基于图像处理的气象卫星云图数据库管理

第２５卷第４期　海军大连舰艇学院学报　Ｖｏ！．２５，Ｎｏ．４　２　０　０　２年８月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｄａｌｉａｎ　Ｎａｖａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ　Ａｕｇ．２　０　０　２　基于图像处理的气象卫星云图数据库管理　刘永禄，邵龙潭　（大连理工大学，辽宁大连１１６０２３）　摘要：为实现普通计算机存储大量卫星云图，为有效管理和利用卫星云图，提出了基于　数字图像处理的气象卫星云图数据库管理方式。阐述了实现这种管理方式的设计思　路、关键技术和主要功能。　关键词：卫星云图；面向对象关系数据库；数字图像处理；天气属性代码　（１）云图的背景地图和经纬线对于同种卫星　１问题的提出　都是相同的，所以保存云图之前，可以将他们去　气象卫星云图不仅在气象水文预报方面具有　掉，只保留云的资料。具体实现时，用一张只有背　重要的作用，而且作为一种历史资料在科研研究　景地图的云图与原始云图进行图像异或处理，就　方面也是必不可少的，因此需要合理保存，以便在　得到了完整的云的图像信息，将其称之为单纯云　预报和研究中使用。　图。　卫星云图储存在计算机中，就成为一类特殊　（２）单纯云图的信息与原始卫星云图信息量　的图像数据，它包括几何资料和非几何资料。几　是相等的，为减少信息量，还需要进一步处理。我　何资料是指云图的背景地图、经纬线、云的几何位　们把云所在像素的灰度值和空间位置记录下来，　置和灰度值；非几何资料是指卫星云图的属性，包　而无云的地方则不记录。最后形成一个只有云的　括接收时间、极轨卫星或静止卫星、红外或可见　信息集合，而没有其它多余无用的信息。可以将　光、存储备注信息等。如能采用数据库的方式进　行管理，将卫星云图作为一种数据库的记录实体，　原始文件缩减５Ｏ％左右，大大减少了存储量。　把其几何资料和非几可资料记录下来，实现这些　（３）将屏幕坐标系转化为经纬坐标，使云的空　记录的保存、查询、浏览、删除、转换等功能，就可　间位置更具有实用价值。　以大大提高卫星云图的自动化管理能力，将会极　２．２数据库结构　大地方便卫星云图在科研研究中的使用。另外，　２．２．１采用面向对象的关系数据库的设计思路　般情况下，每天都会有几十张卫星云图，日积月　数据库的平台仍然是ＤＢＭＳ，但设计出发点　一累，数量是非常巨大的，采用通常的文件保存方式　是用户应用，站在数据库用户使用的角度上，如何　是不合理的，管理起来比较混乱，很适合使用数据　使用户能够快速从数量庞大的云图里查询到符合　库方式进行存储和管理。　用户需求的结果，能够快速的得到各种资料的统　由于卫星云图的特殊形式，可以采取图像处　计结果，才是我们开发数据库的最终目标。如果　理手段，将其资料信息在不损失的前提下压缩保　单纯采取关系数据库的设计思路，即使简单的查　存，这样存储的空间可以大大减少。在显示卫星　询，例如查询某一时刻的云图，在资料量很大量时　云图时也可以运用多种图像处理的手段，方便对　也是比较慢的。在用户实际使用中，查询往往是　卫星云图的分析。这样就会进一步提高气象卫星　复合查询，例如查询某次台风产生、发展、登陆全　云图的管理能力。　过程的云图，由于单一的关系型数据库大量的冗　余计算，查询速度会非常缓慢，效率低下。　２实现技术和数据库结构　为此，我们引入面向对象的概念来提高数据　２．１保存前的预处理　库的运行效率。根据用户需求以及卫星云图的特　收稿Ｅｔ期：２００２—０５—１６　作者简介：刘永禄（１９７２一）．