衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

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本文作者：李俊坤、王春蓉 單位：中國(guó)西南電子技術(shù)研究所、空軍駐中國(guó)西南電子技術(shù)研究所

1引言

隨著我國(guó)科技水平的不斷發(fā)展,大型衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)開始逐步應(yīng)用到氣象領(lǐng)域,并在天氣系統(tǒng)、自然災(zāi)害、環(huán)境變化等領(lǐng)域的信息監(jiān)測(cè)、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(yīng)用系統(tǒng)是為配合我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星的發(fā)射而建設(shè)的大型衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng),滿足氣象工作人員在天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)信息,及時(shí)有效監(jiān)測(cè)氣候變化、環(huán)境變化、自然災(zāi)害等事件,需要搭建地面綜合氣象衛(wèi)星信息監(jiān)測(cè)分析服務(wù)系統(tǒng)(MonitorAnalysisServiceSystem,MASS),為國(guó)家級(jí)和省級(jí)氣象局從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)專業(yè)技術(shù)人員提供一個(gè)直接面向業(yè)務(wù)人員的監(jiān)測(cè)、分析、服務(wù)的公共平臺(tái)。

目前,國(guó)內(nèi)外尚沒有一套成熟的可借鑒的氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)集多種功能包括統(tǒng)一業(yè)務(wù)管理、多種數(shù)據(jù)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(yīng)用、專題產(chǎn)品制作、專題信息服務(wù)等為一體的綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng),MASS系統(tǒng)不管從方法模型和專題應(yīng)用研發(fā)還是從業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)研究;時(shí)間信息與空間信息相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題,涉及到時(shí)空一體化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)研究;海量存儲(chǔ)信息下的數(shù)據(jù)索引問題,涉及到海量數(shù)據(jù)圖象信息的處理與顯示技術(shù)研究。本文針對(duì)以上問題所涉及的軟件相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)在于通過集成創(chuàng)新的方式,利用現(xiàn)有成熟的技術(shù)、工具或方法,高效解決這些問題,也是正確實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定功能的可靠保證。

2系統(tǒng)需求概述

2.1業(yè)務(wù)功能需求

MASS系統(tǒng)主要針對(duì)國(guó)家級(jí)和省級(jí)氣象局從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用專業(yè)技術(shù)人員,基于共享數(shù)據(jù)庫、圖像顯示處理分析平臺(tái)、專題圖制作工具等業(yè)務(wù)運(yùn)行公共平臺(tái),提供天氣與氣候、災(zāi)害與環(huán)境、農(nóng)業(yè)與生態(tài)方面的遙感監(jiān)測(cè)和分析的平臺(tái),以人機(jī)交互方式生成相應(yīng)產(chǎn)品,通過產(chǎn)品平臺(tái)分別面向內(nèi)外網(wǎng)用戶服務(wù)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)整個(gè)衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)及相關(guān)氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)。

2.2功能組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)MASS系統(tǒng)的上述總體業(yè)務(wù)需求,采用當(dāng)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(gè)組成部分:監(jiān)測(cè)分析服務(wù)軟件平臺(tái)、監(jiān)測(cè)分析服務(wù)器端支撐軟件平臺(tái)和監(jiān)測(cè)分析服務(wù)產(chǎn)品軟件平臺(tái)3個(gè)軟件平臺(tái)組成。監(jiān)測(cè)分析服務(wù)軟件平臺(tái):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(yīng)用技術(shù)之上,并實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、衛(wèi)星氣象目標(biāo)產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)分析與應(yīng)用,并完成專題監(jiān)測(cè)產(chǎn)品制作任務(wù)。

監(jiān)測(cè)分析服務(wù)器端支撐軟件平臺(tái):作為系統(tǒng)的控制層,通過建立業(yè)務(wù)運(yùn)行管理和綜合數(shù)據(jù)庫管理的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐,實(shí)現(xiàn)MASS系統(tǒng)的日常業(yè)務(wù)化應(yīng)用運(yùn)行的支撐與保障。監(jiān)測(cè)分析服務(wù)產(chǎn)品軟件平臺(tái):作為系統(tǒng)的視圖層,通過WebGIS技術(shù)搭建面向政府、企事業(yè)、社會(huì)公眾的衛(wèi)星氣象監(jiān)測(cè)產(chǎn)品社會(huì)化服務(wù),實(shí)現(xiàn)MASS系統(tǒng)最大程度的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。WebGIS技術(shù)具有良好的跨平臺(tái)性、可擴(kuò)展性以及大眾化的特點(diǎn)在城市規(guī)劃、資源調(diào)查以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。圖1是其總體功能結(jié)構(gòu)示意圖。

