基于WebGIS平臺的森林郁閉度遙感反演信息系統(tǒng)研建

姚 智，張曉麗

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083）

基于WebGIS平臺的森林郁閉度遙感反演信息系統(tǒng)研建

姚 智，張曉麗

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京100083）

為滿足區(qū)域森林資源結(jié)構(gòu)參數(shù)特別是郁閉度信息的統(tǒng)一管理與處理分析需求，以福建省三明市將樂縣為研究區(qū)，以Landsat 8衛(wèi)星的陸地成像儀（OLI）數(shù)據(jù)、外業(yè)調(diào)查的樣地數(shù)據(jù)以及ASTER GDEM的高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取逐步線性回歸模型、向后線性回歸模型與偏最小二乘模型研究郁閉度分布情況。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在ArcGIS Server for.NET（ADF）平臺下開發(fā)基于B/S模式的分布式森林郁閉度反演信息系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)查詢、模型因子計算、森林郁閉度模型實現(xiàn)、數(shù)據(jù)編輯與輸出等功能，為三明市將樂縣森林資源結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)的規(guī)格化管理與共享服務(wù)提供技術(shù)支持。圖6參15

森林測計學(xué)；森林結(jié)構(gòu)參數(shù)；郁閉度反演；遙感； WebGIS；信息管理

中國森林覆蓋率整體偏低，分布不平衡。隨著經(jīng)濟迅速發(fā)展，對森林資源及其生態(tài)作用的要求日益增加。為實現(xiàn)森林資源的持續(xù)利用，有必要及時、準確地掌握森林資源動態(tài)及其發(fā)展趨勢，為國家職能部門進行宏觀調(diào)控和科學(xué)決策提供客觀依據(jù)。森林結(jié)構(gòu)參數(shù)諸如林分平均高、平均冠幅、平均胸徑、郁閉度、地上生物量等的空間分布結(jié)構(gòu)不僅能夠直觀地反映森林生長狀況［1］，而且對于森林可持續(xù)經(jīng)營管理亦具有重要意義。隨著高新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，諸如星載雷達［1］、高分辨率衛(wèi)星［2］、小光斑雷達［3］等技術(shù)在估測森林結(jié)構(gòu)參數(shù)方面都有一定成效，克服了傳統(tǒng)林業(yè)調(diào)查工作中調(diào)查效率低下的問題，也節(jié)省了一類、二類調(diào)查中人力、財力、物力資源的浪費，因此，森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測與集中化管理就很有必要。之前有許多森林資源管理的系統(tǒng)平臺，它們在森林病蟲害綜合防治、林火監(jiān)測及預(yù)測預(yù)報、森林資源預(yù)測與評價［4］等方面具有獨特功能，對于森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取與數(shù)據(jù)集成管理方向涉及較少?；诖耍鞠到y(tǒng)集中把功能放在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取與數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理上，尤其是在遙感圖像中實現(xiàn)高精度提取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)方面。本系統(tǒng)主要是以森林郁閉度為實例入手，實現(xiàn)從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等已驗證的郁閉度模型［5］，為森林結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)一管理提供平臺支持。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

本系統(tǒng)采用JSF（Java Server Faces）框架，實現(xiàn)了J2EE［6］網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的部署配置,搭建在線應(yīng)用服務(wù)平臺,實現(xiàn)各個模塊的系統(tǒng)集成。通過ArcGIS Server發(fā)布基于B/S模式的地理信息系統(tǒng)處理模塊。

1.1 體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用以B/S模式面向數(shù)據(jù)操作與管理用戶為主的模式，以Visual C#為開發(fā)語言，進行組件式開發(fā)，實現(xiàn)開發(fā)可擴展、易維護的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)的3層體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。①應(yīng)用層：作為系統(tǒng)的表示層，采用簡便易操作原則，設(shè)計界面風(fēng)格，以用戶權(quán)限管理系統(tǒng)的操作顯示與功能應(yīng)用，同時采用Ajax來實現(xiàn)系統(tǒng)的異步刷新，使得基本功能由瀏覽器分流，減少服務(wù)端負載與反饋時間。②應(yīng)用服務(wù)層：以ArcGIS Server為開發(fā)平臺發(fā)布地圖服務(wù)與地理數(shù)據(jù)處理（GP）［7］服務(wù)，結(jié)合ASP.NET動態(tài)網(wǎng)頁交互技術(shù)開發(fā)系統(tǒng)功能，并通過應(yīng)用程序編程接口進行ArcObjects組件的GP服務(wù)、地圖資源的調(diào)用。③數(shù)據(jù)服務(wù)層：以SQL Server 2008作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)庫引擎——ArcSDE來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的管理與操作。

