基于WebGIS平臺的森林郁閉度遙感反演信息系統研建

姚 智，張曉麗

（北京林業大學 林學院，北京100083）

基于WebGIS平臺的森林郁閉度遙感反演信息系統研建

姚 智，張曉麗

（北京林業大學 林學院，北京100083）

為滿足區域森林資源結構參數特別是郁閉度信息的統一管理與處理分析需求，以福建省三明市將樂縣為研究區，以Landsat 8衛星的陸地成像儀（OLI）數據、外業調查的樣地數據以及ASTER GDEM的高程數據為基礎，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。在此基礎上，結合空間數據庫技術，在ArcGIS Server for.NET（ADF）平臺下開發基于B/S模式的分布式森林郁閉度反演信息系統，實現基礎地理信息系統操作、數據查詢、模型因子計算、森林郁閉度模型實現、數據編輯與輸出等功能，為三明市將樂縣森林資源結構參數數據的規格化管理與共享服務提供技術支持。圖6參15

森林測計學；森林結構參數；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。隨著經濟迅速發展，對森林資源及其生態作用的要求日益增加。為實現森林資源的持續利用，有必要及時、準確地掌握森林資源動態及其發展趨勢，為國家職能部門進行宏觀調控和科學決策提供客觀依據。森林結構參數諸如林分平均高、平均冠幅、平均胸徑、郁閉度、地上生物量等的空間分布結構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經營管理亦具有重要意義。隨著高新技術的不斷涌現，諸如星載雷達［1］、高分辨率衛星［2］、小光斑雷達［3］等技術在估測森林結構參數方面都有一定成效，克服了傳統林業調查工作中調查效率低下的問題，也節省了一類、二類調查中人力、財力、物力資源的浪費，因此，森林結構參數的動態監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平臺，它們在森林病蟲害綜合防治、林火監測及預測預報、森林資源預測與評價［4］等方面具有獨特功能，對于森林結構參數的提取與數據集成管理方向涉及較少。基于此，本系統集中把功能放在森林結構參數的提取與數據的統一管理上，尤其是在遙感圖像中實現高精度提取森林結構參數方面。本系統主要是以森林郁閉度為實例入手，實現從衛星遙感數據、高程數據等已驗證的郁閉度模型［5］，為森林結構參數統一管理提供平臺支持。

1 系統體系架構

本系統采用JSF（Java Server Faces）框架，實現了J2EE［6］網絡應用程序的部署配置,搭建在線應用服務平臺,實現各個模塊的系統集成。通過ArcGIS Server發布基于B/S模式的地理信息系統處理模塊。

1.1 體系結構

本系統采用以B/S模式面向數據操作與管理用戶為主的模式，以Visual C#為開發語言，進行組件式開發，實現開發可擴展、易維護的應用系統。系統的3層體系結構如圖1所示。①應用層：作為系統的表示層，采用簡便易操作原則，設計界面風格，以用戶權限管理系統的操作顯示與功能應用，同時采用Ajax來實現系統的異步刷新，使得基本功能由瀏覽器分流，減少服務端負載與反饋時間。②應用服務層：以ArcGIS Server為開發平臺發布地圖服務與地理數據處理（GP）［7］服務，結合ASP.NET動態網頁交互技術開發系統功能，并通過應用程序編程接口進行ArcObjects組件的GP服務、地圖資源的調用。③數據服務層：以SQL Server 2008作為系統的基礎數據庫來統一管理數據，空間數據庫引擎——ArcSDE來實現對空間數據的管理與操作。

