05黄淮干旱与引黄灌溉河南技术文档软件操作手册.docx

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05黄淮干旱与引黄灌溉河南技术文档软件操作手册

黄淮平原农业干旱遥感监测与

引黄灌溉需水量估算系统

（HADYS）

使

用

手

册

河南省气象科学研究所

2009年10月

目录

1引言1

1.1背景1

1.2系统运行环境3

1.3定义3

1.4参考资料4

2系统结构5

2.1功能结构5

2.2目录结构5

3系统功能7

3.1主控系统7

3.1.1系统运行界面7

3.1.2系统工作界面8

3.1.3模块9

3.1.4系统菜单11

3.1.4.1“文件”菜单12

3.1.4.2“图像处理”菜单15

3.2土壤墒情遥感监测子系统16

3.2.1界面窗口17

3.2.2操作流程18

3.2.2.1热惯量法（ATI）监测流程19

3.2.2.2供水植被指数法（WSVI）监测流程22

3.2.2.3温度植被干旱指数法（TVDI）监测流程22

3.2.2.4耕作层指数法（CSMI）监测流程23

3.2.2.5垂直干旱指数法（PDI）监测流程23

3.2.2.6修正垂直干旱指数法（MPDI）监测流程24

3.2.3遥感资料合成算法说明25

3.2.3.1功能描述25

3.2.3.2输人输出描述25

3.2.3.3算法描述25

3.2.3.4性能描述26

3.2.4遥感墒情监测算法说明26

3.2.4.1功能描述26

3.2.4.2输人输出描述26

3.2.4.3模块关键算法27

3.3土壤墒情推算子系统32

3.3.1子系统功能32

3.3.2墒情推算流程33

3.3.3输入数据表34

3.3.4输出数据表37

3.3.5土壤墒情推算算法原理38

3.3.5.1离散点算法38

3.3.5.2格点算法42

3.3.5.3日气象要素的统计43

3.4作物需水量估算子系统49

3.4.1子系统功能49

3.4.2子系统界面及输入输出49

3.4.3运行流程50

3.4.4输人数据51

3.4.5输出数据51

3.4.6作物需水量估算算法说明51

3.5遥感墒情模型构建子系统53

3.5.1子系统功能53

3.5.2应用模型管理53

3.5.2.1创建模型54

3.5.2.2修改已存在的模型60

3.5.3模型构建60

3.5.3.1选取应用模型61

3.5.3.2选取需提取墒情资料的日期62

3.5.3.3选取遥感资料63

3.5.3.4为各变量选定源文件及通道64

3.5.3.5修改云水判别条件66

3.5.3.6模型构建及检验67

3.5.3.7交叉检验结果保存68

3.5.3.8墒情反演69

3.5.3.9完成模型构建70

3.6农业干旱综合监测评估子系统71

3.6.1农业干旱综合评估界面71

3.6.2遥感墒情和推算墒情集成功能72

3.6.3农业干旱综合评估功能73

3.6.4干旱综合统计分析功能74

3.6.5栅格文件转换工具75

3.6.6统计结果图表显示75

3.6.7农业干旱集成和评估算法说明78

3.7引黄灌溉效果评估子系统81

3.7.1子系统功能81

3.7.2输人输出描述82

3.7.2.1输入数据82

3.7.2.3输出数据82

3.7.3算法描述82

3.8辅助工具子系统83

3.8.1栅格统计分析83

3.8.2气象资料收集83

3.8.3文件格式转换84

3.8.4遥感等角投影85

3.8.5多天资料合成87

4系统的推广说明88

5系统的安装88

5.1安装说明88

5.2系统安装89

5.2.1欢迎使用界面89

5.2.2选择安装文件夹90

5.2.3确认安装91

1引言

1.1背景

我国幅员辽阔，地形复杂，受季风气候影响，在全国境内，局部性或区域性的干早灾害几乎每年都会出现。

黄淮平原是我国重要的粮食生产基地，受干旱影响更加严重。

据对近500年（1490-1990年）的对我国黄淮地区干旱频率进行统计，我国黄淮地区大旱以上等级的干旱重现频率很高，其中黄河流域重现率为26.9%,淮河流域为33.6%，对我国粮食安全及国民经济有着很大的影响。