圖1 體系結(jié)構(gòu)圖Figure 1 System structure diagram

1.2 技術(shù)路線

本系統(tǒng)依據(jù)的技術(shù)路線圖如圖2所示,可分為數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理、模型建立、系統(tǒng)開發(fā)、功能實現(xiàn)與系統(tǒng)維護4個模塊。①數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理：選取2013年7月與8月研究區(qū)8景Landsat 8衛(wèi)星的陸地成像儀（OLI）數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進行拼接合成、輻射校正（包括大氣校正與去霾、去云處理等），得到研究區(qū)范圍內(nèi)的遙感衛(wèi)星圖，并轉(zhuǎn)化本系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)格式。②模型建立：依據(jù)適合研究區(qū)的森林郁閉度模型，本系統(tǒng)選擇逐步線性回歸模型、向后線性回歸模型與偏最小二乘模型［5］作為本系統(tǒng)依據(jù)模型，按照模型進行編碼調(diào)試。③系統(tǒng)開發(fā)：進行需求分析，明確功能要求，選擇開發(fā)環(huán)境與搭建數(shù)據(jù)庫并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理。④功能實現(xiàn)與系統(tǒng)維護：通過對2013年研究區(qū)8景Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)預(yù)處理后數(shù)據(jù)進行模型因子計算，最后實現(xiàn)選取的3種模型并進行重分類，滿足用戶對郁閉度信息提取的需求。系統(tǒng)維護要求能夠修復(fù)軟件系統(tǒng)運行中發(fā)生的錯誤（BUG），確保軟件系統(tǒng)的正常運作并擴展系統(tǒng)在使用過程中所需功能要求，如其他郁閉度模型可以加入本系統(tǒng)中運行。

圖2 技術(shù)路線圖Figure 2 Technical route diagram

2 開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于ArcGIS Server的ADF開發(fā)模式

WebADF（Web應(yīng)用程序開發(fā)框架）是基于服務(wù)器端的 “重量型”的ArcGIS Server用于Web應(yīng)用程序開發(fā)的框架，它主要是由一些JSF組件、實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)（GIS）相關(guān)功能的Java類庫、支持AJAX的JavaScript腳本庫和一些幫助文檔及例子的集合［10］。本系統(tǒng)主要采用ASP.NET環(huán)境進行開發(fā)，ASP. NET是一個已編譯、基于.NET環(huán)境的、可用于任何與.NET兼容的語言創(chuàng)作的應(yīng)用程序，如可以實現(xiàn)服務(wù)器控件拖放到Web頁的GUI與完全集成的調(diào)試支持。Web前端界面使用.Net語言利用Microsoft visual studio平臺進行設(shè)計，服務(wù)器端負責管理地圖服務(wù)、GP（geoprocessing）服務(wù)、地理編碼服務(wù)等。

2.2 基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server與空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE

森林郁閉度信息系統(tǒng)以SQL Server 2008作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由空間數(shù)據(jù)庫、模型因子數(shù)據(jù)庫與模型工具組成。ArcSDE［8］是基于多層體系的空間數(shù)據(jù)存儲、管理通路，實現(xiàn)ArcGIS與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（RDB）的連接。本系統(tǒng)以SQL Server作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、模型因子數(shù)據(jù)庫和模型工具組成。在基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的表達上以研究區(qū)高程圖、研究區(qū)行政區(qū)劃分圖以及研究區(qū)遙感影像圖作為公共底層數(shù)據(jù)，并對各圖層的地理坐標和空間投影進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換入庫（圖3）。

基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫的存儲數(shù)據(jù)類型可分為矢量類型和柵格類型。系統(tǒng)在柵格數(shù)據(jù)的存儲表達上，由ArcSDE通過將柵格數(shù)據(jù)劃分成若干個等間距的切片網(wǎng)格，再由空間索引的方式進行檢索和存儲管理，實現(xiàn)系統(tǒng)中遙感影像與矢量數(shù)據(jù)疊加表達和各因子數(shù)據(jù)的柵格化操作等。