圖1 體系結構圖Figure 1 System structure diagram

1.2 技術路線

本系統依據的技術路線圖如圖2所示,可分為數據獲取及預處理、模型建立、系統開發、功能實現與系統維護4個模塊。①數據獲取及預處理：選取2013年7月與8月研究區8景Landsat 8衛星的陸地成像儀（OLI）數據，對原始數據進行拼接合成、輻射校正（包括大氣校正與去霾、去云處理等），得到研究區范圍內的遙感衛星圖，并轉化本系統所支持的數據格式。②模型建立：依據適合研究區的森林郁閉度模型，本系統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］作為本系統依據模型，按照模型進行編碼調試。③系統開發：進行需求分析，明確功能要求，選擇開發環境與搭建數據庫并對數據進行統計分析處理。④功能實現與系統維護：通過對2013年研究區8景Landsat 8 OLI數據預處理后數據進行模型因子計算，最后實現選取的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。系統維護要求能夠修復軟件系統運行中發生的錯誤（BUG），確保軟件系統的正常運作并擴展系統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中運行。

圖2 技術路線圖Figure 2 Technical route diagram

2 開發關鍵技術

2.1 基于ArcGIS Server的ADF開發模式

WebADF（Web應用程序開發框架）是基于服務器端的 “重量型”的ArcGIS Server用于Web應用程序開發的框架，它主要是由一些JSF組件、實現地理信息系統（GIS）相關功能的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］。本系統主要采用ASP.NET環境進行開發，ASP. NET是一個已編譯、基于.NET環境的、可用于任何與.NET兼容的語言創作的應用程序，如可以實現服務器控件拖放到Web頁的GUI與完全集成的調試支持。Web前端界面使用.Net語言利用Microsoft visual studio平臺進行設計，服務器端負責管理地圖服務、GP（geoprocessing）服務、地理編碼服務等。

2.2 基于關系型數據庫SQL Server與空間數據庫引擎ArcSDE

森林郁閉度信息系統以SQL Server 2008作為基礎數據庫，由空間數據庫、模型因子數據庫與模型工具組成。ArcSDE［8］是基于多層體系的空間數據存儲、管理通路，實現ArcGIS與關系型數據庫（RDB）的連接。本系統以SQL Server作為基礎數據庫，由基礎空間數據庫、模型因子數據庫和模型工具組成。在基礎空間數據的表達上以研究區高程圖、研究區行政區劃分圖以及研究區遙感影像圖作為公共底層數據，并對各圖層的地理坐標和空間投影進行統一轉換入庫（圖3）。

基礎空間數據庫的存儲數據類型可分為矢量類型和柵格類型。系統在柵格數據的存儲表達上，由ArcSDE通過將柵格數據劃分成若干個等間距的切片網格，再由空間索引的方式進行檢索和存儲管理，實現系統中遙感影像與矢量數據疊加表達和各因子數據的柵格化操作等。

2.3 模型因子及計算

本系統基于強大的ArcObjects核心功能組件，結合方便、靈活的建模工具ModelBuilder為系統設計出穩定、完善的應用服務功能，從而實現系統因子數據的處理以及顯示功能。本研究針對模型因子數據的特點，并結合分類標準和行業規則，構建了植被覆蓋指數模型因子（NDVI），比值植被指數模型因子（RVI），轉換植被指數模型因子（TNDVI），差值植被指數模型因子（DVI），穗帽變換（K-T變換）以及IHS變換6個模型因子，供Web應用的調用顯示。①植被覆蓋指數模型因子：經歸一化處理的植被覆蓋指數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動態監測。②比值植被指數模型因子：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差異十分顯著，且具有倒轉的關系，故兩者之間的數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這種差異。③轉換植被指數模型因子：該指數可修正植被覆蓋指數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差值植被指數模型因子：該指數對土壤背景的變化較敏感，可用于對植被生態環境的監測。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育的早中期監測，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據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個數據軸的信息可通過線性計算和數據空間旋轉而獲得［9］。其結構如圖4所示。⑥IHS變換模型：是由色調（hue），飽和度（situation）及亮度（intensity）等3個變量所構成的顏色顯示方式,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的濾波進行圖像增強以便于多源數據的綜合顯示，其結構如圖5所示。本系統采取吳石磊［5］的基于Landsat8 OLI數據的森林郁閉度反演研究的郁閉度模型，其中，對實驗區而言逐步線性回歸模型效果最佳，數據檢驗精度達到88%。該模型包括計算研究區模型因子（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）。本系統則將選取的郁閉度模型編碼實現。

