基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統設計

陳 暉，謝 勇，徐 昕，李 玥，石卓玉

(1.吉林省氣象信息網絡中心，長春 130062；2.吉林省突發事件預警信息發布中心，長春 130062；3.吉林省氣象科學研究所，長春 130062；4.梨樹縣氣象局，長春 130062)

0 引言

衛星遙感是各項天體觀測技術的統稱，可以在遠程遙感元件的支持下，實現對衛星數據的處理與分析[1]。遙感器是一種常見的遠程遙感元件，可以根據地物景觀光譜響應特征的不同，在紅外波段中呈現出不同的反射信號，從而使得遙感主機能夠對衛星圖像的波段特征進行準確辨別[2]。近年來，隨著待測環境景觀影像的日益復雜，單純的多源遙感與衛星遙感都不足以滿足實際測量需求，故而衍生出一種新型的遙感影像處理手段——多源衛星遙感技術。隨著自然環境的日益復雜化，災害性氣象的出現概率也在不斷增大，這不但影響了人們的日常生活，也對生態環境的穩定性造成了威脅[3]。相關單位在觀測災害性氣象時，所得測量數據與真實數據樣本之間始終存在著一定的誤差，這就會導致對于濕度、氣壓、風速等氣象指標的測量出現偏差。因此，準確監測并記錄災害性氣象數據具有重要意義。

因此，傅桂霞[4]等設計了面向局部定點區域的微型氣象監測系統，開發了一套完整的微型氣象數據采集裝置，并借助Qt服務軟件，對氣象采集數據進行處理，雖然能夠為氣象數據聯合分析提供可靠的源信息，但卻并不能有效解決實測氣象數據與真實數據，樣本之間誤差較大的問題。

為避免上述情況的發生，引入多源衛星遙感技術，設計一種新型的災害性氣象觀測數據監測系統。系統硬件設備通過溫濕度傳感器、風速風向傳感器、雨量傳感器和太陽能控制器，對外部環境進行監測，提高監測數據的質量。通過多源衛星遙感技術，將可變參數引入多源影像空間中，構建數字衛星圖像區域后，定義多個極值點代替原有虛假特征點，利用相似性度量指標提高數據的配準處理能力。通過上位機組網模式采集數據信息，采用WINSOCK控件篩選觀測數據，提高觀測數據的準確性。完成基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統設計。

1 災害性氣象觀測數據監測系統整體設計

監測系統設計主要包括兩個模塊：硬件設計和軟件設計。

硬件系統通過溫濕度傳感器及防輻射罩、風速風向傳感器、雨量傳感器、太陽能控制器采集外部環境信息。軟件系統根據收集到的數據信息，進行圖像配準，精準定位監測目標的變化情況。通過上位機組網和WINSOCK控件整合數據，得到數據信息樣本的分布形式，完成基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統設計。

2 監測系統硬件設計

災害性氣象觀測數據監測系統的硬件設計，需要從溫濕度傳感器及防輻射罩、風速風向傳感器、雨量傳感器、太陽能控制器4個方面進行設計。系統硬件設計如圖1所示。

圖1 災害性氣象觀測數據監測系統的硬件結構

本章節將針對上述內容展開研究。

2.1 溫濕度傳感器及防輻射罩

溫濕度傳感器作為精密的氣象感應部件，可用來精確測量外部環境的溫度與濕度水平。隨著外部環境條件的改變，溫濕度傳感器測量所得數值也會有所變化，具體實測結果通過485傳感器元件的示數值來表現[5]。STC-12C5A設備連接于GND端口與+VCC端口之間，可以根據濕敏電容SHT11測量所得的相對溫濕度數值，來更改薄膜電感設備L1、L2、L3所承擔的負載電壓，由于濕敏電容介電常數指標始終處于變化狀態，所以整個溫濕度傳感器回路中的電容量水平也很難保持穩定，但二者之間的數值配比條件則始終保持為正比關系。485傳感器不能直接感應外部環境中的溫濕度水平，但卻可以根據濕敏電容對于溫度數據與濕度數據的感知情況，更改示數值指標的實時顯示結果[6]。災害性氣象觀測數據監測系統溫濕度傳感器的連接回路如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器連接回路

