基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)設計

葉應輝

(吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026)

0 引言

遙感衛(wèi)星是指可對外層空間進行監(jiān)控的人造衛(wèi)星設備，常以遙感平臺作為基礎應用結構。一般情況下，一顆穩(wěn)定的遙感衛(wèi)星可在同一軌道上運行數(shù)年。對于地球遙感衛(wèi)星來說，其在規(guī)定時間內(nèi)能夠完全覆蓋地球表面的任意指定區(qū)域，在衛(wèi)星設備沿地球同步軌道運行時，其對于指定地域的遙感探測行為也可以保持連續(xù)狀態(tài)[1]。在衛(wèi)星遙感任務中，所得數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間始終存在一定的數(shù)值誤差，且這種誤差的實際取值越大，衛(wèi)星主機對于遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的監(jiān)測準確性也就越低。

為避免上述情況的發(fā)生，相關領域?qū)W者針對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測進行研究，毋琳[2]等設計了河流徑流雷達衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以雷達高度計和SAR遙感技術為基礎，對河流寬度、水位和徑流進行了計算，實現(xiàn)了參數(shù)計算功能。該系統(tǒng)的推廣和應用，可以為河道徑流雷達衛(wèi)星遙感的實時監(jiān)控提供技術支持。但系統(tǒng)對于指征參量的實際控制能力有限，并不能完全滿足準確監(jiān)測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的實際應用需求。尤淑撐[3]等設計了自然資源衛(wèi)星遙感常態(tài)化監(jiān)測框架。通過對一系列關鍵技術的突破，包括衛(wèi)星遙感的常規(guī)監(jiān)測，對全國的全要素進行了定期的季度監(jiān)測，重點地區(qū)的高頻率、高精度的實時監(jiān)控，以及“量-質(zhì)-生態(tài)”的實時監(jiān)控，服務于自然資源普查、監(jiān)督等方面，建立全方位、多層次的衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠加強對自然資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的支撐、常規(guī)監(jiān)測、信息服務、決策支持等方面的綜合應用。但該系統(tǒng)的監(jiān)測準確性較低。

MPI是一種可進行跨語言傳輸?shù)耐ㄓ嵾B接協(xié)議，常用于編寫并行代碼指令，同時支持點對點、面對面等多種協(xié)議連接形式[4]。從作用機制的角度來看，MPI連接協(xié)議同時具有可移植性、大規(guī)模性、高性能性等多重作用能力，故而在數(shù)據(jù)處理、互聯(lián)網(wǎng)部署等多個領域中都具有極強的執(zhí)行能力[5]。因此，為解決上述問題，設計基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)。通過與Zigbee網(wǎng)絡的節(jié)點進行A/D變換電路的匹配，根據(jù)需要傳感器和協(xié)調(diào)器設備分配衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)的硬件設計。將MPI的基本調(diào)用與數(shù)據(jù)進程編寫原則結合起來，以此完善MPI并行計算。在此基礎上，利用傳感器的幾何校正原理，計算出遙感數(shù)據(jù)的度量值，并對其核函數(shù)進行配置，從而實現(xiàn)了對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的處理，完成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)設計。由此減小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差，準確監(jiān)測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為。

1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端硬件設計

基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)流程，將A/D變換電路與Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點進行匹配，利用傳感器模塊和協(xié)調(diào)器設備，分配衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。設計并行拓撲結構，結合MPI調(diào)用與數(shù)據(jù)進程編寫原則，完善MPI并行計算。利用傳感器幾何校正原理，計算遙感數(shù)據(jù)度量值，并核函數(shù)進行配置，完成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)設計。整體監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 整體監(jiān)測系統(tǒng)架構

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端的硬件執(zhí)行環(huán)境，由A/D轉(zhuǎn)換電路、Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點、傳感器模塊、協(xié)調(diào)器設備四部分共同組成，具體設計方法如下。

1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路負責為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)字電量傳輸信號，可以在正負極端口節(jié)點之間，實現(xiàn)對電信號參量的按需調(diào)節(jié)，從而將正向點電荷、負向點電荷反饋至既定電量消耗設備之中。為維持A/D轉(zhuǎn)換電路的實時連接能力，正極端口節(jié)點與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)的高壓輸入端相連，負極端口節(jié)點與低壓輸出端相連，隨著電信號輸入量的增大，兩個端口呈現(xiàn)出交替閉合的連接狀態(tài)，直至完成對剩余電量信號的按需轉(zhuǎn)存與處理[6]。CD4051芯片、TLPS21-2芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路中的核心應用結構，前者負責記錄點電荷的實時傳輸總量，后者負責感知衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定向傳輸行為，在外部負載電壓數(shù)值不發(fā)生改變的情況下，點電荷與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相互交換，并可以借助多個連接電阻，實現(xiàn)對電量信號傳輸行為的按需調(diào)控。A/D轉(zhuǎn)換電路的結構如圖2所示。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換電路的結構示意圖

