面向?yàn)?zāi)害識(shí)別的專(zhuān)題波譜庫(kù)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王克曉，李顯巨，陳偉濤

（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

高光譜遙感在災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域扮演重要的角色?；诟吖庾V數(shù)據(jù)的災(zāi)害精細(xì)識(shí)別和分類(lèi)，需要災(zāi)害相關(guān)地物波譜庫(kù)支持。1980年以來(lái)，國(guó)內(nèi)相繼建立了10余個(gè)地物波譜庫(kù)[1]。王錦地等人在光譜庫(kù)的基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合高光譜影像，實(shí)現(xiàn)了融遙感信息提取為一體的波譜知識(shí)庫(kù)[2]。但國(guó)內(nèi)外尚未公開(kāi)出版與災(zāi)害相關(guān)的地物波譜庫(kù)，不能滿(mǎn)足防災(zāi)減災(zāi)工作需求；尤其是在我國(guó)已經(jīng)成功發(fā)射環(huán)境與減災(zāi)衛(wèi)星的背景下，災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)的建設(shè)更是意義重大。

1 災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)的設(shè)計(jì)

1.1 基本原則

波譜數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格遵循地物波譜測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，波譜庫(kù)的目標(biāo)是為遙感圖像信息提取提供地面波譜參考，因此所采用的運(yùn)行環(huán)境應(yīng)該直接服務(wù)于圖像處理過(guò)程?；诖?，本文設(shè)計(jì)的災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)具有以下特征：①采用VB.NET2005編寫(xiě)界面，操作數(shù)據(jù)庫(kù)；②采用SQL Server 2005管理數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端遠(yuǎn)程連接，系統(tǒng)采用C/S模式，應(yīng)用程序登陸窗口有一個(gè)配置按鈕，把連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)信息寫(xiě)入ini文件；③充分利用IDL7.0的圖形功能，實(shí)現(xiàn)波譜數(shù)據(jù)的處理和可視化，并可以集成ENVI軟件中常用的函數(shù)；④3種語(yǔ)言跨平臺(tái)集成，實(shí)現(xiàn)各語(yǔ)言?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

1.2 基本功能

災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)可視化程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)管理、波譜預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和波譜顯示等功能。

1）用戶(hù)管理模塊。使用SQL Server 2005建立波譜數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，包含2個(gè)表：用戶(hù)信息表和波譜信息表。波譜信息表各字段及其釋義參照地物波譜測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。用戶(hù)信息表包含用戶(hù)ID、登陸密碼和用戶(hù)權(quán)限3個(gè)字段。

2）波譜預(yù)處理模塊。其功能由VB.NET 2005分別調(diào)用ENVI二次開(kāi)發(fā)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。ASD采集的波譜不能直接用作端元，需要進(jìn)行包括波譜平均、去陡峭、噪聲消除和波譜指數(shù)統(tǒng)計(jì)等預(yù)處理。波譜平均：對(duì)同一測(cè)量環(huán)境下相同樣品的n（n≥10）條波譜進(jìn)行算術(shù)平均，獲取1條近似真實(shí)的地物波譜。去陡峭：ASD儀器采集波譜時(shí)在1 000 nm、1 750 nm等波長(zhǎng)處會(huì)產(chǎn)生反射率陡然增加的現(xiàn)象，可根據(jù)陡峭位置采用相應(yīng)的系數(shù)法消除這些陡峭現(xiàn)象。噪聲去除：根據(jù)波譜噪聲在測(cè)量波長(zhǎng)區(qū)間的分布狀況，采用窗口濾波法消除ASD野外采集的波譜噪聲。波譜指數(shù)計(jì)算：計(jì)算吸收谷左右肩部、谷底值及相應(yīng)的波長(zhǎng)位置、吸收深度、吸收寬度、吸收谷總面積和對(duì)稱(chēng)度。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。實(shí)質(zhì)上是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中波譜信息表的操作，包括查看/添加波譜數(shù)據(jù)以及修改波譜數(shù)據(jù)3個(gè)子模塊?！安榭础蹦K實(shí)現(xiàn)波譜信息屬性表的顯示；“添加”模塊實(shí)現(xiàn)把經(jīng)過(guò)預(yù)處理的波譜及其相關(guān)信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)；“修改”模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)波譜信息的修改、刪除和追加操作，為管理員權(quán)限。該模塊功能采用VB.NET結(jié)合SQL Server實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 修改波譜屬性數(shù)據(jù)窗口