男，讲师　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　刘永禄等基于图像处理的气象卫星云图数据库管理　点，我们把卫星云图的天气属性作为对象型资料，　建立天气属性代码，每个天气属性代码在整个数　据库中是唯一的，它将代表某一类天气特点的卫　星云图。这些天气特点完全是由用户自定义的，　用户认为某张云图属于哪一类天气，就将其保存　在相应位置，这个位置由天气属性代码来确定。　引入天气属性代码的原因是，用户使用这个　数据库的方式主要是关心卫星云图所具有的天气　属性，根据天气属性将卫星云图分类会使用户很　快找到他关注的云图以及相应统计结果。　天气属性代码的优势在于：　ａ．只有它是数据库中唯一的资料，具有索引　（Ｉｎｄｅｘ）的性质，这个索引不单纯是某张表的索　引，而是具有整个库索引的作用。这样使得数据　库结构变得十分清晰。　ｂ．具有可扩充性，只要用户觉得必要，他就可　以建立和随时改变代码所代表的内容。　ｃ，具有继承性，它可以有子代码。例如父代　码是｛台风天气｝，子代码可以是｛台风天气，南海　台风，……｝，这样查询南海台风时就避免了先查　询台风天气的资料，从而加快了效率。　ｄ．具有封装性，每个代码都是独立的，是可封　装的。　ｅ．可以删除。　ｆ．减小了应用程序的编程工作量，天气属性　代码的引入，更加明确了数据库中各个表的关系，　在应用程序的编程不需要考虑太多这方面的事　情；　ｇ，减少了数据库每一张表的负荷，降低了因　表内容过多而导致数据库崩溃的风险。　可见，天气属性代码的确具有类的特点，它的　引入优化了数据库的性能。但任何事都是有得有　失的，天气属性代码在另外一方面也存在着弊端。　一是安全隐患。如果所有用户都可以随意添　加，云图资料可能就会因为天气属性代码的含义　模糊而变得混乱。因此必须加强安全机制，确保　云图数据的明确天气属性；　二是资料的冗余度增加。天气属性定义过　细。造成天气属性代码太多，有些不常用的天气属　性代码会给数据库带来不必要的负荷。　当然这样的代价还是值得的，毕竟因为不利　因素带来的工作量相对而言是很小的。　２．２．２数据库的建立　．２９．　根据设计思路数据库的建立按照下图进行：　『　云图数据采集　◆　ｌ　云图数据预处理　Ｉ　ｆ云图数据天气属性设置　◆　ｌ　ｌ　建立基本云图数据表　Ｉ　建立统计报表　图１数据库设计思路　３实现的主要功能　３．１云图数据采集和预处理　云图的采集主要是通过卫星云图接收设备来　实现，卫星云图接收设备是各个气象部门的常规　设备，即使没有卫星云图接收设备，也可以通过网　络等其他手段间接获取卫星云图数据。数据库将　设计与接收设备或其他途径接口。　云图的预处理如上所述主要将各张云图的背　景地图去掉，然后进行图像压缩，在不减少云图数　据的前提下，最大程度的压缩云图的数据量。　３．２数据库管理　具有云图数据的添加、修改、删除和统计功　能。用户可以随时建立所需要的天气属性设置，　把云图按照用途进行归类。还可以操纵部分表、　视图和索引，可以动态地创建和修改。　数据的输入输出。能调整输出信息的数量，　输出的格式。输出打印报表。　多用户共享数据。具有分布式数据库管理功　能。多个事务可以同时访问同一数据，也可以访　问在不同场地的数据。查询操作永无竞争，通过　封锁、死锁检测、死锁排除、二段式提交等一系列　分布式数据库技术和并发控制机制，实现了局部　事务和分布式事务的管理、数据库一致性完整性　的维护和故障后的自动恢复。　统计和公式计算功能。提供数据统计，增加　用户对数据分析的应用能力。提供常见的水文气　象计算以及应用相关的公式，方便用户的使用。　多级安全保密功能。具有用户身份鉴别，视　维普资讯 http://www.cqvip.com