此外，由于自然降水的减少、工农业用水的增加等多种因素，黄河水资源日趋紧张，一度出现断流危机，更加剧了干旱灾害的影响。

因此，根据干旱现状和作物需水状况等因素对黄河水资源进行科学调配，是我国解决黄河水资源危机的重要举措，也是当前需要解决的难题。

因此，开展农业干旱的动态监测，跟踪其发展的过程,同时根据作物生长状况，对其需水量进行分析估算，为国家有关部门抗旱防灾、科学管理提供技术支撑，最大限度地减轻干旱灾害造成的损失、节约水资源，对确保我国粮食安全和经济可持续发展具有重要意义。

卫星遥感由于具有大范围可重复观测的特点，相对于传统干旱监测方法有着明显的优势，目前被广泛应用于旱监测，并且取得了大量的成果。

目前，基于NOAA/AVHRR、EOS/MODIS的干旱遥感监测的方法很多，国内较为常用的方法主要有热惯量法、温度植被指数法、作物供水指数法等（汪潇、张增祥等，2007；肖国杰、李国春，2006）。

热惯量法是应用较早的一种方法，其物理意义较为明确，具有更高的时效性（SandholtI、RasmussenK等，2002），通常只适合于裸土或稀疏植被地区（马蔼乃，1997）。

温度植被指数法和作物供水指数法充分考虑了植被对温度变化的影响，在农业干旱监测中得到了广泛的应用（唐巍、覃志豪等，2007；许国鹏、李仁东等2006）。

相对于传统的NOAA/AVHRR资料，MODIS和未来的FY-3A资料在数据波段数量、数据分辨率、数据应用范围方面都有很大的提高，因而在进行旱情监测时具有更优越的技术特性。

近年来，利用遥感干旱、气象干旱、气候干旱、水文干旱、农业干旱等多种干旱指标进行综合干旱评估的干旱监测模式在国外已基本实现了业务化，如美国干旱监测业务中采用Palmer干旱指数、植被健康指数、降水指数等6个关键客观指标对干旱进行综合监测。

因此本系统以EOS/MODIS、FY-3A资料为主要数据源，采用热惯量法、温度－植被指数法、作物供水指数法等多种遥感干旱监测模型，同时结合地面气象资料、实测墒情资料，对黄淮平原进行干旱综合监测与评估；在此基础上，利用作物需水量模型，进行作物需水量估算，为防旱抗旱和黄河水资源科学调度提供科学依据。

