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1、盘锦湿地生态保护红线卫星遥感监测系统软件需求说明书中国气象局沈阳大气环境研究所2019年3月1日 目 录1 引言21.1 项目名称21.2 项目背景和内容概要21.3 相关资料、缩略语、定义22 任务概述32.1 目标32.2 范围42.3 假定条件与约束限制43 业务流程44 系统平台架构55 数据描述56 功能需求66.1 数据读取处理模块66.2 湿地生物多样性维护功能评估模块66.3 湿地生态遥感综合评价模块76.4 气象条件贡献率模块76.5产品真实性检验模块76.6产品制作加工输出模块87 接口要求88 性能需求99 运行环境需求910 操作系统平台911用户权限与安全等其它需求9
2、附录1111 引言1.1 项目名称 盘锦湿地生态保护红线卫星遥感监测系统1.2 项目背景和内容概要 2018年7月开始，由国家卫星气象中心牵头组织编写国家生态保护红线卫星遥感监测气象保障服务能力建设行动方案，利用卫星监测、气象观测、地面调查等多源数据，研究建立生态遥感气象评价指标体系，在内蒙古、辽宁、广西、山东、重庆等5个省（区、市）开展试点应用工作。辽宁作为湿地生态监测评估示范省，主要工作是针对湿地生物多样性开展监测评估，并在此基础上完成生态遥感监测、生态遥感评价指标构建、生态监测评估报告编写、系统功能需求制定、初步技术规范制定等工作。评估报告结果将为国家政府部门、相关行业单位提供高水平的生
3、态保护红线卫星遥感监测气象保障服务产品。根据中国气象局山洪地质灾害防治气象保障工程2019年建设实施方案（气办函2018279号）要求，2019年辽宁省气象局的建设任务是：以湿地为监测对象，完成国家生态保护红线卫星遥感监测气象保障服务能力建设的省级应用示范。湿地生态保护红线卫星遥感监测气象保障服务能力建设总体目标为：利用卫星监测、气象观测、地面调查等多源数据，开展盘锦湿地生物多样性保护重要区的生态遥感监测与评估工作。基于“国家生态保护红线遥感应用平台”，实现辽宁本地化适应性改造，通过监测湿地生态要素、气象要素、灾害要素等，评估盘锦湿地生态环境动态变化，基于湿地生物多样性维护功能评估指标和全国生
4、态遥感指标评价体系，实现湿地生物多样性功能评估和湿地生态遥感综合评价，开展生态保护红线卫星遥感监测气象保障服务的应用示范，为生态环境保护部门生态环境监管工作提供第三方客观评价参考。1.3 相关资料、缩略语、定义生物多样性（biodiversity）：指动物、植物、微生物及其所组成的生态系统的多样性和变异性，包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次。湿地生物多样性：指所有湿地生物种类、种内遗传变异和它们的生存环境的总称。植被指数（Vegetation Index）将遥感地物光谱资料经数学方法处理，以反映植被状况的特征量。地表温度（简写：LST）：是地表与大气相互作用过程中的一个重要物理
5、学参量，它综合了地气之间相互作用过程中物质与能量交换的结果，它与土壤温度、近地气温、蒸散发等有直接的关系，是地表能量平衡的重要参数。土壤湿度（Soil Moisture）：根据遥感数据反演得到的土壤含水量信息。叶面积指数（简写：LAI）:利用遥感数据，通过经验或物理模型反演得到的单位地表面积上绿色叶片总表面积的一半与地表面积之比。真实性检验（Validation）：通过和参考数据（相对真值）比较，独立地评价卫星遥感数据延伸出的遥感产品的精度和不确定性的过程。生物多样性指数BI：由物种多度、物种相对丰度和物种稀有性 3 部分组成的评价指标。生境适宜性HS：满足生物多样性的栖息地状况，将土地利用划
