数据主要储存格式为栅格，GIS中主要由矢量数据格式组成。栅格和矢量一体化管理，需要这样一种数据模型，同时储存栅格和矢量数据，支持分布式管理。基于服务的企业级共享影像天然地具有企业级应用的潜力，因为它可以实现多个用户在同一幅图上同时进行操作。而这对于大型企业级应用更加有利，其中最主要的一项优势就是节省成本。我们可以分享同一影像资源，从而显著地减少成本。而影像由于自身的特点，具有很高的存储要求，尤其是那些高空间分辨率、多光谱影像。传统以纸质影像图或者电子文件分发的形式也能实现数据共享，但是共享效率比较低。如今基于 Web services 的共享方式提供了一种合理的解决方式，它集中利用了计算机资源，可以为若干个客户端提供影像共享服务。(二)平台一体化分析在遥感软件中进行的图像处理工作流，与 GIS软件下的GIS工作流实现无缝链接和交换。如在遥感软件中处理的数据通过菜单功能直接传送到GIS软件中，无需中间的保存、打开等名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 27 页 -遥感事业部步骤；GIS软件中分析的数据，直接导入遥感软件中，并且保持同步显示；遥感软件中集成GIS软件的部分组件功能。虽然在两个不同的软件平台下工作，操作感和处理效率类似在一个平台下作业。(三)系统一体化集成开发大多数遥感和GIS软件平台都提供了二次开发功能。如在进行GIS系统开发时，将专业的影像数据处理和分析工具集成到GIS系统环境中，在同一系统中既能完成遥感数据的专业处理与分析，又能完成GIS空间分析和发布共享等工作，形成一个遥感与GIS一体化集成系统。要实现一体化集成开发系统，前提是遥感和GIS软件平台提供的二次开发接口，都能通过程序开发语言调用，并整合在一起。3 ENVI/IDL与 ArcGIS 一体化集成方案遥感与 GIS不仅从数据上，还会从整个软件构架体系上真正实现融合，从而可以达到优势互补，进一步提升GIS软件的可操作性，提升空间和影像分析的工作效率，并有效节约系统成本。为了适应这种新的用户需求和未来的技术发展趋势，更好地为用户提供服务，全球最大的GIS 技术提供商ESRI 公司与全球遥感领域的领导者美国ITT Visual Information Solutions(简称 ITT VIS)公司，建立了全球战略合作伙伴关系，共同开发和建设遥感与GIS一体化平台。ENVI是由遥感领域的科学家采用IDL（交互式数据处理开发语言）开发的一套功能强大的、完整的遥感图像处理软件。ArcGIS 是由 ESRI公司开发的、全球使用最广的GIS软件。ENVI/IDL 与 ArcGIS一体化集成解决方案，在真正意义上实现了遥感与GIS一体化集成。(一)数据一体化管理与企业级共享ENVI/IDL与 ArcGIS数据互操作从 2007 年 6 月开始，ESRI公司和 ITT VIS公司宣布两者的商务和技术合作计划。两个平台互相支持对方的格式，同时两者都支持一些通用文件格式，如GeoTiff、JPEG2000等（图3）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 27 页 -遥感事业部图 3 ENVI/IDL与 ArcGIS数据互操作栅矢数据集中和分布式管理Geodatabase 是按照一定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器，已经成为ArcGIS 的核心数据模型，它实现了多源空间数据的集中和分布式管理。它是一种天然的遥感与GIS 数据一体化储存模型。根据不同的应用需求，它分为三个级别：File Based Geodatabase、Personal Geodatabase、Enterprise（SDE）Geodatabase。其中 Enterprise（SDE）Geodatabase 支持分布式管理与储存。图 4 天然的遥感与GIS数据一体化储存模型ENVI完全支持ArcGIS Geodatabase各个级别的读写，在ENVI、ENVI Zoom、ENVI EX中，都可以通过菜单Remote Connection Manager 打开相应的面板，也可以通过Save to ArcGIS Geodatabase 菜单将数据保存到Geodatabase。