项目承担单位为河南省气象科学研究所，主要由河南省气象科研所、郑州市气象局及鹤壁市气象局的十多位技术人员参加系统的软件开发工作。

系统完成后，将在河南、山东、江苏及安徽等省气象局遥感业务部门投入业务使用。

本软件的中文名称为《黄淮平原农业干旱遥感监测与引黄灌溉需水量估算系统》，简称：

HADYS。

1.2系统运行环境

（1）硬件环境：

CPU：

推荐P4/1.8GHz以上；

内存：

推荐2G以上；

硬盘：

要求在50G，推荐100G以上；

显示器：

17英寸彩色显示器，推荐显存为64M以上。

（2）操作系统：

基于WindowXP/2003操作系统。

（3）网络环境：

遵循IEEE802系列的10M/100M以太网。

（4）网络协议与服务：

TCP/IP、HTTP、FTP、SMTP。

1.3定义

黄淮平原：

黄河中下游与淮河流域覆盖的广大平原地区，主要包括河南大部、山东、江苏、安徽的部分地区，地理位置位于东经111°～121°，北纬31°～37°的区域。

EOS/MODIS：

MODIS,中分辨率光谱成像仪,是美国发射的地理观测卫星（EOS）上携带的遥感探测仪器，MODIS资料拥有36个光谱通道，最高分辨率达250米。

FY-3A：

中国计划于2008年5月发射的新一代气象卫星，其携带的传感器和EOS/MODIS类似。

土壤墒情：

土壤湿度。

农业干旱：

由于干旱研究的目的和对象不同，其定义和具体指标是不同的。

农业干旱通常强调对农业的影响,其评价指标也是建立对作物生理的影响基础上的干旱指标。

气象干旱：

单纯从某一气象条件角度，如阶段降水、土壤湿度等对干旱的发生而进行的定义。

矢量数据：

矢量数据通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。

栅格数据：

栅格数据以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。

或者说，栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。

反演：

从卫星观测的光谱信号，通过物理或者统计方法，提取出观测地球目标物理参数的过程。

1.4参考资料

（1）《关于下达风云卫星遥感开发与应用示范项目任务书的通知》，中国气象局监测网络司文件（气测函〔2007〕144号）；

（2）《黄淮平原农业干旱遥感监测与引黄灌溉需水量估算系统任务书（FiDAF-1-01）》，中国气象局监测网络司，2007；

（3）《黄淮平原农业干旱遥感监测与引黄灌溉需水量估算系统实施方案》，河南省气象科学研究所，2007；

（4）《计算机软件产品开发文件编制指南（GB8567-88）》；

（5）《气象软件工程规范》，中国气象局，1995；

（6）《计算机软件工程规范国家标准汇编2000》，中国标准出版社。

2系统结构

2.1功能结构

HADYS系统由主控系统、土壤墒情遥感监测子系统、土壤墒情气象外推子系统、作物需水量估算子系统、引黄灌溉效果评估子系统、交互式遥感墒情模型构建子系统、农业干旱综合监测评估子系统及辅助工具等组成。

系统中所有子系统均设计为可独立运行的程序，其运行由主控系统统一控制。

系统结构如图1所示:

图1系统结构

2.2目录结构

系统由主目录HADYS和若干子目录构成,主目录中主要存放程序文件,包括主控系统和各子系统的可执行程序及相关动态连接库。

子目录包括：

（1）System\Map，存放有关背景地理信息文件矢量，主要用于系统图像的显示叠加，地理信息资料的格式要求为ARCGISshape格式，如黄淮平原行政区划、引黄灌区边界、公路、铁路、河流等。

（2）System\Palette，存放系统显示用的调色板文件。

（3）BandConfig，存放FY-3A/EOSHDF投影用的波段配置文件。

（4）ProjectConfig，存放投影区划配置文件。

（5）basedata，存放栅格化的土壤参数数据。

（6）formula，存放自定义遥感墒情监测模型。

（7）gisdata，存放栅格化的地理信息数据，如行政区划、土地利用等资料。

（8）remote，存放遥感资料文件，可选。

（9）temp或tmp，临时目录，存放临时文件。

（10）Output，产品输出目录，可选。

包括：

土壤水分气象外推结果输出文件

墒情遥感监测输出文件

土壤墒情综合集成输出文件

农业干旱综合评估文件

墒情变化分布输出文件

净需水量估算结果文件

毛需水量估算结果文件

其它输出的文本与图像文件

3系统功能

3.1主控系统

《黄淮平原农业干旱遥感监测与引黄灌溉需水量估算系统（HADYS）》主控程序采用微软C/C++工具VC++2008sp1编码制作，系统采用多文档方式，充分利用sp1的界面优势，在系统用户界面上花费的精力大大减少。

主控系统主要功能包括：

遥感资料及产品的综合显示、子系统功能调用、产品的打印与输出、辅助工具的调用、系统帮助等。

3.1.1系统运行界面

系统运行之初界面图2所示。

系统具备Windows平台上标准程序的要素：

菜单、工具栏、状态栏和工作区。

图2系统运行界面

另外，系统增加了一个“属性”停靠窗格，其作用主要用来显示和调整所打开文档的属性数据。

3.1.2系统工作界面

图3是系统打开遥感数据的工作界面。

图3系统打开遥感数据的工作界面

打开可用文档后，“属性”停靠窗格中会显示当前活动文档的主要属性数据，比如：

数据日期、经纬度、数据尺寸、通道信息等，如果是经过处理产生的产品数据，在“属性”栏中还会显示对应的图例数据，并且可以手工调整他们。

“属性”栏中还有“地理信息”栏目，此栏目主要包括市界、县界、县镇点、道路、铁路、水库、河流等条目，如下图所示，其中每个条目又包含不同的操作选项，可以单独操作设置，比如“道路”条目，只要“显示”选项设置为“True”，道路就会叠加显示在右边的数据图像上。

