林业系统ArcGIS平台建设方案.docx

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林业系统ArcGIS平台建设方案

林业系统ArcGIS平台建设方案

1.平台建设背景

吉林省林业厅负责全省的林业资源调查和规划、动态监测、火灾预测预报、病虫害检测、灾害损失评估等业务管理工作，在这些业务工作中涉及到大量的业务数据，既包括日常表格记录等属性数据，也包含林斑、小斑、基础地图等矢量数据，更包含数量巨大、种类繁多的遥感影像数据。

以往的业务系统大多是单机版CS系统，造成现有数据资源存储较为封闭孤立，更新速度慢，与其他资源叠加困难，不利于资源服务共享等弊端，这种滞后的资源管理方式不仅无法满足日常管理工作对资源使用的需求，甚至从某种程度来说还会制约、阻碍林业业务工作正常开展。

随着IT技术发展，尤其是云管理技术的出现为我们改变目前不利的现状提供了前提条件。

本GIS平台建设的一个重要目标就是要实现在云平台架构中，充分利用高性能计算机环境，实现海量资源存储管理和检索，按需、在线、高效处理，对外分发和共享。

2.平台建设目标和任务

2.1建设目标

平台建设目标：

✓高效、快速的遥感影像预处理

✓在线遥感影像分析服务

✓对外影像服务分发

✓海量影像存储管理与快速检索

✓平台服务运维保障

2.2建设任务

平台的建设内容包括：

✓遥感影像数据库建设

✓云存储环境建设

✓海量遥感影像检索平台建设

✓在线影像处理平台建设

✓快速制图、服务共享分发平台建设

2.3建设原则

✓实用性和易用性原则

系统能够适应不同类型数据，易于使用、管理与维护。

系统遵照标准的用户界面设计规范，充分考虑使用人员的操作习惯，通过人性化界面提供业务处理。

保证系统界面友好，操作简单、功能实用。

✓先进性原则

系统在设计思想、系统架构、应用技术上均采用最先进的技术、方法、软件、硬件设备等，确保系统有一定的先进性、前瞻性、扩充性，符合技术发展方向，延长系统的生命周期，保证建成的系统具有良好的稳定性和可扩展性。

✓高效性原则

系统采用高效的图像处理算法、基于多线程和并行处理机制和集群运行环境，确保系统运行和响应速度快。

✓集成性原则

通过通用接口、REST服务等实现各子系统之间有机衔接。

同时各子系统自成模块体系，不因个别原因导致所有系统的瘫痪，但所有系统可以是一个整体，对系统资源进行统一管理和统一认证。

✓标准化和开放性原则

系统的建设要严格按照国家、地方和行业有关的标准和规范。

在系统构架、应用技术、选用平台方面具有较好的开放性。

构成一个开放的、易扩充的、稳定的，并具有统一软件平台、统一标准、统一数据的开放系统。

✓可靠性原则

系统在建设平台上保证系统的可靠性，设计中具有适量冗余及其它保护措施，平台和应用软件应具有容错性、稳健性等。

✓可维护性原则

系统设计应标准化、规范化，按照分层设计，软件构件化实现。

对于采用的软件构件化开发方式要满足：

一是系统结构分层，业务与实现分离，逻辑与数据分离；二是以接口为核心，使用开放标准；三是构件语言描述要形式化；四是提炼封装构件要规范化。

✓可扩展性原则

考虑到系统建设是一个循序渐进、不断扩充的过程，系统采用积木式结构，组件化设计，整体构架要考虑系统间的无缝连接，为今后系统扩展和集成留有扩充余量。

3.业务概述

3.1资源调查和规划

森林资源分布面广，又是一种可再生资源，自身处在不断生长和消耗过程中，加之人类对森林资源的影响日益加剧，自然灾害频繁发生，使得森林资源时刻处在不停变化中。

遥感可快速获取森林资源的数量和质量，全面地获得大范围的森林资源数据，森林分布调查，编制林业区划图，估算森林蓄积量，为林业生产和提供资料。

森林蓄积量估算：

是在离地面不同高度平台上传感器所接收的航天和航空信息，配合抽样技术来估测森林资源的一种方法，属于多阶不等概率抽样。

其特点是取其概率与单元大小成比例抽样，简称PPS抽样。

先用航天和航空遥感资料进行有林地或蓄积量判读，然后将判读所获得的土地类型百分比（即成数）作为多阶抽样各阶所含的概率，以此作为组织样本的基础，随机不等概率抽取样本单元。

