基于ENVI/IDL的干旱区植被参数软件设计与实现
李火青1,2 买买提.沙吾提1,2,3 丁建丽1,2,3 刘永强1,2,3,*
1
(新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐，830046)
2
(智慧城市与环境建模重点实验室，乌鲁木齐，830046)
3
(绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐，830046)
摘 要 ENVI遥感影像计算大范围区域的植被参数时，自身操作不方便灵活，处理效率低。在ENVI/IDL环境下，利用植被参数反演模型计算方法，经过结构设计，开发了一个植被参数反演应用程序，大量减少了影像处理的重复工作，极大地提升了效率。 关键词 ENVI/IDL 遥感影像 植被参数 反演
Design and implementation of inversion software for arid-zone vegetation parameters base on ENVI/IDL
Li Huoqing1,2 Mamat·Shawuti1,2,3 Ding Jianli1,2,3 Liu Yongqiang1,2,3,*
1
2
(College of Resources and Environmental Sciences, Xinjiang University, Urumqi, 830046)
(Key Laboratory of City Intellectualizing and Environment Modeling, Xinjiang University, Urumqi, 830046)
3(Key Laboratory of Oasis Ecology (Ministry of Education), Urumqi, 830046)
Abstract Researchers in the study of geography large areas, remote sensing image processing parameters to calculate vegetation, ENVI their operation is not convenient and flexible processing efficiency is not high enough. To solve the problem of remote sensing image processing parameters of vegetation inversion model calculations, in ENVI/IDL environment to design and implement vegetation parameters inversion application, after inversion algorithms and structural design, the development of a vegetation parameter inversion applications. The software development, making workers can significantly reduce duplication of effort, the efficiency of image processing has been improved.
Keywords ENVI/IDL Vegetation Index Inversion Secondary development
0引言
在遥感应用领域，植被指数已广泛用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力，监测生态状况。中国是一个
受干旱灾害影响比较严重的国家，干旱半干旱面积占整个国土面积的1/2左右。开展干旱的监测、预测与评估研究，具有重大现实意义[1]。ENVI（The Environment for Visualing Images）软件是常用的专业遥感影像处理软件，有一套比较全面的影像处理和信息提取功能。植被参数的遥感反演过程是比较复杂，大量重复的反演工作对广大
[2]
科研工作者带来一定的困难。汤泉等提出了基于IDL与ENVI二次开发的遥感系统开发方法，并详细介绍了该平台，最终在此平台上编写应用程序，实现科研成果的系统集成。基于ENVI/IDL开发的遥感应用平台不但是可行的，而且能让科研工作者，把自己的注意力放在领域内研究对象的具体问题上，关注遥感应用算法逻辑上而不是编程的细节上。
1软件总体设计
1.1软硬件环境
软件环境：Windows 7操作系统，ENVI4.8。硬件环境：CPU：Core i3-2310以上，内存：1GB以上，显卡：NVIDIA GT540 1GB。
1.2软件功能
利用生态环境动态监测的多波段的Landsat数据，结合艾比湖流域的典型干旱区植被－梭梭群落特点和外业光谱数据。根据植被指数反演原理，遵循算法和软件的健壮性原则，基于ENVI图像处理系统的IDL二次开发功能，设计和开发典型植被参数反演系统。主要功能有文件操作、指数反演和图像滤波功能。文件操作包括打开文件、保存文件和退出。可以打开ENVI及JPG和TIFF格式的图像。保存功能可以保存为其他格式。指数反演功能模块是系统的核心模块，主要包括波段运算、归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）计算，比值植被指数RVI（Ratio Vegetation Index）计算，叶面积指数LAI（Leaf Area Index）计算，绿度植被指数GVI（Green Vegetation Index）计算，垂直植被指数PVI（Perpendicolar Vegetation Index）计算，土壤调节植被指数SAVI（Soil Adjust Vegetation Index）计算，差值环境植被指数DVIEVI（）计算。图像滤波模块的主要功能包括低通滤波、高通滤波、拉普拉斯滤波和空间卷积功能。本软件主要针对植被指数反演，提取NDVI、PVI、RVI。
1.3系统结构
系统架构是构建系统的重要内容，良好的系统架构可以为各个模块之间的衔接提供一个平台，增强系统扩展性和定制性，为系统开发时的协作分工奠定基础。本系统架构（图1）采用系统配置与插件模式技术动态构建，利用IDL的Widget控件构建整个界面，把整个应用程序划分为主程序和控件对象两部分，其中控件对象映射系统功能模块，其技术优点是通过增减控件或修改控件方式增加或调整(程序/系统)功能。本系统各个控件对象与系统菜单项的功能处理模块相对应，功能模块依据需求分析后单独编写，最后集成在界面程序中。
干旱区典型植被反演系统文件指数反演图像滤波帮助文档图1 系统功能框架
2数据源与植被指数反演原理
2.1数据源
2013年2月11号，NASA 成功发射了 Landsat 8 卫星。Landsat8 TM影像数据在资源、环境、生态、灾害监测和变化机理方面具有突出的优点[3]。本系统采用空间分辨率为30 m的TM影像数据，（数据介绍：包括数据内容，包括波段等）其中Band3代表第三波段即可见光红色波段（RED），Band4代表第四波段即近红外波段（NIR）。（数据的时间，数据范围没有给出）
2.2 植被指数反演原理
利用遥感卫星获取的影像，不同波段探测数据组合而成的植被指数是单位像元内植被状况的综合反映，能反映植物生长状况的指数，植物叶面对可见光红色波段有很强的吸收特性，在近红外波段有很强的反色特性，这是植被遥感监测的物理基础[4]。
归一化植被指数NDVI、标准差异植被指数和植物的蒸腾作用、太阳光的截取、光合作用以及地表净初级生产力等密切相关[5]。NDVI的算法如下：
NDVI?(?NIR??RED)/(?NIR??RED)
(1)
其中，?NIR和?RED分别为近红外波段和可见光红色波段的地表反射率。
叶面指数LAI是指一定土地面积上植物叶面面积总和与土地面积之比，表征了绿色植被的时空变化，是描述植被冠层结构的最基本的参量之一，可以通过卫星遥感资料进行反演[6]，其计算公式为：
LAI?0.75?种??(Lij?Bij)/m
i?1j?1mn (2)
式中，叶面积用直尺测量每株各叶片的叶长（Lij）和最大叶宽（Bij），n为第j株的总叶片数；m为测定株数；?种为植被的种植密度。
由于可见光红色波段（?RED）与近红外波段（?NIR）对植被光谱的响应不同。两者简单的数值比能充分表达反射率之间的差异，称为比值植被指数（Ratio Vegetation Index)，可表达为：
RVI??NIR/?RED
(3)
垂直植被指数PVI是利用可见光红色波段（RED）和近红外波段（NIR）数据对绿度植被指数GVI进行模
[7]
拟，两者物理意义相似。不同植被，把植物像元到土壤亮度线的垂直距离定义为垂直植被指数，可表示为：
PVI?(DNNIR?b)cos??DNREDsin?