如图4所示

图4“地理信息”栏目

3.1.3模块

图5模块菜单

系统功能由多个外部模块来实现，如图5是模块菜单，主要有：

干旱遥感监测、农业干旱综合评估、土壤墒情变化监测、作物需水量估算、遥感墒情模型构建、土壤墒情推算等，各模块的使用和功能请参考模块功能介绍。

此处主要介绍各个模块和主控系统之间的通信和数据交换。

例如：

打开“干旱遥感监测”模块。

1.干旱模型：

供水植被指数

2.资料处理方式：

遥感资料

3.选择白天遥感资料

4.调整各类参数设置

5.单击“墒情反演”，模块开始反演数据

6.反演完成后，模块给主控进程发送消息，通知主控进程准备接受数据，同时把数据信息作共享处理，以便主控进程读取数据并自动打开显示。

图6干旱遥感监测图

图7就是“干旱遥感监测”模块反演生成的产品数据显示图，在自动打开显示的同时，“属性”栏信息自动切换为干旱遥感监测产品数据属性。

图7干旱遥感监测反演数据显示图

其他模块的操作类似。

3.1.4系统菜单

图8是打开文档时的系统菜单。

图8系统菜单

系统菜单的布局也按照微软Windows平台软件开发提倡的规范设计布置，前面3个是“文件”、“编辑”、“视图”，后面2个是“窗口”、“帮助”，中间的是自定义的各类菜单，分别是“模块”、“图像处理”、“分析应用”、“系统”。