图 5 打开 Geodatabase 以及服务的数据名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 27 页 -遥感事业部图 6 数据保存到Geodatabase 基于服务的企业级共享ENVI可以当作一个客户端，打开 OGC标准的服务（WCS/WMS），这些服务可以是ArcGIS Server 发布的。其中 WCS服务发布的影像数据保留了原始的数据的像元值和波段信息，因此通过WCS服务获得的影像可以做进一步的分析，跟分析本地影像效果是一样。图 7 远程数据接收与本地处理、成果共享(二)ENVI/IDL与 ArcGIS平台一体化分析最新版的 ENVI4.7 推出专门为GISer使用的 ENVI EX模块，这个模块整合了部分ArcGIS?名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 27 页 -遥感事业部和 ENVI功能，将影像处理和分析与GIS工作流无缝链接到一起，在 ENVI EX中能完成三个方面的工作：1)无缝链接 GIS工作流ENVI EX 将影像处理和分析与GIS工作流无缝链接到一起，在ENVI EX中能实现：轻松交换数据和图层文件：ArcGIS中的数据或图层文件（*.lyr）可以通过鼠标拖拽方式放到 ENVI EX上进行显示。查看和处理ArcGIS图层：ENVI EX 支持 ArcGIS的图层符号化显示，即可以完全按照ArcGIS风格和样式显示图层数据。同步查看图像处理结果：在 ENVI EX下执行图像处理过程中，动态修改参数，在 ENVI EX和 ArcGIS可以看到相同的变化结果。2)向导式专业影像处理工具ENVI EX 提供 GIS用户最需要的图像处理和分析功能，并以流程化、向导操作方式提供。并具有透视窗口随时预览处理结果。3)成果共享ENVI EX 提供多种成果共享方式，将影像处理与分析结果无缝集成到GIS工作流中。存储为通用格式或PowerPoint 文件直接保存 Geodatabase 或输出 Shapefile 在 ENVI EX中直接调用ArcGIS制图组件进行出图通过菜单直接将成果导入ArcMap 进行制图，无需中间保存与打开过程。同样 ENVI Zoom 视窗具有 ENVI EX类似的功能。图 8 平台一体化分析方式(三)ENVI/IDL与 ArcGIS集成开发ENVI是一个非常开放的平台，提供一个健全的函数库（图9），几何涵盖 ENVI平台大部分图像处理功能。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 27 页 -遥感事业部图 9 ENVI部分函数库列表同时 IDL具有很好的扩展性，能很方便地与其他开发环境（VB、VC、.NET、Java等）进行集成开发。IDL可以通过以下方式与其他语言集成开发：1)Callable 技术IDL 作为动态链接库被外部程序调用的技术。使用Callable 技术，外部程序可以像IDL命令行一样使用IDL命令或调用执行IDL的程序。简单实现方法（在vc6.0）：1.将ITTIDL71externalinclude目录下的idl_export.h 头文件，添加到VC工程中2.工程设置连接中的对象/库模块中 添加 idl.lib 3.添加 Library files 安装路径 ITTIDL71BINBIN.X86 4.系统变量 path 中添加 IDL 的安装路径 ITTIDL71BINBIN.X86 5.进行初始化IDL_Win32Init(0,handle,NULL,0)6.执行 IDL命令行 IDL_ExecuteStr(“restore,satstretch.sav”)7.IDL_Cleanup(true)2)对象输出助手将 IDL编写的功能模块输出为Java类和 COM 组件（.DLL或者.OCX）。3)IDLDrawWidget（VS2005中）1.首先在建立一windows 应用程序。在工具箱上右键选择项COM 组建选中 IDLDrawWidget Control 3.0 2.拖动控件到窗体上3.axIDLDrawWidget1.IdlPath 设定 IDL库文件目录4.n=axIDLDrawWidget1.InitIDL(int)this.Handle)5.axIDLDrawWidget1.ExecuteStr(“”);执行 IDL命令4)COM_IDL_CONNECT 同 IDLDrawWidget 类似。同时，ArcGIS 提供 ArcObjects 软件组件库，它提供了模块化、可伸缩、跨平台的通用API。