基于MPI并行计算的卫星遥感数据变化监测系统设计

叶应辉

(吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026)

0 引言

遥感卫星是指可对外层空间进行监控的人造卫星设备，常以遥感平台作为基础应用结构。一般情况下，一颗稳定的遥感卫星可在同一轨道上运行数年。对于地球遥感卫星来说，其在规定时间内能够完全覆盖地球表面的任意指定区域，在卫星设备沿地球同步轨道运行时，其对于指定地域的遥感探测行为也可以保持连续状态[1]。在卫星遥感任务中，所得数据变化指征与非变化指征之间始终存在一定的数值误差，且这种误差的实际取值越大，卫星主机对于遥感数据传输变化行为的监测准确性也就越低。

为避免上述情况的发生，相关领域学者针对卫星遥感数据变化监测进行研究，毋琳[2]等设计了河流径流雷达卫星遥感监测系统。该系统以雷达高度计和SAR遥感技术为基础，对河流宽度、水位和径流进行了计算，实现了参数计算功能。该系统的推广和应用，可以为河道径流雷达卫星遥感的实时监控提供技术支持。但系统对于指征参量的实际控制能力有限，并不能完全满足准确监测卫星遥感数据传输变化行为的实际应用需求。尤淑撑[3]等设计了自然资源卫星遥感常态化监测框架。通过对一系列关键技术的突破，包括卫星遥感的常规监测，对全国的全要素进行了定期的季度监测，重点地区的高频率、高精度的实时监控，以及“量-质-生态”的实时监控，服务于自然资源普查、监督等方面，建立全方位、多层次的卫星遥感监测系统。该系统能够加强对自然资源卫星遥感数据的支撑、常规监测、信息服务、决策支持等方面的综合应用。但该系统的监测准确性较低。

MPI是一种可进行跨语言传输的通讯连接协议，常用于编写并行代码指令，同时支持点对点、面对面等多种协议连接形式[4]。从作用机制的角度来看，MPI连接协议同时具有可移植性、大规模性、高性能性等多重作用能力，故而在数据处理、互联网部署等多个领域中都具有极强的执行能力[5]。因此，为解决上述问题，设计基于MPI并行计算的卫星遥感数据变化监测系统。通过与Zigbee网络的节点进行A/D变换电路的匹配，根据需要传感器和协调器设备分配卫星遥感数据，完成系统的硬件设计。将MPI的基本调用与数据进程编写原则结合起来，以此完善MPI并行计算。在此基础上，利用传感器的几何校正原理，计算出遥感数据的度量值，并对其核函数进行配置，从而实现了对卫星遥感数据的处理，完成卫星遥感数据变化监测系统设计。由此减小卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差，准确监测卫星遥感数据传输变化行为。

1 数据采集与监测终端硬件设计

基于MPI并行计算的卫星遥感数据变化监测系统流程，将A/D变换电路与Zigbee网络节点进行匹配，利用传感器模块和协调器设备，分配卫星遥感数据。设计并行拓扑结构，结合MPI调用与数据进程编写原则，完善MPI并行计算。利用传感器几何校正原理，计算遥感数据度量值，并核函数进行配置，完成卫星遥感数据变化监测系统设计。整体监测系统架构如图1所示。

图1 整体监测系统架构

卫星遥感数据采集与监测终端的硬件执行环境，由A/D转换电路、Zigbee网络节点、传感器模块、协调器设备四部分共同组成，具体设计方法如下。

1.1 A/D转换电路

A/D转换电路负责为卫星遥感数据变化监测系统提供数字电量传输信号，可以在正负极端口节点之间，实现对电信号参量的按需调节，从而将正向点电荷、负向点电荷反馈至既定电量消耗设备之中。为维持A/D转换电路的实时连接能力，正极端口节点与卫星遥感数据变化监测系统的高压输入端相连，负极端口节点与低压输出端相连，随着电信号输入量的增大，两个端口呈现出交替闭合的连接状态，直至完成对剩余电量信号的按需转存与处理[6]。CD4051芯片、TLPS21-2芯片作为A/D转换电路中的核心应用结构，前者负责记录点电荷的实时传输总量，后者负责感知卫星遥感数据的定向传输行为，在外部负载电压数值不发生改变的情况下，点电荷与卫星遥感数据相互交换，并可以借助多个连接电阻，实现对电量信号传输行为的按需调控。A/D转换电路的结构如图2所示。

