冰凍災害遙感動態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計與開發(fā)

中南林業(yè)科技大學計算機與信息工程學院 言 杰 鄺祝芳 郝攀剛 譚駿珊

對冰凍災害的監(jiān)測關(guān)系到生產(chǎn)安全、工程安全、公共安全和社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是國計民生的重大需求，是構(gòu)建和諧社會的重要保障。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行監(jiān)測和預警是應(yīng)對冰凍災害的有效手段。本文設(shè)計與開發(fā)基于遙感技術(shù)的冰凍災害動態(tài)監(jiān)測軟件。首先對MODIS遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，然后對監(jiān)測軟件進行需求分析，其次對監(jiān)測軟件進行概要設(shè)計和詳細設(shè)計，最后實現(xiàn)了遙感動態(tài)監(jiān)測軟件，包括原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測等功能模塊。測試結(jié)果表明軟件能夠?qū)Ρ鶅鰹暮M行有效的監(jiān)測，可以為防災減災部門提供有力的技術(shù)支撐。

1 引言

湖南地處全國三條易災帶的中部地帶，因地理環(huán)境的特殊性,是冰凍災害高發(fā)省份[1-3]。2008年，中國南方地區(qū)發(fā)生了歷史罕見的冰凍災害，湖南受災人口達1871萬人次，死亡5人，直接經(jīng)濟損失65億元，引發(fā)了政府和學術(shù)界的廣泛關(guān)注[4-7]。對冰凍災害的監(jiān)測預警、防災減災，關(guān)系到生產(chǎn)安全、工程安全、公共安全和社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，是國計民生的重大需求，是構(gòu)建和諧社會的重要保障。

低溫、雨雪、冰凍等災害性天氣的預報、分析和研究工作一直是國內(nèi)外氣象工作者關(guān)注的重點，萬素琴[8]，王遵婭[9]，劉敏[10]等人對冰凍災害進行一些的研究工作。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行監(jiān)測和預警是應(yīng)對冰凍災害的有效手段[11-13]。本文基于遙感技術(shù)對冰凍災害進行監(jiān)測，設(shè)計與實現(xiàn)冰凍災害遙感動態(tài)監(jiān)測軟件。

2 遙感動態(tài)監(jiān)測軟件需求分析

遙感動態(tài)監(jiān)測軟件需求分析包括功能性需要分析和非功能性需求分析，本文重點對本系統(tǒng)需要具有的功能進行分析，主要包括以下幾個方面：

（1）向使用者提供一個簡單的系統(tǒng)的展示降雪區(qū)域的系統(tǒng)。用戶可以查看七天時間的冰雪覆蓋的變化情況，了解其趨勢。

（2）實現(xiàn)Java對MODIS文件的解析和處理，數(shù)據(jù)后臺主要是對MODIS文件的處理,讀取其中的信息然后進行分析。

（3）實現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷雪的信息，通過這些信息確認某些地方是否是雪，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把雪的部分用特殊的顏色標記出來，使用戶一眼就可以看出雪的區(qū)域。

（4）實現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷雪深度的信息，通過這些信息確認某些地方是雪的深度，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把雪的不同深度用不同的顏色標記出來，使用戶一眼就可以看出雪不同深度的區(qū)域。

（5）實現(xiàn)從MODIS文件中提取判斷溫度的信息，通過這些信息確認某些地方溫度值，分析完成之后，轉(zhuǎn)換成圖片，把不同溫度段用不同顏色標記，使用戶一眼就可以看不同溫度的分布。

（6）實現(xiàn)用戶通過該系統(tǒng)上傳自己的文件，該系統(tǒng)可以對用戶上傳到的文件分析出雪的范圍、雪的深度、各個區(qū)域的溫度，這樣用戶就可以通過這個功能迅速查看到自己想要的信息。

（7）我們的系統(tǒng)是一個web系統(tǒng)，也就是我們可以更加方便的使用該系統(tǒng)，不需要單獨下載軟件。

3 遙感動態(tài)監(jiān)測軟件設(shè)計

遙感動態(tài)監(jiān)測軟件包含的功能模塊有：MODIS數(shù)據(jù)處理模塊查看七天信息模塊，文件上傳模塊，頁面展示模塊，MODIS數(shù)據(jù)預處理模塊，MODIS數(shù)據(jù)讀取模塊。

3.1 MODIS數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理是該系統(tǒng)核心的功能，主要是對我們獲得的原始MODIS數(shù)據(jù)進行處理，提取其中相應(yīng)波段的信息。對于MODIS數(shù)據(jù)，其中主要存儲的是不同波段的反射信息和輻射信息。通過我們特定的方法，通過對相應(yīng)的波段進行處理，然后提取出各個元素的雪，深度和溫度信息然后存儲起來。