按多阶顺序由上而下逐级抽样，在最后一阶的地面样地上精测森林蓄积量，按相应的可变概率进行森林蓄积量估测，由下而上逐级扩充，最后得到总体──即全林区的森林蓄积量。

林区土地类型分类：

利用陆地卫星多光谱扫描影像的光谱亮度值数据，通过图像分类对林区土地类型进行识别分类。

常用的方法除通过图像转换和图像增强以提取林地分类信息和应用林地图像自动识别分类法外。

近年来还发展了许多综合分类方法，如空间信息分类法、逐层分类法和多时相分类法等。

森林植被类型的自动识别分类，因受不同分类方法和许多因素的影响,其分类的精度仍然不高,误差约为30％左右。

3.2资源动态监测

森林资源的可变性，决定了需要定期监测，以跟踪其动态变化。

森林是生物资源，一方面在生长和更新，蓄积量在增加，另一方面又在采伐利用和发生火灾、病虫害等灾害，减少蓄积量。

卫星遥感能周期性获取遥感数据，为森林资源的动态监测提供可靠的信息源，利用两个不同时相的遥感资料，可以获得森林资源的动态变化情况。

3.3火灾监测和预报

森林中被火烧过的部分，由于过火地面的植被燃烧形成黑灰，在图像上没有了高反射，在遥感假彩色合成图像上，呈现颜色暗黑的火烧迹地。

可见光和近红外波段的反射率明显低于未过火地面。

归一化植被指数及比值植被指数,能反映出这一变化。

利用遥感技术可以观察火灾发生条件，有利于尽早发现火情，以便及时采取预防救灾措施。

主要包括下列内容:

森林火灾等级划分。

为调查森林火灾在地域上分布的特点而进行的大区域宏观分类。

可根据森林植被、气候状况及火源分布，利用卫星图像目视判读划分；也可利用近红外波段影像对林区水热分布状况反应比较灵敏的特性，应用图像处理，提取植被、气候和火源分布的信息划分火险区。

根据所获得的有关森林植被易燃性、燃烧环境和火源密度等信息，综合确定火险等级,编绘森林火灾危险分类图。

森林火灾探测。

森林火灾的火焰温度一般远在600°C以上，在红外波段有较强的辐射，而背景的林地植被的地表温度一般仅有20-30°C，甚至更低，与火焰又较大反差，在图像上可清晰显示，所以当地面出现火点这样的高温目标时，即使火点面积远远小于像元分辨率（1.21km2），其辐射值也明显高于其周围背景像元的辐射值，利用这一差别可以判断出热点。

利用遥感影像准确定位森林火灾，包括火头位置、火灾范围、火势发展风向、各种救火措施的实际效果等信息，为森林救火决策部门提供科学参考。

森林火灾损失调查。

森林植被火烧以后，地被波谱发生变化，在陆地卫星多光谱图像上就会发生与正常林地不同的异常反映。

火烧迹地吸收红光不反射红外光，因此在0.5～0.6微米波段的图像上偏淡变浅，而在近红外0.7～1.1微米波段的图像上又比正常林地偏黑。

在实际工作中使用这两个波段图像配合判读分析，不但可以正确识别火烧迹地的位置和轮廓，还能估计火烧迹地年龄，绘制火场和森林火灾强度图。

3.4病虫害监测

受害林木和正常生长林木比较，在光谱反射率和温度方面都会发生异常现象。

不同的森林病虫害，其危害部位也不完全相同，最终会引起林木的生长受到影响，外观发生变化，如树叶枯黄和落叶等症状，使得树叶在可见光和近红外波段的吸收和反射特点发生变化，所以根据光谱反射率的差异和结构异常在遥感图像上的记录，通过图像增强处理和信息提取技术，可以进行对森林病虫害的监测。