图2 A/D转换电路的结构示意图

在A/D转换电路中，处于不同连接位置处R电阻所承担的电量信号处理行为也有所不同。

1.2 Zigbee网络节点

在卫星遥感数据变化监测系统中，Zigbee网络节点负责协调A/D转换电路与传感器模块及协调器设备间的实时连接关系，可以根据射频信号的输入形式，规划卫星遥感数据的后续传输行为，从而使得主控器元件能够准确感知网络节点与监测主机之间的遥感数据传输情况[7]。CC2530控制器作为Zigbee核心控制单元中的主控器元件，能够与A/D转换设备、I/O负载结构建立实时连接关系，随着Zigbee射频元件中卫星遥感数据输出量的不断增大，主控单元与下级设备之间的连接关系也在逐渐趋于紧密，这也是系统监测主机能够实时准确掌握卫星遥感数据传输变化行为的主要原因[8]。完整的Zigbee网络节点布置形式如图3所示。

图3 Zigbee 网络节点布置形式

节点接入区域位于Zigbee核心控制元件旁侧，由电源节点、传感器节点、遥感数据接入节点、数据监测节点、MPI协议作用节点等多个端口机制共同组成。当Zigbee核心控制元件进入完全闭合状态后，所有网络节点在同一时间呈现定向连接行为，此时卫星遥感数据经由传输网络进入CC2530控制器，并可以在A/D转换设备、I/O负载结构的作用下，将这些数据信息参量反馈给系统核心监测主机。

1.3 传感器模块

卫星遥感数据变化监测系统的传感器模块由卫星遥感数据采集、数据变化行为感知、电量控制、MPI协议作用、数据并行运算5个单元共同组成，其组成形式及具体作用能力如表1所示。

表1 传感器模块组成

为使传感器模块的执行能力能够匹配卫星遥感数据变化监测系统的实时运行状态，DATA芯片、微控制器元件、CD4051芯片、TLPS21-2芯片、二进制编码器、DHT11处理设备之间的实时连接关系不会受到其他系统应用结构的影响[9-10]。作为A/D转换电路与Zigbee网络节点的下级附属结构，传感器模块也具备调度系统协调器设备的处理能力。

1.4 协调器设备

协调器设备以微控制器、DM9000协调芯片作为核心调控装置，可以联合MT8389、RJ45、SDRAN、SPI等多个通信接口，判断监测主机对于卫星遥感数据变化行为的感知能力[11]。微控制器装置分别与PL2303接口、JTAG接口、MT8389接口、SDRAN接口相连，负责确定卫星遥感数据的实时传输位置，其作用能力会随着卫星遥感数据输入量的增大而不断增强，当数据信息累积量达到微控制器元件的上限承载条件之后，4个通信接口同时进入开启状态，并可将暂存的卫星遥感数据传输回系统监测主机。DM9000协调芯片与RJ45接口、串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)接口相连，能够预判卫星遥感数据的后续传输行为，并可以判定当前运行指令是否满足提取数据变化指征的应用需求[12]。完整的协调器设备连接结构如图4所示。

图4 协调器设备连接结构

对于协调器设备而言，微控制器元件与DM9000协调芯片之间存在一种不可逆的映射连接关系，且只有当PL2303接口、联合测试工作组(joint test action group，JTAG)接口、MT8389接口、同步动态随机存储器(synchronous dynamic random access memory，SDRAN)接口、RJ45接口、SPI接口同时处于开启状态时，协调器设备对于卫星遥感数据传输变化行为的感知能力才能够达到最强。