防輻射罩覆蓋在溫濕度傳感器外部，直接暴露在測量環境中，受到輻射因素影響時，整個防輻射罩一直處于恒溫狀態，故而濕敏電容SHT11對于溫度與濕度數據的測量結果也可以始終保持穩定。

2.2 風速風向傳感器

風速風向傳感器以三杯式風杯組件作為核心搭建設備，當風力驅動強度達到一定數值水平后，主風杯結構會在驅動作用下開始快速旋轉，而旋轉行為會帶來一定強度的離心力作用，這種離心力會使磁棒盤呈現出與主風杯結構完全相反的轉動行為，所得風力觀測數據會在旋轉碼柱的傳輸作用下，進入底部脈沖裝置，并由風力信號轉變為光電脈沖信號[7-8]。格雷碼盤負責統計磁棒盤轉速數值，由于主軸連桿將格雷碼盤與磁棒盤連接在一起，所以二者轉速水平與旋轉方向均保持一致。風速風向傳感器結構如圖3所示。

圖3 風速風向傳感器結構簡圖

經過風速風向傳感器元件轉換后脈沖信號強度與風力驅動強度之間的關系可以表示為：

(1)

格雷碼盤是一個等分的同心圓結構，能夠指示出測量環境中的風速與風向方位，當主風杯受到風力驅動而快速轉動時，內部主圓盤會偏離其在外部位置圓盤上的初始位置，圓盤之間的相互偏離程度就可以表示出當前時刻的風向方位。

2.3 雨量傳感器

雨量傳感器負責接收并存儲降雨，由過濾器、集雨器、漏斗、翻斗、控制器等多個結構共同組成。當外部測量環境中出現降雨時，溫濕度傳感器示數會呈現異常狀態，雨量傳感器底部供電裝置會自動與災害性氣象觀測數據監測系統的負載電源相連，電荷不斷向外傳輸，控制器進入運行狀態，在此情況下，干簧管收緊，翻斗裝置中存儲的雨水進入控制器外部的儲雨裝置中，以供監測主機對當前時刻的降雨數值進行準確統計[9-10]。過濾器存在于雨量傳感器最上端，可以將外部降雨中的雜質類物質過濾出去，以避免發生堵塞事件。集雨器可以暫時存儲過濾器元件濾出的雨水，這些不包含雜質的雨水會經由漏斗進入翻斗裝置中。雨量傳感器元件連接結構如圖4所示。

圖4 雨量傳感器示意圖

接線端子內包含大量電路接線，當其閉合時，表示控制器處于運行狀態，漏斗設備內存儲的雨水可以進入儲雨裝置；當其斷開時，表示控制器處于非運行狀態，當前情況下，干簧管不具有變形能力，故而漏斗設備內存儲的雨水不能進入儲雨裝置。

2.4 太陽能控制器

太陽能控制器負責采集光照監測數據，能夠在供電模塊作用下，確定高強度光照災害性氣象問題的表現強度，并可以借助傳輸信道，將所得監測數據反饋至核心系統主機之中[11]。太陽能控制器元件對光照數據的采集由災害性氣象表現分析、信息樣本處理兩部分組成。分析災害性氣象表現時，GPRS控制設備會根據外界環境中的光照強度，來判斷災害性問題的行為強度，由于光照屬于自然環境的必要組成條件，所以針對這一類觀測數據的采集，要求當前光照水平必須超過當地的平均光照強度[12]。信息樣本處理則是GPRS控制設備針對已采集數據所進行的匯總與分析，當觀測環境中的光照強度不滿足GPRS控制設備的采集需求時，控制器主機則繼續根據已采集到的數據樣本，判斷監測區域內災害性氣象的表現能力；當觀測環境中的光照強度超過平均光照強度時，GPRS控制設備開始繼續采集實時數據樣本。

3 基于多源衛星遙感的災害性氣象圖像配準

圖像配準是指在同一范圍內，對兩幅及以上圖像進行精準匹配的過程。通過精準匹配，可以更好地定位目標和監測目標的變化情況，將直接影響多源衛星遙感的觀測數據監測系統的監測結果。

根據監測系統的硬件設計，定義多源影像空間表達式，再聯合監測所得數字衛星圖像，確定極值節點所處位置，從而求解相似性度量值。本章節將按照上述流程，完成基于多源衛星遙感的災害性氣象圖像配準處理。

