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河北工业大学硕士学位论文 i 海洋遥感定标检验平台系统集成海洋遥感定标检验平台系统集成 摘摘 要要 随着定量遥感技术的发展，遥感器的辐射定标与真实性检验的问题应运而生。海洋遥 感技术作为定量遥感技术的重要组成部分同样面临这一问题，能否为其提供充足的现场海 洋数据用于海洋卫星遥感器的定标检验对海洋遥感技术的发展具有重大意义。对此，本文 设计了一种海洋遥感定标检验数据采集系统，介绍了系统的设计方案和关键技术的实现方 法，开发了系统应用软件。 考虑到平台的可靠性和开发周期，采用了系统集成的方法，结合成熟的计算机技术和 通信技术，采用模块化设计，不仅提高了开发过程的清晰程度，而且增强了系统的通用性 和可移植性。系统分为现场采集、现场控制、远程监控、电源管理四个部分。现场采集和 现场控制部分依托海洋石油平台，保证了现场数据的真实性，采集部分由多个观测仪器构 成，完成多种海洋要素的获取；利用多串口扩展卡，现场计算机与观测仪器进行连接，完 成采集指令的发送和观测数据的接收、存储；在岸基实现远程监控，通过 inmarsat 海事卫 星连接现场和远程部分，实现数据的传输；采用市电为主，ups 电源为辅的供电方式，保 证系统的供电安全。 在 windows 环境下，采用 vc+6.0 开发系统应用软件，介绍了软件框架开发的主要过 程和具体功能的实现方法，围绕单文档视图结构、软件框架各主要类的作用、窗口切分、 不同视图之间的切换展开讨论。 mfc 编程实现了系统应用软件的三个主要功能：利用 mscomm 控件编程实现串口通 信，通过通信协议，实现各观测仪器的操控；采用文件和数据库结合的数据存储方案，保 存观测数据和系统工作日志；通过 windows socket 编程，完成现场向岸基的数据传输。定 时器的应用使得系统能够完成自动采集；实时数据显示方便用户及时掌握系统的工作状 态；通过软件的查询功能，用户可以随时查询历史数据和设备工作日志，方便对数据做进 一步处理和系统的维护。 实验室模拟调试实验结果表明，系统工作稳定，数据采集正常，能够为海洋遥感定标 检验提供准确、多样的科研数据。 关键词：关键词：定量遥感，辐射定标，真实性检验，数据采集，系统集成，系统应用软件 海洋遥感定标检验平台系统集成 ii system integration of validation and calibration platform for ocean remote sensing abstract with the development of quantitative remote sensing, validation and calibration emerge. ocean remote sensing as an important part of quantitative remote sensing technology also faces this problem. it is of great significance to the development of quantitative ocean remote sensing that we can provide adequate on-site marine data to apply to ocean satellite remote sensor. in this regard, the paper designs a marine data acquisition system. the key technologies of design and implementation are described and system application software is developed. taking into account the reliability of the platform and the development cycle, combined with sophisticated computer technology and communication technology, system integration approach is used here. using modular design not only improves the clarity of the development process and enhances system versatility and portability. the system is divided into site acquisition, site control, remote monitoring and power management. to ensure the authenticity of field data, site acquisition and site control are based on offshore oil platform. the part of site acquisition composed by the number of observation