衛(wèi)星系統(tǒng)應用設計的技術要點

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本文作者：李俊坤、王春蓉 單位：中國西南電子技術研究所、空軍駐中國西南電子技術研究所

1引言

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展,大型衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)開始逐步應用到氣象領域,并在天氣系統(tǒng)、自然災害、環(huán)境變化等領域的信息監(jiān)測、分析、處理過程中發(fā)揮了日益重大的影響。某氣象衛(wèi)星應用系統(tǒng)是為配合我國第二代極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)射而建設的大型衛(wèi)星應用系統(tǒng),滿足氣象工作人員在天氣預報、氣候預測和環(huán)境監(jiān)測等方面的迫切需求。為有效利用極軌氣象衛(wèi)星返回的地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料等各類氣象數據信息,及時有效監(jiān)測氣候變化、環(huán)境變化、自然災害等事件,需要搭建地面綜合氣象衛(wèi)星信息監(jiān)測分析服務系統(tǒng)(MonitorAnalysisServiceSystem,MASS),為國家級和省級氣象局從事衛(wèi)星遙感應用業(yè)務專業(yè)技術人員提供一個直接面向業(yè)務人員的監(jiān)測、分析、服務的公共平臺。

目前,國內外尚沒有一套成熟的可借鑒的氣象衛(wèi)星監(jiān)測業(yè)務應用系統(tǒng)。為了實現(xiàn)一個集多種功能包括統(tǒng)一業(yè)務管理、多種數據綜合顯示、遙感專業(yè)圖像處理、遙感信息提取、地理信息綜合應用、專題產品制作、專題信息服務等為一體的綜合業(yè)務應用系統(tǒng),MASS系統(tǒng)不管從方法模型和專題應用研發(fā)還是從業(yè)務系統(tǒng)設計上,都面臨著許多新的問題,主要包括:基于地理位置的遙感信息分析與處理問題,涉及到遙感信息與地理位置信息的集成技術研究;時間信息與空間信息相結合的數據存儲問題,涉及到時空一體化的數據存儲與管理技術研究;海量存儲信息下的數據索引問題,涉及到海量數據圖象信息的處理與顯示技術研究。本文針對以上問題所涉及的軟件相關技術進行了研究,重點在于通過集成創(chuàng)新的方式,利用現(xiàn)有成熟的技術、工具或方法,高效解決這些問題,也是正確實現(xiàn)系統(tǒng)預定功能的可靠保證。

2系統(tǒng)需求概述

2.1業(yè)務功能需求

MASS系統(tǒng)主要針對國家級和省級氣象局從事衛(wèi)星遙感應用專業(yè)技術人員,基于共享數據庫、圖像顯示處理分析平臺、專題圖制作工具等業(yè)務運行公共平臺,提供天氣與氣候、災害與環(huán)境、農業(yè)與生態(tài)方面的遙感監(jiān)測和分析的平臺,以人機交互方式生成相應產品,通過產品平臺分別面向內外網用戶服務產品,實現(xiàn)整個衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)及相關氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務。

2.2功能組成結構

根據MASS系統(tǒng)的上述總體業(yè)務需求,采用當前廣泛引用模型視圖控制器模式(Model-View-Controller,MVC)的劃分原則,將MASS軟件系統(tǒng)劃分為3個組成部分:監(jiān)測分析服務軟件平臺、監(jiān)測分析服務器端支撐軟件平臺和監(jiān)測分析服務產品軟件平臺3個軟件平臺組成。監(jiān)測分析服務軟件平臺:作為系統(tǒng)的模型層,建立在衛(wèi)星遙感信息(RemoteSensingInformation,RS)和地理信息系統(tǒng)(GeographyInformationSystem,GIS)集成應用技術之上,并實現(xiàn)信息存儲、衛(wèi)星氣象目標產品的監(jiān)測分析與應用,并完成專題監(jiān)測產品制作任務。

監(jiān)測分析服務器端支撐軟件平臺:作為系統(tǒng)的控制層,通過建立業(yè)務運行管理和綜合數據庫管理的業(yè)務及數據應用支撐,實現(xiàn)MASS系統(tǒng)的日常業(yè)務化應用運行的支撐與保障。監(jiān)測分析服務產品軟件平臺:作為系統(tǒng)的視圖層,通過WebGIS技術搭建面向政府、企事業(yè)、社會公眾的衛(wèi)星氣象監(jiān)測產品社會化服務,實現(xiàn)MASS系統(tǒng)最大程度的社會效益與經濟效益。WebGIS技術具有良好的跨平臺性、可擴展性以及大眾化的特點在城市規(guī)劃、資源調查以及交通運輸等領域得到了廣泛的應用[1]。圖1是其總體功能結構示意圖。

