基于衛(wèi)星遙感及數(shù)據(jù)庫(kù)同步的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁 翔

(福建省氣象信息中心，福州 350028)

0 引言

衛(wèi)星遙感是包含多項(xiàng)天體觀測(cè)方法的綜合性應(yīng)用技術(shù)，能夠借助儀器儀表設(shè)備，對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理與分析。遙感平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感技術(shù)的關(guān)鍵運(yùn)載工具，可以在遙感器元件的作用下，反射電磁波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地物環(huán)境輻射的遠(yuǎn)距離感測(cè)，常見(jiàn)的多光譜掃描儀、散射計(jì)、紅外掃描儀等設(shè)備，都屬于高精度的遙感器元件[1]。相較于其他類(lèi)型的測(cè)量方法，衛(wèi)星遙感具有數(shù)據(jù)采集速度快、信息可重復(fù)、視域廣等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)庫(kù)同步就是指數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)可以將當(dāng)前程序指令的最終執(zhí)行結(jié)果直接回傳至相關(guān)節(jié)點(diǎn)，并可以在傳輸過(guò)程中維護(hù)數(shù)據(jù)一致性的處理方法，既彌補(bǔ)了異構(gòu)環(huán)境在完整性方面的不足，也使得本地主機(jī)具有了高級(jí)自治的能力[2]。近年來(lái)，相關(guān)研究人員將衛(wèi)星遙感技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)同步思想結(jié)合起來(lái)，并以這種新型處理方法為基礎(chǔ)，對(duì)自然災(zāi)害等環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

氣象災(zāi)害是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害問(wèn)題，具有破壞性強(qiáng)、作用范圍廣等特征，惡劣環(huán)境下氣象災(zāi)害的頻繁發(fā)生不但會(huì)對(duì)自然生態(tài)平衡造成嚴(yán)重影響，還有可能危及人們的生命安全。微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)局部定點(diǎn)區(qū)域建立智能化的微型氣象監(jiān)測(cè)模型，利用Raspberry Pi 4B平臺(tái)采集氣象數(shù)據(jù)，并基于Qt架構(gòu)體系開(kāi)發(fā)了一款服務(wù)端應(yīng)用軟件，該系統(tǒng)能夠綜合檢測(cè)多種不同的氣象信息，為氣象數(shù)據(jù)聯(lián)合分析提供可靠的源數(shù)據(jù)信息[3]?；?G的高分辨率氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以降低監(jiān)測(cè)時(shí)延作為出發(fā)點(diǎn)，聯(lián)合4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突出氣象災(zāi)害問(wèn)題的定向化監(jiān)測(cè)，并借助SQL數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)[4]。上述兩類(lèi)系統(tǒng)的應(yīng)用，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣象預(yù)警指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，但卻并不能有效控制實(shí)際測(cè)量值指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值之間的數(shù)值差，故而容易導(dǎo)致非精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的出現(xiàn)。為避免上述情況的發(fā)生，聯(lián)合衛(wèi)星遙感與數(shù)據(jù)庫(kù)同步處理技術(shù)，設(shè)計(jì)一種新型的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

1 主站部分設(shè)計(jì)

氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主站部分包括中心站、監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)、影像顯示模塊、預(yù)警響應(yīng)模塊四部分，本章節(jié)針對(duì)每一應(yīng)用元件的具體設(shè)計(jì)方法展開(kāi)研究。

1.1 中心站

氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中心站體系的布局遵循無(wú)線(xiàn)分組交換業(yè)務(wù)GPRS的通信模式，嚴(yán)格按照由骨干交換機(jī)到IU服務(wù)器再到外網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)備互聯(lián)關(guān)系，既可以將骨干網(wǎng)絡(luò)中的控制信息分散傳輸至下級(jí)應(yīng)用設(shè)備之中，也可以將站外子系統(tǒng)采集到的氣象監(jiān)測(cè)信息反傳回核心置信設(shè)備[5]。整個(gè)中心站體系由站內(nèi)子系統(tǒng)、站外子系統(tǒng)組成，具體布局形式如圖1所示。

圖1 中心站布局結(jié)構(gòu)

