摘  要: GMS同步气象卫星云图是天气预报的主要手段之一。主要介绍了GMS-3气象卫星及其云图数据的结构,论述了一种基于微机的实时数据录取、图像处理" title="图像处理">图像处理系统的工作原理、关键技术的实现方法。 

　　关键词: 气象卫星云图  数据录取  图像处理 

　　在航天科学飞速发展的今天,卫星观测已成为天气预报和大气科学研究不可缺少的有效手段。它能为工、农业生产,为航海、渔业、林业、水利及军事保障等提供重要的服务。GMS系列气象卫星是由联合国教科文组织资助、日本气象厅负责实施的一个项目。它观测到的云图资料具有实时性好、覆盖面广、信息量大的特点,是我国和东南亚、大洋洲各国进行气象预报、分析的主要依据。在卫星云图的接收、处理系统" title="处理系统">处理系统中,数据的实时录取与保存、事后的图像处理是关键技术。下面论述的是GMS-3卫星云图数据的实时录取与保存、事后图像处理的工作原理、关键技术实现方法。 

1 GMS-3卫星及其云图资料简介 

　　GMS-3气象卫星静止于东经140度赤道上空,卫星自转的速度为100转/分,自转过程中有20度针对地球" title="地球">地球扫描获取云图数据,240度对空扫描,对空扫描期间将刚获取的云图资料传输给地面设备。卫星自转一圈扫描获取的数据称为一帧,根据转速可以计算出每帧数据的扫描及传输时间,为(60秒/100转)=600ms。卫星扫描步进方向为自北向南,对地球全部扫描一遍约2300帧数据。 

　　GMS-3卫星云图每帧的数据结构如图1所示。

　　每帧云图数据由9个数据段组成。 

　　同步段由20000bit帧同步" title="帧同步">帧同步码组成,主要用于帧同步,不需保存。 

　　IR₁、IR₂、IR₃段为红外云图数据, GMS-3只用了其中IR₁段,IR₂、IR₃保留备用。IR₁由2291个字组成,每个字代表一个卫星扫描的象素点,灰度等级为256级。IR₁共有2291字节数据。 

　　V₁、V₂、V₃、V₄为可见光云图数据,GMS-3云图中,可见光的分辨率为红外的4倍,所以V₁、V₂、V₃、V₄每个数据段均有数据,其字数应为2291×4=9164,可见光灰度等级为64,6bit,在计算机中存储时占用一字节,所以V₁、V₂、V₃、V₄的段长度均为9164字节。 

　　文件段长度也为2291字节,其中包括一些卫星轨道和姿态信息及简化画地图参数。因为卫星在天空并不是完全静止的,它也在一定范围内漂移。因此,卫星在对地球扫描的同时,也在不断地标定自身的位置和扫描状态,并随同每帧数据一同发下来,使计算机能对云图进行修正。轨道和姿态参数主要有扫描模式、扫描状态、帧标记、图像标记,扫描记数、西水平点、东水平点、数据源、时间等一系列参数。画地图参数则是一组经、纬度线相交点所对应的象素点,它并不是固定不变的,随着卫星位置的飘移,它也必须由卫星不断标定并发给地面设备,以保证云图的地理位置的准确性。 

　　由上所述可以看出,一帧GMS-3云图的数据量约为2291+2291+(9164×4)=41238字节,约为42KB,传输速度" title="传输速度">传输速度为660Kbit/s,扫描地球表面一次数据量为41238×2300=94847400字节,约95MB。 

2 云图数据的实时录取 

    当卫星接收机收到卫星发来的高频信号后,首先对它进行高频、中频放大及调解、解码处理,提取出云图图像数据及帧同步脉冲、字同步脉冲、位同步脉冲等信号。由于GMS-3云图信息是一个660Kbit的数据流,数据量高达95MB,所以应当对云图接收机发来的数据进行前置预处理。预处理的主要作用是对接收机发来的数据进行提取、缓冲,去掉一些无用的重复数据。本文介绍的云图处理系统,以一片Intel 8086 CPU为核心组成一个16位专用单板机,其框图如图2所示。 

　　接口及同步电路主要用于对接收机送出的信号进行帧同步和串并转换,然后以16位DMA的方式将数据存入缓冲存储器中。存储器分两个部分,RAM1和RAM2。接收数据时,将一帧数据首先放入RAM1或RAM2中的一个中,例如RAM1中,当一帧数据接收并处理完后,Intel 8086 CPU控制总线接口电路向主机发出取数据请求,并将保存最近一帧数据的RAM1存储器的控制权交给主机,同时做好下一帧数据存入另一存储器RAM2中的准备。用这种双缓冲存储器方式,可以使数据预处理与主机对云图的处理并行进行,大大节省了主机的资源开销,可实现云图的实时显示。 

3 云图数据的实时存储 

　　由于GMS-3卫星云图数据量大、传输速度高,采用一般的文件读写方式不能完成数据的实时存盘要求,必须绕过操作系统的文件组织结构,直接对磁盘上的磁道进行寻址和读写操作。图3所示为磁盘上的磁道、扇区组织形式。操作系统通常以扇区为单位进行读/写访问,即一次读/写一个扇区。一扇区通常为512字节,0.5KB,读写一个扇区一般要1.5ms,磁头在磁道间移动的定位时间,即平均寻道时间为10ms。假设操作系统每读/写一个扇区后均需重新定位磁道,则存储一帧42KB数据所花的时间为(42/0.5)×(10+1.5)=966ms,超过了卫星发一帧数据的时间600ms。若在程序中直接控制磁头定位到某一磁道,然后连续写完该磁道上的所有扇区,再去寻找下一空磁道,则假设每一磁道有17个扇区,那么一个磁道上就可保存17/2=8.5KB数据,花费时间(17×1.5)+10=35.5ms。保存一帧数据约需访问(42/18.5)约为5个磁道,所需时间为35.5×5=177.5ms,大大小于600ms,完全满足了实时存储的要求。 

4 主要图像处理功能 

　　GMS-3卫星云图含有丰富的信息,对它的图像进行各种处理,可以获取许多有用的资料。下面简述几项常用的主要功能 

　　(1)加伪彩色 

　　GMS-3云图所获取的是红外和可见光的灰度等级。红外的灰度等级为256,人眼较难区分,可将红外云图用8种颜色,每种颜色32个灰度等级在CRT上显示出来,便于观察分析。 

　　(2)漫游、放大、缩小功能 

　　由于云图全景为一个2300×2300的矩形,在屏幕上不易按1:1的比例显示出来,因此,图像处理中设计了漫游、放大、缩小等功能,以便能对云图的全局或局部进行观察、分析。 

　　(3)动画显示 

　　可连续显示多幅不同时间的卫星云图,从中可以看出天气系统的变化过程,并可进行风场演推等分析计算。 

　　(4)网络及地标处理 

　　网络指经纬度网格。GMS-3卫星通过边扫描边标定自身位置和姿态的方式,获取一组经、纬度线相交点对应图像象素的数据,它不完全等同于地图上的经纬度坐标。根据这组数据在云图上可画出经纬度网格线,提高对天气系统的观测精度。同时,对海岸线、国境线、江河等地理位置,也作了修正处理。 

　　本文以GMS-3为例介绍了一种气象卫星云图微机处理系统的方法及主要功能、关键技术。它以较低廉的成本实现了高速度、大容量数据的处理,较好地满足了各方面的要求。 

参考文献 

1 周明德.微型计算机原理及应用.北京:清华大学出版社,1991