卫星系统应用设计的技术要点

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本文作者：李俊坤、王春蓉 单位：中国西南电子技术研究所、空军驻中国西南电子技术研究所

1引言

随着我国科技水平的不断发展,大型卫星地面应用系统开始逐步应用到气象领域,并在天气系统、自然灾害、环境变化等领域的信息监测、分析、处理过程中发挥了日益重大的影响。某气象卫星应用系统是为配合我国第二代极轨气象卫星的发射而建设的大型卫星应用系统,满足气象工作人员在天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求。为有效利用极轨气象卫星返回的地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料等各类气象数据信息,及时有效监测气候变化、环境变化、自然灾害等事件,需要搭建地面综合气象卫星信息监测分析服务系统(MonitorAnalysisServiceSystem,MASS),为国家级和省级气象局从事卫星遥感应用业务专业技术人员提供一个直接面向业务人员的监测、分析、服务的公共平台。

目前,国内外尚没有一套成熟的可借鉴的气象卫星监测业务应用系统。为了实现一个集多种功能包括统一业务管理、多种数据综合显示、遥感专业图像处理、遥感信息提取、地理信息综合应用、专题产品制作、专题信息服务等为一体的综合业务应用系统,MASS系统不管从方法模型和专题应用研发还是从业务系统设计上,都面临着许多新的问题,主要包括:基于地理位置的遥感信息分析与处理问题,涉及到遥感信息与地理位置信息的集成技术研究;时间信息与空间信息相结合的数据存储问题,涉及到时空一体化的数据存储与管理技术研究;海量存储信息下的数据索引问题,涉及到海量数据图象信息的处理与显示技术研究。本文针对以上问题所涉及的软件相关技术进行了研究,重点在于通过集成创新的方式,利用现有成熟的技术、工具或方法,高效解决这些问题,也是正确实现系统预定功能的可靠保证。

2系统需求概述

2.1业务功能需求

MASS系统主要针对国家级和省级气象局从事卫星遥感应用专业技术人员,基于共享数据库、图像显示处理分析平台、专题图制作工具等业务运行公共平台,提供天气与气候、灾害与环境、农业与生态方面的遥感监测和分析的平台,以人机交互方式生成相应产品,通过产品平台分别面向内外网用户服务产品,实现整个卫星地面应用系统及相关气象卫星遥感监测服务。

2.2功能组成结构

根据MASS系统的上述总体业务需求,采用当前广泛引用模型视图控制器模式(Model-View-Controller,MVC)的划分原则,将MASS软件系统划分为3个组成部分:监测分析服务软件平台、监测分析服务器端支撑软件平台和监测分析服务产品软件平台3个软件平台组成。监测分析服务软件平台:作为系统的模型层,建立在卫星遥感信息(RemoteSensingInformation,RS)和地理信息系统(GeographyInformationSystem,GIS)集成应用技术之上,并实现信息存储、卫星气象目标产品的监测分析与应用,并完成专题监测产品制作任务。

监测分析服务器端支撑软件平台:作为系统的控制层,通过建立业务运行管理和综合数据库管理的业务及数据应用支撑,实现MASS系统的日常业务化应用运行的支撑与保障。监测分析服务产品软件平台:作为系统的视图层,通过WebGIS技术搭建面向政府、企事业、社会公众的卫星气象监测产品社会化服务,实现MASS系统最大程度的社会效益与经济效益。WebGIS技术具有良好的跨平台性、可扩展性以及大众化的特点在城市规划、资源调查以及交通运输等领域得到了广泛的应用[1]。图1是其总体功能结构示意图。

3关键技术解决方案

本节重点针对MASS系统应用中所面临的主要问题,通过在监测分析服务软件平台、监测分析服务产品软件平台中对相关软件设计相关技术进行分析研究,提出相应的解决方案。在MASS系统软件设计研制过程中,通过集成创新的方式,重点突破了以下关键技术的实现:RS与GIS集成应用技术;基于时空一体化数据存储与管理技术;海量数据图像处理、显示技术。

3.1RS与GIS集成应用技术

在MASS系统中,监测分析服务软件平台需要完成多源数据的收集与整理和分析、遥感影像的综合处理与分析,同时结合地理信息处理与分析,实时完成监测特定信息的生成与分析等功能。为此,需要在遥感信息和地理信息之间实现更好的集成,使两者在信息共享、分布式状态同步、实时处理与交互等方面具备更高的效率,满足大范围、分布式环境下用户使用的需要。在地理信息技术方面,美国ERSI公司开发的ArcGIS是一套基于工业标准的GIS软件家族产品,它提供了功能强大并且简单易用的完整的GIS解决方案,是目前应用十分广泛的GIS软件系统。

在遥感图像处理和分析方面,适普公司开发的ENVI(TheEnvironmentforVisualizingImages)软件是一套功能齐全的遥感图像处理系统,是处理、分析并显示多光谱数据、高光谱数据和雷达数据的高级工具。为更好提高图像处理和地理信息的结合应用,在监测分析服务软件平台中,结合使用上述两种成熟软件产品,并配合采用快速软件开发工具,采用基于ArcGIS的遥测信息处理方式,实现了RS与GIS的集成,其主要实现方法如下:(1)对于外部源数据(如其他静止卫星、其他极轨卫星、气象观测资料、地理信息资料等),采用多源数据自动化获取和处理方法,并存储到遥感影像数据库、空间信息数据库、气象观测资料数据库等之中;(2)对于数据存储和管理例程负责对这些应用数据库的元数据和业务数据进行管理(如归档、检索、下载等),并对性能监控;(3)遥感影像数据经过MASS监测平台的影像处理之后,与地理空间信息数据和属性数据一起经过专题产品生成工具形成专题监测产品,存储到专题监测产品数据库中,为产品信息平台提供数据资料。RS与GIS相结合的综合监测业务平台的逻辑结构如图2所示。