站內(nèi)子系統(tǒng)包括骨干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、置信設(shè)備、IU服務(wù)器與外網(wǎng)交換機(jī)，骨干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供最原始的控制數(shù)據(jù)，IU服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)文本進(jìn)行二次加工，置信設(shè)備可以收集站外子系統(tǒng)回傳的氣象監(jiān)測(cè)信息，外網(wǎng)交換機(jī)則主要作為連接站內(nèi)、站外子系統(tǒng)的過(guò)渡設(shè)備[6]。站外子系統(tǒng)包括路由設(shè)備、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和多個(gè)氣象監(jiān)測(cè)基站，氣象監(jiān)測(cè)基站分散于外部環(huán)境中，可以直接采集與氣象災(zāi)害問(wèn)題相關(guān)的數(shù)據(jù)信息參量；GPRS通信網(wǎng)絡(luò)具有信息外擴(kuò)的能力，能夠初步處理監(jiān)測(cè)基站采集到的數(shù)據(jù)信息，并將其暫時(shí)回傳至路由設(shè)備之中；路由設(shè)備同時(shí)連接GPRS通信網(wǎng)絡(luò)與站內(nèi)子系統(tǒng)中的外網(wǎng)交換機(jī)，可以調(diào)度數(shù)據(jù)信息，使得中心站體系站內(nèi)、站外呈現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信模式。

1.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)是氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中唯一的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行體系，由數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、自動(dòng)站、傳輸網(wǎng)絡(luò)、顯示平臺(tái)四部分組成，具體分級(jí)形式如圖2所示。

圖2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)分級(jí)架構(gòu)

局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)：包括兩級(jí)層進(jìn)式結(jié)構(gòu)，第一層主要為數(shù)據(jù)置換主機(jī)、嵌入式服務(wù)器與路由器，第二層則是繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)置換主機(jī)與路由器設(shè)備應(yīng)用能力進(jìn)行分化。第一級(jí)層進(jìn)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)中心站體系那種的站內(nèi)子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)置換主機(jī)對(duì)接置信設(shè)備，嵌入式服務(wù)器對(duì)接IU服務(wù)器與骨干網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，路由器對(duì)接外網(wǎng)交換機(jī)，主要負(fù)責(zé)處理外部氣象監(jiān)測(cè)基站獲取的氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)。第二級(jí)層進(jìn)結(jié)構(gòu)只針對(duì)數(shù)據(jù)置換主機(jī)與路由器設(shè)備，前者繼續(xù)細(xì)化為中心站主機(jī)、響應(yīng)主機(jī)與預(yù)警主機(jī)，可以根據(jù)外部氣象災(zāi)害現(xiàn)象的表現(xiàn)情況，做出相應(yīng)的反應(yīng)；后者則繼續(xù)細(xì)化為多個(gè)路由設(shè)備，對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)存與暫時(shí)記錄[7-8]。

2)自動(dòng)站設(shè)備：響應(yīng)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)下達(dá)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警指令。

3)傳輸網(wǎng)絡(luò)：管理氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

4)顯示平臺(tái)：顯示與監(jiān)測(cè)預(yù)警信息相關(guān)的文件或指令。

1.3 影像顯示模塊

影像顯示模塊能夠根據(jù)氣象監(jiān)測(cè)基站所測(cè)得的災(zāi)害信息，生成不同的顯示影像，從而更直觀表現(xiàn)出氣象災(zāi)害問(wèn)題的惡劣程度。該模塊接受中心站體系的直接調(diào)度與管理，能夠聯(lián)合自動(dòng)化局域網(wǎng)絡(luò)，處理系統(tǒng)響應(yīng)所需的數(shù)據(jù)文件，并可以根據(jù)程序指令的具體指示，形成完整的顯示畫(huà)面，但為使監(jiān)測(cè)信息與顯示影像保持一致性，該模塊的運(yùn)行還需要RTX 3060-O12G-V2-GAMING、VENTUS 2X OC、AMD RDNA2顯示芯片的共同配合。RTX 3060-O12G-V2-GAMING芯片支持PCIE4.0，對(duì)于災(zāi)害信息的傳輸速率較快，經(jīng)其處理后的影像數(shù)據(jù)真實(shí)性較高；VENTUS 2X OC芯片不支持PCIE4.0，故對(duì)于災(zāi)害信息的傳輸速率較慢，但其所顯示數(shù)據(jù)的位寬相對(duì)較大；AMD RDNA2芯片的運(yùn)行能力相對(duì)較為初級(jí)，只能對(duì)氣象監(jiān)測(cè)基站采集到的災(zāi)害信息進(jìn)行重排處理[9-10]。影像顯示模塊連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 影像顯示模塊連接結(jié)構(gòu)

由于只有RTX 3060-O12G-V2-GAMING芯片支持PCIE4.0端口的連接，所以中心站子系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)都只能經(jīng)由該芯片結(jié)構(gòu)，建立與主要顯示設(shè)備的連接關(guān)系。