圖3 數據庫關系圖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為轉換植被指數；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為轉換植被指數；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；R為比值植被指數的平方根;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；T為轉換植被指數。

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 系統功能設計及具體實現

本系統把森林結構參數管理應用與地理信息系統相互結合，完成基于廣義網的分析查詢，搭建基于WebGIS的森林結構參數管理平臺，并將森林郁閉度這一參數作為實例放入其中。本研究主要針對的是WebGIS在森林郁閉度模型信息系統的應用。系統界面如圖6所示。

本系統主要包括5個功能模塊:基礎GIS操作模塊、數據查詢模塊、模型因子計算模塊、森林郁閉度模型實現模塊、數據編輯維護模塊、輸出功能與系統維護擴展功能。

3.1 基礎GIS操作模塊

實現研究區地圖的顯示、坐標定位、放大、縮小、漫游、鷹眼、測距等基礎GIS操作。

3.2 數據查詢模塊

包括地圖要素查詢、地圖信息查詢。鼠標點擊地圖某點時，可以顯示該點對應全部圖層的屬性信息,用戶可以根據需求選擇不同圖層中被選中地理要素所對應的屬性信息;地圖要素查詢是在所顯示的數據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

系統提供了對研究區地圖的植被覆蓋指數模型因子（NDVI），比值植被指數模型因子（RVI），轉換植被指數模型因子（TNDVI），差值植被指數模型因子（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 系統界面圖Figure 6 System interface map

3.4 數據編輯維護模塊

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器，例如.shp文件和.dat文件等。如用戶可以直接對研究區地圖進行添加要素，亦可將最新獲取的植被覆蓋數據直接上傳至服務器。

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計功能，同時可以對各個郁閉度等級進行分類計數，從而計算出各等級郁閉度面積；用戶可以基礎地圖數據進行專題輸出，亦可以對處理后的地圖進行專題輸出，輸出后的專題地圖，用戶既可以導出，也可以進行打印、復制等操作。

4 結語

本系統基于組件式GIS開發，在ASP．NET的開發環境下，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，構建一個基于廣義網可供用戶在線訪問森林結構參數的信息管理系統。該信息系統除了提供了基礎地圖操作之外，還提供了空間數據與屬性數據查詢、郁閉度模型因子的計算、3種郁閉度模型的實現、圖表分析統計以及專題制圖輸出等功能。該系統可以擴展為福建省三明市將樂縣國有林場的在線森林結構參數管理系統，預留各種數據的應用程序編程接口，為實現系統的擴展提供了便捷。

［1］ 何祺勝,陳爾學,曹春香，等.基于LIDAR數據的森林參數反演方法研究［J］.地球科學進展,2009,24（7）:748－755.

HE Qisheng,CHEN Erxue,CAO Chunxiang，et al.A study of forest parameters mapping technique using airborne LIDAR data［J］.Adv Earth Sci,2009,24（7）:748－755.

［2］ 郄廣平.高分辨率遙感影像的森林結構參數反演［D］.長沙：中南林業科技大學，2011.

QIE Guangping.The Research on Forestry Structural Factor by High-Resolution Remote Sensing Image［D］.Changsha:Central South University of Forestry&Technology,2011.

［3］ 邢艷秋,尤號田,霍達,等.小光斑激光雷達數據估測森林樹高研究進展［J］.世界林業研究,2014,27（2）:006.

XING Yanqiu,YOU Haotian,HUO Da,et al.Research progress in estimating forest tree height using small footprint lidar data［J］.World For Res,2014,27（2）:006.

［4］ 黃壽昌.基于WebGIS的森林資源動態監測及預警系統［J］.沈陽農業大學學報,2013,44（3）:341－344.

