基于衛星遙感及數據庫同步的氣象災害監測預警系統設計

袁 翔

(福建省氣象信息中心，福州 350028)

0 引言

衛星遙感是包含多項天體觀測方法的綜合性應用技術，能夠借助儀器儀表設備，對采集到的各項數據信息進行處理與分析。遙感平臺是實現衛星遙感技術的關鍵運載工具，可以在遙感器元件的作用下，反射電磁波信號，從而實現對地物環境輻射的遠距離感測，常見的多光譜掃描儀、散射計、紅外掃描儀等設備，都屬于高精度的遙感器元件[1]。相較于其他類型的測量方法，衛星遙感具有數據采集速度快、信息可重復、視域廣等應用優勢。數據庫同步就是指數據庫主機可以將當前程序指令的最終執行結果直接回傳至相關節點，并可以在傳輸過程中維護數據一致性的處理方法，既彌補了異構環境在完整性方面的不足，也使得本地主機具有了高級自治的能力[2]。近年來，相關研究人員將衛星遙感技術與數據庫同步思想結合起來，并以這種新型處理方法為基礎，對自然災害等環境問題進行監測。

氣象災害是一種常見的自然災害問題，具有破壞性強、作用范圍廣等特征，惡劣環境下氣象災害的頻繁發生不但會對自然生態平衡造成嚴重影響，還有可能危及人們的生命安全。微型氣象監測系統針對局部定點區域建立智能化的微型氣象監測模型，利用Raspberry Pi 4B平臺采集氣象數據，并基于Qt架構體系開發了一款服務端應用軟件，該系統能夠綜合檢測多種不同的氣象信息，為氣象數據聯合分析提供可靠的源數據信息[3]。基于4G的高分辨率氣象監測系統以降低監測時延作為出發點，聯合4G無線通信技術，實現對突出氣象災害問題的定向化監測，并借助SQL數據庫主機實現對監測信息的實時存儲[4]。上述兩類系統的應用，雖然實現了對氣象預警指標的監測，但卻并不能有效控制實際測量值指標與標準測試值之間的數值差，故而容易導致非精準監測結果的出現。為避免上述情況的發生，聯合衛星遙感與數據庫同步處理技術，設計一種新型的氣象災害監測預警系統。

1 主站部分設計

氣象災害監測預警系統的主站部分包括中心站、監測站局域網絡、影像顯示模塊、預警響應模塊四部分，本章節針對每一應用元件的具體設計方法展開研究。

1.1 中心站

氣象災害監測預警系統中心站體系的布局遵循無線分組交換業務GPRS的通信模式，嚴格按照由骨干交換機到IU服務器再到外網交換機的設備互聯關系，既可以將骨干網絡中的控制信息分散傳輸至下級應用設備之中，也可以將站外子系統采集到的氣象監測信息反傳回核心置信設備[5]。整個中心站體系由站內子系統、站外子系統組成，具體布局形式如圖1所示。

圖1 中心站布局結構

站內子系統包括骨干網絡交換機、置信設備、IU服務器與外網交換機，骨干網絡交換機提供最原始的控制數據，IU服務器負責對接收到的數據文本進行二次加工，置信設備可以收集站外子系統回傳的氣象監測信息，外網交換機則主要作為連接站內、站外子系統的過渡設備[6]。站外子系統包括路由設備、GPRS通信網絡和多個氣象監測基站，氣象監測基站分散于外部環境中，可以直接采集與氣象災害問題相關的數據信息參量；GPRS通信網絡具有信息外擴的能力，能夠初步處理監測基站采集到的數據信息，并將其暫時回傳至路由設備之中；路由設備同時連接GPRS通信網絡與站內子系統中的外網交換機，可以調度數據信息，使得中心站體系站內、站外呈現統一的數據通信模式。