(4)
式中：DNNIR，DNRED分别为NIR，RED两波段的反射辐射亮度值，b为土壤基线与NIR反射率纵轴截距；?为土壤基线与RED波段反射率横轴的夹角。PVI的显著特点是较好的滤除土壤背景的影响，而且对大气效应的敏感程度也小于其他植被指数。
3软件界面设计
3.1 ENVI/IDL二次开发
ENVI是一款在遥感领域普遍使用的图像处理软件。它有一套属于自己的开发语言IDL和二次开发包。IDL是一个完全面向对象的，支持GUI开发的4GL语言，ENVI软件本身基于IDL语言开发。原则上可以说，只要用ENVI可以实现的，用IDL也同样可以实现，可见IDL语言强大的潜力。ENVI二次开发包对IDL进行了封装，如IDL读取影像的函数和支持的格式有限，但是用ENVI二次开发的函数可以读写几乎所有格式的影像，并且可以分块读取。此外，在ENVI/IDL模式下可以自由调用ENVI封装的函数[8]。
3.2软件界面设计
IDL的程序界面需要通过代码来实现，程序的图形用户界面GUI（graphical user interface）结合鼠标或键盘触发与相应处理可以完成一个完整的应用程序[9]。本程序界面由界面组件组合而成，包括多个单元组件界面，设计步骤如下：
(1) 结合干旱区典型植被反演系统需求和设计，列出程序所需要的功能模块及组成； (2) 根据GUI组件之间的关系，合理的布局GUI的设计方案； (3) 基于GUI设计方法实现GUI； (4) 对GUI进行事件触发与控制响应；
(5) 对GUI中组件的属性、时间进行设置和控制处理； (6) 设计并实现GUI中各个组件之间的相互控制； (7) 编写组件各个时间对应的功能。
构建界面时，组建界面层次依次是WIDGET_BASE为顶的“金字塔”式结构（图2）。
WIDGET BASE0WIDGET BASE1WIDGET BASE1WIDGET BASE3...WIDGET BASE2WIDGET BASEn图2 金字塔式设计结构
构造本程序GUI时的代码如下； ; 创建界面 Pro imageprocessor wxy=get_screen_size() drawx=wxy[0]*0.8 drawy=wxy[1] *0.8 ; 创建顶base
wtop=widget_base(title='植被参数反演程序', /row,mbar=menubar) ; 创建左控制面板(图像处理控制界面)
wtoolsbase=widget_base(wtop, /column, event_pro='') wfile=widget_button(menubar,value='文件(F)',/menu) wopen1=widget_button(wfile,value='保存',event_pro='')
wopen2=widget_button(wfile,value='退出',event_pro='exit_system') wtoll=widget_button(menubar,value='反演工具',/menu,event_pro='') wtoll1=widget_button(wtoll,value='NDVI',event_pro='') wtoll2=widget_button(wtoll,value='LAI',event_pro='') wtoll3=widget_button(wtoll,value='RVI',event_pro='') wtoll4=widget_button(wtoll,value='NDVI',event_pro='') wtoll5=widget_button(wtoll,value='LAI',event_pro='') wtoll6=widget_button(wtoll,value='RVI',event_pro='')
filter=widget_button(menubar,value='图像滤波',/menu,event_pro='') wfilter1=widget_button(filter,value='低通滤波',event_pro='') wfilter2=widget_button(filter,value='高通滤波',event_pro='') wfilter3=widget_button(filter,value='定向滤波',event_pro='') wfilter4=widget_button(filter,value='拉普拉斯滤波',event_pro='') wfilter5=widget_button(filter,value='平滑滤波',event_pro='')
3.3功能实现模块设计
本软件中主要包含文件操作,图像处理,植被指数反演计算,图像滤波,帮助等功能。文件操作利用IDL库函数DIALOG_PICKFILE,将打开的文件存入组件Uvalue值,以便于传递给功能模块。
以NDVI计算模块为例，事件响应程序是一个pro 程序，启动事件响应后，一旦有事件处理操作，系统会自动调该程序并传递事件结构体。ENVI的库函数ENVI_OPEN_FILE,ENVI_FILE_QUER,ENVI_DOIT。其中event是事件结构体变量，以下是该模块代码 pro NDVI
envi_select, title='Choose MS image', $ fid=fid, dims=dims,pos=pos, /no_spec if (fid eq -1) then begin print, 'cancelled'
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