HUANG Shouchang.The dynamic monitoring and pre-warning system of forest resources on the basis of WebGIS［J］. J Shenyang Agric Univ，2013，44（3）：341－344.

［5］ 吳石磊.基于Landsat8 OLI數據的森林郁閉度反演研究［D］.北京：北京林業大學，2014.

WU Shilei.Research on Forest Canopy Closure Inversion Based on Landsat8 OLI Data［D］.Beijing:Beijing Forestry University,2014.

［6］ 王阿川,李丹,王霓虹.基于 J2EE和ArcGIS平臺的森林資源信息管理系統的應用［J］.東北林業大學學報, 2007,35（10）:92－93.

WANG Achuan,LI Dan,WANG Nihong.Application of forest resources management information system based on J2EE architecture and ArcGIS［J］.J Northeast For Univ,2007,35（10）:92－93,

［7］ 檀丁，李明峰，張蔚，等.GP服務在基于SOA的WebGIS空間分析中的應用研究［J］.測繪通報，2011（7）:70－73.

TAN Ding，LI Mingfeng，ZHANG Wei，et al.Application research on GP service to spatial analysis of WebGIS based on SOA［J］.Bull Surv Map,2011（7）：70－73.

［8］ 周龍廷.直接訪問ArcSDE空間數據模型的技術方法研究［D］.上海：華東師范大學,2011.

ZHOU Longting.The Technical Research of Methods to Direct Access to ArcSDE Spatial Data Model［D］.Shanghai: East China Normal University,2011.

［9］ 楊鳳海,楊鳳江,蘇琦,等.基于ArcGIS的黑龍江省活動積溫空間插值與計算［J］.東北林業大學學報，2010,41（1）:61－66.

YANG Fenghai,YANG Fengjiang,SU Qi,Spatial interpolation and calculation of active accumulated temperature of Heilongjiang Province based on ArcGIS［J］.J Northeast Agric Univ,2010,41（1）:61－66.

［10］ 樊瑋.ArcGIS Server Web ADF框架與FLEX API的比較與分析［C］//李斐.中國地理信息產業論壇暨第2屆教育論壇就業洽談會論文集.武漢：武漢大學出版社,2009:122-127

［11］ 侃東英.基于WebGIS的森林資源管理信息系統的研建［D］.北京:北京林業大學，2010.

NI Dongying.The Research and Design on Information System of Forest Resources Management Based on WebGIS［D］.Beijing:Beijing Forestry University,2010.

［12］ 何正國,杜娟.柵格地圖網上發布系統［J］.測繪通報,2003（1）：56－58.

HE Zhengguo,DU Juan.An Web issuing system of Raster Map［J］.Bull Surv Map,2003（1）：56－58.

［13］ 劉曉靜.基于DEM的地學分析以及森林資源網絡管理信息系統的開發［D］.呼和浩特：內蒙古師范大學, 2010.

LIU Xiaojing.Geo-science Analysis based on DEM and The Deverlopment Of Forest Resources Network Management Information System［D］.Hohhot：Inner Mongolia Normal University,2010.

［14］ 魏海林.應用遙感影像與WebGIS建立林場級森林資源管理信息系統［J］.湖南農業大學學報:自然科學版, 2013,39（1）:144－151.

WEI Hailin.Application of remote sensing and WebGIS establish forest resource management information system［J］.J Hunan Agric Univ Nat Sci,2013,39（1）:144－151.

［15］ 李奇,馬洪超,鄔建偉,等.機載小光斑LIDAR的森林參數評估［J］.林業資源管理,2008（1）:74－81.

LI Qi,MA Hongchao,WU Jianwei,et al.Use of small footprint scanning airborne lidar to estimate forest stand characteristics［J］.For Resour Manage,2008（1）:74－81.

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

國家高技術發展研究計劃（“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，從事森林動態監測、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