1.4 預(yù)警、響應(yīng)模塊

預(yù)警、響應(yīng)模塊是具有聯(lián)動(dòng)關(guān)系的次級(jí)子單元連接結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行狀態(tài)受到自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)的直接影響，可以根據(jù)影像顯示模塊中顯示信息的表現(xiàn)程度，生成相關(guān)執(zhí)行指令，從而使得系統(tǒng)主機(jī)能夠?qū)庀鬄?zāi)害問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。預(yù)警與響應(yīng)是兩條完全相反的執(zhí)行回路，前者可以理解為由系統(tǒng)主機(jī)指向底層執(zhí)行模塊的信息傳輸路線(xiàn)，而后者則是由其他底層執(zhí)行模塊指向系統(tǒng)主機(jī)的信息傳輸路線(xiàn)[11]。預(yù)警指令的執(zhí)行路線(xiàn)較為簡(jiǎn)單，由系統(tǒng)主機(jī)輸出的指令直接傳輸至影像顯示模塊，再由模塊內(nèi)相關(guān)芯片設(shè)備進(jìn)行初步加工，最后直接傳輸至底層執(zhí)行模塊中。響應(yīng)指令的執(zhí)行路線(xiàn)同時(shí)涉及中心站子系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)與影像顯示模塊，氣象監(jiān)測(cè)基站采集到的信息樣本，經(jīng)過(guò)中心站子系統(tǒng)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)的傳輸，匯集至系統(tǒng)主機(jī)之中，再由主機(jī)元件對(duì)數(shù)據(jù)文本中所包含信息進(jìn)行細(xì)致分析后，才會(huì)生產(chǎn)指令文件，以供其他底層執(zhí)行模塊的調(diào)取與利用[12]。預(yù)警、響應(yīng)模塊設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 預(yù)警、響應(yīng)模塊設(shè)計(jì)原理

該模塊不可以脫離其他系統(tǒng)主站部件而獨(dú)立運(yùn)行，故而其在氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中所處連接等級(jí)較低。

2 基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息處理

衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用保障了系統(tǒng)主機(jī)能夠獲得大量的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息，而該項(xiàng)技術(shù)手段的實(shí)施則需要在遙感影像數(shù)據(jù)集合的基礎(chǔ)上，計(jì)算衛(wèi)星信息堆疊系數(shù)，并聯(lián)合其他參數(shù)指標(biāo)，求解完整的核函數(shù)任務(wù)映射表達(dá)式。

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)集

圖5 大風(fēng)災(zāi)害的遙感影像

(1)

在公式(1)的基礎(chǔ)上，設(shè)eα表示基于參數(shù)α的影像節(jié)點(diǎn)取樣權(quán)重，β表示遙感系數(shù)，χα、δα、φα表示單位遙感區(qū)域內(nèi)三個(gè)既不重合也不為零的法向量指標(biāo)，聯(lián)立上述物理量，可將遙感影像數(shù)據(jù)集合表達(dá)式定義為：

(2)

如果單位遙感區(qū)域內(nèi)所包含監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)或法向量指標(biāo)的數(shù)量極少，不能滿(mǎn)足n≥2的判別條件，則可以通過(guò)增大單位遙感區(qū)域面積的方式，來(lái)滿(mǎn)足遙感影像數(shù)據(jù)集定義所需的參數(shù)取樣需求。

2.2 衛(wèi)星信息堆疊系數(shù)

氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)面對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)默認(rèn)采用核函數(shù)處理的方式，對(duì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，這就要求在傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，信息參量在單位時(shí)間內(nèi)的堆疊程度不宜過(guò)高[15]。所謂信息堆疊，就是指單位時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)所得衛(wèi)星遙感信息的累積情況，一般來(lái)說(shuō)，遙感影像技術(shù)的測(cè)量對(duì)象為整片監(jiān)測(cè)區(qū)域，且氣象災(zāi)害問(wèn)題的發(fā)生具有突然性與不可控性，所以若不能有效控制堆疊系數(shù)取值，有可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)信息覆蓋或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受損的問(wèn)題。對(duì)于衛(wèi)星信息堆疊系數(shù)的求解，涉及可控向量與非可控向量，前者就是指利用衛(wèi)星遙感技術(shù)必然監(jiān)測(cè)到的氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)，后者則是指具有不確定性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通常情況下，可控向量取值大于非可控向量[16]。設(shè)i1表示可控向量，i2表示非可控向量，關(guān)于二者的取值有如下表達(dá)式：

(3)

根據(jù)公式(3)求解衛(wèi)星信息堆疊系數(shù)，計(jì)算結(jié)果為：

(4)

