高楊，吳業(yè)煒，張洪群

(1.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃、資源調(diào)查、氣象預(yù)報、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收由遙感衛(wèi)星接收站來完成，而在接收過程中，實(shí)時地將接收到的遙感圖像移動顯示出來，并實(shí)時顯示其輔助信息與星下點(diǎn)軌跡是一個重要的環(huán)節(jié)。這樣可以讓地面接收站操作控制人員能夠直觀評價遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收質(zhì)量并及時發(fā)現(xiàn)有用的信息。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計，利用openGL、JOGL等技術(shù)開發(fā)專用客戶端將衛(wèi)星數(shù)據(jù)本地顯示出來，也被稱作“移動窗系統(tǒng)”，是面向地面接收站操作控制人員的一對一監(jiān)控系統(tǒng)，往往具有受眾面窄、跨平臺及通用性不佳等缺點(diǎn)[1]。

近年來，伴隨著流媒體、AJAX、WebGIS、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，web技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)當(dāng)中，也對人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了巨大的影響?；趙eb技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有交互性好、訪問方式靈活、面向大眾等顯著特點(diǎn)，如果能將web技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)中來，勢必會帶來衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示技術(shù)的巨大進(jìn)步。

本文在一種遙感衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)上，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種基于web的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)在保持原有移動窗系統(tǒng)各項功能的基礎(chǔ)上，解決了原有移動窗系統(tǒng)的局限性，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺、移動終端等實(shí)現(xiàn)多用戶同時在線訪問，是對傳統(tǒng)移動窗系統(tǒng)的繼承與拓展。

2 技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)格式介紹

不同遙感衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)格式具有很大的差異性，為了適應(yīng)不同遙感衛(wèi)星的移動顯示要求，本文采用一種遙感衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)格式，將各種衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換為這種通用格式，以適應(yīng)基于web的衛(wèi)星圖像移動顯示需求[2]。

格式具體定義如圖1所示，主要包括：輔助信息域(定長：64Byte)、圖像數(shù)據(jù)域(非定長，根據(jù)衛(wèi)星與其模式變化)。其中，輔助信息域包含衛(wèi)星標(biāo)志、數(shù)據(jù)幀序號、圖像和輔助信息總幀長、星下點(diǎn)經(jīng)緯度、時間、波段數(shù)、模式等輔助信息，并預(yù)留一定輔助數(shù)據(jù)域，以便后續(xù)擴(kuò)展。

本文設(shè)計的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)基于圖1所示的格式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

圖1 接口數(shù)據(jù)格式

2.2 衛(wèi)星圖像移動顯示

在web應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)視頻直播是一種較為常見的動態(tài)圖像顯示。網(wǎng)絡(luò)視頻直播的實(shí)現(xiàn)是將實(shí)時獲取的畫面，利用流媒體技術(shù)進(jìn)行連續(xù)動態(tài)顯示的過程。這一過程與衛(wèi)星圖像移動顯示的過程非常接近，因此，可以研究利用流媒體技術(shù)，將衛(wèi)星圖像移動顯示的過程轉(zhuǎn)化為一幀幀視頻畫面在網(wǎng)頁上播放，從而實(shí)現(xiàn)基于web的衛(wèi)星圖像移動顯示。流媒體技術(shù)具備顯示質(zhì)量良好，播放持續(xù)、穩(wěn)定，實(shí)時性好等特點(diǎn)，同時有成熟的開發(fā)框架，十分適合基于web的衛(wèi)星圖像移動顯示[3]。

基于web的衛(wèi)星圖像移動顯示需要根據(jù)用戶指定的波段組合，將衛(wèi)星圖像以單色或彩色顯示方式實(shí)時推送到用戶頁面。本文設(shè)計的移動顯示系統(tǒng)采用流媒體的方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星圖像在web頁面的移動顯示，本節(jié)以某衛(wèi)星波段1、2、3組合的彩色圖像生成及移動顯示為例，介紹具體實(shí)現(xiàn)流程。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示的過程實(shí)際上就是將一幀幀連續(xù)圖像動態(tài)展現(xiàn)出來的過程。從圖1所示格式的衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)生成連續(xù)圖像的方法，如圖2所示。

圖2 移動幀形成示意圖

在內(nèi)存中開辟矩形緩沖區(qū)(二維數(shù)組)，形成第一幀圖像時，從圖1格式接口數(shù)據(jù)中提取第一行圖像數(shù)據(jù)，抽樣后按照指定波段組合生成一行彩色圖像放到緩沖區(qū)底部，之前直到頂部的所有行數(shù)據(jù)填零。第N幀圖像生成后，刪除緩沖區(qū)頂部的一行數(shù)據(jù)，并從接口數(shù)據(jù)中提取新的一行圖像數(shù)據(jù)生成一行彩色圖像置于緩沖區(qū)底部，其他各行順次向頂部移動一行，即可生成第N+1幀圖像。由此生成“衛(wèi)星圖像移動幀序列”[2]。