2 MPI并行计算

MPI并行计算作为卫星遥感数据变化监测系统的约束标准，其搭建流程由并行拓扑结构设计、MPI调用、数据进程编写三部分共同组成。

2.1 并行拓扑结构

并行拓扑结构反映了MPI协议的作用能力，属于一种映射型连接判别条件，可用来查询卫星遥感数据传输行为的变化形式，其连接框架中包含多个协议管脚，分别用来监测不同的卫星遥感数据对象，并可以根据MPI协议的执行需求，调整数据信息之间的关联特征[13-14]。协议管脚与MPI协议主体之间的连接需要借助并行映射条件，前者作为客体对象能够准确记录卫星遥感数据的实时传输位置，并可以在映射条件的作用下，将已记录信息聚合成数据包结构，以供MPI协议主体的直接调取与利用。MPI协议主体作为并行拓扑结构的核心管控单元，可以借助映射连接通路管控协议管脚，并对其中存储的卫星遥感数据进行管理。并行拓扑结构连接原理如图5所示。

图5 并行拓扑结构连接原理

在并行拓扑结构中，MPI协议、协议管脚、并行连接映射作为3个相关管理的作用结构，其连接形式保持独立，但对于卫星遥感数据而言，这些连接结构之间存在明显的信息互通行为，且随着数据信息传输量的增大，关联拓扑结构与系统核心监测主机之间的连接关系也会逐渐趋于稳定。

2.2 MPI的基本调用

MPI调用也叫MPI协议调试。对于并行拓扑结构而言，在制定MPI并行计算制度时，由于无法控制相关卫星遥感数据之间的信息互传关系，所以要以MPI协议为基本原则，对这些待存储数据信息参量进行调试与整合处理[15-16]。规定a、s表示两个随机选取的MPI协议并行拓扑向量，且a≠s的不等式条件恒成立。da表示与系数a相关的MPI协议调度权重指标，ds表示与系数s相关的MPI协议调度权重指标，ka,s表示MPI协议的并行变分处理系数，当向量a取值不等于向量s时，该项物理指标的最小值定义结果也始终大于物理自然数“1”。联立上述物理量，可将MPI协议的基本调用表达式定义为：

(1)

式中，αa表示与系数a相关的MPI协议并行运算强度，αs表示与系数s相关的MPI协议并行运算强度。在对向量a、向量s进行取值时，要求两者不能同时等于最大值或最小值条件，即在调用MPI协议时，至少有一个并行拓扑向量的取值结果不等于极限值。

2.3 数据进程编写

数据进程决定了MPI并行计算的作用能力。在卫星遥感数据变化监测系统中，为实现对数据变化指征与非变化指征的准确辨别，要求数据进程的编写必须以MPI并行计算作为基础，在度量卫星遥感数据之间关联特性的同时，将MPI协议的作用范围限制在既定数值区间之内，一方面缩小卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差，另一方面也可以避免MPI并行计算的实际作用能力预期作用效果出现偏差[17-18]。设c表示卫星遥感数据编码特征的初始取值，n表示特征指标c的最大取值结果，k1、k2、…、kn表示n个不同的MPI协议并行计算系数。在上述物理量的支持下，联立公式(1)，可将基于MPI并行计算的数据进程编写法则定义为：

(2)

其中:δ1表示第一个编写的卫星遥感数据指标，δn表示第n个编写的卫星遥感数据指标，f表示基于MPI并行计算的卫星遥感数据编码参数。根据并行拓扑结构排列方式，对MPI协议进行调用处理，再以此为基础，建立完整的数据进程编写原则，实现对MPI并行计算的约束与完善。

3 基于MPI并行计算的卫星遥感数据处理

在MPI并行计算原则的作用下，按照传感器几何校正、遥感数据度量值计算、核函数配置的执行流程，实现对卫星遥感数据的按需处理，再联合各级硬件执行结构，完成基于MPI并行计算的卫星遥感数据变化监测系统设计。

3.1 传感器几何校正

(3)

3.2 遥感数据度量值

遥感数据度量值决定了MPI并行计算对于卫星遥感数据变化行为的监测处理能力。当Zigbee 网络节点与传感器模块之间的连接稳定性不发生改变时，主机元件对于MPI协议的调用越频繁，遥感数据度量值指标的计算取值结果也就越大[21]。在传感器几何校正行为的作用下，若卫星遥感数据的排列状态满足单一集合的调度需求，则可认为当前情况下，MPI并行计算对于遥感数据度量指标的影响能力越强[22]。设w、e表示两个不相等的卫星遥感数据节点标记度量值，但其取值结果均处于[1,+∞)的物理区间，R表示基于MPI并行计算的遥感数据筛选系数，且R≥1的不等式条件恒成立。在上述物理量的支持下，联立公式(3)，可将遥感数据度量值表达式定义为：