海军大连舰艇学院学报　第２４卷　－３０－　图权限、用户权限识别、存取控制加密等多级保密　问到服务器上的卫星云图数据库，获取有用资料。　功能，提供数据库级、表级、行级、列级的保密。为　３．８云图数据后处理　安全级别较高的应用提供了基础。　云图数据在存人数据库之间要进行预处理，　３．３灾害性天气和典型天气卫星云图检索　去掉地图并压缩。当从数据库中调出云图数据，　将台风、寒潮等灾害性天气和各种典型天气　必须要恢复重建云图，以显示出正常的云图。其　建立档案，利用下拉式数据窗口的方式查询，快速　恢复重建云图的过程与预处理的过程刚好是相反　给出各种灾害性天气和典型天气的相关卫星云　的。第一步是填补无云的区域；第二步迭加背景　图。并以一屏多窗口的方式显示，以便操作人员　地图。　的比较和分析。　３．４多图迭加检索　４结语　为了更加方便的进行天气分析，可以将满足　实际上很多气象部门都有接收卫星云图的设　检索条件的所有卫星云图的云信息显示在一张天　备，接收了大量的卫星云图，但由于没有妥善的管　气图上，这样一来，某种天气系统云就会一目了　理方法大多数云图都删除了，只保存了少量近期　然，该天气系统的增强减弱通过云的变化直接反　的云图。即使只有这样少的云图，同样由于管理　映出来，使得云图变得更具有使用价值。　方式的限制而不能有效的利用，造成宝贵资源的　３．５复合条件检索　浪费。基于数字图像处理的气象卫星云图数据库　由于用户在查询时，往往需要多个条件的复　管理方式一方面解决了大量云图存储的难题，另　合查询，例如时间、天气属性等，可将检索限定在　一方面运用数据库的分类、统计、检索、输入输出　一个或多个字段中进行。通过布尔逻辑算符，可　等管理功能，提高了卫星云图的利用价值。再则　以构成多重字段限定检索。　利用计算机来管理分析卫星云图，也使得气象业　３．６相邻度检索　务自动化、客观化进一步提高。　相邻度检索是指两个或多个信息之间，是否　基于这种数字图像处理的气象卫星云图数据　以一定的先后顺序出现，彼此以相隔多少个信息　库管理方式还可以应用在气象、水文、海洋、地质、　的距离联接，它们出现是否不允许另一个信同时　消防等多个领域内，一旦成为网络共享资源，可以　出现，以及它们同时出现或不出现于同一范围之　更加广泛的对卫星云图这一宝贵资源加以利用。　中等等的限定。相邻度检索的实现基础是建立数　其应用开发的潜力非常巨大。　据库时记录下的信息位置，这种信息位置表示出　基于数字图像处理的气象卫星云图数据库管　该信息所在的字段及其在该字段中所处的位置。　理方式在技术和设计上目前仍有不完善的地方。　根据它们的位置信息进行彼此位置关系的运算。　例如信息量的压缩，一定还有更好的算法增加压　相邻度检索功能的有无对数据库的检索性能影响　缩量，这对于数量巨大的卫星云图的存储有特别　很大。比如，机内数据库中的先组词毕竟有限，在　突出的意义，同时也有利于网络的传输。在设计　检索时如能进行相邻度检索，就可以弥补数据库　上，还需根据实际应用来进一步完善功能，以满足　中先组词不足的缺陷。如果不能进行相邻度检　不同部门、不同行业的需求。　索，当数据库中没有所查的先组词时，只能使用　“ＡＮＤ”算符来连接两个成分词，这就很可能降低　参考文献：　查准率。　【１］何枫．面向实体的图形数据库管理．计算机工程与应用，　３．７网络资源共享　１９９５．　建立Ｗｅｂ网络服务器，利用Ｗｅｂ技术可以　【２］俞善贤．天气图图形效据库系统的研究．气象，１９９８（６）．　【３］向红梅．基础地理信息系统中图形数据库建立的方法与技　将分布式的客户端应用分布到Ｗｅｂ服务器上。　术．测绘工程，１９９９．　这样一来，用户可以在远程以ｉｎｔｅｍｅｔ的方式访