如前所述，形成待顯示的衛(wèi)星圖像移動幀序列后，按如圖3所示流程將衛(wèi)星圖像移動幀序列編碼為FLV格式的視頻數(shù)據(jù)包，再利用流媒體協(xié)議(RTMP協(xié)議)進(jìn)行封裝，實(shí)時發(fā)布到流媒體服務(wù)器上。用戶訪問嵌入流媒體播放器的網(wǎng)頁并點(diǎn)擊播放流媒體視頻，便可以收看到衛(wèi)星圖像的移動顯示。

圖3 流媒體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)圖

2.3 輔助信息及星下點(diǎn)顯示

移動窗系統(tǒng)在進(jìn)行衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)移動顯示的同時，還需要顯示相關(guān)輔助信息(比如數(shù)據(jù)幀序號、經(jīng)緯度、時間等)。對于本文設(shè)計的移動顯示系統(tǒng)，要求在web頁面上實(shí)時刷新顯示圖像數(shù)據(jù)的輔助信息，即一方面需要與圖像的移動顯示實(shí)時同步，另一方面刷新輔助信息顯示區(qū)域時不影響其他部分的顯示，即局部刷新。為滿足上述功能要求，本文在設(shè)計中利用網(wǎng)頁腳本定時器結(jié)合AJAX異步刷新技術(shù)，定時從服務(wù)器讀取與最新視頻圖像幀對應(yīng)的輔助信息，返回到網(wǎng)頁上并在輔助信息顯示區(qū)域刷新顯示，從而實(shí)現(xiàn)輔助信息的同步刷新[4]。

在web頁面上實(shí)時顯示輔助信息的同時，需要利用輔助信息中的經(jīng)緯度信息，繪制衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡。web技術(shù)中，WebGIS是運(yùn)用在互聯(lián)網(wǎng)上的地理信息系統(tǒng)，能以網(wǎng)頁腳本的形式，加載地圖服務(wù)，并可以在上面進(jìn)行矢量圖層的動態(tài)繪制，因而可以用其進(jìn)行web頁面的星下點(diǎn)軌跡繪制。本文在網(wǎng)頁上利用WebGIS以腳本形式加載地圖服務(wù)，繪制底圖，之后利用網(wǎng)頁腳本定時器定時讀取星下點(diǎn)信息并應(yīng)用WebGIS矢量繪制函數(shù)繪制出星下點(diǎn)軌跡[5]。

2.4 用戶交互及系統(tǒng)集成

將上述各種功能集成到一起，便可形成一個基于web的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)。Java Struts2是一個B/S架構(gòu)的JAVA web開發(fā)工具，基于MVC模型開發(fā)便捷，因此本文采用Java Struts2框架進(jìn)行網(wǎng)頁的整合開發(fā)[4]。其工作流程圖如圖4所示。

圖4 Java Struts2流程圖

Java Struts2的主要開發(fā)環(huán)節(jié)就是Jsp動態(tài)網(wǎng)頁和后端Action。Jsp網(wǎng)頁是用戶直接訪問的web界面，可以設(shè)計將上述各顯示功能、以及捕捉用戶交互請求的網(wǎng)頁腳本等集成為一個網(wǎng)頁。Action是一系列的Java類，用來處理用戶提交的各種交互請求。通過對Action的靈活設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)的用戶交互功能，例如用戶登錄、圖像全分辨率局部放大、改變波段組合等。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用B/S架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。數(shù)據(jù)解析發(fā)布程序負(fù)責(zé)讀取如圖1所示格式的衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)，解析并編碼圖像數(shù)據(jù)發(fā)布到流媒體服務(wù)器上，同時解析輔助信息及星下點(diǎn)信息，保存為xml文件。Web網(wǎng)站負(fù)責(zé)系統(tǒng)的顯示界面和用戶交互。流媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)衛(wèi)星圖像移動顯示視頻的實(shí)時推送服務(wù)。地圖服務(wù)器負(fù)責(zé)提供星下點(diǎn)軌跡顯示所需的地圖服務(wù)。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 基于流媒體技術(shù)的衛(wèi)星圖像移動顯示實(shí)現(xiàn)

基于流媒體技術(shù)的衛(wèi)星圖像移動顯示主要分為圖像數(shù)據(jù)解析與發(fā)布及直播收看兩大環(huán)節(jié)。

3.2.1 圖像數(shù)據(jù)解析與發(fā)布

圖像數(shù)據(jù)解析與發(fā)布流程圖如圖6所示，步驟如下：

①流媒體傳輸協(xié)議(RTMP協(xié)議)的初始化，連接流媒體服務(wù)器完成握手協(xié)議。連接成功，可以開始發(fā)送報文。最開始要發(fā)送一個INFO類型報文，即信息頭，包含視頻流的元信息，如寬、高、幀率、作者等。

②進(jìn)行視頻編碼參數(shù)初始化，各參數(shù)均從配置文件中讀取，靈活可配置。視頻編碼使用開源的視頻編碼庫FFMpeg，編碼格式設(shè)置為FLV格式。FLV格式具有加載速度快、CPU占有率低、視頻質(zhì)量良好等特點(diǎn)，是目前網(wǎng)絡(luò)上使用最為廣泛的視頻傳播格式。