式中，u表示非可控判別系數(shù)，φ表示衛(wèi)星遙感信息的識(shí)別指征，φ表示核心監(jiān)測(cè)系數(shù)，y1表示基于i1的災(zāi)害性判別參數(shù)，y2表示基于i2的災(zāi)害性判別參數(shù)。衛(wèi)星信息堆疊系數(shù)的具體取值，還需根據(jù)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)所配置數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)對(duì)于信息樣本的承載能力來(lái)進(jìn)行判定。

2.3 核函數(shù)任務(wù)映射

核函數(shù)任務(wù)映射描述了系統(tǒng)主機(jī)在處理氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息時(shí)所遵循的具體原則，由于衛(wèi)星遙感技術(shù)所采集到的信息包含大量非關(guān)聯(lián)成分，所以為保障預(yù)警指令的執(zhí)行效果，還需根據(jù)具體映射原則對(duì)監(jiān)測(cè)所得信息樣本進(jìn)行篩選[17-18]。規(guī)定smax、smin分別表示關(guān)聯(lián)氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感信息之間的最大與最小映射向量，且smax≠0、smin≠0的不等式條件同時(shí)成立，gmax表示基于向量smax的函數(shù)基準(zhǔn)值，gmin表示基于向量smin的函數(shù)基準(zhǔn)值，ΔK表示數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所能轉(zhuǎn)存的氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感信息總量，γ表示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)存系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(4)，推導(dǎo)基于衛(wèi)星遙感的氣象災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)核函數(shù)任務(wù)映射條件為：

(5)

對(duì)于監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主機(jī)設(shè)備而言，數(shù)據(jù)庫(kù)體系中若累積大量的氣象災(zāi)害信息，則會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)監(jiān)測(cè)站局域網(wǎng)絡(luò)、預(yù)警響應(yīng)模塊等設(shè)備元件的運(yùn)行速率下降，當(dāng)前情況下，求解所得核函數(shù)任務(wù)映射表達(dá)式取值也就相對(duì)較小。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)同步中間件

數(shù)據(jù)庫(kù)同步中間件負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型，并為氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息提供同步處理服務(wù)，利用此模式設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠有效控制實(shí)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值之間的數(shù)值差。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模型

數(shù)據(jù)庫(kù)模型決定了數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)對(duì)氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息的存儲(chǔ)能力，包括多種布局形式，但為適應(yīng)時(shí)效性需求，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)只能采用數(shù)據(jù)閉環(huán)循環(huán)的經(jīng)典數(shù)據(jù)庫(kù)模式。數(shù)據(jù)閉環(huán)循環(huán)就是指從外部氣象監(jiān)測(cè)基站到核心數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)必須形成一個(gè)完整的信息傳輸閉環(huán)，模型體系中涉及的所有元件都不能脫離監(jiān)測(cè)主機(jī)的控制而獨(dú)立運(yùn)行，特別是在頻繁預(yù)警的惡劣氣象環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害問(wèn)題的清晰表現(xiàn)，除核心數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)外，其他元件設(shè)備不可以對(duì)監(jiān)測(cè)所得信息進(jìn)行存儲(chǔ)[19-20]。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)閉環(huán)循環(huán)模型

雖然預(yù)警、響應(yīng)模塊具有雙向執(zhí)行路線(xiàn)，但每一條線(xiàn)路都可以進(jìn)行自主執(zhí)行，且二者直接沒(méi)有明顯的相互干擾關(guān)系，所以雙模式硬件結(jié)構(gòu)并不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)閉環(huán)循環(huán)模型的完整性造成影響。

3.2 中間件性能需求

數(shù)據(jù)庫(kù)中間件就是執(zhí)行信息轉(zhuǎn)存指令的設(shè)備元件，能夠在閉環(huán)循環(huán)體系中獲取大量的氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息，并可以按照既定規(guī)則，將這些數(shù)據(jù)樣本整合成全新的存儲(chǔ)形式，以供系統(tǒng)主機(jī)的應(yīng)用[21]。針對(duì)中間件性能需求的分析，就是對(duì)信息最大存儲(chǔ)數(shù)值與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)存速率的分析。

1)氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息最大存儲(chǔ)數(shù)值計(jì)算式為：

(6)

其中：ρ表示氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息在數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中的存儲(chǔ)密度，λ表示信息導(dǎo)入系數(shù)，f表示基于閉環(huán)循環(huán)模型的數(shù)據(jù)判別參數(shù)，c表示樣本數(shù)據(jù)編碼系數(shù)，jmax表示氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息存儲(chǔ)特征的最大值。

2)氣象災(zāi)害衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)存速率計(jì)算式為：

(7)