3關鍵技術解決方案

本節(jié)重點針對MASS系統(tǒng)應用中所面臨的主要問題,通過在監(jiān)測分析服務軟件平臺、監(jiān)測分析服務產品軟件平臺中對相關軟件設計相關技術進行分析研究,提出相應的解決方案。在MASS系統(tǒng)軟件設計研制過程中,通過集成創(chuàng)新的方式,重點突破了以下關鍵技術的實現(xiàn):RS與GIS集成應用技術;基于時空一體化數據存儲與管理技術;海量數據圖像處理、顯示技術。

3.1RS與GIS集成應用技術

在MASS系統(tǒng)中,監(jiān)測分析服務軟件平臺需要完成多源數據的收集與整理和分析、遙感影像的綜合處理與分析,同時結合地理信息處理與分析,實時完成監(jiān)測特定信息的生成與分析等功能。為此,需要在遙感信息和地理信息之間實現(xiàn)更好的集成,使兩者在信息共享、分布式狀態(tài)同步、實時處理與交互等方面具備更高的效率,滿足大范圍、分布式環(huán)境下用戶使用的需要。在地理信息技術方面,美國ERSI公司開發(fā)的ArcGIS是一套基于工業(yè)標準的GIS軟件家族產品,它提供了功能強大并且簡單易用的完整的GIS解決方案,是目前應用十分廣泛的GIS軟件系統(tǒng)。

在遙感圖像處理和分析方面,適普公司開發(fā)的ENVI(TheEnvironmentforVisualizingImages)軟件是一套功能齊全的遙感圖像處理系統(tǒng),是處理、分析并顯示多光譜數據、高光譜數據和雷達數據的高級工具。為更好提高圖像處理和地理信息的結合應用,在監(jiān)測分析服務軟件平臺中,結合使用上述兩種成熟軟件產品,并配合采用快速軟件開發(fā)工具,采用基于ArcGIS的遙測信息處理方式,實現(xiàn)了RS與GIS的集成,其主要實現(xiàn)方法如下:(1)對于外部源數據(如其他靜止衛(wèi)星、其他極軌衛(wèi)星、氣象觀測資料、地理信息資料等),采用多源數據自動化獲取和處理方法,并存儲到遙感影像數據庫、空間信息數據庫、氣象觀測資料數據庫等之中;(2)對于數據存儲和管理例程負責對這些應用數據庫的元數據和業(yè)務數據進行管理(如歸檔、檢索、下載等),并對性能監(jiān)控;(3)遙感影像數據經過MASS監(jiān)測平臺的影像處理之后,與地理空間信息數據和屬性數據一起經過專題產品生成工具形成專題監(jiān)測產品,存儲到專題監(jiān)測產品數據庫中,為產品信息平臺提供數據資料。RS與GIS相結合的綜合監(jiān)測業(yè)務平臺的邏輯結構如圖2所示。

3.2基于時空一體化數據存儲與管理技術

遙感衛(wèi)星數據記錄系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面應用系統(tǒng)中銜接接收系統(tǒng)與產品處理系統(tǒng)的關鍵子系統(tǒng)[2]。MASS綜合數據庫管理的數據具有海量、復雜的特點。一方面,數據庫管理的數據量大,每天接收的氣象衛(wèi)星實時監(jiān)測影像和進行綜合監(jiān)測分析所采用的遙感影像及地理空間信息數據量龐大;另一方面,數據庫管理的數據涉及影像數據、柵格數據、矢量數據、關系型數據、多媒體數據等,這些數據不僅需要建立空間關系上的統(tǒng)一索引,還需要建立時間關系上的一致性。綜合數據庫緊密采用現(xiàn)代最先進的遙感影像管理技術和地理空間信息管理技術,結合傳統(tǒng)的關系型數據庫技術以及非結構化的數據庫技術實現(xiàn)上述復雜數據的時空一體化的高效管理。MASS時空數據庫的設計要在現(xiàn)有空間數據庫基礎上增加圖形要素的時態(tài)信息。時空數據庫包括地理目標的空間信息和時間信息,采用基于空間信息的時間屬性疊加處理方式進行設計,其主要實現(xiàn)方式如下。

(1)基于空間信息的時間屬性疊加處理,首先需要實現(xiàn)空間信息與時間屬性的關聯(lián)。在存儲空間信息時,需要關聯(lián)存儲其對應的時間屬性。需要存儲的時間屬性主要包括數據保存時間、更新時間、遙感信息獲取時間、參考時區(qū);

(2)其次,建立時間信息與空間信息之間的約束關系。約束關系包括時間屬性之間的約束,以及時間屬性與空間信息之間的約束,避免出現(xiàn)時間信息與空間信息的不一致,比如時區(qū)信息與空間信息之間的不統(tǒng)一。