instruments, completes access to a variety of marine elements; using multi-serial port expansion card, on-site computer and observation instruments are connected and instructions sending and observation data reception, storage are completed; remote monitoring in the shore-based, through the inmarsat maritime satellite, connects on-site part to transmit data; electricity-based and ups power supply supplemented ensure the security of electricity supply. in the windows environment, the system software is developed using vc+6.0. based on single document view architecture, the main process of software framework development and the specific implementation methods are discussed, such as the main class function of software, window segmentation and different views switching, the three main functions of the application software are programmed by mfc: mscomm control programming serial communication, with communication protocol, is used to achieve control of the observation instruments; combined use of file and database storage, preservation 河北工业大学硕士学位论文 iii of observation data and system log is completed; the windows socket programming completes the on-site data transmission to shore. the application of timer allows the system to complete the automatic acquisition; real-time data display facilitates to user to grasp the system state; through software query capability, the user can always check historical data and work log, to facilitate further data processing and system maintenance. laboratory simulation debugging result shows that the system is stable to get data and can provide accurate and diverse scientific datas for calibration and validation of ocean remote sensing. key words:key words: quantitative remote sensing, validation, calibration, data acquisition, system integration, system application software 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 课题课题研究研究的的背景及意义背景及意义 随着全球陆地资源日趋紧张和气候环境的不断恶化，海洋的重要性日益凸显，人们愈来愈重视对 海洋资源的研究、开发和利用。而海洋监测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础。海洋监测的首要 任务就是获取有用的数据，并且监测力度越强，对海洋数据的需求就越明显。海洋遥感技术作为实现海 洋监测最重要的手段之一，其目的就是获取有用的科研数据，并且要求数据客观、真实。通过对遥感信 息的分析、仿真和模拟，可以获得影响海洋理化和生物过程，如海冰运动、海流循环模式、海表面等温 线分布、叶绿素浓度等相关参数。在生产生活中，海洋遥感技术扮演的角色越来越重要，如在现代海洋 渔业中，遥感已成为渔情分析和预报的重要技术手段之一。