6、分为生境和非生境，1代表生境，0代表非生境，如果有充分的关于物种生境特征的信息，相对的生境适宜性得分数值范围0到1。归一化植被指数NDVI：由遥感器可见光（主要为红光）波段和近红外波段的反射率数据经非线性组合计算而得到的，用来反映绿色植被相对丰度和活性的度量值。植被覆盖度FC：指单位面积内植被的垂直投影面积所占百分比。自然植被第一性生产力NPP：绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，是由光合作用所产生的有机质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分。土地利用类型LUC：土地利用方式相同的土地资源单元，是根据土地利用的地域差异划分的，是反映土地用途、性质及其分布规律的基本地域单位。高程DEM：
7、通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。2 任务概述2.1 目标 在“国家生态保护红线遥感应用平台”基础上，改造开发“盘锦湿地生态保护红线卫星遥感监测气象保障服务平台（软件）”。2.2 范围 使用本系统用于开展盘锦湿地生态保护红线区的生态遥感监测与评估。 2.3 假定条件与约束限制 项目软件开发经费：14万元（预算，招标后确定）；项目软件开发周期：7个月。3 业务流程 基于“国家生态保护红线遥感应用平台”，实现本地化改造（图1）。包括以下6个模块：（1）多源数据读取处理模块。（2）湿地生物多样性维护功能评估模块。（3）湿地生态
8、遥感综合评价模块。（4）湿地生态指标的气象贡献分析模块。（5）真实性检验模块。（6）产品专题图制作和输出模块。图1 应用平台研发和改造示意图4 系统平台架构基于生态保护红线遥感应用平台的本地化改造，对湿地生态保护红线区的生态遥感监测与评价进行示范应用。具体应用如下：（1）监测湿地生态要素、气象要素、灾害要素等，评估盘锦湿地生态的变化情况；（2）评估湿地生物多样性维护功能变化情况；（3）评估湿地生态遥感综合指标变化情况；（4）评估湿地生态要素变化的气象条件贡献率。（5）实现示范区域卫星遥感监测要素的真实性检验和修正。系统平台架构如图2所示。图2 系统平台架构示意图5 数据描述本系统基础数据主要包
9、括FY3系列卫星、MODIS、NPP、NOAA、TM、国产高分系列卫星等多源的卫星数据，省市县行政边界、土地利用等地理信息矢量数据，湿地生态要素监测模型参数和样本数据。卫星数据：格式主要包括HDF（HDF4和HDF5）和LDF（LDF、LD2和LD3）和ENVI标准数据格式。地理信息数据：主要是Shape矢量格式和ArcGIS GRID栅格格式。湿地生态要素监测模型参数：包括模型公式、变量、变量意义、参数数值。样本数据：包括数据点序号、经度、纬度、样本通道数据。水文数据：河流、径流量、潮位、地下水位等数据。6 功能需求6.1 数据读取处理模块在“国家级生态保护红线遥感应用平台”上，对数据读取处
10、理模块进行本地化改造。基于数据读取处理、标准化格式等模块实现示范区域的FY、MODIS、高分卫星遥感数据及其要素监测产品、气象站点观测资料、野外试验验证数据等读取、格式标准化、数据重采样，区域范围裁切、显示等功能。本地化改造功能主要包括：（1）加强国产高分系列卫星数据预处理等功能的实现；（2）补充省、市、县、区域级地理信息的输入、裁切、显示以及输出等功能。（3）增加实时观测数据的质量控制及容错功能6.2 湿地生物多样性维护功能评估模块在“国家级生态保护红线遥感应用平台”上，对湿地生物多样性维护功能评估模块进行本地化改造。基于生态要素产品数据和生物多样性维护功能评估算法，实现示范区域的湿地生物多