1.2 自動監測站局域網絡

自動監測站局域網絡是氣象災害監測預警系統中唯一的網絡運行體系，由數據處理平臺、自動站、傳輸網絡、顯示平臺四部分組成，具體分級形式如圖2所示。

圖2 自動監測站局域網絡分級架構

局域網絡應用能力主要體現在如下幾個方面：

1)數據處理平臺：包括兩級層進式結構，第一層主要為數據置換主機、嵌入式服務器與路由器，第二層則是繼續對數據置換主機與路由器設備應用能力進行分化。第一級層進結構對應中心站體系那種的站內子系統，數據置換主機對接置信設備，嵌入式服務器對接IU服務器與骨干網絡交換機，路由器對接外網交換機，主要負責處理外部氣象監測基站獲取的氣象災害數據。第二級層進結構只針對數據置換主機與路由器設備，前者繼續細化為中心站主機、響應主機與預警主機，可以根據外部氣象災害現象的表現情況，做出相應的反應；后者則繼續細化為多個路由設備，對監測預警系統中的數據信息進行轉存與暫時記錄[7-8]。

2)自動站設備：響應數據處理平臺下達的監測與預警指令。

3)傳輸網絡：管理氣象災害監測預警系統中所有的數據傳輸任務。

4)顯示平臺：顯示與監測預警信息相關的文件或指令。

1.3 影像顯示模塊

影像顯示模塊能夠根據氣象監測基站所測得的災害信息，生成不同的顯示影像，從而更直觀表現出氣象災害問題的惡劣程度。該模塊接受中心站體系的直接調度與管理，能夠聯合自動化局域網絡，處理系統響應所需的數據文件，并可以根據程序指令的具體指示，形成完整的顯示畫面，但為使監測信息與顯示影像保持一致性，該模塊的運行還需要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，對于災害信息的傳輸速率較快，經其處理后的影像數據真實性較高；VENTUS 2X OC芯片不支持PCIE4.0，故對于災害信息的傳輸速率較慢，但其所顯示數據的位寬相對較大；AMD RDNA2芯片的運行能力相對較為初級，只能對氣象監測基站采集到的災害信息進行重排處理[9-10]。影像顯示模塊連接結構如圖3所示。

圖3 影像顯示模塊連接結構

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、自動監測站局域網絡都只能經由該芯片結構，建立與主要顯示設備的連接關系。

1.4 預警、響應模塊

預警、響應模塊是具有聯動關系的次級子單元連接結構，其運行狀態受到自動監測站局域網絡的直接影響，可以根據影像顯示模塊中顯示信息的表現程度，生成相關執行指令，從而使得系統主機能夠對氣象災害問題進行準確判斷。預警與響應是兩條完全相反的執行回路，前者可以理解為由系統主機指向底層執行模塊的信息傳輸路線，而后者則是由其他底層執行模塊指向系統主機的信息傳輸路線[11]。預警指令的執行路線較為簡單，由系統主機輸出的指令直接傳輸至影像顯示模塊，再由模塊內相關芯片設備進行初步加工，最后直接傳輸至底層執行模塊中。響應指令的執行路線同時涉及中心站子系統、自動監測站局域網絡與影像顯示模塊，氣象監測基站采集到的信息樣本，經過中心站子系統與自動監測站局域網絡的傳輸，匯集至系統主機之中，再由主機元件對數據文本中所包含信息進行細致分析后，才會生產指令文件，以供其他底層執行模塊的調取與利用[12]。預警、響應模塊設計原理如圖4所示。

圖4 預警、響應模塊設計原理

該模塊不可以脫離其他系統主站部件而獨立運行，故而其在氣象災害監測預警系統中所處連接等級較低。

2 基于衛星遙感技術的氣象災害監測信息處理

衛星遙感技術的應用保障了系統主機能夠獲得大量的氣象災害監測信息，而該項技術手段的實施則需要在遙感影像數據集合的基礎上，計算衛星信息堆疊系數，并聯合其他參數指標，求解完整的核函數任務映射表達式。

2.1 遙感影像數據集

圖5 大風災害的遙感影像

(1)

在公式(1)的基礎上，設eα表示基于參數α的影像節點取樣權重，β表示遙感系數，χα、δα、φα表示單位遙感區域內三個既不重合也不為零的法向量指標，聯立上述物理量，可將遙感影像數據集合表達式定義為：

(2)

如果單位遙感區域內所包含監測節點或法向量指標的數量極少，不能滿足n≥2的判別條件，則可以通過增大單位遙感區域面積的方式，來滿足遙感影像數據集定義所需的參數取樣需求。