3關(guān)鍵技術(shù)解決方案

本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)MASS系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的主要問題,通過在監(jiān)測(cè)分析服務(wù)軟件平臺(tái)、監(jiān)測(cè)分析服務(wù)產(chǎn)品軟件平臺(tái)中對(duì)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析研究,提出相應(yīng)的解決方案。在MASS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)研制過程中,通過集成創(chuàng)新的方式,重點(diǎn)突破了以下關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn):RS與GIS集成應(yīng)用技術(shù);基于時(shí)空一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù);海量數(shù)據(jù)圖像處理、顯示技術(shù)。

3.1RS與GIS集成應(yīng)用技術(shù)

在MASS系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)分析服務(wù)軟件平臺(tái)需要完成多源數(shù)據(jù)的收集與整理和分析、遙感影像的綜合處理與分析,同時(shí)結(jié)合地理信息處理與分析,實(shí)時(shí)完成監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)更好的集成,使兩者在信息共享、分布式狀態(tài)同步、實(shí)時(shí)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(shù)方面,美國(guó)ERSI公司開發(fā)的ArcGIS是一套基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的GIS軟件家族產(chǎn)品,它提供了功能強(qiáng)大并且簡(jiǎn)單易用的完整的GIS解決方案,是目前應(yīng)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(shù)據(jù)、高光譜數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)的高級(jí)工具。為更好提高圖像處理和地理信息的結(jié)合應(yīng)用,在監(jiān)測(cè)分析服務(wù)軟件平臺(tái)中,結(jié)合使用上述兩種成熟軟件產(chǎn)品,并配合采用快速軟件開發(fā)工具,采用基于ArcGIS的遙測(cè)信息處理方式,實(shí)現(xiàn)了RS與GIS的集成,其主要實(shí)現(xiàn)方法如下:(1)對(duì)于外部源數(shù)據(jù)(如其他靜止衛(wèi)星、其他極軌衛(wèi)星、氣象觀測(cè)資料、地理信息資料等),采用多源數(shù)據(jù)自動(dòng)化獲取和處理方法,并存儲(chǔ)到遙感影像數(shù)據(jù)庫、空間信息數(shù)據(jù)庫、氣象觀測(cè)資料數(shù)據(jù)庫等之中;(2)對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理例程負(fù)責(zé)對(duì)這些應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的元數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理(如歸檔、檢索、下載等),并對(duì)性能監(jiān)控;(3)遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過MASS監(jiān)測(cè)平臺(tái)的影像處理之后,與地理空間信息數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一起經(jīng)過專題產(chǎn)品生成工具形成專題監(jiān)測(cè)產(chǎn)品,存儲(chǔ)到專題監(jiān)測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中,為產(chǎn)品信息平臺(tái)提供數(shù)據(jù)資料。RS與GIS相結(jié)合的綜合監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2基于時(shí)空一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中銜接接收系統(tǒng)與產(chǎn)品處理系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)[2]。MASS綜合數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)具有海量、復(fù)雜的特點(diǎn)。一方面,數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)量大,每天接收的氣象衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)影像和進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)分析所采用的遙感影像及地理空間信息數(shù)據(jù)量龐大;另一方面,數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)涉及影像數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等,這些數(shù)據(jù)不僅需要建立空間關(guān)系上的統(tǒng)一索引,還需要建立時(shí)間關(guān)系上的一致性。綜合數(shù)據(jù)庫緊密采用現(xiàn)代最先進(jìn)的遙感影像管理技術(shù)和地理空間信息管理技術(shù),結(jié)合傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜數(shù)據(jù)的時(shí)空一體化的高效管理。MASS時(shí)空數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)要在現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上增加圖形要素的時(shí)態(tài)信息。時(shí)空數(shù)據(jù)庫包括地理目標(biāo)的空間信息和時(shí)間信息,采用基于空間信息的時(shí)間屬性疊加處理方式進(jìn)行設(shè)計(jì),其主要實(shí)現(xiàn)方式如下。

(1)基于空間信息的時(shí)間屬性疊加處理,首先需要實(shí)現(xiàn)空間信息與時(shí)間屬性的關(guān)聯(lián)。在存儲(chǔ)空間信息時(shí),需要關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)其對(duì)應(yīng)的時(shí)間屬性。需要存儲(chǔ)的時(shí)間屬性主要包括數(shù)據(jù)保存時(shí)間、更新時(shí)間、遙感信息獲取時(shí)間、參考時(shí)區(qū);