随后的介绍是各菜单中主要功能选项说明。

有的菜单选项是Windows平台上通用的菜单功能，鉴于其使用非常普遍且操作简单，在此就不再赘述。

3.1.4.1“文件”菜单

图9所示是“文件”菜单。

分5栏，1、2栏是文档的打开和保存选项，3栏是打印选项，4栏是最近打开的文件选项，5栏是系统退出选项。

这里主要介绍2栏的保存选项。

Ø保存数据为图片…

当用户选择“保存数据为图片”菜单命令时，弹出一保存对话框（如图10所示），输入要保存的图片文件名，点击[保存]按钮即可。

图10保存数据对话框

本功能把遥感数据保存为多通道融合成的24位彩色图片，保存时和图像在客户区显示的状态无关。

Ø保存客户区为图片…

当用户选择“保存客户区为图片”菜单命令时，弹出一保存对话框（如图11所示），输入要保存的图片文件名，点击[保存]按钮即可。

图11保存客户区对话框

本功能把整个客户区的图形保存为图片，保存的图像和其在客户区显示的图像保持一致。

Ø保存选择区域为图片…

当用户选择“保存选择区域为图片”菜单命令时，鼠标光标在客户区变成

形状，按下鼠标左键并移动，客户区会显示所选择的矩形范围，同时在工具栏会显示选择区域的尺寸，如图12所示：

图12选择保存区域

当松开鼠标左键后弹出一保存对话框（图13），输入要保存的图片文件名，点击[保存]按钮即可。

图13保存选择区域对话框

本功能把选择客户区的部分图形保存为图片，保存的图像和其在客户区显示的图像保持一致。

3.1.4.2“图像处理”菜单

图14所示是“图像处理”菜单。

Ø反相

使图像呈现“底片”效果。

图14图像处理菜单

图15是选择“反相”功能前后的数据

图15选择“反相”功能前后的数据图像

Ø转换为灰度图象

此功能可以把彩色图像转换为256级灰度图象，如图16所示

图16彩色转换为灰度图象

Ø直方图均衡

直方图均衡化处理的中心思想是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。

图17是对一幅数据图像直方图均衡的前后对比，可以很清楚的看出，处理后的图像细节显示清晰多了，同时亮度也得到了调整。

图17一幅数据图像直方图均衡的前后对比

Ø图像平滑

图像平滑主要是为了消除噪声。

图18图像平滑前后对比

Ø图像恢复

在进行过图像处理后，使用此功能可以使图像恢复其原来的面目。

3.2土壤墒情遥感监测子系统

土壤墒情遥感监测子系统包括植被指数生成模块、地表温度反演模块、遥感资料合成模块、遥感墒情监测模块、遥感墒情与实现墒情相关分析模块。

子系统利用HDF或LD2文件格式的FY-3A和EOS/MODIS卫星资料，在一定干旱监测模型（方法）下，结合实测土壤墒情数据，实现对干旱的遥感监测与土壤墒情的反演。

3.2.1界面窗口

该子系统以Windows对话窗体为界面，用户在该界面进行交互式操作，完成干旱监测与墒情反演。

界面如图由以下部分组成：

图19土壤墒情遥感监测子系统界面

干旱监测模型下拉列表框：

用于选择干旱监测模型，目前系统支持的干旱遥感监测方法有：

热惯量法（ATI）、供水植被指数法（WSVI）、温度植被干旱指数法（TVDI）、耕作层指数法（CSMI）、垂直干旱指数法（PDI）和改进的垂直干旱指数发（MPDI）。

资料处理方式下拉列表框：

用于选择干旱监测所采用的资料类型，包括直接用遥感资料进行监测和利用遥感中间产品进行监测（暂不支持）两种选择。

白天资料列表框：

用于采用不同的干旱监测模型所需要的遥感资料或者中间产品的选择、添加、移除。

夜间资料列表框：

热惯量法模型需要反演夜间LST，需要用到夜间资料。

墒情设置：

主要在输出设置-输出类型中选定输出墒情时，进行的相关设置，设置的内容有直接反演复选按钮，用于决定是否采用已经保存下来的回归方程进行墒情反演。

若不选中则需要指定与反演的卫星资料相对应的实测墒情；土壤深度下拉列表框，用于反演相应深度的土壤墒情；误差订正和下拉列表，用于在墒情反演时，决定是否进行残差订正并选择订正的百分比例。

输出设置：

是与墒情设置相关联的一组设置，用于对干旱监测结果输出类型以及输出文件路径进行设置。

设置内容如下：

输出类型，即输出的产品，可以单选指数输出、土壤湿度输出或两种产品均选。

另外，在进行干旱监测或墒情反演监测前，可通过点击“合成设置”打开“合成设置”对话框进行多文件监测时，设置中间产品的合成方案，主要包括设置地表反射率、“归一化植被指数（NDVI）”、地表温度（LST）的合成方法；通过点击“检测设置”弹出的对话框进行云、水体检测的设置。

3.2.2操作流程

进行干旱监测前，首先要决定的是选用何种资料（MODIS或FY-3A）,根据选用的卫星资料的数据特点，进行“检测设置”以扣除云、水体的影响；根据是否用多文件处理来进行相关中间产品的“合成设置”，然后通过选择“干旱监测模型”、“资料处理方式”来决定在列表框中选择何种卫星资料或中间产品；根据监测的需要要，通过“输出设置”设定输出的产品是“指数”或“墒情”以及其输出路径，并依据不同的选择决定是否进行“墒情设置”，最后点击“墒情反演”按钮进行干旱监测及监测产品的输出。

3.2.2.1热惯量法（ATI）监测流程

（1）在干旱遥感监测系统窗口中，首先选择干旱模型为热惯量法（ATI），然后点击白天资料的添加按钮，将模型所需要的白天资料添加到列表框中，热惯量模型需要夜间资料，再将所需夜间资料添加到夜间资料列表框中，如图20所示：