(3)確保數據的完整性:包括空間信息、屬性信息和時間信息的完整性?？臻g信息、屬性信息的完整性是指一個地理目標的空間信息應該完整,不能有裂縫(如地形圖接邊造成)或屬性項的缺漏以及屬性項取值的不正確(如以目標的局部屬性值代替目標整體屬性值等)。時間信息的完整性是指應包括地理目標的即除包括地理目標的現(xiàn)狀信息、歷史信息以及保持這些信息的時間區(qū)間等所有時間版本信息。

(4)確保地理目標的可追溯性:可以追溯現(xiàn)狀目標或歷史目標的過去或未來的變化情況。

(5)保證地理目標增量的可知性:可以快速求出某兩個不同時刻數據庫地理目標增量。(6)實現(xiàn)數據的現(xiàn)勢性:可以快速將新增目標追加到現(xiàn)狀數據庫,發(fā)生版本變化目標更新到最新版本;非現(xiàn)狀目標或目標版本存入歷史數據庫。

(7)語義、幾何特征類型相同原則和生命周期相同原則:空間要素分層時,應將具有相同語義、幾何特征及相近生命周期的空間要素分在一層。圖3為基于ArcGISServer數據存儲管理與應用服務體系結構示意圖。

3.3海量數據圖像處理與顯示

MASS綜合數據庫管理的數據具有海量、復雜的特點,同時,要求系統(tǒng)具有強大的圖像處理與綜合分析功能(包括通道合成、圖像增強、信息融合、拼接與鑲嵌、三維立體分析、統(tǒng)計分析、動畫與多媒體顯示等),因此,采用為實現(xiàn)對海量遙感信息的高速查找與處理,在系統(tǒng)研制中使用了ArcGisServer作為解決海量數據高速查找與處理的基礎構件。ArcGISServer是功能強大的基于服務器的GIS產品,用于構件集中管理、支持多用戶的GIS應用與服務,如:空間數據管理、二維三維地圖可視化等類型豐富的服務。ArcSDE技術包含在ArcGISServer體系中,基于ArcSDE的空間數據庫Geodatabase在數據庫中可以存儲各種空間、時間相關的數據、屬性和數據完整性規(guī)則和行為,比如矢量、柵格、影像、地表、注記、網絡、拓撲、規(guī)則、關系等。

ArcSDE作為用于訪問存儲在關系數據庫中空間數據的中間件,其性能的好壞很大程度上取決于Oracle的性能狀況。適當地配置Oracle,不同的需求使用不同的表組織形式[3],進行Oracle邏輯結構優(yōu)化,可以確保ArcSDE的性能得到充分發(fā)揮,從而保證系統(tǒng)的運行效率?；谒饕臄祿ㄎ环绞?是當前Oracle調優(yōu)中主要采用的形式,通過以下兩種方式實現(xiàn):一是建立索引,通過對常用數據字段、標識字段等兩類字段建立索引,能極大提高對數據的查找效率;二是設置合適的數據塊大小,使頻繁查找的數據能常駐內存,減少對磁盤I/O讀寫的次數。

建立索引和設置數據塊大小相結合的關鍵,在于合理設置表的結構,使常用字段、索引字段盡可能的少,使之存放在一個數據塊中,提高查找效率。同時,將圖象數據與相應標識單獨存放在特定的表中,通過標識獲取對應的圖象數據,這樣,無論圖象數據有多少,只需要2~3次磁盤讀寫,即可獲取到特定的圖象數據及其相關信息。通過專項測試,同樣在1800萬條數據記錄中進行查找的情況下,如果僅僅將數據存儲在數據庫中,返回結果大約要10min。通過對數據庫建立索引并設置合適的數據塊大小后,其返回時間縮短到約5s左右,極大提高了對海量數據進行查找和處理的效率。

4總結

地面衛(wèi)星信息服務系統(tǒng)軟件設計技術是實現(xiàn)該系統(tǒng)預定功能的基礎支撐技術。根據系統(tǒng)特點,本文對地面衛(wèi)星信息服務系統(tǒng)軟件設計中所涉及到的RS與GIS的集成應用、時空一體化數據存儲與管理、海量圖像處理與顯示等3個關鍵技術的解決方案進行了詳細介紹。通過在某氣象衛(wèi)星配套地面信息服務系統(tǒng)中的應用,驗證了本文所介紹的解決方案的可行性,為該衛(wèi)星的成功應用奠定了基礎,可最大限度地發(fā)揮氣象衛(wèi)星資料的應用服務效益,滿足用戶的相關技術人員的要求,并可廣泛應用于相關氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)中。在后續(xù)工作中,如何加大相關基礎核心軟件開發(fā)(如基礎數據庫等)在系統(tǒng)研發(fā)和集成的比重,將是后續(xù)工作的重點之一。