③如圖2所示從衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)中提取圖像數(shù)據(jù)并組成移動的圖像序列后，利用FFMpeg庫的sws_scale函數(shù)做RGB到Y(jié)UV的色彩空間轉(zhuǎn)換，這是因為FFMpeg庫的視頻編碼函數(shù)輸入圖像需要是YUV色彩空間的。

④利用FFMpeg庫的視頻編碼函數(shù)avcodec_encode_video，將一幀圖像編碼為FLV格式的視頻包。

⑤加上時間戳，封裝為RTMP協(xié)議的VIDEO類型數(shù)據(jù)報文并發(fā)送，循環(huán)發(fā)送報文，就形成了持續(xù)穩(wěn)定的視頻直播源。

圖6 圖像數(shù)據(jù)解析與發(fā)布

3.2.2 直播收看

為在用戶瀏覽器中實(shí)現(xiàn)Flash流媒體的播放，用戶要訪問的網(wǎng)頁上必須包含OBJECT和EMBED標(biāo)簽，用來嵌入Flash播放插件。同時要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示視頻直播服務(wù)的地址以“rtmp：//”開頭，是主要參數(shù)之一。

3.3 基于web的輔助信息及星下點(diǎn)顯示實(shí)現(xiàn)

上節(jié)的數(shù)據(jù)解析發(fā)布程序在提取圖像數(shù)據(jù)同時，還要同時提取輔助信息，并保存在xml文件中。利用AJAX的XMLHttpRequest類，開發(fā)輔助信息xml讀取及網(wǎng)頁表格局部刷新函數(shù)loadXMLDoc，之后利用js腳本的setTimeout定時器函數(shù)定時調(diào)用loadXMLDoc函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輔助信息在網(wǎng)頁上的實(shí)時局部刷新。

利用ArcGIS server 發(fā)布一幅世界地圖的地圖服務(wù)。在網(wǎng)頁上利用openlayers這一開源的API，加載地圖服務(wù)，并在上面繪制星下點(diǎn)軌跡。動態(tài)繪制利用js腳本的setTimeout定時器函數(shù)定時讀取輔助信息中的星下點(diǎn)經(jīng)緯度并調(diào)用openlayers的矢量繪制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁上的星下點(diǎn)軌跡實(shí)時顯示。矢量繪制方法如下：

lineFeature.geometry.addPoint(Point)；

vectors.drawFeature(lineFeature)；

星下點(diǎn)軌跡顯示效果如圖7所示。

圖7 星下點(diǎn)軌跡顯示效果圖

3.4 Java Struts2系統(tǒng)集成及用戶交互實(shí)現(xiàn)

除了前述的衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的移動顯示、輔助信息及星下點(diǎn)軌跡實(shí)時顯示功能外，本系統(tǒng)還具備用戶登錄、局部放大、設(shè)置波段組合等用戶交互操作功能。

用戶交互的實(shí)現(xiàn)，以局部放大功能為例進(jìn)行介紹。當(dāng)用戶點(diǎn)擊顯示區(qū)域時，頁面腳本捕捉到鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置坐標(biāo)，提交該鼠標(biāo)位置局部放大的請求；后端響應(yīng)局部放大的Action會根據(jù)鼠標(biāo)對應(yīng)坐標(biāo)，讀取衛(wèi)星圖像接口數(shù)據(jù)中該位置的全分辨率圖像數(shù)據(jù)，并返回給頁面，以彈框顯示出局部放大圖像。局部放大效果如圖8所示。

圖8 局部放大效果圖

系統(tǒng)用電腦瀏覽器訪問效果如圖9所示，用手機(jī)瀏覽器訪問效果如圖10所示。視頻幀速率設(shè)置為25幀/秒，比特率為800Kbps，分辨率為500×500，可以平穩(wěn)、清晰顯示。

圖9 電腦瀏覽器顯示效果

圖10 手機(jī)瀏覽器顯示效果

4 結(jié)束語

利用流媒體、WebGIS、Java Struts2等技術(shù)，本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于web的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能全面，圖像移動顯示流暢。由于采用B/S架構(gòu)，與傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)省去了客戶端的安裝步驟，可實(shí)現(xiàn)多用戶同時在線訪問，具有訪問便捷、跨平臺性優(yōu)越等特點(diǎn)。

隨著衛(wèi)星地面系統(tǒng)中數(shù)據(jù)接收處理的任務(wù)下單、實(shí)時監(jiān)控等環(huán)節(jié)逐漸改用web方式實(shí)現(xiàn)，開發(fā)出基于web的衛(wèi)星數(shù)據(jù)移動顯示系統(tǒng)顯得尤為重要。本系統(tǒng)由于采用通用的web開發(fā)框架，可以與現(xiàn)有的web方式任務(wù)下單與監(jiān)控、數(shù)據(jù)檢索等方便地集成到一起。

將web技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星數(shù)據(jù)的移動顯示中，突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星移動顯示系統(tǒng)的局限，可以更方便地服務(wù)于科研人員和普通用戶，具有很好的創(chuàng)新價值。

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