3.3 XML同步處理

XML思想規(guī)定系統(tǒng)在對(duì)氣象災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)同步中間件與主站部分的運(yùn)行模式不能發(fā)生沖突，這種統(tǒng)一運(yùn)行狀態(tài)也就是數(shù)據(jù)庫(kù)模型的同步處理原則[23-24]。XML同步處理定義式為：

(8)

4 實(shí)例分析

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诳刂祁A(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的數(shù)值差，選擇基于衛(wèi)星遙感及數(shù)據(jù)庫(kù)同步的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于4G的高分辨率氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三種不同的應(yīng)用方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用衛(wèi)星測(cè)量的方式，獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的暴風(fēng)災(zāi)害圖像，如圖7所示。

圖7 暴風(fēng)災(zāi)害的衛(wèi)星圖像

借助UNIX軟件對(duì)所得圖像進(jìn)行處理，并提取當(dāng)前氣象災(zāi)害情況系的預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)，作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)

后續(xù)實(shí)驗(yàn)所得預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)都需要與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，才可以確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。

4.2 方法與步驟

為驗(yàn)證所選實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于氣象災(zāi)害現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1)以基于衛(wèi)星遙感及數(shù)據(jù)庫(kù)同步的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組測(cè)試方法，利用該方法對(duì)圖6所示衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理，記錄實(shí)驗(yàn)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值情況；

2)利用微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)照組(a)組測(cè)試方法，利用該方法對(duì)圖6所示衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理，記錄對(duì)照組(a)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值情況；

3)利用基于4G的高分辨率氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)照(b)組測(cè)試方法，重復(fù)步驟(2)，記錄對(duì)照(b)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值情況；

4)將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，規(guī)定指標(biāo)差值最小一組系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性最高。

4.3 結(jié)論

圖8反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)的具體數(shù)值。

圖8 預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)值

1)風(fēng)力指標(biāo)：對(duì)照(b)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值在該處達(dá)到最大，為0.69，其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(a)組>實(shí)驗(yàn)組；

2)風(fēng)向指標(biāo)：所有預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值都沒(méi)有取得最大值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(a)組>對(duì)照(b)組>實(shí)驗(yàn)組；

3)風(fēng)速指標(biāo)對(duì)照(a)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值在該處達(dá)到最大，為0.72，其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(b)組>實(shí)驗(yàn)組；

4)寬廣度指標(biāo)：實(shí)驗(yàn)組預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值在該處達(dá)到最大，為0.25，其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(b)組>對(duì)照(a)組，值得一說(shuō)的是，對(duì)照(a)組的當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)值比實(shí)驗(yàn)組更為精確；

5)災(zāi)害強(qiáng)度指標(biāo)：所有預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值都沒(méi)有取得最大值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(a)組>對(duì)照(b)組>實(shí)驗(yàn)組；

6)氣象特征指標(biāo)：所有預(yù)警監(jiān)測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值都沒(méi)有取得最大值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間差值大小的排列順序?yàn)椋簩?duì)照(a)組>對(duì)照(b)組>實(shí)驗(yàn)組；

綜上可知，對(duì)照(a)組預(yù)警系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)寬廣度指標(biāo)，但對(duì)于其他指標(biāo)來(lái)說(shuō)，其監(jiān)測(cè)效果并不十分精確，故從綜合性角度來(lái)看，其監(jiān)測(cè)精度不如實(shí)驗(yàn)組預(yù)警系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于4G的高分辨率氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用雖然能夠?qū)Ρ╋L(fēng)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但其測(cè)量所得預(yù)警指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值較大，在精確度方面存在一定欠缺；應(yīng)用基于衛(wèi)星遙感及數(shù)據(jù)庫(kù)同步的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)所得預(yù)警指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值始終能夠相對(duì)較小，這就表示針對(duì)暴風(fēng)災(zāi)害而言，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確度較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于衛(wèi)星遙感及數(shù)據(jù)庫(kù)同步的氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。衛(wèi)星遙感與數(shù)據(jù)庫(kù)同步技術(shù)的應(yīng)用，使得氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)所得測(cè)試指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試指標(biāo)之間的差值水平得到了較好控制，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)氣象災(zāi)害行為的初衷得以實(shí)現(xiàn)。相較于微型氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于4G的高分辨率氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，新型監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)合中心站結(jié)構(gòu)，對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)與下級(jí)響應(yīng)模塊進(jìn)行按需調(diào)度，既可以定義完整的核函數(shù)任務(wù)映射條件，也能夠充分激發(fā)中間件模型的同步化處理能力，這在實(shí)際應(yīng)用方面確實(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。