在海洋污染监测方面，卫星遥感可实现对海 洋大范围、全天候的污染监测，有很高的实用价值 1。海洋遥感技术不受地域限制，而且快速、高效、 复测频率高。就现阶段，从成本和可行性来说，要想实现大范围的海洋监测，遥感技术不可或缺。 随着定量遥感技术的发展，人们对遥感数据的准确度和产品的质量提出了更高的要求。这除了要 求不断改进和研制新型遥感器， 提高定量化遥感准确度外， 还要求对遥感器的辐射测量结果进行精确定 标， 并对遥感资料的产品是否准确地反映探测的地球物理参数进行检验， 由此提出了辐射定标与真实性 检验的问题 2，也就是将现场观测仪器实际采集的数据作为真值，去比较遥感数据，通过一些算法和技 术 3,4，为遥感器校准和评价遥感数据的可靠性。海洋遥感技术作为定量遥感技术的重要组成部分同样 面临定标检验这一问题， 能否为其提供充足的现场海洋数据用于海洋遥感定标检验对海洋定量遥感技术 的发展具有重大意义。获取海洋数据本身属于海洋监测的范畴，通过现场观测设备实时采集海洋数据、 存储，应用到海洋遥感定标检验这一特殊应用，从而提高定量遥感的质量，优化我国海洋监测的手段， 无论是对于海洋监测本身还是海洋遥感都有积极的促进作用。 海洋遥感应用对定量准确度有严格的要求，如美国 seawifs 计划 5对辐射率的测量，要求绝对准 确度为 5%，相对准确度为 1%。这么高的定量测量要求决定了海洋遥感定标检验的必要性，而海洋本身 动态、易变的特点又决定了开展此项工作的持续性和长期性。 2009 年 7 月 16 日， 863 计划海洋技术领域办公室在武汉组织召开了“海洋遥感技术”专题战略研 讨会。 领域专家中国海洋大学田纪伟教授介绍了 863 计划海洋技术领域自九五以来遥感技术发展的总体 情况以及下一步工作的思路和建议，从注重遥感机理的研究到遥感器定标、数据的真实性检验，从技术 发展到解决科学问题， 从实验室的仿真到试验场地的建设， 从应用技术到技术的示范应用等多个方面提 出了意见和建议 6。 自从定标检验问题的提出，到 2009 年再次明确我国海洋遥感技术的发展方向，虽然经过这么多年 的时间，我国在海洋监测定量遥感方面还有很多亟待解决的问题，尤其是在观测仪器的研制、监测平台 的建设和观测数据的积累上。 海洋遥感定标检验平台的搭建正是按照我国海洋遥感技术发展的思路和要 求，积极建设定标检验试验场，走出实验室，解决实际问题，提高海洋遥感技术的准确性和可靠性，从 另一个角度促进海洋监测发展。 海洋遥感定标检验平台系统集成 2 1-2 课题研究的现状课题研究的现状 1 1- -2 2- -1 1 国外现状国外现状 早在 20 世纪 80 年代中期，国际上就开始了遥感卫星在轨辐射定标的研究，1984 年国际地球观测 卫星委员会专门成立了定标和真实性检验工作组。美国 arizona 大学的 slater 等人最早进行了这方面的 实践， 在白沙实验场针对 landsat 卫星上的 tm 传感器开展在轨辐射定标 7。 之后， 国际上建立了 railroad valley playa、lunar lake playa、ivanpah playa、la crau 等多个实验场地，近 30 年来，对 landsat tm、 landsat etm+、aster、misr、spot、modis、hyperion 等不同光谱分辨率不同空间分辨率卫星成 功进行过多次在轨定标实验，得到各卫星不同时期的定标系数 8-16。 海洋定量遥感技术作为海洋监测研究内容的一个重要方面， 离不开海洋监测高新技术的发展。 海洋 发达国家的监测历史长达百年以上，如美国 20 世纪 80 年代就建立了全国永久性的海洋立体监测系统， 日韩以岸基监测站和锚系浮标为主，组成了水上、水下立体海洋监测系统。具有代表性的全球海洋监测 信息系统（goos）和 ioos（the u.s. integrated ocean observing system） ，其目标都是建立一个完全 综合的海洋观测系统，获取准确的海洋原始数据并转换成服务产品，提供给用户使用 17-19。 目前，国际海洋监测正在向着高集成度、综合性、持续性、多平台、网络化和智能化方向发展，完 成海洋监测的技术手段主要包括： 1. 卫星遥感：大范围监测，主要用于测量海洋表面的物理状态、表面风和流、海洋上层的水色和 光学特性以及海冰特性等。 2. 海洋监测仪器：主要用于局部地区对海洋次表层以下物理状态、水体混合、水团运动等进行测 量。 3. 声学遥感：主要用于大范围海水平均温度的监测。 4. 通讯与导航：用于实现现场数据与数据处理中心之间的通信。 可见，海洋环境监测已进入立体观测时代，遥感技术成为其中重要的组成部分。随着科学技术的飞 速发展，许多国家在建立立体监测系统的同时，特别重视沿岸台站的技术建设，如美国、德国、泰国和 印度等国家，都相继建成或正在建设现代化的、能够长期运行的自动海洋观测站。 1 1- -2 2- -2 2 国内现状国内现状 我国开展定标检验研究始于上世纪90年代中期， 中国气象卫星中心联合多家单位， 在敦煌西北部确 定了我国第一个国家级辐射校正场敦煌校正场。 1993年10月开始， 我国遥感卫星辐射较正场建设进 入前期准备工作，到1996年12月，用了三年多时间完成辐射较正场建场方案论证、场地选择和建设与科 研立项，1997年1月项目全面实施，2001年7月验收合格，我国遥感卫星辐射校正工作初具规模 20。