(4)

式中，β表示卫星遥感数据变化行为的方向表现向量，λ表示监测指令的执行法向量。在已知传感器几何校正强度条件的情况下，对于遥感数据度量指标的取值必须严格遵循MPI并行计算原理，若w系数、e系数之间的差值水平较大，则表示待处理卫星遥感数据相对较多，为在单位时间内获得更加精准的监测执行指令，应注重对β向量、λ向量进行区分。

3.3 核函数配置

具体的核函数表达式如下：

(5)

其中:i、u表示两个非零函数基准值，且u>i的不等式条件恒成立，qi表示与基准值i相关的卫星遥感数据变化行为管控向量，qu表示与基准值u相关的卫星遥感数据变化行为管控向量，ΔT表示监测指令的单位执行时长。利用核函数标准对卫星遥感数据变化监测系统的执行能力进行约束，既能满足MPI并行计算的应用需求，也可以实现对数据变化指征参量的准确提取。

4 实验分析

为验证监测系统对于卫星遥感数据传输变化行为的管控能力，设计如下对比实验。选择基于MPI并行计算的卫星遥感数据变化监测系统作为实验组方法，选择河流径流雷达卫星遥感监测系统作为对照组方法，在其他干扰条件不发生改变的情况下，记录卫星遥感数据变化指征的实验数值。具体的实验参数配置情况如表2所示。

表2 实验参数配置

卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差，可以用来描述主机元件对于卫星遥感数据传输变化行为的监测准确性。在不考虑其他干扰条件的情况下，变化指征与非变化指征之间的差值水平越小，就表示主机元件对于卫星遥感数据传输变化行为的监测准确性越强。

误差值计算表达式如下：

ψ=|y0-(θ1×σ1)|

(6)

式中，y0表示卫星遥感数据的非变化指征，θ1、σ1表示两个不相等的变化指征取值参量((ϑ1×σ1)表示卫星遥感数据变化指征的计算取值)。

实验组、对照组ϑ1参量与σ1参量的实验数值如图6所示。

图6 变化指征参量取值

分析图6可知，当实验时间为70 min时，对照组σ1指标数值均值为5.5 s，实验组σ1指标数值均值为3.04 s，而对照组θ1指标数值均值为4.22像素，实验组θ1指标数值均值为2.77像素。由此可知，在整个实验过程中，变化指征取值参量均值的排列顺序为：对照组σ1指标>对照组θ1指标>实验组σ1指标>实验组θ1指标。

卫星遥感数据非变化指征y0的数值水平如图7所示。

图7 卫星遥感数据非变化指征(y0)

联立图6中的记录数值与公式(6)，对实验组、对照组卫星遥感数据变化指征进行计算，具体计算数值如表3所示。

表3 误差值

分析表3可知，当实验时间为70 min时，实验组误差值ψ指标达到最大数值0.54像素/s；当实验时间为60 min时，对照组误差值ψ指标达到最大数值3.14像素/s，与实验组误差值最大数值相差2.6像素/s。在整个实验过程中，当实验时间达到70 min时，实验组误差值ψ指标均值为0.36像素/s，对照组误差值ψ指标均值为2.78像素/s，与对照组相比，实验组明显缩小了2.42像素/s。

综上可知，本次实验结论为：

1)随着河流径流雷达卫星遥感监测系统的应用，卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差水平并不能得到有效控制；

2)在基于MPI并行计算的监测系统的作用下，卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差出现了明显下降的数值变化状态；

3)与河流径流雷达卫星遥感监测系统相比，MPI并行计算更能控制卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差，实现对卫星遥感数据传输变化行为的准确监测。

5 结束语

本文设计的卫星遥感数据变化监测系统在MPI并行计算的基础上，设置了A/D转换电路、传感器模块、协调器设备等多个硬件应用结构，又通过编写数据进程的方式，计算得到准确的遥感数据度量值结果。与河流径流雷达卫星遥感监测系统相比，这种新型监测系统可以明显缩小卫星遥感数据变化指征与非变化指征之间的实值误差，在实际应用方面，能够满足准确监测卫星遥感数据传输变化行为的设计需求。