基于Python的礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

卜麗靜，鄭新杰，張正鵬，蘭文婷

（1．遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000；2．大連九城測(cè)繪企業(yè)集團(tuán)，遼寧 大連116002）

近幾年來(lái)，“3S（GPS、GIS、RS）”技術(shù)日益成熟，“3S”的集成技術(shù)也快速發(fā)展。其中，GIS與RS的集成是“3S”集成中最重要、最核心的內(nèi)容，進(jìn)行遙感與GIS一體化集成技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)。Arc－GIS作為目前主流的GIS軟件，是一套完整的、可無(wú)縫擴(kuò)展的GIS平臺(tái)軟件，具有管理和分析空間數(shù)據(jù)的功能，可以通過(guò)二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言對(duì)桌面功能進(jìn)行擴(kuò)展，但它并沒(méi)有提供完善的遙感圖像處理功能。ENVI作為主要的遙感圖像處理軟件，它是基于IDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，囊括眾多成熟和特有的遙感圖像處理功能函數(shù)并且可以根據(jù)用戶需要二次開(kāi)發(fā)的開(kāi)放平臺(tái)，其豐富的圖像處理功能可以供外部程序調(diào)用［1］。因此，推動(dòng)“3S”集成技術(shù)中的GIS與RS的集成研究，開(kāi)發(fā)基于Arc GIS與ENVI軟件的集成系統(tǒng)，滿足社會(huì)和行業(yè)的發(fā)展需求。

常用的Arc GIS二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有Python，VBA，VB，．net等。其中，Pyt hon作為一種簡(jiǎn)單而且功能強(qiáng)大的開(kāi)放性編程語(yǔ)言備受矚目，它具有簡(jiǎn)單易學(xué)、不受局限、可以跨平臺(tái)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)［1］，因此Arc GIS 9．0以上版本開(kāi)始引入Pyt hon語(yǔ)言，更重要的是Pyt hon模塊可以把基于IDL開(kāi)發(fā)的功能集成到Arc GIS中，為Arc GIS和ENVI的一體化集成提供至關(guān)重要的技術(shù)支持。因此，基于Python模塊進(jìn)行集成研究也是近幾年的研究熱點(diǎn)。

目前，很多學(xué)者都是從宏觀上討論遙感和GIS一體化集成的可能性及集成的方法，但這些研究在GIS和RS方向只是對(duì)Python集成研究的思路或某一功能的介紹，并沒(méi)有一個(gè)基于Python開(kāi)發(fā)的集成GIS與RS功能的應(yīng)用系統(tǒng)。本文從礦山遙感監(jiān)測(cè)需求出發(fā) 分析礦山遙感監(jiān)測(cè)中需要集成的GIS和RS功能，介紹實(shí)用性極強(qiáng)的礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 礦山遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)需求分析

1．1 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析

礦產(chǎn)資源作為人類(lèi)重要的自然資源之一，是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，然而礦山的開(kāi)采過(guò)程中存在許多亂采亂挖的現(xiàn)象，并由此帶來(lái)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境污染、土地荒漠化、滑坡、沉降、崩塌等一系列地質(zhì)災(zāi)害 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立旨在利用RS和GIS的各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)礦區(qū)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)礦區(qū)的各種矢量數(shù)據(jù)、遙感影像、變化檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理（見(jiàn)圖1），分析礦區(qū)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)、變化特征，從礦山的信息動(dòng)態(tài)變化中監(jiān)測(cè)、識(shí)別和分析各種典型的變化信號(hào)，使其成為恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)、保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)支持，為有關(guān)部門(mén)制定相應(yīng)的處理措施提供數(shù)據(jù)支撐［3］。

圖1 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

1．2 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模塊功能設(shè)計(jì)

礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要具有基本的操作功能和GIS、RS方面的處理功能，如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、監(jiān)測(cè)成果圖的編制等GIS方面的處理功能；遙感圖像的預(yù)處理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、特征提取等RS方面的處理功能，基于礦山遙感監(jiān)測(cè)的需求，總結(jié)礦山遙感監(jiān)測(cè)中需要的GIS和RS的相應(yīng)功能，如圖2所示［4］。

圖2 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2 基于python的礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法

2．1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法選擇

目前，進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)可以選擇獨(dú)立開(kāi)發(fā)或二次開(kāi)發(fā)，一般獨(dú)立開(kāi)發(fā)方法周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)高、對(duì)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言水平要求較高，而二次開(kāi)發(fā)方法具有周期短、成本低、實(shí)現(xiàn)速度快的優(yōu)勢(shì)。所以本系統(tǒng)選擇基于Arc GIS和ENVI／IDL的集成二次開(kāi)發(fā)。Arc GIS和ENVI／IDL的集成開(kāi)發(fā)方法較多，其中主要有以下幾種方法［5］。