之 后我国也进行了多次定标实验，得到相关传感器对应通道的定标系数 21-23。 近年来也开展很多海洋遥感方面的工作，如于2007年4月11日成功发射海洋一号b卫星，结束了我 国近年来天上没有海洋卫星的不利局面，使我国海洋立体监测系统得到进一步完善 24；2008年8月6日， 东海浒苔遥感与卫星定标检验工作在江苏省连云港市启动。 通过海上实际比测， 准确掌握海上浒苔发生、 发展态势，开展漂移路径预测，争取获取第一手有价值的资料，为浒苔灾害防治工作提供有效的技术支 河北工业大学硕士学位论文 3 撑 25；2009年2月6日至17日我国与澳大利亚在澳大利亚境内开展了针对环境小卫星的辐射定标实验26； 2010年， 海洋遥感定标检验技术研究项目正在组织有序地开展；中国计划今年发射的海洋2号hy-2a 卫星。 目前已经建成的敦煌和青海湖两个辐射校正场以可见光红外观测为主，包括敦煌陆面试验场和 青海湖水面试验场；辐射标准和设备定标实验室；光学特性和环境参数观测实验室；辐射校正 资料处理、存档和信息服务实验室，形成较为完整配套的辐射校正工作流程和服务体系 27。但 是， 这种以内陆或者湖泊为主的定标检验试验场已经远远不能满足目前实际需求， 通过其进行的相关定 标检验工作难以精确应用到海洋卫星遥感； 而通过以船舶为载体进行海洋定标检验， 虽然获取的原始真 值可靠，但不能达到长时间持续观测的要求 28，因此有必要建立海洋遥感定标检验固定平台。 除了在技术上不断向国际看齐并创新外， 原始数据的积累成了当务之急。 与世界上先进的海洋国家 相比，其中一个制约因素就是缺乏区域和局地尺度的连续监测 17，缺少现场海洋数据真值。现有的一 些数据采集系统或是观测设备种类单一 29，不能完成多样数据的采集任务；或者针对性不强30，不能 满足海洋遥感定标检验这一特殊应用。目前，进行现场海洋数据采集的方式有很多，特别是随着计算机 控制系统的发展， 利用计算机设备本身性能的优越性和新技术大大弥补了传统硬件设备的不足， 丰富了 现场监测实现的方式， 呈现出了一种多种方法齐头并进的局面： 以嵌入式处理器和嵌入式实时操作系统 为核心， 采用方便快捷的嵌入式系统开发方法， 研制出能够满足用户更高性能要求的新型海洋气象要素 观测系统 31，是一种不错的选择；利用gprs（general packet radio service，通用无限分组业务）技术 开发设计的监测系统 32，为近海岸遥测、传输、管理等提供了一个有意义的平台；单片机的应用现在 依然广泛 33；现在也有很多开发好的数据采集器，如smartdi uw-logger型海洋智能数据采集器34，将其 应用到监测系统也能达到很好的效果。 不管是应用哪种方式，有线还是无线；采用哪种平台，arm 或是单片机；也不管是嵌入到哪个系 统，windows 或是 linux，针对海洋遥感定标检验这一特殊应用的数据采集系统还很少，尤其在系 统规模、应用范畴、采集设备的性能、采集数据的种类和格式等方面都还有很多需要完善的地方。 1-3 论文主要工作及组织结构论文主要工作及组织结构 本文所讨论的定标检验平台主要涉及三个内容， 一是现场观测仪器的选购和研制， 能够符合海洋遥 感定标检验对仪器设备的要求，完成现场监测，提供足够多样和准确的现场校验数据；二是观测设备的 系统集成，搭建一个海洋遥感定标检验数据采集系统，并开发系统应用软件，完成现场数据的获取；三 是构建数据中心， 以便将获取的数据应用到实际的遥感辐射定标和真实性检验中。 本文主要围绕第二个 方面，重点研究系统集成的设计和实现方法，应用软件开发的主要步骤和主要功能的实现方式，并简要 介绍了所需观测仪器的用途和数据中心的建立， 不涉及硬件设备的安装问题。 至于采用何种技术手段将 数据应用到定标检验本文不做讨论。 基于以上，本文主要设计了一种海洋要素数据采集系统。该系统主要部分依托海洋石油平台，利用 计算机控制技术，集成多种观测设备，实现各观测子系统的统一监控。采用模块化设计，系统分为现场 采集、现场控制、远程监控、 电源管理四个部分。基于串行通信技术，通过通信协议控制各个观测设备； 海洋遥感定标检验平台系统集成 4 结合文件和数据库访问技术实现系统数据的存储； 利用 inmarsat 海事卫星终端设备完成现场和岸基之间 的连接，实现观测数据传输。在 windows 环境下采用 mfc 编程开发系统应用软件，并给出了应用软件 框架和数据采集、显示、存储和传输等主要功能的具体实现方案。 本文共分为七章，后面六章的主要内容如下： 第二章简要介绍了软件开发需要用到的 mfc 编程技术。 第三章主要介绍了系统的总体设计， 包括系统硬件组成和现场采集单元、 现场控制及数据处理单元、 远程监控及通信单元、电源管理单元四个主要功能模块的设计方案。 第四章主要介绍了系统软件框架的设计方法，利用 mfc 编程，详细叙述了软件框架的实现步骤。 第五章针对系统数据采集、存储、显示、查询、传输等功能详细介绍了实现方法。 第六章测试了本文所设计系统的数据采集、存储、查询和文件传输功能，分析了实验结果。 第七章对本文进行了总结。