3.5灾害损失评估

遥感能及时、准确评估森林灾害造成的损失，监测灾后林区建设情况。

4.ArcGIS平台建设方案

4.1平台模式

基于业务管理和资源使用的实际需求，本ArcGIS平台建设采用省-市-县三级模式，云资源管理中心与下属各分支、终端节点相结合。

4.1.1省级节点

省级林业部门负责全省业务规划、督察监管、资源汇总与整合更新、信息资源权威发布，并为下属市县级林业部门提供必要的信息服务和在线的数据分析处理服务。

在省级平台节点建设上，采用云的模式对平台中的包括林业数据、信息服务、ArcGIS服务器及硬件服务器在的各种资源进行大集中管理，所有的对外服务信息的发布都在省级平台节点上进行；而下属的市、县级节点负责定期向上级节点同步数据。

在省级平台上，用户可以通过Portal门户来快速浏览检索平台上的各种资源。

省级平台节点业务应用模式

省级平台节点建设模式（云）

省级平台节点ArcGIS、ENVI\IDL软件配置如下表

平台软件

描述

ArcGISforDesktopAdvanced

数据建库、数据处理编辑、地图制作、……

ArcGISforServerEnterpriseAdvanced

（WithImageServerExtension）

地图服务发布、影像服务发布、数据处理服务发布（GP）

ArcGIS私有云管理软件

私有云运维管理系统

Onemap

平台服务运维管理系统

PortalforArcGIS

私有云资源访问门户

ENVI

遥感影像数据处理软件

IDL

ENVI二次开发环境

ENVIServicesEngine

ENVI/IDL服务发布，支持在线影像分析

4.1.2市、县级节点

市县级林业部门负责管辖区域内具体业务工作实施，资源调查、信息采集入库与更新，定期向上级节点同步更新数据。

作为总体平台的分支节点，在市县级平台节点建设上主要依托ArcGIS软件为本辖区内提供各种所需的信息服务，而使用在线的数据分析处理功能时调用省级平台发布的服务；在市县级平台节点上，建设相应数据中心，用于存储本辖区内所有的林业数据，定期由市县级节点向省级节点同步数据。

市、县级分支节点的建设可以很好地减轻整体平台运行时对网络带宽的需求和压力。

市县级平台节点建设模式

市县级平台节点ArcGIS、ENVI\IDL软件配置如下表

平台软件

描述

ArcGISforDesktopAdvanced

数据建库、数据处理编辑、地图制作、……

ArcGISforServerEnterprisestandard

（WithImageServerExtension）

地图服务发布、影像服务发布、……

Onemap

平台服务运维管理系统

ENVI

遥感影像数据处理软件

IDL

ENVI二次开发环境

4.2ArcGIS

✓ArcGISforDesktop

✓ArcGISforServer

4.2.1海量数据管理

Esri的ArcSDE技术，能够使用关系数据库管理系统（RDBMS）构建空间数据库，管理大规模空间数据。

它支持长事务处理、版本化编辑和多用户并发，是使用最广泛、技术最成熟的大规模空间数据管理解决方案。

ArcGIS的影像解决方案提供了先进而专业的影像管理模型——镶嵌数据集（MosaicDataset），它使用文件+数据库的方式进行影像管理，充分发挥了存储系统和数据库系统的优势，是Esri影像管理解决方案的核心。

镶嵌数据集创新性的使用了先进的动态镶嵌和实时处理技术，既能编目管理影像，又能像镶嵌影像一样显示和进行分析，同时配以一套完善的影像更新和维护工具简化了影像管理和更新流程，解决了数据冗余问题。