在A/D轉(zhuǎn)換電路中，處于不同連接位置處R電阻所承擔的電量信號處理行為也有所不同。

1.2 Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點

在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)中，Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點負責協(xié)調(diào)A/D轉(zhuǎn)換電路與傳感器模塊及協(xié)調(diào)器設備間的實時連接關系，可以根據(jù)射頻信號的輸入形式，規(guī)劃衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的后續(xù)傳輸行為，從而使得主控器元件能夠準確感知網(wǎng)絡節(jié)點與監(jiān)測主機之間的遙感數(shù)據(jù)傳輸情況[7]。CC2530控制器作為Zigbee核心控制單元中的主控器元件，能夠與A/D轉(zhuǎn)換設備、I/O負載結構建立實時連接關系，隨著Zigbee射頻元件中衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)輸出量的不斷增大，主控單元與下級設備之間的連接關系也在逐漸趨于緊密，這也是系統(tǒng)監(jiān)測主機能夠?qū)崟r準確掌握衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的主要原因[8]。完整的Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點布置形式如圖3所示。

圖3 Zigbee 網(wǎng)絡節(jié)點布置形式

節(jié)點接入?yún)^(qū)域位于Zigbee核心控制元件旁側，由電源節(jié)點、傳感器節(jié)點、遙感數(shù)據(jù)接入節(jié)點、數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點、MPI協(xié)議作用節(jié)點等多個端口機制共同組成。當Zigbee核心控制元件進入完全閉合狀態(tài)后，所有網(wǎng)絡節(jié)點在同一時間呈現(xiàn)定向連接行為，此時衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)經(jīng)由傳輸網(wǎng)絡進入CC2530控制器，并可以在A/D轉(zhuǎn)換設備、I/O負載結構的作用下，將這些數(shù)據(jù)信息參量反饋給系統(tǒng)核心監(jiān)測主機。

1.3 傳感器模塊

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器模塊由衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)變化行為感知、電量控制、MPI協(xié)議作用、數(shù)據(jù)并行運算5個單元共同組成，其組成形式及具體作用能力如表1所示。

表1 傳感器模塊組成

為使傳感器模塊的執(zhí)行能力能夠匹配衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，DATA芯片、微控制器元件、CD4051芯片、TLPS21-2芯片、二進制編碼器、DHT11處理設備之間的實時連接關系不會受到其他系統(tǒng)應用結構的影響[9-10]。作為A/D轉(zhuǎn)換電路與Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的下級附屬結構，傳感器模塊也具備調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)器設備的處理能力。

1.4 協(xié)調(diào)器設備

協(xié)調(diào)器設備以微控制器、DM9000協(xié)調(diào)芯片作為核心調(diào)控裝置，可以聯(lián)合MT8389、RJ45、SDRAN、SPI等多個通信接口，判斷監(jiān)測主機對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化行為的感知能力[11]。微控制器裝置分別與PL2303接口、JTAG接口、MT8389接口、SDRAN接口相連，負責確定衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的實時傳輸位置，其作用能力會隨著衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)輸入量的增大而不斷增強，當數(shù)據(jù)信息累積量達到微控制器元件的上限承載條件之后，4個通信接口同時進入開啟狀態(tài)，并可將暫存的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸回系統(tǒng)監(jiān)測主機。DM9000協(xié)調(diào)芯片與RJ45接口、串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)接口相連，能夠預判衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的后續(xù)傳輸行為，并可以判定當前運行指令是否滿足提取數(shù)據(jù)變化指征的應用需求[12]。完整的協(xié)調(diào)器設備連接結構如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器設備連接結構

對于協(xié)調(diào)器設備而言，微控制器元件與DM9000協(xié)調(diào)芯片之間存在一種不可逆的映射連接關系，且只有當PL2303接口、聯(lián)合測試工作組(joint test action group，JTAG)接口、MT8389接口、同步動態(tài)隨機存儲器(synchronous dynamic random access memory，SDRAN)接口、RJ45接口、SPI接口同時處于開啟狀態(tài)時，協(xié)調(diào)器設備對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的感知能力才能夠達到最強。

2 MPI并行計算

MPI并行計算作為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)的約束標準，其搭建流程由并行拓撲結構設計、MPI調(diào)用、數(shù)據(jù)進程編寫三部分共同組成。