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章 系统集成相关软件编程技术系统集成相关软件编程技术 2-1 mfc 简介简介 mfc（微软基础类，microsoft foundation classes）是微软提供的用于在 c+环境下编写应用程序 的一个框架和引擎。vc+是 windos 下的专业 c+ sdk（sdk，standard software develop kit，专 业软件开发平台） ，mfc 就是挂在它之上的一个辅助软件开发包，它以 c+类的形式封装了 windows 的 api，并且包含一个应用程序框架，以减少应用程序开发人员的工作。在使用 mfc 进行程序设计时， 利用向导可以方便地生成应用程序的框架，它会自动产生一系列的代码来构建程序框架所需要的基本 类，编程人员只需要集中于系统的核心功能即可，大大简化了编程，提高了效率。mfc 为软件开发提 供了强大的图形界面功能，它提供的类绝大部分用来进行界面开发，关联一个窗口的动作，但它提供的 类中有好多不与一个窗口关联，即类的作用不是一个界面类，不实现对一个窗口对象的控制（如创建、 销毁） ，而是一些在 windows 中实现内部处理的类，如数据库的管理类等，利用这些类可以有效的帮助 完成 windows 应用程序的开发，在数据采集领域应用广泛。 2-2 串行通信串行通信 在通信领域内，有两种数据通信方式：并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送， 以字节为单位并行进行，并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，不宜进行远距离通信。串行通信 使用一条数据线将数据一位一位地依次传输， 每一位数据占据一个固定的时间长度， 其显著优点就是节 省传输线，只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与外设之间的数据传输。目 前几乎所有的单片机和嵌入式系统都配置了串口， 串口通信技术在适用的场合中软件开发成本与硬件成 本相对比较低廉，其高稳定性和抗干扰性也使得其在某些场合成了最佳选择。 2-2-1 rs232c/422/485 接口标准接口标准 目前常见的串口标准主要有 rs-232c、rs-422、rs-485。rs-232c 在计算机与通信工业中应用广 泛，由电子工业协会制定，采用不平衡传输方式。目前以 9 个引脚的接口居多，使用时一般只需要接发 送、接收和地三条线。标准规定，rs-232c 的传送距离可达 50 英尺（约 15 米） ，最高速率为 20kbps。 rs-422 的产生解决了 rs-232c 传输距离短的缺点，传输距离达到 4000 英尺（约 1219 米） 。采用平 衡传输方式，传输速率可到 10mbps，在连接时不需要接地线，两根线就能实现通信。由于平衡双绞线 的长度与传输速率成反比，所以在 100kbps 速率以内，传输距离才可能达到最大值。在 rs-422 通信中， 只有一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能进行通信，支持的是点对多点的双向通信，最多可连 接 10 个设备 35。 rs-485 与 rs-422 电路原理基本相同，都是平衡传输方式，不需要地线。rs-485 增加了多点、 海洋遥感定标检验平台系统集成 6 双向通信能力， 即允许多个发送器连接到同一条总线上， 同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性， 扩展了总线共模范围。rs-485 可以采用二线与四线方式，采用二线制时可实现真正的多点双向通信； 而采用四线连接时，与 rs-422 一样只能实现点对多点通信。无论四线还是二线连接方式总线上最多可 接 32 个设备，实现了联网功能。 2-2-2 串口编程方法串口编程方法 在 windows 环境下实现串行通信常用的有三种方法：应用 mscomm activex 控件、利用 api 函数 编程和使用 cserialport 类36。使用 mscomm activex 控件，其通信机制是基于事件驱动，这种方法在 编程时非常简洁，主要是利用控件本身的属性和事件，但是编程思路比较固定，相对不够灵活，并且在 接收数据时 getinput 函数会堵塞线程，这显然对于实时性要求比较高的系统是不合适的，但是由于计 算机对数据处理速度的大大提高，这个问题已经变得不那么重要了。 利用 api 函数编程实现串口通信，这种方法相对自由灵活，是纯手写的方法，需要程序员完成通 信需要的每一个详细步骤，并且在很多方面对通信进行设置，属于较复杂的方式，也有比较固定的编程 方法， 常见的编程思路是串口异步操作结合多线程技术， 防止了线程阻塞， 将费时的工作放在后台进行。 cserialport 类是一种比较折中的方法，由 remon spekreijse 免费提供，它是利用 api 函数串口编程 的典型应用，编程思路依然是串口异步操作加多线程技术，这个类虽然可以免费使用，但是它不支持 modem， 而且在一些细节上还给程序员预留了很多需要完善的地方， 使用时主要用到了类中如下几个成 员函数： （1）打开串口调用 initport()和 startmonitoring()； （2）发送数据调用 writetoport()； （3）手动编写 wm_comm_rxchar 消息处理函数接收数据； （4）关闭串口调用 closeport()。 