2.3 模型因子及計算

本系統(tǒng)基于強大的ArcObjects核心功能組件，結(jié)合方便、靈活的建模工具ModelBuilder為系統(tǒng)設(shè)計出穩(wěn)定、完善的應(yīng)用服務(wù)功能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)因子數(shù)據(jù)的處理以及顯示功能。本研究針對模型因子數(shù)據(jù)的特點，并結(jié)合分類標準和行業(yè)規(guī)則，構(gòu)建了植被覆蓋指數(shù)模型因子（NDVI），比值植被指數(shù)模型因子（RVI），轉(zhuǎn)換植被指數(shù)模型因子（TNDVI），差值植被指數(shù)模型因子（DVI），穗帽變換（K-T變換）以及IHS變換6個模型因子，供Web應(yīng)用的調(diào)用顯示。①植被覆蓋指數(shù)模型因子：經(jīng)歸一化處理的植被覆蓋指數(shù)可以在一定程度上消除太陽高度角及大氣輻射等影響，特別適用于大尺度范圍的植被狀態(tài)動態(tài)監(jiān)測。②比值植被指數(shù)模型因子：其原理為可見光紅波段（R）與近紅外波段（NIR）對綠色植物的光譜響應(yīng)差異十分顯著，且具有倒轉(zhuǎn)的關(guān)系，故兩者之間的數(shù)值比能充分地表達兩波段對于綠色植物反射率之間的差異，對其取平方根更能體現(xiàn)這種差異。③轉(zhuǎn)換植被指數(shù)模型因子：該指數(shù)可修正植被覆蓋指數(shù)對于植被覆蓋度較低或較高時的靈敏度下降問題，能更好地反映植被的綜合狀況。④差值植被指數(shù)模型因子：該指數(shù)對土壤背景的變化較敏感，可用于對植被生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測。但當植被覆蓋度較高 （當大于80%）時，對植被的靈敏度會有所下降，所以其適用于植被發(fā)育的早中期監(jiān)測，或低中覆蓋度時的植被檢測。⑤穗帽變換模型：所有多波段遙感圖像都可以看作是1個N維的表示空間，圖像上的每一象元都可以表示為處在N維空間中的1個點，象元各個波段上的數(shù)值決定了其在空間中的位置，所以對于常見的多波段對地觀測數(shù)據(jù)而言植被信息可以通過3個維度（亮度、綠度和濕度）來確定其位置，這3個數(shù)據(jù)軸的信息可通過線性計算和數(shù)據(jù)空間旋轉(zhuǎn)而獲得［9］。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。⑥IHS變換模型：是由色調(diào)（hue），飽和度（situation）及亮度（intensity）等3個變量所構(gòu)成的顏色顯示方式,可以通過處理使合成圖像更加飽和更具有分辨度，可以進行不同分辨率不同來源的多種遙感圖像的融合，可以通過針對亮度參數(shù)的濾波進行圖像增強以便于多源數(shù)據(jù)的綜合顯示，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。本系統(tǒng)采取吳石磊［5］的基于Landsat8 OLI數(shù)據(jù)的森林郁閉度反演研究的郁閉度模型，其中，對實驗區(qū)而言逐步線性回歸模型效果最佳，數(shù)據(jù)檢驗精度達到88%。該模型包括計算研究區(qū)模型因子（NDVI模型因子、RVI模型因子、TNDVI模型因子、DVI模型因子、穗帽變換以及IHS變換）。本系統(tǒng)則將選取的郁閉度模型編碼實現(xiàn)。

圖3 數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖Figure 3 Database diagram

2.3.1 逐步線性回歸模型 F=0.907T－1.839×10－5Z－0.072。其中：F為郁閉度；T為轉(zhuǎn)換植被指數(shù)；Z為第7波段灰度值。

2.3.2 向后線性回歸模型 F=3.554×10－5L+5.423I+5.717T+0.003P－3.629－1.091R。其是：F為郁閉度；T為轉(zhuǎn)換植被指數(shù)；L為穗帽變換濕度分量值；I為IHS變換亮度分量值；P為坡度值；R為比值植被指數(shù)的平方根。

2.3.3 偏最小二乘模型 F=0.742－7.801×10－6Q+2.670×10－7U+7.612×10－6V－3.138×10－6W+2.401×10－6X－7.363×10－6Y－1.384×10－5Z+3.456×10－6A+0.081N－0.016R－1.111×10－7H+2.309×10－6I+1.215×10－5J－0.096K－0.001L－0.031M+2.483×10－6D+0.191T。其中：F為郁閉度；Q為第1波段灰度值；U為第2波段灰度值；V為第3波段灰度值；W為第4波段灰度值；X為第5波段灰度值；Y為第6波段灰度值；Z為第7波段灰度值；A為第8波段灰度值；N為植被覆蓋指數(shù)；R為比值植被指數(shù)的平方根;H為穗帽變換亮度值；I為穗帽變換綠度值；J為穗帽變換濕度值；K為IHS變換色調(diào)值；L為IHS變換飽和度值；M為IHS變換亮度值；D為差值植被指數(shù)；T為轉(zhuǎn)換植被指數(shù)。

圖4 穗帽變換模型Figure 4 K-T transformation model

圖5 IHS變換模型Figure 5 IHS transformation model

3 系統(tǒng)功能設(shè)計及具體實現(xiàn)

本系統(tǒng)把森林結(jié)構(gòu)參數(shù)管理應(yīng)用與地理信息系統(tǒng)相互結(jié)合，完成基于廣義網(wǎng)的分析查詢，搭建基于WebGIS的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)管理平臺，并將森林郁閉度這一參數(shù)作為實例放入其中。本研究主要針對的是WebGIS在森林郁閉度模型信息系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)界面如圖6所示。

