地面衛(wèi)星信息監(jiān)測分析服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)?

李俊坤，王春蓉

地面衛(wèi)星信息監(jiān)測分析服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)?

李俊坤1，王春蓉2

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.空軍駐中國西南電子技術(shù)研究所軍事代表室，成都610036）

地面綜合氣象衛(wèi)星信息監(jiān)測分析服務(wù)系統(tǒng)是衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分。根據(jù)其功能實(shí)現(xiàn)的需要，通過采用基于ArcGIS的遙測信息處理、基于空間信息的時(shí)間屬性疊加存儲(chǔ)，以及基于索引查找的海量信息定位等方法，搭建了氣象衛(wèi)星信息監(jiān)測分析服務(wù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)所涉及到的地理信息與遙感信息相結(jié)合、時(shí)空一體化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、海量數(shù)據(jù)圖像處理與顯示等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，為該氣象衛(wèi)星的整體成功應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

氣象衛(wèi)星；衛(wèi)星應(yīng)用；監(jiān)測分析服務(wù)系統(tǒng)；中間件；電子信息系統(tǒng)

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(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、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(shù)據(jù)信息，及時(shí)有效監(jiān)測氣候變化、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)測分析服務(wù)系統(tǒng)（Monitor Analysis Service System，MASS），為國家級(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、分析、服務(wù)的公共平臺(tái)。

目前，國內(nèi)外尚沒有一套成熟的可借鑒的氣象衛(wèi)星監(jiān)測業(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、專題信息發(fā)布服務(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)品發(fā)布平臺(tái)分別面向內(nèi)外網(wǎng)用戶發(fā)布服務(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)測分析服務(wù)軟件平臺(tái)、監(jiān)測分析服務(wù)器端支撐軟件平臺(tái)和監(jiān)測分析服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布軟件平臺(tái)3個(gè)軟件平臺(tái)組成。

監(jiān)測分析服務(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（Remote Sensing Information，RS）和地理信息系統(tǒng)（Geography Information System，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)測分析與應(yīng)用，并完成專題監(jiān)測產(chǎn)品制作任務(wù)。

監(jiān)測分析服務(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)測分析服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布軟件平臺(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)測分析服務(wù)軟件平臺(tái)、監(jiān)測分析服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布軟件平臺(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)。

3.1 RS與GIS集成應(yīng)用技術(shù)

在MASS系統(tǒng)中，監(jiān)測分析服務(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（The Environment for Visualizing Images）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)測產(chǎn)品，存儲(chǔ)到專題監(jiān)測產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，為產(chǎn)品發(fā)布信息平臺(tái)提供發(fā)布數(shù)據(jù)資料。

RS與GIS相結(jié)合的綜合監(jiān)測業(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)測影像和進(jìn)行綜合監(jiān)測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ArcGIS Server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ArcGis Server作為解決海量數(shù)據(jù)高速查找與處理的基礎(chǔ)構(gòu)件。ArcGIS Server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ArcGIS Server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)測試，同樣在1 800萬條數(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10 min。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5 s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。

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LI Jun-kun was born in Zigong，Sichuan Province，in 1980. He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research concerns overall system and open system architecture.

Email：junkunl＠126.com

王春蓉（1976—），女，四川劍閣人，工程師，主要從事航空電子系統(tǒng)及設(shè)備的技術(shù)研究和科研管理工作。

WANG Chun-rong was born in Jiange，Sichuan Province，in 1976.She is now an engineer.Her research concerns avionics system and equipment.

Key Technology in Design of Software for Weather Satellite Ground Information Monitor Analysis Service System

LI Jun-kun1，WANG Chun-rong2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.Military Delegation Office of Air Force in Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The ground Monitor Analysis Service System（MASS）for weather satellite is an important part of satellite system application.In this paper，according to the requirement of MASS implementation，related key technologies in software design are discussed，such as remote sensing information combined geography information，space-time integration of data storage，huge amounts of image data processing and display.Solutions to the key technologies are given based on the methods including processing of remote sensing information，time attributes based on spatial information，and positioning technology of huge information based on data index.The works in this paper provide a solid technical foundation for successful application of the satellite system.

weather satellite；satellite application；monitor analysis service system；middleware；electronic information system

TP311.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.029

李俊坤（1980—），男，四川自貢人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事系統(tǒng)總體技術(shù)和開放式系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)等方面的研究與應(yīng)用；

1001-893X（2012）07-1188-04

2012-01-04；

2012-06-20