2-3 数据存储技术数据存储技术 2-3-1 数据库访问技术简介数据库访问技术简介 visual c+提供的数据库访问技术主要有：odbc、mfc odbc、dao、ole db 和 ado，表 2.1 给出了几种数据库访问技术的比较 37。odbc（开放数据库互连）是 80 年代末 90 年代初出现的技术， 它为编写关系数据库的客户软件提供了统一的接口。odbc 提供了单一的 api，在处理不同数据库的客 户应用程序时应用，在使用时可以与具有 odbc 驱动程序的所有关系数据库进行通信；在 vc+中， mfc 提供了一些类，对 odbc 进行了封装，以简化 odbc api，这些 mfc odbc 类使 odbc 编程的 复杂性大大降低，mfc odbc 类在使用上比 odbc api 容易的同时，损失了 odbc api 对低层的灵活 控制；dao 是一组 microsoft access/jet 数据库引擎的 com 自动化接口，它直接与 access/jet 数据库通 信，通过 jet 数据库引擎，也可以同其它数据库进行通信，提供了比基于函数的 api 更多的功能，dao 提供了一种数据库编程的对象模型，比一般的 api 更适合于面向对象的程序开发，除了提供一组函数 外，dao 还提供了连接数据库并对数据库进行操作的对象，这些 dao 对象很容易集成到面向对象应 河北工业大学硕士学位论文 7 用程序的源代码里；ole db 对 odbc 进行了两个方面的扩展：提供了一个数据库编程的 ole 接口和 一个可用于关系型和非关系型数据源的接口，属于低层的数据库编程接口，ole db 结合了 odbc 对 关系型数据库的操作功能，并进行了扩展，可以访问非关系型数据库源；ado 实际上是一个 ole db 供应程序，建立在 ole db 之上，使用 ado 的应用程序要间接地使用 ole db，ado 提供了一种数据 库编程对象模型，类似于 dao 的对象模型，但比 dao 有更高的灵活性。ado 简化了 ole db，属于 高层的数据库接口，同 ole db 相比，能够使用 ado 的编程语言更多 38。从表中可以看出，ado 在 访问速度和功能/代码比上都有很大的优势。 表 2.1 数据库访问技术性能比较 table 2.1 the comparison among several database aceess methods odbc mfc odbc dao ole db ado 能否访问非关系数据库 否 否 否 能 能 访问速度 慢 慢 不一定 快 快 执行开销 小 一般 大 很小 一般 底层控制 能 不能 不能 能 不能 功能/代码比 低 一般 高 低 高 2-3-2 利用利用 mfc 实现文件存储实现文件存储 在用 mfc 编写程序时， mfc 中的文档模版已经提供了非常完善的文件读写机制， 而且很好的封装 起来了，我们很方便就可以使用其文档读写功能。但是因为文档模版类对文件的读写过于封装了，使得 使用起来不那么自由，很多时候需要自已编写代码实现文件读取。 mfc 中提供对文件操作的基类是 cfile，它直接提供非缓冲的二进制磁盘输入输出功能，并通过派 生类间接的支持文本文件和内存文件。cfile 类提供了很多方法，通过其提供的方法，完成对文件的相 关操作，最常用的就是 write 方法和 read 方法，一个用来向文件中写入数据，一个用来从文件中读出 数据。 利用 carchive 类将对象数据保存到永久设备，如磁盘文件，即使应用程序关闭，再次重启后仍然 可以从文件中读出数据，这个让对象数据持久性的过程就叫串行化。一个 carchive 对象总是与一个文 件相关联，允许带缓冲的数据读写操作。carchive 类不但提供了对简单数据结构的读写，还可以对类、 及类对像进行读写 39。 2-4 windows socket 网络编程网络编程 windows socket 就是在网络上定义的一套 windows 下的网络编程接口，它包含大量的库函数，使 程序员能充分地利用 windows 消息驱动机制进行编程，其本意在于提供给应用程序开发者一套简单的 api，也被称作 winsock 或者套接字。在 vc+环境中，casyncsocket 类从较低的层次上封装了 winsock，只提供了一些基本的操作，要求程序员熟悉网络通信细节，能够熟练编写网络消息回调函数。 常用的是使用 casyncsocket 类的派生类 csocket，它是 winsock 的高层抽象，它提供了阻塞式的访问 海洋遥感定标检验平台系统集成 8 方式，通常和 csocketfile 和 carchive 一起使用，这两个类负责数据的发送和接收 40。tcp/ip 网络通 信协议可以看成是 internet 上的“语言” ，套接字是支持 tcp/ip 的网络通信的基本操作单元， windows socket 套接字主要有以下两种类型： （1）流式套接字（stream socket） ，面向连接方式，对应的是 tcp 协议，其特点是可靠性高，传 输有序无重复，可提供双向的数据流，数据被看作字节流，无长度限制，对数据有校验和重发机制，通 常用来做数据文件的传输，如 ftp。