1）ENVI／IDL和Arc GIS Engine組件庫(kù)組合的開(kāi)發(fā)方法

2）ENVI／IDL和Arc GIS Server一體化組合的開(kāi)發(fā)方法。

3）基于Python的ENVI／IDL和Arc GIS桌面定制的開(kāi)發(fā)方法。

第一種方法在開(kāi)發(fā)時(shí)，用第三方語(yǔ)言調(diào)用ENVI的圖像處理功能則是開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)，需要一定編程語(yǔ)言和二次開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)；第二種方法主要是將圖像處理功能集成在服務(wù)端，客戶端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和輸出，但是這種方法在一定程度上會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)速度的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的遙感圖像的實(shí)時(shí)傳輸和顯示；第三種方法利用Python語(yǔ)言將ENVI／IDL和Arc GIS鏈接起來(lái)，方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，參數(shù)的傳遞過(guò)程如圖3所示。所以通過(guò)以上的分析對(duì)比，筆者采用第三種方法。

圖3 參數(shù)傳遞圖

2．2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具體步驟

系統(tǒng)基于Arc GIS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，需要的Arc－GIS功能可以直接調(diào)用。圖像處理功能則需要調(diào)用ENVI中的功能，即需要將ENVI的圖像處理功能嵌入到Arc GIS中。主要的流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的詳細(xì)步驟如下

1）編寫(xiě)系統(tǒng)中需要的遙感圖像處理功能。在ENVI／IDL中編寫(xiě)IDL程序，將其編譯成．sav文件供Python腳本調(diào)用。具體方法如下：打開(kāi)IDL，設(shè)置工程名和保存路徑，在工程文件中編寫(xiě)需要實(shí)現(xiàn)的圖像處理功能程序，生成．pro文件并編譯成．sav文件供下一步Pyt hon調(diào)用。

2）編寫(xiě)Python腳本文件，實(shí)現(xiàn)在Arc GIS中調(diào)用ENVI／IDL功能。編寫(xiě)Pyt hon腳本，Pyt hon腳本可以嵌入到Arc GIS中，同時(shí)Python腳本又可以通過(guò)envipy模塊運(yùn)行編寫(xiě)好的．sav文件，并獲得用戶從交互界面中輸入的參數(shù)，將其傳遞給IDL程序，從而實(shí)現(xiàn)在Arc GIS下運(yùn)行相應(yīng)的圖像處理功能。

3）在Arc GIS中構(gòu)建遙感圖像處理功能的交互界面。為了將編寫(xiě)完成的Python腳本嵌入到Arc－GIS中，為實(shí)現(xiàn)在Arc GIS下可以直接使用圖像處理功能，需要?jiǎng)?chuàng)建交互界面。交互界面創(chuàng)建步驟如下：在Catalog中指定或者新建一個(gè)文件夾并添加NEW－toolbox，然后在該工具箱中添加一個(gè)新的腳本，將寫(xiě)好的＊．py文件和腳本關(guān)聯(lián)。最后，設(shè)置ENVI功能程序中的參數(shù)完成交互界面的創(chuàng)建。當(dāng)運(yùn)行腳本時(shí)，就會(huì)彈出輸入?yún)?shù)的界面，可以根據(jù)自己的情況輸入所需要的參數(shù)。

4）編寫(xiě)系統(tǒng)主界面功能菜單。通過(guò)以上方法，實(shí)現(xiàn)遙感圖像處理功能的載入，為便于用戶使用，需要建立礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主界面菜單?；贏rc GIS10．1的平臺(tái)上可以用Python Add－in做個(gè)加載項(xiàng)插入到Arc GIS f or Desktop應(yīng)用程序中來(lái)完成系統(tǒng)菜單的定制。

3 礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3．1 實(shí)驗(yàn)示范區(qū)

以阜新海州露天礦及周邊地區(qū)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。阜新海州露天礦，1953年7月1日正式定名為海州露天礦。2005年7月，海州露天礦正式閉坑破產(chǎn)。同時(shí)在阜新市中心區(qū)留下一個(gè)長(zhǎng)4 k m、寬2 k m、深350 k m的廢棄礦坑，嚴(yán)重污染環(huán)境并威脅周邊企業(yè)單位和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3．2 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

利用Pyt hon語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合IDL語(yǔ)言，將ENVI中的圖像處理功能集成到Arc GIS中，搭建起遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)阜新海州露天礦區(qū)及其周邊區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主界面

通過(guò)對(duì)2004年（見(jiàn)圖6）和2011年（見(jiàn)圖7）兩幅T M影像進(jìn)行變化檢測(cè)，得到變化后的影像圖如圖8所示，可以利用不同波段對(duì)地物的敏感性不同這一特性，通過(guò)選擇不同的波段來(lái)確定地面不同的變化，例如地面植被覆蓋率、地質(zhì)巖層等等。同時(shí)利用空間分析、面積量測(cè)等功能，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，掌握礦區(qū)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。

圖6 2004年海州露天礦

圖7 2011年海州露天礦

圖8 變化監(jiān)測(cè)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Pyt hon語(yǔ)言在Arc GIS10．1的平臺(tái)下二次開(kāi)發(fā)礦山遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將ENVI中的相關(guān)遙感圖像處理功能集成到系統(tǒng)中，使Arc GIS和ENVI功能集成，從軟件開(kāi)發(fā)角度實(shí)現(xiàn)GIS與RS的一體化，避免數(shù)據(jù)在不同軟件間的操作，節(jié)省時(shí)間，提高工作的效率，也對(duì)相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供有價(jià)值的參考。

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