ENVI/IDL与 ArcGIS集成开发可以通过以下三个途径实现：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 27 页 -遥感事业部图 10 三种集成开发模式1)ENVI/IDL与 ArcGIS桌面定制通过 ArcGIS桌面 SDK及开发语言（如Python、VBA、VB、VC、.net 等），将 ENVI/IDL图像处理与分析功能集成到ArcMAP 中：图 11 将 ENVI/IDL 功能嵌入ArcMAP Toolbar 中名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 27 页 -遥感事业部图 12 ENVI/IDL 功能嵌入 ArcToolBox中名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 27 页 -遥感事业部图 13 ENVI/IDL功能嵌入ModelBuilding（GP工具）2)ENVI/IDL与 ArcGIS Engine ArcGIS Engine是组件式开发工具包，可以灵活、方便地定制地图及GIS解决方案。ENVI/IDL 与 ArcEngine 的一体化集成开发具有以下三个特点：1)通过 ArcGIS Engine 解决了数据浏览、栅格矢量叠加、矢量编辑、渲染、专题制图以及空间分析等问题；2)将 ENVI/IDL 作为影像处理引擎，解决专业的影像处理过程；3)基于成熟平台的二次开发，快速实现了系统无缝集成开发，而且大大减少了程序的开发量、开发周期，减少了系统开发的风险，开发者可以将大部分精力放在系统业务流程上。图 14 ENVI/IDL与 ArcEngine 一体化集成开发3)ENVI/IDL与 ArcGIS Server 将 ENVI/IDL 图像处理与分析功能集成在服务器端，以ArcGIS Server 作为地图服务器，将处理结果传递到客户端，较好地实现了B/S 模式下对影像实时计算处理的需求。ENVI/IDL 与 ArcGIS 一体化集成打破了传统单一的遥感图像处理流程，形成影像数据处理与分析、管理、空间分析、发布共享的空间信息工程化与流程一体化（图15）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 27 页 -遥感事业部图 15 空间信息工程化与流程一体化的最佳组合4 ENVI/IDL与 ArcGIS 一体化集成操作演示(一)企业级共享下面以一个比较简单的例子演示这个过程。1)将 ENVI中处理好的数据用ArcGIS Server发布成 wcs 服务。图 16 发布 wcs 服务2)获取 WCS服务的 URL地址。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 27 页 -遥感事业部图 17 获得 WCS服务 URL 3)打开 ENVI或者 ENVI Zoom 或者ENVI EX，这里打开ENVI EX。在 ENVI EX中，选择File-Remote Connection Manager（图 18），在 Remote Connection Manager 中 New一个连接，连接的属性面板中（Connection Properies）中，Type 中选择 OGC Web Coverage Servics（WCS）项，将WCS服务的 URL输入 URL项中，后加一个英文半角“？”，其他信息自动从URL中获取，单击OK。图 18 新建一个 WCS连接4)可以看到获取的WCS服务中的影像数据（图19）。单击 Open 按钮，将获取的数据在 ENVI EX中打开。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 27 页 -遥感事业部图 19 获取的 WCS服务中的影像信息5)在 ENVI EX中打开的WCS服务中的影像数据（图 20），可以对这个影像数据进行分析，如这里对其进行Classification，这是一个流程化的操作，一路Next 下去（也可以修改一些参数），其中可以打开Proview 功能对结果随时预览。图 20 对 WCS服务中的影像数据进行分析6)到输出结果步骤时，可以选择GDB或者 Shapefile，这里选择保存到GDB中（如图21）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 27 页 -遥感事业部图 21 保存结果到Geodatabase 中这样我们就完成了一个比较典型的影像共享过程：影像服务发布(数据中心)-使用影像服务(数据使用单位)-浏览与分析影像-分析结果储存与再次共享。