2.1 并行拓撲結構

并行拓撲結構反映了MPI協(xié)議的作用能力，屬于一種映射型連接判別條件，可用來查詢衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸行為的變化形式，其連接框架中包含多個協(xié)議管腳，分別用來監(jiān)測不同的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對象，并可以根據(jù)MPI協(xié)議的執(zhí)行需求，調(diào)整數(shù)據(jù)信息之間的關聯(lián)特征[13-14]。協(xié)議管腳與MPI協(xié)議主體之間的連接需要借助并行映射條件，前者作為客體對象能夠準確記錄衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的實時傳輸位置，并可以在映射條件的作用下，將已記錄信息聚合成數(shù)據(jù)包結構，以供MPI協(xié)議主體的直接調(diào)取與利用。MPI協(xié)議主體作為并行拓撲結構的核心管控單元，可以借助映射連接通路管控協(xié)議管腳，并對其中存儲的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進行管理。并行拓撲結構連接原理如圖5所示。

圖5 并行拓撲結構連接原理

在并行拓撲結構中，MPI協(xié)議、協(xié)議管腳、并行連接映射作為3個相關管理的作用結構，其連接形式保持獨立，但對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)而言，這些連接結構之間存在明顯的信息互通行為，且隨著數(shù)據(jù)信息傳輸量的增大，關聯(lián)拓撲結構與系統(tǒng)核心監(jiān)測主機之間的連接關系也會逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 MPI的基本調(diào)用

MPI調(diào)用也叫MPI協(xié)議調(diào)試。對于并行拓撲結構而言，在制定MPI并行計算制度時，由于無法控制相關衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間的信息互傳關系，所以要以MPI協(xié)議為基本原則，對這些待存儲數(shù)據(jù)信息參量進行調(diào)試與整合處理[15-16]。規(guī)定a、s表示兩個隨機選取的MPI協(xié)議并行拓撲向量，且a≠s的不等式條件恒成立。da表示與系數(shù)a相關的MPI協(xié)議調(diào)度權重指標，ds表示與系數(shù)s相關的MPI協(xié)議調(diào)度權重指標，ka,s表示MPI協(xié)議的并行變分處理系數(shù)，當向量a取值不等于向量s時，該項物理指標的最小值定義結果也始終大于物理自然數(shù)“1”。聯(lián)立上述物理量，可將MPI協(xié)議的基本調(diào)用表達式定義為：

(1)

式中，αa表示與系數(shù)a相關的MPI協(xié)議并行運算強度，αs表示與系數(shù)s相關的MPI協(xié)議并行運算強度。在對向量a、向量s進行取值時，要求兩者不能同時等于最大值或最小值條件，即在調(diào)用MPI協(xié)議時，至少有一個并行拓撲向量的取值結果不等于極限值。

2.3 數(shù)據(jù)進程編寫

數(shù)據(jù)進程決定了MPI并行計算的作用能力。在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)中，為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征的準確辨別，要求數(shù)據(jù)進程的編寫必須以MPI并行計算作為基礎，在度量衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)之間關聯(lián)特性的同時，將MPI協(xié)議的作用范圍限制在既定數(shù)值區(qū)間之內(nèi)，一方面縮小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差，另一方面也可以避免MPI并行計算的實際作用能力預期作用效果出現(xiàn)偏差[17-18]。設c表示衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)編碼特征的初始取值，n表示特征指標c的最大取值結果，k1、k2、…、kn表示n個不同的MPI協(xié)議并行計算系數(shù)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(1)，可將基于MPI并行計算的數(shù)據(jù)進程編寫法則定義為：

(2)

其中:δ1表示第一個編寫的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)指標，δn表示第n個編寫的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)指標，f表示基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)編碼參數(shù)。根據(jù)并行拓撲結構排列方式，對MPI協(xié)議進行調(diào)用處理，再以此為基礎，建立完整的數(shù)據(jù)進程編寫原則，實現(xiàn)對MPI并行計算的約束與完善。

3 基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理

在MPI并行計算原則的作用下，按照傳感器幾何校正、遙感數(shù)據(jù)度量值計算、核函數(shù)配置的執(zhí)行流程，實現(xiàn)對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的按需處理，再聯(lián)合各級硬件執(zhí)行結構，完成基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)設計。

3.1 傳感器幾何校正

(3)

3.2 遙感數(shù)據(jù)度量值

遙感數(shù)據(jù)度量值決定了MPI并行計算對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化行為的監(jiān)測處理能力。當Zigbee 網(wǎng)絡節(jié)點與傳感器模塊之間的連接穩(wěn)定性不發(fā)生改變時，主機元件對于MPI協(xié)議的調(diào)用越頻繁，遙感數(shù)據(jù)度量值指標的計算取值結果也就越大[21]。在傳感器幾何校正行為的作用下，若衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的排列狀態(tài)滿足單一集合的調(diào)度需求，則可認為當前情況下，MPI并行計算對于遙感數(shù)據(jù)度量指標的影響能力越強[22]。設w、e表示兩個不相等的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)節(jié)點標記度量值，但其取值結果均處于[1,+∞)的物理區(qū)間，R表示基于MPI并行計算的遙感數(shù)據(jù)篩選系數(shù)，且R≥1的不等式條件恒成立。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(3)，可將遙感數(shù)據(jù)度量值表達式定義為：