2.2 衛星信息堆疊系數

氣象災害監測預警系統面對衛星遙感數據默認采用核函數處理的方式，對監測所得數據信息進行傳輸，這就要求在傳輸數據的過程中，信息參量在單位時間內的堆疊程度不宜過高[15]。所謂信息堆疊，就是指單位時間內監測所得衛星遙感信息的累積情況，一般來說，遙感影像技術的測量對象為整片監測區域，且氣象災害問題的發生具有突然性與不可控性，所以若不能有效控制堆疊系數取值，有可能導致監測信息覆蓋或監測數據受損的問題。對于衛星信息堆疊系數的求解，涉及可控向量與非可控向量，前者就是指利用衛星遙感技術必然監測到的氣象災害數據，后者則是指具有不確定性的監測數據，通常情況下，可控向量取值大于非可控向量[16]。設i1表示可控向量，i2表示非可控向量，關于二者的取值有如下表達式：

(3)

根據公式(3)求解衛星信息堆疊系數，計算結果為：

(4)

式中，u表示非可控判別系數，φ表示衛星遙感信息的識別指征，φ表示核心監測系數，y1表示基于i1的災害性判別參數，y2表示基于i2的災害性判別參數。衛星信息堆疊系數的具體取值，還需根據氣象災害監測預警系統所配置數據庫主機對于信息樣本的承載能力來進行判定。

2.3 核函數任務映射

核函數任務映射描述了系統主機在處理氣象災害監測信息時所遵循的具體原則，由于衛星遙感技術所采集到的信息包含大量非關聯成分，所以為保障預警指令的執行效果，還需根據具體映射原則對監測所得信息樣本進行篩選[17-18]。規定smax、smin分別表示關聯氣象災害衛星遙感信息之間的最大與最小映射向量，且smax≠0、smin≠0的不等式條件同時成立，gmax表示基于向量smax的函數基準值，gmin表示基于向量smin的函數基準值，ΔK表示數據庫主機在單位時間內所能轉存的氣象災害衛星遙感信息總量，γ表示實時轉存系數。在上述物理量的支持下，聯立公式(4)，推導基于衛星遙感的氣象災害信息監測核函數任務映射條件為：

(5)

對于監測預警系統主機設備而言，數據庫體系中若累積大量的氣象災害信息，則會導致自動監測站局域網絡、預警響應模塊等設備元件的運行速率下降，當前情況下，求解所得核函數任務映射表達式取值也就相對較小。

3 數據庫同步中間件

數據庫同步中間件負責建立數據庫模型，并為氣象災害衛星遙感監測信息提供同步處理服務，利用此模式設計的監測預警系統能夠有效控制實測指標與標準測試值之間的數值差。

3.1 數據庫模型

數據庫模型決定了數據庫主機對氣象災害衛星遙感監測信息的存儲能力，包括多種布局形式，但為適應時效性需求，監測預警系統只能采用數據閉環循環的經典數據庫模式。數據閉環循環就是指從外部氣象監測基站到核心數據庫主機必須形成一個完整的信息傳輸閉環，模型體系中涉及的所有元件都不能脫離監測主機的控制而獨立運行，特別是在頻繁預警的惡劣氣象環境下，為實現對災害問題的清晰表現，除核心數據庫主機外，其他元件設備不可以對監測所得信息進行存儲[19-20]。

圖6 數據庫閉環循環模型

雖然預警、響應模塊具有雙向執行路線，但每一條線路都可以進行自主執行，且二者直接沒有明顯的相互干擾關系，所以雙模式硬件結構并不會對數據庫閉環循環模型的完整性造成影響。

3.2 中間件性能需求

數據庫中間件就是執行信息轉存指令的設備元件，能夠在閉環循環體系中獲取大量的氣象災害衛星遙感監測信息，并可以按照既定規則，將這些數據樣本整合成全新的存儲形式，以供系統主機的應用[21]。針對中間件性能需求的分析，就是對信息最大存儲數值與實時轉存速率的分析。

1)氣象災害衛星遙感監測信息最大存儲數值計算式為：

(6)

其中：ρ表示氣象災害衛星遙感監測信息在數據庫主機中的存儲密度，λ表示信息導入系數，f表示基于閉環循環模型的數據判別參數，c表示樣本數據編碼系數，jmax表示氣象災害衛星遙感監測信息存儲特征的最大值。

2)氣象災害衛星遙感監測信息實時轉存速率計算式為：

(7)