4.2.2影像数据服务共享

ArcGISServer+ImageServerExtension的组合方式为影像数据的对外分发共享提供了完美支持。

ArcGISServer

ArcGISServer是ArcGIS的服务器端产品，用于构建集中管理的、支持多用户的、具备高级GIS功能的企业级GIS应用与服务，如：

空间数据管理、二维三维地图/影像可视化、数据编辑、空间分析等即拿即用的应用和类型丰富的服务。

ImageServerExtension为ArcGISServer的扩展模块，它支持在服务端对大规模影像进行动态镶嵌和实时处理，并且能够访问影像的全部信息内容（像元值、元数据等）。

镶嵌数据集通过ArcGISServer可以发布为影像服务，供用户在线使用。

ArcGISServer提供广泛的基于Web的GIS服务，以支持在分布式环境下实现地理数据管理、制图、地理处理、空间分析、编辑和其它的GIS功能。

这些GIS功能都可以通过标准的HTTPREST/SOAP协议访问，支持ArcGIS原生标准，也支持OGC开放标准。

ArcGISforServer的服务分别提供WMS、WCS、KML、SOAP和REST服务标准的访问接口，具有非常好的互操作性。

ArcGISImageExtensionforServer

通过ArcGISImageExtensionforServer提供影像切片服务，使用户可以极速访问到影像，将之作为影像底图使用。

通过ArcGISImageExtensionforServer提供影像动态服务。

用户可以快速的查询检索到所需影像，并允许用户进行在线图像处理和分析。

另外在权限允许的条件下，用户可以通过影像动态服务下载每景影像的原始数据或裁切下载某一区域的影像数据。

不管是切片服务还是动态服务，都可以使用ArcGISforServer集群技术提高系统的可用性和伸缩性，以应对复杂的网络环境和日益增长的用户需求。

4.2.3广泛、强大的影像应用系统支持

Esri提供了丰富的桌面API、WebAPIs和MobileAPIs，访问ArcGISforServer发布的影像服务，构建各类具有良好用户体验的应用。

使任何人在任何地方都可以获取其需要的影像进行分析，最大化影像的价值。

4.3ENVI\IDL

✓ENVI

✓IDL

ENVI是一个完整的遥感图像处理平台，其软件处理技术覆盖了图像数据的输入/输出、定标、几何校正、正射校正、图像融合、镶嵌、裁剪、图像增强、图像解译、图像分类、基于知识的决策树分类、面向对象图像分类、动态监测、矢量处理、DEM提取及地形分析、雷达数据处理、制图、三维场景构建、与GIS的整合，提供了专业可靠的波谱分析工具和高光谱分析工具。

ENVI可以快速、便捷、准确地从遥感影像中获得您所需的信息；它提供先进的，人性化的使用工具来方便用户读取、探测、准备、分析和共享影像中的信息。

其开发语言IDL是进行二维或多维数据可视化、分析和应用开发的理想软件工具。

4.3.1丰富的数据支持能力

ENVI支持大多数传感器的数据读取，如Landsat系列卫星及最新的MTL元数据、IKONOS卫星、QuickBird卫星、FORMOSAT-2卫星、spot系列卫星、Pleiades卫星、Worldview系列卫星、ALOS卫星、Terrasar-X卫星、EOS、NOAA系列卫星、国产资源系列卫星、天绘系列卫星等；ENVI兼容其它遥感影像处理软件，它能读写其它遥感图像处理软件的标准数据格式，包括PCI的.pix格式的数据、ERDASIMAGINE的数据、ERMapper、ARC/InfoImages的.bil格式的数据；支持通用格式图像数据，包括TIFF、GeoTIFF等；还支持广泛的科学数据格式，直接读取ASCII数据、HDF数据（包括HDF5）、二进制数据，用户自定义数据；完全支持各个级别的Geodatabase，支持OGC标准的WMS和WCS服务。