(二)平台一体化分析下面以利用影像来更新矢量数据的例子演示ENVI/IDL与 ArcGIS平台一体化分析过程。1)将“旧”矢量数据和“新”的影像数据加载到ArcMAP 中（图 22）。图 22 加载矢量和影像数据的ArcMAP 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 27 页 -遥感事业部2)根据“旧”矢量数据和影像目视解译结合方法选择部分矢量要素作为样本。生成新的一个矢量图层。图 23 选取的样本3)打开 ENVI EX（ENVI Zoom 也可以），鼠标左键在ArcMAP 中单击样本矢量层拖拽到ENVI EX中，可以看到 ENVI EX中已经将样本图层打开并保持ArcMAP 一样的专题符号。同样的方法将影像拖拽到ENVI EX中（图 24）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 27 页 -遥感事业部图 24ENVI EX中打开矢量样本和影像数据4)在 ENVI EX中，鼠标左键按住影像图层拖拽到Toolbox 中的 Classification 流程化工具中。启动 Classification 流程化工具。单击 Next 按钮，选择监督分类（Use Training data），将前面的矢量样本导入（图25）。图 25 选择矢量样本5)同样可以用Preview 预览分类结果。一路Next，在 Save Results 同样可以选择保存文件还是 GDB。这里选择保存为shapefile 文件。6)在 ENVI中加载获得的结果，选择File-Print，集成了 ArcMAP 制图输出组件，支持ArcMAP 制图模板。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 27 页 -遥感事业部图 26 打印输出结果7)或者在 ENVI EX的 Layer Manager 中分类矢量结果图层上单击右键，在快捷菜单中选择 Send to ArcMap 命令，可以直接将结果传送到ArcMap 平台中。8)选择 ENVI EX中的 Geo Link To ArcMap命令，可以将 ENVI与 ArcMap 进行地理链接，使两个平台浏览的范围保持一致。这个例子完成了一个GIS工作流与遥感工作流无缝链接的过程。5 ENVI/IDL与 ArcGIS 集成开发案例(一)城市遥感动态监测管理系统北京建设数字科技股份有限公司以地理信息基础平台为基础，3S 技术一体化为核心，结合专业遥感处理软件ENVI，实现对城市范内区域、街道、重点对象的影像特征的采样和分析，快速获取其空间特征。并利用 ArcGIS Engine 的叠加分析、缓冲区分析等功能，实现对多时相城市航空影像数据之间、遥感影像数据与规划编制、规划审批成果之间的比对分析，及时了解城市的土地利用变化情况，掌握城市建设中与规划不符的情况。并通过核查上报、统计分析等手段，为城市规划监察、城市管理服务。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 27 页 -遥感事业部图 26 系统主界面图 27 遥感影像信息分类提取名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 27 页 -遥感事业部图 28 新增建筑面积统计(二)环北京土地利用动态监测与评价平台2009ESRI开发大赛ENVI/IDL 组一等奖作品，首都师范大学系统的基本功能包括各种栅格数据的加载、显示（单波段显示和多波段合成）、数据管理、数据格式转换、波段统计、ROI 选取工具、图像的增强等功能。在业务功能方面，系统主要分成类三个模块，其中包括监测指标和计算模块、土地利用信息提取模块和土地资源监测评价模块。监测指标和计算模块的功能主要包括NDVI（归一化植被指数）、MSAVI（土壤调整植被指数）、FC（植被覆盖度）、Slope(DEM 的坡度计算)和PCA 变换（主成分变换）；土地利用信息提取模块包括基本的图像信息提取方法，如监督分类、非监督分类、目视解翻，并提供的基本的分类后处理的功能；土地资源监测评价模块主要包括：土壤侵蚀监测评价、土地退化监测评价、土地沙化监测评价和土地盐碱化监测评价。