(4)

式中，β表示衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化行為的方向表現(xiàn)向量，λ表示監(jiān)測指令的執(zhí)行法向量。在已知傳感器幾何校正強度條件的情況下，對于遙感數(shù)據(jù)度量指標的取值必須嚴格遵循MPI并行計算原理，若w系數(shù)、e系數(shù)之間的差值水平較大，則表示待處理衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相對較多，為在單位時間內(nèi)獲得更加精準的監(jiān)測執(zhí)行指令，應注重對β向量、λ向量進行區(qū)分。

3.3 核函數(shù)配置

具體的核函數(shù)表達式如下：

(5)

其中:i、u表示兩個非零函數(shù)基準值，且u>i的不等式條件恒成立，qi表示與基準值i相關的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化行為管控向量，qu表示與基準值u相關的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化行為管控向量，ΔT表示監(jiān)測指令的單位執(zhí)行時長。利用核函數(shù)標準對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)的執(zhí)行能力進行約束，既能滿足MPI并行計算的應用需求，也可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)變化指征參量的準確提取。

4 實驗分析

為驗證監(jiān)測系統(tǒng)對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的管控能力，設計如下對比實驗。選擇基于MPI并行計算的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)作為實驗組方法，選擇河流徑流雷達衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)作為對照組方法，在其他干擾條件不發(fā)生改變的情況下，記錄衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征的實驗數(shù)值。具體的實驗參數(shù)配置情況如表2所示。

表2 實驗參數(shù)配置

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差，可以用來描述主機元件對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的監(jiān)測準確性。在不考慮其他干擾條件的情況下，變化指征與非變化指征之間的差值水平越小，就表示主機元件對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的監(jiān)測準確性越強。

誤差值計算表達式如下：

ψ=|y0-(θ1×σ1)|

(6)

式中，y0表示衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的非變化指征，θ1、σ1表示兩個不相等的變化指征取值參量((?1×σ1)表示衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征的計算取值)。

實驗組、對照組?1參量與σ1參量的實驗數(shù)值如圖6所示。

圖6 變化指征參量取值

分析圖6可知，當實驗時間為70 min時，對照組σ1指標數(shù)值均值為5.5 s，實驗組σ1指標數(shù)值均值為3.04 s，而對照組θ1指標數(shù)值均值為4.22像素，實驗組θ1指標數(shù)值均值為2.77像素。由此可知，在整個實驗過程中，變化指征取值參量均值的排列順序為：對照組σ1指標>對照組θ1指標>實驗組σ1指標>實驗組θ1指標。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)非變化指征y0的數(shù)值水平如圖7所示。

圖7 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)非變化指征(y0)

聯(lián)立圖6中的記錄數(shù)值與公式(6)，對實驗組、對照組衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征進行計算，具體計算數(shù)值如表3所示。

表3 誤差值

分析表3可知，當實驗時間為70 min時，實驗組誤差值ψ指標達到最大數(shù)值0.54像素/s；當實驗時間為60 min時，對照組誤差值ψ指標達到最大數(shù)值3.14像素/s，與實驗組誤差值最大數(shù)值相差2.6像素/s。在整個實驗過程中，當實驗時間達到70 min時，實驗組誤差值ψ指標均值為0.36像素/s，對照組誤差值ψ指標均值為2.78像素/s，與對照組相比，實驗組明顯縮小了2.42像素/s。

綜上可知，本次實驗結論為：

1)隨著河流徑流雷達衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)的應用，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差水平并不能得到有效控制；

2)在基于MPI并行計算的監(jiān)測系統(tǒng)的作用下，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差出現(xiàn)了明顯下降的數(shù)值變化狀態(tài)；

3)與河流徑流雷達衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)相比，MPI并行計算更能控制衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差，實現(xiàn)對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的準確監(jiān)測。

5 結束語

本文設計的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化監(jiān)測系統(tǒng)在MPI并行計算的基礎上，設置了A/D轉(zhuǎn)換電路、傳感器模塊、協(xié)調(diào)器設備等多個硬件應用結構，又通過編寫數(shù)據(jù)進程的方式，計算得到準確的遙感數(shù)據(jù)度量值結果。與河流徑流雷達衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)相比，這種新型監(jiān)測系統(tǒng)可以明顯縮小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)變化指征與非變化指征之間的實值誤差，在實際應用方面，能夠滿足準確監(jiān)測衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸變化行為的設計需求。