支持Web服务：

支持REST地址访问、ArcGISonline地图服务（包括镶嵌数据集）

支持绝大部分影像、卫星传感器数据

4.3.2方便、高效的影像处理功能

对于低分辨率卫星影像可以根据其自带控制点自动校正，如Modis、NOAA，风云系列气象卫星、SeaWiFS等，对于中高分辨影像，ENVI支持影像到影像、影像到地图（矢量）的几何校正，还可以使用ENVI提供的自动配准功能，该功能能够快速寻找出两幅影像中的同名匹配点，并进行匹配。

提供流程化图像配准工具，将繁杂的参数设置步骤集成到统一的面板中，在少量或者无需人工干预的情况下该影像配准工作流能快速而准确的实现影像间的自动配准。

ENVI提供根据严格轨道物理模型对航空照片、ALOS/PRISM、ASTER、IKONOS、OrbView-3、QuickBird、SPOT1-5、CARTOSAT-1（P5）、FORMOSAT-2、Worldview-1/2、GeoEye-1、KOMPSAT-2、RapidEye等，以及国产的资源三号、CBERS-02C和天绘卫星系列等数据进行正射校正。

全国ETM数据镶嵌，总数据量约为340g，仅花费了一下午的时间就完成了所有数据的镶嵌和裁剪。

全国ETM数据镶嵌与裁剪

4.3.3影像信息智能化自动提取工具

对于人工数字化，ENVI提供了智能矢量化功能，能半自动跟踪方式帮助获得线和面状地物信息；ENVI提供了最专业、种类最全的分类方法，监督分类包括K-means和ISODATA，监督分类包括：

二进制编码，平行六面体，马氏距离，最小距离，最大似然，神经元网络，光谱信息散度（SpectralInformationDivergence）——SID，波谱角（SAM）和支持向量机（SupportVectorMachine），基于专家知识的决策树分类，子像元分类等；对于高分辨率影像，还提供目前流行的基于面向对象的影像分类工具。

基于规则提取道路和住宅，随时可预览提取结果

4.3.4专业的光谱分析

ENVI提供的大气校正工具，采用目前精度最高的大气辐射校正模型MODTRAN4+辐射传输模型，专门对波谱数据进行快速大气校正分析。

提供强大高光谱分析工具。

包括波谱库的建立、重采样和浏览，波谱分割，波谱运算，波谱端元的判断，波谱数据的n-维可视化，波谱分类，线性波谱分离，匹配滤波，包络线去除，波谱特征拟合等。

可以让用户从影像中快速提取有用的信息，可灵活有效地对高光谱以及多光谱数据的分析处理。

4.3.5随心所欲扩展新功能

ENVI是非常开放的系统，用户可以定制、修改ENVI的菜单，为ENVI添加新的颜色、坐标系、投影类型以及各种类型的分析工具。

ENVI提供一个程序库，包括了ENVI几乎所有的功能，可以使用IDL直接调用。

底层的IDL语言可以帮助用户轻松的添加、扩展ENVI的功能，甚至开发定制自己的专业遥感平台。

珠江水利科学研究院基于ENVI/IDL的珠江流域旱情遥感监测处理系统

4.3.6ENVI/IDL与ArcGIS一体化集成

目前，ENVI/IDL与ArcGIS为遥感和GIS的一体化集成提供了一个最佳的解决方案。

从在数据一体化管理、平台一体化操作和系统一体化开发三次层次集成，实现影像数据处理与分析、管理、空间分析、发布共享的空间信息工程化与流程一体化。

ENVI/IDL与ArcEngine一体化集成开发

4.3.7支持企业级与云计算构架

ENVIServicesEngine是云遥感服务解决方案，以服务方式部署遥感功能，即以WebServices形式存在的IDL和ENVI在云端处理，客户端可以在线，按需（on-line,on-demand）请求遥感服务。

ESE采用开源标准，与中间件无关的体系结构，可以无缝与ArcGIS云平台集成，可以将一个资源上部署的图像分析功能传递给多个平台，允许用户通过Internet在Web客户端或者移动客户端上进行大数据量的高级分析。