3.1 多源影像空間

(2)

簡單來說，基于多源衛星遙感技術的多源影像空間就是監測主機用來控制觀測尺度或表征圖像數據尺度參量的框架結構，隨著觀測數據累積量的增大，影像空間的監測覆蓋范圍也會不斷增大。

3.2 數字衛星圖像

數字衛星圖像是基于災害性氣象觀測數據所建立的影像配準空間，可以完整描述出各類監測數據的傳輸變化情況。對于系統主機而言，為使所制定監測方案更符合外界環境中的災害性氣象表現情況，要求數字衛星圖像區域的構建必須以多源影像空間表達式為基礎[15-16]。設O0(X0，Y0，Z0)為災害性氣象觀測數據數字衛星圖像的原點坐標，O1(X1，Y1，Z1)、O2(X2，Y2，Z2)為兩個隨機選取的標記坐標點，節點O0、O1、O2的取值滿足式(3)：

O0，O1，O2∈?

(3)

ΔX表示災害性氣象觀測數據數字衛星圖像的X軸度量值，ΔY表示Y軸度量值，ΔZ表示Z軸度量值，且求解表達式為：

(4)

由于外界環境區域內存在災害性氣象問題，所以觀測所得數據總量不可能為零，故而求解所得的X軸、Y軸與Z軸度量值也不可能等于零。聯立式(3)、式(4)，可將災害性氣象觀測數據的數字衛星圖像求解表達式定義為：

(5)

在多源影像空間內，災害性氣象觀測數據的取值結果會影響數字衛星圖像表達式的求解結果，故而要求各個監測節點必須屬于同一坐標系平面，且隨著災害性氣象表現強度的改變，監測節點的定義結果也不會出現變化。

3.3 定位極值點

一般情況下，災害性氣象觀測數據數字衛星圖像中會存在一些虛假的特征點，隨著待測數據總量的增大，這些虛假特征點會導致所得觀測數據的噪聲敏感度升高，從而增大系統主機對于信息樣本的監測難度。故而在多源衛星遙感技術的支持下，為準確監測災害性氣象觀測數據，應針對虛假特征點進行剔除處理，再在數字衛星圖像的邊界區域內，定義多個極值點代替原有虛假特征點，從而在保證災害性氣象觀測數據穩定傳輸能力的同時，控制噪聲敏感度指標的數值水平[17-18]。為得到理想化的定位結果，首先可以將數字衛星圖像等效成一個曲面空間，令原有虛假特征點盡可能多地留在同一平面區域內，然后按照梯度分布原則，對這些特征點進行重排處理，最后建立一個三維擬合函數，確定定位極值點與原有虛假特征點之間的對應關系。設p1、p2、…、pn表示n個相互獨立的虛假特征點，φ表示災害性氣象觀測數據與虛假特征點之間的對應系數，聯立式(5)，可將基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據定位極值點求解結果表示為：

(6)

求解極值點定位結果時，需要對數字衛星圖像進行曲面等效處理，所以在經過復原后，計算所得定位極值點可能不在同一衛星遙感影像平面之內。

3.4 相似性度量

基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據相似性度量求解結果為：

(7)

對災害性氣象圖像進行配準處理時，應在多源影像空間的基礎上，確定數字衛星圖像的覆蓋范圍，從而使得相似性度量指標求解結果能夠更好地適應定位極值點的實際分配情況。

4 監測程序編制

4.1 上位機組網方式

災害性氣象觀測數據監測系統的上位機組網可以按照衛星遙感節點排列形式，將主機元件采集到的信息樣本整合成多個數據包文件，以供WINSOCK控件的調取與利用[21-22]。由于溫濕度傳感器、防輻射罩、風速風向傳感器、雨量傳感器等硬件設備結構之間保持互相獨立的連接狀態，所以在完善上位機組網模式時，還應提供負載端口。一般來說，一類負載端口只能對應一種硬件設備單元。最后將整合后的數據通過具體的上位機組網布局模式如圖5所示。