4）波譜曲線(xiàn)顯示模塊。由VB.NET調(diào)用IDL組件COM_idl_connectlib及相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)原始波譜曲線(xiàn)及處理后波譜曲線(xiàn)的顯示。圖2和圖3是用ASD采集的大同盆地土壤鹽堿化原始波譜與預(yù)處理后的波譜。

圖2 大同盆地土壤鹽堿化原始波譜

圖3 波譜平均與去陡峭后的原始波譜

2 災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 C/S模式遠(yuǎn)程連接

配置SQL Server2005，開(kāi)啟遠(yuǎn)程連接功能。連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)字符串由用戶(hù)配置到ini文件，然后再讀取。連接服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)字符串包括：Data Source=服務(wù)器IP地址，Initial Catalog=數(shù)據(jù)庫(kù)名，User Id=訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶(hù)名，Password=訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)用戶(hù)的密碼。為了保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)信息，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了用戶(hù)密碼。

2.2 ini文件操作方法

先引入2個(gè)API函數(shù)，然后自定義讀寫(xiě)配置文件函數(shù) GetINI和WriteINI。

'定義讀取配置文件函數(shù)

Public Function GetINI(ByVal Section As String,ByVal AppName As String, ByVal lpDefault As String,ByVal FileName As String) As String

Dim Str As String = LSet(Str, 256)

GetPrivateProfi leString(Section, AppName, lpDefault,Str, Len(Str), FileName)

Return Microsoft.VisualBasic.Left(Str, InStr(Str,Chr(0)) - 1)

End Function

'定義寫(xiě)入配置文件函數(shù)

Public Function WriteINI(ByVal Section As String,ByVal AppName As String, ByVal lpDefault As String,ByVal FileName As String) As Long

WriteINI = WritePrivateProfileString(Section,AppName, lpDefault, FileName)

End Function

2.3 數(shù)據(jù)文件格式

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件格式采用ENVI影像格式。柵格影像數(shù)據(jù)以二進(jìn)制數(shù)據(jù)流方式按BSQ、BIL或是BIP的存儲(chǔ)順序存儲(chǔ)。文件中只有影像數(shù)據(jù)，頭信息沒(méi)有嵌入到文件中。ENVI格式的影像文件可使用任意名稱(chēng)，無(wú)需擴(kuò)展名。每一個(gè)二進(jìn)制文件都伴隨有一個(gè)ASCⅡ格式的頭文件，描述影像的基本特征以及附加信息。為了ENVI能夠識(shí)別這個(gè)頭文件，它必須和影像文件具有同樣的文件名，并以.hdr作為擴(kuò)展名[3]。

2.4 VB.NET操作SQL Server

VB.NET數(shù)據(jù)庫(kù)編程主要利用的是ADO.NET。ADO.NET有2個(gè)核心組件：DataSet類(lèi)和.net數(shù)據(jù)提供程序，可以實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)操作中分解出數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)。ADO.NET的數(shù)據(jù)存取，API提供3種數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)方式：通過(guò)ODBC相連訪(fǎng)問(wèn)支持早期ODBC協(xié)議的數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)OLEDB相連訪(fǎng)問(wèn)SOL Server6.5、Microsoft Access、Oracle或者其他有提供OLE DB連接能力的數(shù)據(jù)庫(kù)；使用SqlConnection直接與SQL Server7.0、SQL Server2000以及SQL Server2005相連[4-6]。本文使用SQL Connection直接連接SQL Server2005數(shù)據(jù)庫(kù)。

1）填充數(shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)據(jù)適配器da把表征波譜信息的數(shù)據(jù)填充到數(shù)據(jù)集ds中，然后再把ds中的數(shù)據(jù)顯示在datagridview中，實(shí)現(xiàn)信息的可視化。

Dim ds as dataset

Dim da as sqlclient.sqldataadapter

Dim sql as string =”select * from 波譜信息”

Da=new sqldataadapter(sql,con)

Da.fi ll(ds)

Datagridview1.datasource=ds.tables(0)

2）刪除數(shù)據(jù)記錄。方法與添加數(shù)據(jù)記錄相似，只不過(guò)SQL語(yǔ)句不同。

Dim sql As String= “DELETE FROM 表where 字段=某textbox的text”

3）修改數(shù)據(jù)記錄。方法與添加數(shù)據(jù)記錄相似，只不過(guò)SQL語(yǔ)句不同。

Dim sql as string= “UPDATE 表SET 字段= ” ” “

2.5 VB.NET調(diào)用IDL程序

2.5.1 IDL接口

為了使Windows用戶(hù)能夠用通用開(kāi)發(fā)語(yǔ)言C、C++、Visual Basic和Fortran等集成IDL功能，IDL提供了ActiveX 控件IDLDrawWidget和COM組件COM_IDL_Cconnect 2種方式[7]。本系統(tǒng)使用COM_IDL_Connect組件實(shí)現(xiàn)VB.NET和IDL的連接。