11、样性维护功能指标的计算、统计、分析功能。具体如下：（1）通过归一化植被指数NDVI、植被覆盖度FC、生物多样性指数BI、土地利用类型LUC、自然植被第一性生产力NPP、高程DEM等生态要素的调入，实现湿地生物多样性维护功能指标的计算。（2）实现湿地生态多样性维护评估功能，包括：评价指标分级、生态功能变化分析（方法参见附录1）。（3）实现湿地野外验证数据、灾害数据的叠加，并实现人机交互的方式进行湿地监测评估结果调整与修改功能。6.3 湿地生态遥感综合评价模块在“国家级生态保护红线遥感应用平台”上，对生态遥感综合评价模块进行本地化改造。基于生态要素产品数据和生物多样性维护功能评估结果，利用生态遥感
12、综合评价方法，实现示范区域的生态遥感综合评价指标的计算、统计、对比分析等功能。具体如下：（1）生态遥感综合指标计算功能：基于国家气象卫星中心构建的生态遥感综合指标，利用湿地生态要素评估模块的输出产品，实现湿地生态遥感综合指标的计算。（2）湿地生态遥感综合指标评估功能：对湿地生态遥感综合指标的计算结果进行分级统计，分析指标功能的变化情况。6.4 气象条件贡献率模块在“国家级生态保护红线遥感应用平台”上，对气象贡献分析模块进行本地化改造。基于气象观测、生态要素产品数据和气象贡献率分析模块，实现示范区域的湿地生态要素变化的气象条件贡献率计算分析，包括计算气象条件对湿地生态要素指标、湿地生物多样性维护
13、功能指标、湿地生态遥感综合指标的贡献率百分比。6.5产品真实性检验模块在“国家级生态保护红线遥感应用平台”上，对真实性检验模块进行本地化改造。基于气象观测数据、试验观测数据等多源数据，利用真实性交叉检验方法，实现示范区域计算结果的真实性对比检验。具体如下：（1）调入无人机数据、地面监测数据、统计数据等多源数据，通过尺度转换、空间插值、格式转换等数据处理，将验证数据转化为与待验证产品相同的空间分辨率产品，并进行几何配准；（2）通过计算统计指标（平均误差、相关系统）等给出所检验产品的总体精度、存在误差等数据。6.6产品制作加工输出模块增加湿地生态保护红线卫星遥感监测产品的输出模块，建立统一产品模板
14、，实现示范区域的产品专题图制作及产品保存输出功能。产品制作：根据模板的内容和查询结果，生成各种格式的发布产品。主要功能是将各种文本、图像产品集成为WORD文档，实现括文本、图像产品、GIS输出自动集成。产品制作人员可以自动调用预定义的各类产品模板，进入office Word嵌入式产品制作视图，在产品制作视图下可以选择任意初级产品或初级产品处理后的服务产品素材插入到服务产品文档中，并提供交互的编辑功能，供业务员完成服务产品的编辑。专题图制图：包括专题图名、经纬网、指北针、比例尺、图例、标注六个基本要素，具体格式如下：（1）专题图名：字体为黑体；图名配置在图廓外边正上方居中位置，二级或三级图名配置
15、在图廓内居中位置，按先左后右，先上后下，并避免压盖专业内容的原则来选择位置。（2）经纬网：经纬度注记为Times New Roman字体，图廓左右经纬度竖直显示并设置成不显示经纬线。（3）指北针：指北针标识在图像的左上方，采用ESRI North 1样式指北针，颜色为黑色。（4）比例尺：比例尺位于地图正中间下方，采用Alternating Scale Bar1宋体，单位为公里。（5）图例：符号的图形、大小、颜色等严格保持同主图符号一致，一般放在图幅的下方。（6）标注：表明数据来源及获取时间，位于图廓的左下角，水平放置。 产品浏览查询：对已完成的产品以时间，产品类型等信息命名格式报存，以便于按照
16、时间、关键字等单独或组合查询、浏览已生成的产品。7 接口要求7.1 用户接口用户界面要求简洁明了，不同种类数据填写的顺序即Tab的顺序要符合实际操作的习惯。在某些同样数据重复次数较多的控件上使用可选或记忆功能，简化操作。在模型计算对话框中，采用默认值方式。7.2 硬件接口该系统既可以利用键盘输入模型参数、阈值等数据，也可以利用鼠标操作。7.3 软件接口软件接口由操作系统、数据库组成。与外界数据库的连接接口，采用ADO连接方式。7.4 通信接口无特殊要求。8 性能需求8.1数据量 系统数据以文件形式存储，处理后的数据存储量在500M左右。8.2时间特性要求 在当前硬件的配置情况下，合理利用系统调