这种面向连接的通信方式可以通过图 2.1 来表示。 （2）数据报套接字（datagram socket） ，无连接方式，该方式对应的是 udp 协议，这种方式不保 证数据传输的正确性、有序性和无重复性。传输的数据可能丢失和重复，并且接收顺序混乱，报文长度 是有限的，取消了重发校验机制，可以实现较高的通信速率，可用在对数据可靠性要求不高的地方，如 实时语音。 图 2.1 面向连接的套接字 fig. 2.1 socket program based on tcp 2-5 本章小结本章小结 本章主要围绕系统集成软件开发需要用到的主要技术展开讨论，首先简要介绍了 mfc 编程工具， 然后介绍了串行接口标准， 总结了 windows 环境下常见的三种串口编程方法： 利用 mscomm 控件、 api 函数编程和使用 cserialport 类实现，并比较了三种方法的各自特点。visual c+提供的数据库访问技术 主要有：odbc、mfc odbc、dao、ole db 和 ado，对几种数据库访问技术作了简单介绍和比较。 在使用 mfc 编写程序时，完善的文件读写机制给数据文件的存储提供了一个好的选择。最后简要介绍 了网络编程技术中的流式套接字和数据报套接字。 服务器 客户端 socket( ) bind( ) listen( ) accept( ) recv( )/send( ) close( ) close( ) send( )/recv( ) connect( ) socket( ) 服务请求 服务应答 河北工业大学硕士学位论文 9 第第三三章章 系统总体设计系统总体设计 3-1 设计目标设计目标 海洋原始数据的获取是一切海洋工作的基础。 从另一方面来说， 海洋现场监测内容复杂， 覆盖面广， 属于一项系统工程。系统的问题只能用系统方法 41来解决，用系统的观点认识，吸收海洋监测的先进 科学技术成果，综合分析，选择最优。 设计方案严格按照海洋遥感定标检验平台系统集成要求， 以用户实际需求为出发点， 集成各观测子 系统和相关辅助设备，搭建海洋遥感定标检验数据采集平台，通过良好的人机界面，方便高效地实现本 地控制和远程监控，实现数据的采集、存储、传输、查询等功能，提供可靠的硬件和相关软件服务。集 成系统分为平台集成中心和岸基数据中心两部分， 平台集成中心位于石油平台， 岸基数据中心位于用户 所在地，两部分通过海事卫星进行通信，如图 3.1 所示。 图 3.1 系统示意图 fig. 3.1 system illustration diagram 通过上图可见，集成的观测设备包括微波散射计、微波辐射计、水上光谱仪、红外辐射计、太阳光 度计、ccd 相机、自动气象站等，要使其可在系统应用软件下统一操控，且能够在无人值守情况下长 时间工作。本系统主要是实现如下几个方面的内容： （1）通过接口设备，将各观测仪器集成，整合到同一石油平台。 海洋遥感定标检验平台系统集成 10 （2）完成主控计算机与各观测子系统和周边设备之间的通信。 （3）实现平台集成中心和岸基集成中心之间的数据传输，构建岸基数据中心。 （4）为本系统开发一套功能完善的应用软件，完成本地控制和远程监控，实现观测数据的获取、 存储和进一步的处理。 （5）ups 电源控制。 整个系统要达到如下几个目标： （1）功能：现场海洋数据的实时采集、存储，能够为定标检验提供充足可靠的数据。 （2）性能：系统工作稳定、可靠，且便于维护。 （3）数据：统一的文件存储形式和数据格式，构建数据中心，方便日后处理。 3-2 系统的总体设计系统的总体设计 按照系统的功能要求，采用分块研究，逐步完善，最后集成的研究方法。在具体实施过程中，本着 通用性强、灵活性好的原则，在满足系统要求的前提下，选用可靠性高的方法实现系统功能，以保证系 统运行稳定。由于海洋光学遥感器探测的是比陆地小一个数量级的海洋信号，若采用陆地场进行定标， 可能会使某些波段接近或达到饱和，因此必须在海上进行定标 2。以石油平台为载体，在其上实现微波 散射计、微波辐射计、水上光谱仪、红外辐射计、太阳光度计、ccd相机、自动气象站等设备的集成， 能够保证试验场环境的真实性。 软件编程实现对各观测子系统工作状态的控制， 实现数据的采集、 存储。 岸基数据中心主要负责数据的接收、管理，指令的下达，通过inmarsat海事卫星与石油平台进行通信， 以实现对系统远程监控。构建ups供电系统，以解决平台突然断电设备不能继续工作的问题。 所谓系统集成，就是通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术，将各个分离的设备、功能和信 息等集成到相互关联的、统一和协调的系统之中， 使资源达到充分共享，实现集中、 高效、 便利的管理。 系统集成应采用功能集成、网络集成、软件界面集成等多种集成技术。系统集成实现的关键在于解决系 统之间的互连和互操作性问题，它是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这需要解决各类 设备、子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人 员配备相关的一切面向集成的问题 42。