3.2 查看七天信息模塊

當用戶點擊展示圖片的相應(yīng)位置時，可以通過AJAX向后臺傳回其相對位置，后臺根據(jù)這個位置然后對七天的信息進行分析和處理，處理完成以后返回前端一個JSON數(shù)據(jù)，前端接收到JSON數(shù)據(jù)之后，然后在彈出框上以表格的信息展示出來，讓用戶可以更加直觀的查看當前區(qū)域的七天的信息，便可以監(jiān)測未來雪的覆蓋大概趨勢以及受災嚴重區(qū)域。

3.3 文件上傳模塊

為了能更加人性化冰凍災害動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以通過自己上傳要處理的MODIS文件，如果用戶想要處理自己的遙感數(shù)據(jù)便可以上傳到服務(wù)端進行處理，在WEB頁面中就可以查看到處理的結(jié)果，這樣可以使我們的冰凍災害動態(tài)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛。

3.4 頁面展示模塊

該模塊充分利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)隨時隨地查看，不用安裝任何軟件。該模塊主要是通過Spring框架實現(xiàn)，界面更加友好。為了更加利于用戶對數(shù)據(jù)的研究和分析以及更好的實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測功能，頁面中不光顯示處理后信息展示，還有原始圖片的展示，該原始圖片經(jīng)過線性處理后的，更能清楚的看到每個塊區(qū)域的類型，這樣就可以實現(xiàn)鮮明的對比。

3.5 MODIS數(shù)據(jù)預處理模塊

由于MODIS數(shù)據(jù)在剛開始是一片區(qū)域的的數(shù)據(jù)，該區(qū)域不是固定的也不一定就是你想要的省份或者國家，因此需要通過ENVI工具對原始數(shù)據(jù)進行處理，把我們想要的省份剪切出來，并且把對應(yīng)的波段順序要按照一定的規(guī)則進行排序。得到我們想要的省份或地區(qū)。這樣可以減少大量無用的計算，大大減少服務(wù)端的計算量。

3.6 MODIS數(shù)據(jù)讀取模塊

當處理好MODIS數(shù)據(jù)之后，我們要編譯好GDAL庫，它是我們用來讀取文件的核心庫。本系統(tǒng)用Java來進行數(shù)據(jù)的讀取，盡管GDAL的底層是用的C++實現(xiàn)的，但GDAL中已經(jīng)提供了Java的接口，這樣我們使用起來更加便利。

圖1 系統(tǒng)登錄界面

4 遙感動態(tài)監(jiān)測軟件實現(xiàn)

遙感動態(tài)監(jiān)測軟件主要實現(xiàn)了原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測等模塊。登錄界面截圖如圖1所示。在成功通過驗證之后就可以進入管理功能頁面。

4.1 原始圖像處理模塊

當點擊首頁的提交按鈕時，便可以進入到展示頁面，如圖2所示，其中左面展示的是原始圖像，右面展示的是我們處理出積雪區(qū)域，積雪溫度，積雪深度的展示。

圖2 原始圖像處理模塊

4.2 積雪區(qū)域處理模塊

在軟件主界面中，選擇右側(cè)的下拉列表，選擇積雪區(qū)域，可以在右下方顯示處理之后的積雪區(qū)域圖片，如圖3所示。右下方給處理積雪、水和其他物體的對照顏色。

圖3 積雪區(qū)域展示

4.3 積雪溫度處理模塊

在軟件主界面中，從下拉列表中選擇積雪溫度，右下方顯示處理之后的積雪溫度，如圖4所示。又下方給出了不同溫度對應(yīng)的顏色。

圖4 積雪溫度展示

圖5 積雪深度展示

4.4 積雪深度處理模塊

在軟件主界面中，從下拉列表中選擇積雪深度時，會在右下方顯示處理之后的積雪深度，如圖5所示。右下方給出了不同積雪深度對應(yīng)的顏色。

4.5 積雪七天監(jiān)測模塊

在主界面中，點擊查看七天信息，進入積雪七天監(jiān)測頁面，如圖6所示，右邊選擇原始圖像某一點，左邊顯示該點連續(xù)七天的溫度變化、積雪深度變化和積雪面積變化情況。

圖6 數(shù)據(jù)展示

4.6 上傳文件功能模塊

在主界面中，點擊上傳文件按鈕，進入文件上傳頁面。如圖7所示。在該頁面中選擇需要上傳軟件進行處理的遙感數(shù)據(jù)文件，包括DAT文件和對應(yīng)的HDR文件，選擇遙感數(shù)據(jù)文件所屬的省份和日期。

圖7 文件上傳

5 結(jié)束語

本文基于MODIS遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)對冰凍災害進行監(jiān)測，首先分析了MODIS遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后對基于遙感數(shù)據(jù)的監(jiān)測軟件進行了需求分析，其次對監(jiān)測軟件進行概要設(shè)計和詳細設(shè)計，最后實現(xiàn)了遙感動態(tài)監(jiān)測軟件，包括原始遙感圖像處理、積雪區(qū)域處理、積雪溫度處理、積雪深度處理、七天信息監(jiān)測等功能模塊。測試結(jié)果表明軟件能夠?qū)Ρ鶅鰹暮M行有效的監(jiān)測，可以為防災減災部門提供有力的技術(shù)支撐。