本系統(tǒng)主要包括5個功能模塊:基礎(chǔ)GIS操作模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、模型因子計算模塊、森林郁閉度模型實現(xiàn)模塊、數(shù)據(jù)編輯維護模塊、輸出功能與系統(tǒng)維護擴展功能。

3.1 基礎(chǔ)GIS操作模塊

實現(xiàn)研究區(qū)地圖的顯示、坐標定位、放大、縮小、漫游、鷹眼、測距等基礎(chǔ)GIS操作。

3.2 數(shù)據(jù)查詢模塊

包括地圖要素查詢、地圖信息查詢。鼠標點擊地圖某點時，可以顯示該點對應(yīng)全部圖層的屬性信息,用戶可以根據(jù)需求選擇不同圖層中被選中地理要素所對應(yīng)的屬性信息;地圖要素查詢是在所顯示的數(shù)據(jù)中查找特定的地理要素，并進行快速定位且高亮顯示。

3.3 模型因子計算模塊

系統(tǒng)提供了對研究區(qū)地圖的植被覆蓋指數(shù)模型因子（NDVI），比值植被指數(shù)模型因子（RVI），轉(zhuǎn)換植被指數(shù)模型因子（TNDVI），差值植被指數(shù)模型因子（DVI），穗帽變換（K-T變換）以及IHS變換模型因子的計算功能，可供用戶直接觀察與測量上述模型因子，還可對比各模型因子之間的異同。

圖6 系統(tǒng)界面圖Figure 6 System interface map

3.4 數(shù)據(jù)編輯維護模塊

用戶可直接對地圖要素進行編輯，但此時要求地圖必須是 “非池化”，可以使 “注冊版本”，也可以使 “非注冊版本”。可對系統(tǒng)中空間信息與屬性信息直接進行修改與維護，同時用戶還可以直接上傳本地文件至服務(wù)器，例如.shp文件和.dat文件等。如用戶可以直接對研究區(qū)地圖進行添加要素，亦可將最新獲取的植被覆蓋數(shù)據(jù)直接上傳至服務(wù)器。

3.5 圖表分析與專題輸出功能

對于進行模型化后的郁閉度分布圖，用戶可進行直方圖統(tǒng)計功能，同時可以對各個郁閉度等級進行分類計數(shù)，從而計算出各等級郁閉度面積；用戶可以基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)進行專題輸出，亦可以對處理后的地圖進行專題輸出，輸出后的專題地圖，用戶既可以導(dǎo)出，也可以進行打印、復(fù)制等操作。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于組件式GIS開發(fā)，在ASP．NET的開發(fā)環(huán)境下，利用ArcObjects組件，在可視化的條件下將GIS控件與其他非GIS控件集成在一起，構(gòu)建一個基于廣義網(wǎng)可供用戶在線訪問森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的信息管理系統(tǒng)。該信息系統(tǒng)除了提供了基礎(chǔ)地圖操作之外，還提供了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)查詢、郁閉度模型因子的計算、3種郁閉度模型的實現(xiàn)、圖表分析統(tǒng)計以及專題制圖輸出等功能。該系統(tǒng)可以擴展為福建省三明市將樂縣國有林場的在線森林結(jié)構(gòu)參數(shù)管理系統(tǒng)，預(yù)留各種數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序編程接口，為實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展提供了便捷。

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Based on WebGIS platform developing remote sensing information systems of forest canopy density inversion

YAO Zhi，ZHANG Xiaoli
（Forestry College，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China）

With Landsa 8 OLI data,field investigation of the sample data and the ASTER GDEM elevation data as the foundation,this paper views Jiangle County,Sanming City,Fujian Province as the study area,and selects the stepwise-linear regression model,the backward-linear regression model and partial-least squares model to study the crown density distribution of the study area.On the ArcGIS Server for the.NET development（ADF）platform,this system combines with the spatial database technology,and sets up a distributed information system on forest crown density inversion which is based on B/S model,so that this system can carry out basic GIS operations,data query,the model factor calculation,forest canopy density model implementation, data editing and output functions,etc.Basically the system can meet the regional forest resources structure parameters analysis especially the unity of the crown density information management and processing requirements,and supports a platform for structural parameters,data normalization management and forest resources sharing services for Jiangle County,Sanming City.［Ch,6 fig.15 ref.］

forest mensuration;forest structure parameters;canopy density inversion;remote sensing;WebGIS; information management

S758.5

A

2095-0756（2015）03-0392-07

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.03.009

2014-11-12；

2014-12-11

國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃（“863”計劃）項目（2012AA102001-5）

姚智，從事定量遙感研究。E-mail：413442654@qq.com。通信作者：張曉麗，教授，從事森林動態(tài)監(jiān)測、定量遙感、智能分析模型以及森林可視化研究。E-mail：zhang-xl@263.net