圖5 監測系統的上位機組網模式

其中，監測指令輸出部分是指將整合后的觀測數據以指令的形式輸出。由于監測設備所采集到的災害性氣象觀測數據中包含大量其它信息，所以上位機組網還需要具有一定的數據過濾能力。

4.2 WINSOCK控件

(8)

按照監測程序編制原則，實施對災害性氣象圖像的配準處理，再利用相關硬件設備結構，確定多源衛星遙感數據的傳輸方向，完成基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統設計。

5 實驗分析

5.1 實驗準備

為驗證設計的基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統的有效性，利用Figure軟件截取實驗區域的衛星遙感圖像，如圖6所示。

圖6 實驗區域的衛星遙感圖像

從中分離出滿足實驗需求的災害性氣象觀測數據作為本次實驗的研究對象，將所得數據樣本輸入M380II主機之中。利用所提方法設計系統控制M380II主機，借助Canvas軟件，繪制實驗區域的濕度測量曲線、氣壓測量曲線與風速測量曲線，所得圖像為實驗組曲線；利用文獻[4]方法設計系統控制M380II主機，并重復上述實驗步驟，所得圖像為對照組曲線。

本次實驗所選實驗設備的具體名稱及型號，如表1所示。

表1 實驗設備

為避免傳感器設備之間互相干擾，對于實驗區域內的濕度、氣壓與風速監測不能同時進行。

5.2 數據處理

通過CSFv2數據集獲取實驗區域近一周內的濕度、氣壓與風速記錄數值如表2所示。

表2 真實數據樣本(記錄值)

為突出實驗的真實性，本次實驗將求解記錄值的平均數值作為實驗區域濕度、氣壓、風速的真實數據樣本。利用表2中的數據樣本記錄值可知，濕度平均值為45.5 RH、氣壓平均值為101.3 kPa、風速平均值為4.2 m/s。

5.3 實驗結果

在實驗區域中，選擇5個監測節點作為實際測量位置，在不考慮其他干擾條件的情況下，同時打開濕度傳感器、氣壓傳感器和風速傳感器，使其能夠感知周圍環境中濕度、氣壓、風速的具體變化情況。

實驗組、對照組實測氣象數據與真實數據樣本之間的對比情況分別如圖7～9所示。

分析圖7可知，實驗組第5監測節點處所得的濕度測量值與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了1.4%；對照組第4監測節點處所得的濕度測量值與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了4.3%，高于實驗組誤差水平。

圖7 濕度測量數據

圖8 氣壓測量數據

分析圖8可知，實驗組第3監測節點處所得的氣壓測量值與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了0.4%；對照組第2、第3、第4監測節點處所得的氣壓測量值完全相等，與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了0.7%，高于實驗組誤差水平。

圖9 風速測量數據

分析圖9可知，實驗組第4監測節點處所得的風速測量值與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了1.2%；對照組第2監測節點處所得的風速測量值與真實樣本之間的誤差水平最大，達到了1.4%，高于實驗組誤差水平。

綜合上述可知，通過濕度傳感器、氣壓傳感器和風速傳感器監測到的結果，在三組實驗中，實驗組的測量數值波動較小，且更接近真實樣本數值。證明所提方法設計系統能夠較好解決實測氣象數據與真實數據樣本之間誤差較大的問題，與文獻[4]方法設計系統相比，更符合準確監測災害性氣象的實際應用需求。

6 結束語

本文設計基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統，引入多源衛星遙感技術，解決實測氣象數據與真實數據樣本之間誤差較大的問題。通過溫濕度傳感器、防輻射罩、風速風向傳感器、雨量傳感器、太陽能控制器設計系統硬件，能夠對監測區域內的氣象數據樣本進行有效處理，避免了觀測數據出現明顯堆積的情況。將多源影像空間與數字衛星圖像的結合，可以使定位極值點與相似性度量指標互相匹配，在完善上位機組網布局模型的同時，約束了WINSOCK控件的實際作用能力，完成基于多源衛星遙感的災害性氣象觀測數據監測系統設計。通過實驗分析驗證所提方法設計系統的有效性，研究結果表明，所提方法設計系統的濕度測量曲線、氣壓測量曲線、風速測量曲線與真實氣象數據樣本之間的誤差水平均被控制在2%以內，對于實現災害性氣象的準確監測可以起到促進性作用。