图20土壤墒情遥感监测操作

（2）如果需要反演土壤墒情，则需要将“土壤湿度”选项勾上，并设置反演的系数或利用最近的实测墒情资料反演系数，如图21所示。

如果不选，则仅仅计算ATI指数。

图21土壤墒情遥感监测操作

（3）如果选择添加了多天的资料，则系统会根据需要进行资料合成，此时可以点击“合成设置”按钮更改合成设置，以满足你的需要，见图22。

图22合成设置

（4）如果需要设置云和水体的反射率，可以点击“检测设置”按钮，进入检测对话窗口，见图23。

图23水体、云判断条件设置

（5）点击“墒情反演”按钮，开始进行反演计算，系统将显示反演统计结果，并询问是否继续反演（图24），选择继续后系统将最后的计算结果显示到主控系统中（图25）。

图24保存统计结果对话窗口

图25反常结果的输出

3.2.2.2供水植被指数法（WSVI）监测流程

（1）在干旱遥感监测系统窗口中，首先选择供水植被指数法（WSVI），然后点击白天资料的添加按钮，将模型所需要的白天资料添加到列表框中。

（2）如果需要反演土壤墒情，则需要将“土壤湿度”选项勾上，并设置反演的系数或利用最近的实测墒情资料反演系数，如果不选，则仅仅计算WSVI指数。

（3）如果选择添加了多天的资料，则系统会根据需要进行资料合成，此时可以点击“合成设置”按钮更改合成设置，以满足你的需要。

（4）如果需要设置云和水体的反射率，可以点击“检测设置”按钮，进入检测对话窗口。

（5）点击“墒情反演”按钮，开始进行反演计算，系统将显示反演统计结果，并询问是否继续反演，选择继续后系统将最后的计算结果显示到主控系统中。

3.2.2.3温度植被干旱指数法（TVDI）监测流程

（1）在干旱遥感监测系统窗口中，首先选择供温度植被干旱指数法（TVDI），然后点击白天资料的添加按钮，将模型所需要的白天资料添加到列表框中。

（2）如果需要反演土壤墒情，则需要将“土壤湿度”选项勾上，并设置反演的系数或利用最近的实测墒情资料反演系数，如果不选，则仅仅计算TVDI指数。

（3）如果选择添加了多天的资料，则系统会根据需要进行资料合成，此时可以点击“合成设置”按钮更改合成设置，以满足你的需要。

（4）如果需要设置云和水体的反射率，可以点击“检测设置”按钮，进入检测对话窗口。

（5）点击“墒情反演”按钮，开始进行反演计算，系统将显示反演统计结果，并询问是否继续反演，选择继续后系统将最后的计算结果显示到主控系统中。

3.2.2.4耕作层指数法（CSMI）监测流程

（1）在干旱遥感监测系统窗口中，首先选择供耕作层指数法（CSMI），然后点击白天资料的添加按钮，将模型所需要的白天资料添加到列表框中。

（2）如果需要反演土壤墒情，则需要将“土壤湿度”选项勾上，并设置反演的系数或利用最近的实测墒情资料反演系数，如果不选，则仅仅计算CSMI指数。

（3）如果选择添加了多天的资料，则系统会根据需要进行资料合成，此时可以点击“合成设置”按钮更改合成设置，以满足你的需要。

（4）如果需要设置云和水体的反射率，可以点击“检测设置”按钮，进入检测对话窗口。

（5）点击“墒情反演”按钮，开始进行反演计算，系统将显示反演统计结果，并询问是否继续反演，选择继续后系统将最后的计算结果显示到主控系统中。

3.2.2.5垂直干旱指数法（PDI）监测流程

（1）在干旱遥感监测系统窗口中，首先选择供垂直干旱指数法（PDI），然后点击白天资料的添加按钮，将模型所需要的白天资料添加到列表框中。

（2）如果需要反演土壤墒情，则需要将“土壤湿度”选项勾上，并设置反演的系数或利用最近的实测墒情资料反演系数，如果不选，则仅仅计算PDI指数。

（3）如果选择添加了多天的资料，则系统会根据需要进行资料合成，此时可以点击“合成设置”按钮更改合成设置，以满足你的需要。

（4）如果需要设置云和水体的反射率，可以点击“检测设置”按钮，进入检测对话窗口。

（5）点击“墒情反演”按钮，开始进行反演计算，系统将显示反演统计结果，并询问是否继续反演，选