3.2基于时空一体化数据存储与管理技术

遥感卫星数据记录系统是遥感卫星地面应用系统中衔接接收系统与产品处理系统的关键子系统[2]。MASS综合数据库管理的数据具有海量、复杂的特点。一方面,数据库管理的数据量大,每天接收的气象卫星实时监测影像和进行综合监测分析所采用的遥感影像及地理空间信息数据量庞大;另一方面,数据库管理的数据涉及影像数据、栅格数据、矢量数据、关系型数据、多媒体数据等,这些数据不仅需要建立空间关系上的统一索引,还需要建立时间关系上的一致性。综合数据库紧密采用现代最先进的遥感影像管理技术和地理空间信息管理技术,结合传统的关系型数据库技术以及非结构化的数据库技术实现上述复杂数据的时空一体化的高效管理。MASS时空数据库的设计要在现有空间数据库基础上增加图形要素的时态信息。时空数据库包括地理目标的空间信息和时间信息,采用基于空间信息的时间属性叠加处理方式进行设计,其主要实现方式如下。

(1)基于空间信息的时间属性叠加处理,首先需要实现空间信息与时间属性的关联。在存储空间信息时,需要关联存储其对应的时间属性。需要存储的时间属性主要包括数据保存时间、更新时间、遥感信息获取时间、参考时区;

(2)其次,建立时间信息与空间信息之间的约束关系。约束关系包括时间属性之间的约束,以及时间属性与空间信息之间的约束,避免出现时间信息与空间信息的不一致,比如时区信息与空间信息之间的不统一。

(3)确保数据的完整性:包括空间信息、属性信息和时间信息的完整性。空间信息、属性信息的完整性是指一个地理目标的空间信息应该完整,不能有裂缝(如地形图接边造成)或属性项的缺漏以及属性项取值的不正确(如以目标的局部属性值代替目标整体属性值等)。时间信息的完整性是指应包括地理目标的即除包括地理目标的现状信息、历史信息以及保持这些信息的时间区间等所有时间版本信息。

(4)确保地理目标的可追溯性:可以追溯现状目标或历史目标的过去或未来的变化情况。

(5)保证地理目标增量的可知性:可以快速求出某两个不同时刻数据库地理目标增量。(6)实现数据的现势性:可以快速将新增目标追加到现状数据库,发生版本变化目标更新到最新版本;非现状目标或目标版本存入历史数据库。

(7)语义、几何特征类型相同原则和生命周期相同原则:空间要素分层时,应将具有相同语义、几何特征及相近生命周期的空间要素分在一层。图3为基于ArcGISServer数据存储管理与应用服务体系结构示意图。

3.3海量数据图像处理与显示

MASS综合数据库管理的数据具有海量、复杂的特点,同时,要求系统具有强大的图像处理与综合分析功能(包括通道合成、图像增强、信息融合、拼接与镶嵌、三维立体分析、统计分析、动画与多媒体显示等),因此,采用为实现对海量遥感信息的高速查找与处理,在系统研制中使用了ArcGisServer作为解决海量数据高速查找与处理的基础构件。ArcGISServer是功能强大的基于服务器的GIS产品,用于构件集中管理、支持多用户的GIS应用与服务,如:空间数据管理、二维三维地图可视化等类型丰富的服务。ArcSDE技术包含在ArcGISServer体系中,基于ArcSDE的空间数据库Geodatabase在数据库中可以存储各种空间、时间相关的数据、属性和数据完整性规则和行为,比如矢量、栅格、影像、地表、注记、网络、拓扑、规则、关系等。

ArcSDE作为用于访问存储在关系数据库中空间数据的中间件,其性能的好坏很大程度上取决于Oracle的性能状况。适当地配置Oracle,不同的需求使用不同的表组织形式[3],进行Oracle逻辑结构优化,可以确保ArcSDE的性能得到充分发挥,从而保证系统的运行效率。基于索引的数据定位方式,是当前Oracle调优中主要采用的形式,通过以下两种方式实现:一是建立索引,通过对常用数据字段、标识字段等两类字段建立索引,能极大提高对数据的查找效率;二是设置合适的数据块大小,使频繁查找的数据能常驻内存,减少对磁盘I/O读写的次数。

建立索引和设置数据块大小相结合的关键,在于合理设置表的结构,使常用字段、索引字段尽可能的少,使之存放在一个数据块中,提高查找效率。同时,将图象数据与相应标识单独存放在特定的表中,通过标识获取对应的图象数据,这样,无论图象数据有多少,只需要2~3次磁盘读写,即可获取到特定的图象数据及其相关信息。通过专项测试,同样在1800万条数据记录中进行查找的情况下,如果仅仅将数据存储在数据库中,返回结果大约要10min。通过对数据库建立索引并设置合适的数据块大小后,其返回时间缩短到约5s左右,极大提高了对海量数据进行查找和处理的效率。

4总结

地面卫星信息服务系统软件设计技术是实现该系统预定功能的基础支撑技术。根据系统特点,本文对地面卫星信息服务系统软件设计中所涉及到的RS与GIS的集成应用、时空一体化数据存储与管理、海量图像处理与显示等3个关键技术的解决方案进行了详细介绍。通过在某气象卫星配套地面信息服务系统中的应用,验证了本文所介绍的解决方案的可行性,为该卫星的成功应用奠定了基础,可最大限度地发挥气象卫星资料的应用服务效益,满足用户的相关技术人员的要求,并可广泛应用于相关气象卫星地面系统中。在后续工作中,如何加大相关基础核心软件开发(如基础数据库等)在系统研发和集成的比重,将是后续工作的重点之一。