可伸缩与负载均衡的运行架构

4.4ENVIServicesEngine

ENVIServicesEngine是将IDL和ENVI的图像处理功能以服务的方式提供，可以部署到各种企业级环境中，包括集群环境、企业级服务器或者云平台等。

客户端（移动端、网页端等）通过发送HTTPREST请求调用IDL和ENVI处理功能，处理结果通过标准的HTTP机制返回到客户端。

ENVIServicesEngine

部署在服务器上的ENVIServicesEngine

ENVIServicesEngine采用了开源标准、与中间件无关的体系结构，将资源和互操作考虑进去。

可以在一个资源上部署图像分析功能并传递给多个平台。

ENVIServicesEngine提供即拿即用的遥感服务，用户只需要网页浏览器、移动设备等客户端就可以对影像进行复杂的、耗费资源的运算，可以随时随地的获取影像空间数据和信息，从而快速有效地进行战略决策。

ENVIServicesEngine可以与ArcGIS平台无缝融合，可以整合ArcGIS提供的GIS资源，如影像服务。

甚至可以将ENVIServicesEngine的功能部署到ArcGIS环境中，将遥感功能和GIS资源一体化整合。

并提供专为ArcGIS平台设计的ENVI企业级服务器遥感软件ENVIforArcGIS-ServicesEdition，可以将ENVI图像分析功能或者IDL自定义功能直接部署到ArcGISforServer环境中。

ENVIServicesEngine支持开发人员使用JavaScript、HTML5、Flex及Silverlight等多种WebAPIs来创建自定义的富客户端Web应用程序。

也可以使用ArcGISAPIforJavaScript、ArcGISAPIforFlex及ArcGISAPIforSilverlight等WebAPIs。

4.5行业资源门户-Portal

Portal为组织机构提供了一个平台，组织人员按照不同分工，可以使用它进行资源的集中组织管理、并且在部门间实现资源灵活共享，通过web地图实现在一张图上的协同办公，进行资源的高效搜索，辅助领导科学决策。

可以说，PortalforArcGIS开启了企业内部GIS应用的新模式，在不打破原有业务系统运行的情况下，它为企业提供了一个统一的多部门协同工作的平台，将全部的流通信息都整合在一个平台中，极大的方便了部门间进行协同工作，提高了工作效率。

同时数据仍由本部门管理，所要做的只是简单的把专题结果以服务方式注册到Portal平台上再一键式的共享出去，分享范围以及分享方式都由本部门决定。

共享范围设置

4.5.1与办公软件Office结合

PortalforArcGIS可与EsriMapsforOffice集成，实现传统业务表格数据快速上图可视化；除了数据信息查询外，还可以对业务要素进行样式符号设置、生成热点图等制图工作。

EsriMapsforOffice

PortalforArcGIS可以将前面业务数据成果共享，不仅方便组织用户对数据成果的浏览使用，而且通过PortalforArcGIS提供的分析工具还能对现有成果进行深度挖掘。

将成果上传到Portal中显示

4.5.2中文地址编码实现林业信息快速上图

传统的林业业务数据由于缺少空间坐标（X,Y）而不能成图，造成无法在GIS平台下访问，大量资源不能被充分有效地使用；中文地址编码功能支持根据地址信息快速成图，很好的弥补了这一短板。

选择地址字段

通过中文地址编码成图的林业数据，可以像其他的地图服务一样进行浏览属性信息、地图风格设置、空间分析等操作。

地址数据上图

4.5.3在线制图平台

PortalforArcGIS还是在线制图平台。

在线制图是PortalforArcGIS的核心功能之一，它提供的地图浏览器可以为用户提供在线的、专业的、智能的制图能力。

且操作简单，容易上手，真正体现了普适性。

提供丰富的基础底图资源

企业可以使用企业自己的底图数据，也可以使用第三方地图资源，像天地图、捷泰地图等。

另外Esri提供了一个DataAppliance（数据箱），用户可以购买使用，里边包括了ArcGISOnline丰富底图资源，包括影像图、地形图、