其中前两种评价主要是用IDL 编写的决策树算法，后两个评价介于ArcGIS Desktop 的 model builder 创建模型，在ArcGIS Engine的 Geoprocessing 中进行调用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 27 页 -遥感事业部图 29 系统主界面图 30 监督分类子模块名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 27 页 -遥感事业部图 31 土壤侵蚀监测评价子模块图 32 支持向量机监督分类(三)遥感震害快速评估技术系统中国地震局地壳应力研究所遥感震害快速评估技术系统是在地震遥感震害快速增强、震害分类提取与震害评估技术研究的基础上，针对国家抗震救灾指挥和地震现场评估的需要，研制的适应近地表遥感信息名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 27 页 -遥感事业部获取系统获取的多景图像的技术系统。用户可以利用该系统在图像接收后2-6 小时内提供初步的宏观灾情提取结果与损失评估结果，6-18 小时内提供准确的宏观灾情分布结果和损失评估结果。遥感震害快速评估技术系统的主要功能包括遥感（RS）和地理信息系统（GIS）的无缝结合，近地表数据处理，遥感影像快速校正，遥感影像快速增强，用面向对象等实用的分类技术进行震害识别，震害损失评估，与数据库结合，成果图像的快速显示和制图，专用的评估流程和集体评估的集成。图 33 系统主界面名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 27 页 -遥感事业部图 34 综合评估平台图 35 影像处理功能名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 23 页，共 27 页 -遥感事业部图 36 影像自动配置子功能图 37 影像分类子功能(四)农作物调优栽培决策支持系统国家农业信息化工程技术研究中心农作物调优栽培决策支持系统是依托农业部公益性行业科研专项“主要农作物调优栽培名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 24 页，共 27 页 -遥感事业部信息化技术”项目，基于最新的ENVI/IDL技术、WebGIS、GPS、企业空间数据库、通信技术、作物模拟技术等信息技术和农学知识的高度集成，建立的用于主要农作物调优栽培的信息化决策支持系统。系统主要面向农业管理部门、农业生产部门（如农场）、作物协会（如谷物协会）及大型涉农企业的专业技术及生产管理人员，对主要农作物的产前优良品种种植区划产中调优栽培及产量、品质预报产后指导按质收购等作物生产全过程进行信息化管理，最大限度地为农作物生产的信息化管理与粮食政策的制定提供决策支持。系统通过采用ENVI/IDL 编程技术实现对遥感影像的实时计算和处理，生成初步的作物分类结果以及影像光谱指数，结合野外采集的GPS 定位数据、农学样点信息，综合分析各种常用的农学模型，通过WebGIS技术实现实时直观的专题图、统计图表、细节点击查询等多种展现方式，实现对作物长势监测、作物产量估算、作物品质预测、病虫害监测、干旱监测、冻害监测、肥水诊断等作物生产全过程的信息化管理。系统采用 Oracle10g+ArcSDE作为空间数据库，后台采用ENVI/IDL、ArcGIS Engine、ArcIMS实现遥感影像处理与发布，前端页面展现完全基于Ajax 技术构建，综合采用了OpenLayers、JQuery、Google Maps API等脚本库。图 38 自定义植被指数计算界面名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 25 页，共 27 页 -遥感事业部图 39 作物长势分级专题图图 40 作物品质专题图6 总结随着空间信息市场的快速发展，遥感数据与GIS的结合日益紧密。遥感与GIS的一体化名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 26 页，共 27 页 -遥感事业部集成逐渐成为一种趋势和发展潮流。ENVI/IDL 与 ArcGIS为遥感和GIS的一体化集成提供了一个最佳的解决方案。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 27 页，共 27 页 -