GMS氣象衛星云圖實(shí)時(shí)數據錄取和圖像處理

在航天科學(xué)飛速發(fā)展的今天，衛星觀(guān)測已成為天氣預報和大氣科學(xué)研究不可缺少的有效手段。它能為工、農業(yè)生產(chǎn)，為航海、漁業(yè)、林業(yè)、水利及軍事保障等提供重要的服務(wù)。GMS系列氣象衛星是由聯(lián)合國教科文組織資助、日本氣象廳負責實(shí)施的一個(gè)項目。它觀(guān)測到的云圖資料具有實(shí)時(shí)性好、覆蓋面廣、信息量大的特點(diǎn)，是我國和東南亞、大洋洲各國進(jìn)行氣象預報、分析的主要依據。在衛星云圖的接收、處理系統中，數據的實(shí)時(shí)錄取與保存、事后的圖像處理是關(guān)鍵技術(shù)。下面論述的是GMS-3衛星云圖數據的實(shí)時(shí)錄取與保存、事后圖像處理的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現方法。

1 GMS-3衛星及其云圖資料簡(jiǎn)介

GMS-3氣象衛星靜止于東經(jīng)140度赤道上空，衛星自轉的速度為100轉/分，自轉過(guò)程中有20度針對地球掃描獲取云圖數據，240度對空掃描，對空掃描期間將剛獲取的云圖資料傳輸給地面設備。衛星自轉一圈掃描獲取的數據稱(chēng)為一幀，根據轉速可以計算出每幀數據的掃描及傳輸，為（60秒/100轉）=600ms。衛星掃描步進(jìn)方向為自北向南，對地球全部掃描一遍約2300幀數據。

GMS-3衛星云圖每幀的數據結構如圖1所示。

每幀云圖數據由9個(gè)數據段組成。

同步段由20000bit幀同步碼組成，主要用于幀同步，不需保存。

IR1、IR2、IR3段為紅外云圖數據，GMS-3只用于其中IR1段，IR2、IR3保留備用。IR1由2291個(gè)字組成，每個(gè)字代表一個(gè)衛星掃描的象素點(diǎn)，灰度等級為256級。IR1共有2291字節數據。

V1、V2、V3、V4為可見(jiàn)光云圖數據， GMS-3云圖中，可見(jiàn)光的分辨率為紅外的4倍，所以V1、V2、V3、V4每個(gè)數據段均有數據，其字數應為2291+2291+（9164×4）= 41238字節，約為42KB，傳輸速度為660Kbit/s，掃描地球表面一次數據量為41238×2300=94847400字節，約95MB。

2 云圖數據的實(shí)時(shí)錄取

當衛星接收機收到衛星發(fā)來(lái)的高頻信號后，首先對它進(jìn)行高頻、中頻放大及調解、解碼處理，撮出云圖圖像數據及幀同步脈沖、字同步脈沖、位同步脈沖等信號。由于GMS-3云圖信息是一個(gè)660Kbit 的數據流，數據量高達95MB，所以應當對云圖接收機發(fā)來(lái)的數據進(jìn)行前置預處理。預處理的主要作用是對接收機發(fā)來(lái)的數據進(jìn)行提取、緩沖，去掉一些無(wú)用的重復數據。本文介紹的云圖處理系統，以一片Intel 8086 CPU為核心組成一個(gè)16位專(zhuān)用單板機，其框圖如圖2所示。

接口及同步電路主要用于對接收機送出的信號進(jìn)行幀同步和串并轉換，然后以16位DMA的方式將數據存入緩沖存儲器中。存儲器分兩個(gè)部分，RAM1和RAM2。接收數據時(shí)，將一幀數據首先放入 RAM1或RAM2中的一個(gè)中，例如RAM1中，當一幀數據接收并處理完后，Intel 8086 CPU控制總線(xiàn)接口電路向主機發(fā)出取數據請求，并將保存最近一幀數據的RAM1存儲器的控制權交給主機，同時(shí)做好下一幀數據存入另一存儲器RAM2中的準備。用這種雙緩沖存儲器方式，可以使數據預處理與主機對云圖的處理并行進(jìn)行，大大節省了主機的資源開(kāi)銷(xiāo)，可實(shí)現云圖的實(shí)時(shí)顯示。