17、优和应用程序优化技术，保证系统的最佳性能，以提高工作效率。本系统主要是处理遥感数据，数据量较大，要求模型计算、分区面积计算功能的操作响应时间应控制在30s以内，HDF文件等数据文件调入应控制在10s以内，其他功能应控制在3s以内。9 运行环境需求9.1网络和硬件设备平台 通过辽宁省气象局内部网络进行共享、产品发布服务。不提供外网服务功能。系统运行机器建议为图形工作站或移动图形工作站。9.2系统的软件环境基于C/S模式，建立软件系统。10 操作系统平台编程工具：Vistual Studio2010或更高版本，C#语言编写。其它支撑软件：ArcGIS Engine 运行许可11用户权限与安全等其它
18、需求 11.1安装和操作可便捷安装或卸载，提供操作及维护说明书。11.2安全保密 （1）权限控制根据不同用户角色，设置相应权限，用户的重要操作都做相应的日志记录以备查看，没有权限的用户禁止使用系统。管理员账户可进行系统修改，其他账户只可查看系统内容，不可修改。（2）数据保密本系统气象部门提供的数据需进行保密，未经许可不得在其他系统和机构中使用，否则追究法律责任。（3）数据备份允许用户进行数据的备份和恢复，以弥补数据的破坏和丢失。（4）记录日志本系统应该能够记录系统运行时所发生的所有错误，包括本机错误和网络错误。这些错误记录便于查找错误的原因。日志同时记录用户的关键性操作信息。11.3维护服务系
19、统可维护性测试重点包括：系统的易分析性、易改变性和稳定性。（1）易分析性系统可以正确判断缺陷或失效原因；对于软件运行错误，应当提示清晰，为用户和系统管理员自己解决问题提供可能。（2）易改变性对相关配置文件、库、表的参数可以提供方便的修改；对于非程序内部错误，由数据元素属性设置、控制规则不当而引起的软件运行错误，软件应为系统管理员提供自行修正的手段；软件应充分考虑在设计环境与适用范围下不同用户的要求，为用户进行本地化配置提供手段。（3）稳定性系统在测试过程中运行稳定；具备软件故障处理机制，多点备份部署，存储分组和数据备份机制。附录1湿地生物多样性指标计算方法及分级标准1. 指标权重各项指标要素的
20、权重见表1.表1 各项评价指标权重归一化植被指数NDVI植被覆盖度FC生物多样性指数BI土地利用类型LUC自然植被第一性生产力NPP高程DEM权重系数0.57680.27240.08700.05350.00730.00302. 湿地生物多样性维护功能评价计算方法计算公式如下：BMI=0.5768*NDVI+0.2724*FC+0.0870*BI+0.0535*LUC+0.0073*NPP+0.0030*DEM式中：BMI生物多样性维护功能指标NDVI归一化植被指数FC植被覆盖度BI生物多样性指数LUC土地利用类型NPP植被第一性生产力DEM高程所有要素需要进行归一化处理，值在01之间。3. 评
21、价指标分级将湿地生物多样性维护功能指标BMI分为5级，即强、较强、一般、较差和差，见表2表2 生物多样性评价指标分级级别强较强一般较差差指数0.710.710.600.600.430.430.0.210.21描述有湿地植被、生态系统功能稳定，生物多样性功能较好有湿地植被，生态系统功能稳定，生物多样性功能良好有农田、稻田等植被，生物多样性功能一般有稀疏植被，生物多样性功能弱裸地、建设用地、生物多样性功能很弱4. 生态功能变化分析根据湿地生物多样性维护功能指标的变化情况，将湿地生物多样性维护功能的变化幅度，分为4级，即无明显变化、略有变化、明显变化、显著变化。变化度分别见表3。表3 生物多样性评价指标变化度分级级别无明显变化略微变化明显变化显著变化指数BMF0.10.1BMF0.20.2BMF0.3BMF0.3描述无明显变化变差或变好明显变差或变好显著变差或变好12