2.5.2 調(diào)用IDL接口的方法

首先要在VB.NET中添加對(duì)COM_IDL_Cconnect的引用。在外部程序中調(diào)用IDL 主要有4 個(gè)環(huán)節(jié)：初始化IDL、編譯IDL代碼、執(zhí)行IDL命令和釋放IDL。

1）初始化IDL。

Dim ostock As New COM_IDL_connectLib.COM_IDL_connect

Try

ostock.CreateObject(0, 0, 0)

Catch ex As Exception

MessageBox.Show(ostock.GetLastError())

Return

End Try

AddHandler ostock.OnIDLOutput, AddressOf evOutput

2）編譯IDL代碼。

ostock.ExecuteString(".COMPILE main.pro")

對(duì)于直接編譯好的sav代碼，則應(yīng)為：ostock.ExecuteString("restore,’main.sav’ ")

3）執(zhí)行IDL命令。

Dim FilePathName As String = "FilePathName"

Dim WorkingDirectory As String = "CD, '" +Application.StartupPath + "'"

ostock.ExecuteString(WorkingDirectory)

ostock.SetIDLVariable("FilePathName", fi lepath)

ostock.ExecuteString("main,FilePathName")

4）釋放IDL。

ostock.DestroyObject()

在調(diào)用IDL過(guò)程中，程序運(yùn)行信息的可視化由下面的過(guò)程實(shí)現(xiàn)：

Sub evOutput(ByVal ss As String)

IDL_Output_Box.Text = IDL_Output_Box.Text + ss

End Sub

2.6 IDL調(diào)用ENVI函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)

1）ENVI初始化。在IDL程序中調(diào)用ENVI函數(shù)時(shí)，首先要初始化ENVI批處理模式，添加代碼：

ENVI, /RESTORE_BASE_SAVE_FILES

ENVI_BATCH_INIT

2）ENVI函數(shù)。文件管理：ENVI_PICKFILE函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)提示用戶(hù)選擇文件的對(duì)話(huà)框；ENVI_SELECT產(chǎn)生對(duì)話(huà)框提示用戶(hù)從ENVI中已經(jīng)打開(kāi)的文件中選擇一個(gè)文件；ENVI_OPEN_FILE 函數(shù)返回一個(gè)文件的FID；ENVI_GET_DATA從一個(gè)打開(kāi)的文件中獲取影像數(shù)據(jù)，它每次只返回某一波段的數(shù)據(jù)。

3）ENVI處理程序的通用關(guān)鍵字。

FID：FID為ENVI的程序員提供一個(gè)命名變量，可以被數(shù)個(gè)ENVI程序使用，用來(lái)打開(kāi)或選擇文件。ENVI對(duì)該文件進(jìn)行的所有操作都是通過(guò)FID完成的。

R_FID和M_FID：如果結(jié)果存在內(nèi)存中，設(shè)置R_FID關(guān)鍵字是訪(fǎng)問(wèn)該數(shù)據(jù)的唯一方法。掩膜處理程序還包括一個(gè)M_FID，用于確定用作掩膜波段的文件。

DIMS關(guān)鍵字是一個(gè)5個(gè)元素長(zhǎng)整型數(shù)組，它定義了處理數(shù)據(jù)的空間子集。DIMS[0]：用于存儲(chǔ)指向一個(gè)打開(kāi)的ROI區(qū)域的指針，僅在ROI被定義時(shí)使用，其他時(shí)候設(shè)為-1；DIMS[1]：采樣的起始位置；DIMS[2]：采樣的終止位置；DIMS[3]：行的起始位置；DIMS[4]：行的結(jié)束位置。

POS關(guān)鍵字定義了用于處理的波段位置，如要處理多波段文件的第三波段和第四波段數(shù)據(jù)，POS=[2,3]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用VB.NET2005、SQL Server 2005和IDL7.0集成的可視化程序設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)。它既包含了IDL語(yǔ)言強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力、矩陣數(shù)據(jù)分析和可視化功能，又具備了VB.NET語(yǔ)言便捷的界面設(shè)計(jì)和控制管理優(yōu)勢(shì)，更具備了SQL Server高效地組織和管理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)。該設(shè)計(jì)方法是有效管理災(zāi)害專(zhuān)題波譜庫(kù)的新途徑。

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