3 云圖數據的實(shí)時(shí)存儲

由于GMS-3衛星云圖數據量大、傳輸速度高，采用一般的文件讀寫(xiě)方式不能完成數據的實(shí)時(shí)存盤(pán)要求，必須繞過(guò)操作系統的文件組織結構，直接對磁盤(pán)上的磁道進(jìn)行尋址和讀寫(xiě)操作。圖3所示為磁盤(pán)上的磁道、扇區組織形式。操作系統通常以扇區為單位進(jìn)行讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，即一次讀/寫(xiě)一個(gè)扇區。一扇我通常為512字節，0.5KB，讀寫(xiě)一個(gè)扇區一般要 1.5ms，磁頭在磁道間移動(dòng)的定位時(shí)間，即平均尋道時(shí)間為10ms。假設操作系統每讀/寫(xiě)一個(gè)扇區后均需重新定位磁道，則存儲一幀42KB數據所花的時(shí)間為（42/0.5）×（10+1.5）=966ms，超過(guò)了衛星發(fā)一幀數據的時(shí)間600ms。若在程序中直接控制磁頭定位到某一磁道，然后連續寫(xiě)完該磁道上的所有扇區，再去尋找下一空磁道，則假設每一磁道有17個(gè)扇區，那么一個(gè)磁道上就保存17/2=8.5KB數據，花費時(shí)間（17×1.5）+10= 35.5ms。保存一幀數據約需訪(fǎng)問(wèn)（42/18.5）約為5個(gè)磁道，所需時(shí)間為35.5×=177.5ms，大大小于600ms，完全滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)存儲的要求。

4 主要圖像處理功能

GMS-3衛星云圖含有豐富的信息，對它的圖像進(jìn)行各種處理，可以獲取許多有用的資料。下面簡(jiǎn)述幾項常用的主要功能。

（1）加偽彩色

GMS-3云圖所獲取的是紅外和可見(jiàn)光的灰度等級。紅外的灰度等級為256，人眼較難區分，可將紅外云圖用8種顏色，每種顏色32個(gè)灰度等級在CRT上顯示出來(lái)，便于觀(guān)察分析。

（2）漫游、放大、縮小功能

由于云圖全景為一個(gè)2300×2300的矩形，在屏幕上不易按1：1的比例顯示出來(lái)，因此，圖像處理中設計了漫游、放大、縮小等功能，以便能對云圖的全局或局部進(jìn)行觀(guān)察、分析。

（3）動(dòng)畫(huà)顯示

可連續顯示多幅不同時(shí)間的衛星云圖，從中可以看出天氣系統的變化過(guò)程，并可進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)演推等分析計算。

（4）網(wǎng)絡(luò )及地標處理

網(wǎng)絡(luò )指經(jīng)緯度網(wǎng)絡(luò )。GMS-3衛星通過(guò)邊掃描邊標定自身位置和姿態(tài)的方式，獲取一組經(jīng)、緯度線(xiàn)相交點(diǎn)對應圖像象素的數據，它不完全等同于地圖上的經(jīng)緯度坐標。根據這組數據在云圖上可畫(huà)出經(jīng)緯度網(wǎng)格線(xiàn)，提高對天氣系統的觀(guān)測精度。同時(shí)，對海岸線(xiàn)、國境線(xiàn)、江河等地理位置，也作了修正處理。

本文以GMS-3為例介紹了一種氣象衛星云圖微機處理系統的方法及主要功能、關(guān)鍵技術(shù)。它以較低廉的成本實(shí)現了高速度、大容量數據的處理，較好地滿(mǎn)足了各方面的要求。