可见，系统集成是一项比较繁重的工程，为了提高开发时效， 降低故障排除时间，本系统采用模块化设计，将系统分成现场采集单元、现场控制及数据处理单元、远 程监控及通信单元、电源管理单元四个部分，如图 3.2 所示。 （1）现场采集单元，主要包括科研用观测仪器，如微波散射计、微波辐射计、水上光谱仪、太阳 光度计、ccd 相机等，除此还有 gps、自动气象站等辅助设备。其能够按照控制指令转换工作状态并 及时向现场监控单元反馈信息，协同完成现场海洋数据的采集任务。 （2）现场控制及数据处理单元，这部分主要由两台计算机组成，其中一台负责控制，通过接口电 路， 完成本地单元和现场采集单元之间的通信， 根据预先设置的观测方案或按照远程监控单元的指令对 系统进行观测控制，接收采集的数据并存储、显示；另一台负责数据的进一步处理，将数据备份和负责 向远端传输采集的数据。 （3）远程监控及通信单元，这个单元负责数据中心的管理及观测指令的发送。远程监控计算机通 河北工业大学硕士学位论文 11 过通信网络对平台观测活动进行监控，接收平台传回的数据。用户根据权限对数据中心进行操作，获得 所需数据信息。 （4）电源管理单元，主要负责对整个系统的电源供给。采用市电为主，ups 电源为辅的方式。工 作时一般采用市电供电，遇到断电情况时，会自动切换到 ups 电源供电模式，以维持系统的短时间运 行，完成数据的存储、系统的正常退出等工作。 图 3.2 系统组成框图 fig. 3.2 system block diagram 3-3 系统各功能模块分析系统各功能模块分析 3-3-1 现场采集单元现场采集单元 这个部分主要由各个观测设备组成， 每个观测设备都是一个独立的观测子系统， 负责现场海洋要素 的采集任务，主要包括： （1）微波散射计：主要用于测量海面后向散射的微波遥感器。 （2）红外辐射计：对物体红外辐射进行绝对测量的遥感仪器，装载在观测平台上，通过测量海面 红外辐射能量来探测海面温度。 （3）微波辐射计：主要用于测量海面辐射强度。微波辐射计是目前被动微波遥感的唯一传感器 43， 微波遥感起步晚于可见光和红外遥感，但相对于可见光和红外遥感器而言，微波辐射计能全天候、全天 时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。微波辐射具有独立 工作能力，几乎能在各种环境条件下工作。 （4）水上光谱仪：以光电倍增管等光探测器在不同波长位置测量谱线强度的装置。其构造由一个 入射狭缝、一个色散系统、一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射 c.远程监控 及通信单元 a.现场采集单元 b.现场控制及数据处理单元 d.电源管理单元 微波散射计 微波辐射计 红外光谱仪 设备监控和数据采集接口 数据存储 数据备份 本地控制计算机 1 数据处理计算机 2 远程监控计算机 数据 中心 通信 网络 电 源 控 制 海洋遥感定标检验平台系统集成 12 分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。 （5）太阳光度计：为高精度野外太阳和天空辐射测量仪器，主要用于测量太阳和天空在可见光和 近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算大气汽溶胶的物理和光学性质，以及大气 光学厚度、浑浊度、水汽、臭氧等成分的特性。 （6）ccd 相机：以电荷耦合器件（ccd）作为光敏感器和光电转换器的遥感用相机，进行图像采 集使用。 （7）自动气象站：一种无人操作，能自动定时观测、发报或记录的气象观测站，实时监测风速、 风向、雨量、温度、湿度、气压等气象参数。 现场采集部分是整个平台的基础， 是获取数据的起始端。 卫星遥感数据必须定期地用现场测量的结 果来进行检验，而现场地球物理参数的测量必须符合一定的质量标准，要确保所用仪器的性能和精度。 同时由于现场环境的恶劣，仪器的抗腐蚀性也是必须考虑的问题。由于串行通信的广泛应用，很多设备 都带有串行接口，且支持通信协议。在选择时，仪器要满足下面三个基本要求：设备带有 rs232/485 接口；支持通信协议，如 modbus 协议；ccd 相机选择 usb 接口。ccd 相机选择标准 usb 接口输出， 可直接连接到电脑上进行图像观察和采集，无需安装视频采集卡，非常方便 44,45。 3-3-2 现场控制及数据处理单元现场控制及数据处理单元 完成本地控制计算机与现场观测仪器之间的通信是系统集成的基础。 本地控制计算机 1 采用串行通 信方式连接硬件设备，利用 pci 串口卡进行串口扩展，以提高系统的稳定性及缩短开发周期，便于之 后进行功能扩展及系统维护，如图 3.3 所示。 图 3.3 现场通信连接 fig. 3.3 on-site communication connection 本系统的主要目的就是获取海洋数据， 因此数据存储是最重要的部分。 需要存储的数据包括两个方 面：一是观测数据；二是设备工作日志。考虑到系统维护和观测数据使用的方便，同时采用文件存储和 数据库存储两种存储方式，文件存储方式方便用户进行后期处理，数据库方式方便系统内部处理。通过 读写文件