3.3 XML同步處理

XML思想規定系統在對氣象災害現象進行監測預警時，數據庫同步中間件與主站部分的運行模式不能發生沖突，這種統一運行狀態也就是數據庫模型的同步處理原則[23-24]。XML同步處理定義式為：

(8)

4 實例分析

本次實驗目的在于控制預警監測指標與標準測試指標之間的數值差，選擇基于衛星遙感及數據庫同步的氣象災害監測預警系統、微型氣象監測系統、基于4G的高分辨率氣象監測系統三種不同的應用方法進行實驗。

4.1 實驗數據處理

利用衛星測量的方式，獲取實驗區域內的暴風災害圖像，如圖7所示。

圖7 暴風災害的衛星圖像

借助UNIX軟件對所得圖像進行處理，并提取當前氣象災害情況系的預警監測指標，作為標準測試值，具體數值見表1。

表1 標準測試指標

后續實驗所得預警監測指標都需要與標準測試指標進行對比，才可以確定實驗結果的有效性。

4.2 方法與步驟

為驗證所選實驗方法對于氣象災害現象的監測預警能力，設計如下對比實驗。

1)以基于衛星遙感及數據庫同步的氣象災害監測預警系統作為實驗組測試方法，利用該方法對圖6所示衛星圖像進行處理，記錄實驗組預警監測指標的數值情況；

2)利用微型氣象監測系統作為對照組(a)組測試方法，利用該方法對圖6所示衛星圖像進行處理，記錄對照組(a)組預警監測指標的數值情況；

3)利用基于4G的高分辨率氣象監測系統作為對照(b)組測試方法，重復步驟(2)，記錄對照(b)組預警監測指標的數值情況；

4)將實驗組、對照組預警監測指標與標準測試指標進行對比，規定指標差值最小一組系統的監測準確性最高。

4.3 結論

圖8反映了實驗組、對照組預警監測指標的具體數值。

圖8 預警監測指標實驗數值

1)風力指標：對照(b)組預警監測指標與標準測試指標之間的差值在該處達到最大，為0.69，其他實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(a)組>實驗組；

2)風向指標：所有預警監測指標與標準測試指標之間的差值都沒有取得最大值，實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(a)組>對照(b)組>實驗組；

3)風速指標對照(a)組預警監測指標與標準測試指標之間的差值在該處達到最大，為0.72，其他實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(b)組>實驗組；

4)寬廣度指標：實驗組預警監測指標與標準測試指標之間的差值在該處達到最大，為0.25，其他實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(b)組>對照(a)組，值得一說的是，對照(a)組的當前實驗數值比實驗組更為精確；

5)災害強度指標：所有預警監測指標與標準測試指標之間的差值都沒有取得最大值，實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(a)組>對照(b)組>實驗組；

6)氣象特征指標：所有預警監測指標與標準測試指標之間的差值都沒有取得最大值，實驗結果與標準測試指標之間差值大小的排列順序為：對照(a)組>對照(b)組>實驗組；

綜上可知，對照(a)組預警系統能夠精準監測寬廣度指標，但對于其他指標來說，其監測效果并不十分精確，故從綜合性角度來看，其監測精度不如實驗組預警系統。

實驗結論：微型氣象監測系統、基于4G的高分辨率氣象監測系統的應用雖然能夠對暴風災害進行監測，但其測量所得預警指標與標準測試指標之間的差值較大，在精確度方面存在一定欠缺；應用基于衛星遙感及數據庫同步的氣象災害監測預警系統所得預警指標與標準測試指標之間的差值始終能夠相對較小，這就表示針對暴風災害而言，該系統監測結果的精確度較高。

5 結束語

本文設計了基于衛星遙感及數據庫同步的氣象災害監測預警系統。衛星遙感與數據庫同步技術的應用，使得氣象災害監測預警系統所得測試指標與標準測試指標之間的差值水平得到了較好控制，精準監測氣象災害行為的初衷得以實現。相較于微型氣象監測系統、基于4G的高分辨率氣象監測系統，新型監測預警系統聯合中心站結構，對局域網絡與下級響應模塊進行按需調度，既可以定義完整的核函數任務映射條件，也能夠充分激發中間件模型的同步化處理能力，這在實際應用方面確實具有一定優勢。