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

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

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

(5)保證地理目標(biāo)增量的可知性:可以快速求出某兩個(gè)不同時(shí)刻數(shù)據(jù)庫地理目標(biāo)增量。(6)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性:可以快速將新增目標(biāo)追加到現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫,發(fā)生版本變化目標(biāo)更新到最新版本;非現(xiàn)狀目標(biāo)或目標(biāo)版本存入歷史數(shù)據(jù)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(shí),應(yīng)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與應(yīng)用服務(wù)體系結(jié)構(gòu)示意圖。

3.3海量數(shù)據(jù)圖像處理與顯示

MASS綜合數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)具有海量、復(fù)雜的特點(diǎn),同時(shí),要求系統(tǒng)具有強(qiáng)大的圖像處理與綜合分析功能(包括通道合成、圖像增強(qiáng)、信息融合、拼接與鑲嵌、三維立體分析、統(tǒng)計(jì)分析、動(dòng)畫與多媒體顯示等),因此,采用為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)據(jù)高速查找與處理的基礎(chǔ)構(gòu)件。ArcGISServer是功能強(qiáng)大的基于服務(wù)器的GIS產(chǎn)品,用于構(gòu)件集中管理、支持多用戶的GIS應(yīng)用與服務(wù),如:空間數(shù)據(jù)管理、二維三維地圖可視化等類型豐富的服務(wù)。ArcSDE技術(shù)包含在ArcGISServer體系中,基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫Geodatabase在數(shù)據(jù)庫中可以存儲(chǔ)各種空間、時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)、屬性和數(shù)據(jù)完整性規(guī)則和行為,比如矢量、柵格、影像、地表、注記、網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)?、?guī)則、關(guān)系等。

ArcSDE作為用于訪問存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中空間數(shù)據(jù)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(dāng)?shù)嘏渲肙racle,不同的需求使用不同的表組織形式[3],進(jìn)行Oracle邏輯結(jié)構(gòu)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(yùn)行效率?；谒饕臄?shù)據(jù)定位方式,是當(dāng)前Oracle調(diào)優(yōu)中主要采用的形式,通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn):一是建立索引,通過對(duì)常用數(shù)據(jù)字段、標(biāo)識(shí)字段等兩類字段建立索引,能極大提高對(duì)數(shù)據(jù)的查找效率;二是設(shè)置合適的數(shù)據(jù)塊大小,使頻繁查找的數(shù)據(jù)能常駐內(nèi)存,減少對(duì)磁盤I/O讀寫的次數(shù)。

建立索引和設(shè)置數(shù)據(jù)塊大小相結(jié)合的關(guān)鍵,在于合理設(shè)置表的結(jié)構(gòu),使常用字段、索引字段盡可能的少,使之存放在一個(gè)數(shù)據(jù)塊中,提高查找效率。同時(shí),將圖象數(shù)據(jù)與相應(yīng)標(biāo)識(shí)單獨(dú)存放在特定的表中,通過標(biāo)識(shí)獲取對(duì)應(yīng)的圖象數(shù)據(jù),這樣,無論圖象數(shù)據(jù)有多少,只需要2~3次磁盤讀寫,即可獲取到特定的圖象數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息。通過專項(xiàng)測(cè)試,同樣在1800萬條數(shù)據(jù)記錄中進(jìn)行查找的情況下,如果僅僅將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中,返回結(jié)果大約要10min。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫建立索引并設(shè)置合適的數(shù)據(jù)塊大小后,其返回時(shí)間縮短到約5s左右,極大提高了對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行查找和處理的效率。

4總結(jié)

地面衛(wèi)星信息服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)預(yù)定功能的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn),本文對(duì)地面衛(wèi)星信息服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中所涉及到的RS與GIS的集成應(yīng)用、時(shí)空一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、海量圖像處理與顯示等3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。通過在某氣象衛(wèi)星配套地面信息服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用,驗(yàn)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ),可最大限度地發(fā)揮氣象衛(wèi)星資料的應(yīng)用服務(wù)效益,滿足用戶的相關(guān)技術(shù)人員的要求,并可廣泛應(yīng)用于相關(guān)氣象衛(wèi)星地面系統(tǒng)中。在后續(xù)工作中,如何加大相關(guān)基礎(chǔ)核心軟件開發(fā)(如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(diǎn)之一。