何華貴，楊 梅，楊衛(wèi)軍，王明省

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510000）

實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

何華貴1，楊 梅1，楊衛(wèi)軍1，王明省1

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510000）

圍繞氣象數(shù)據(jù)的收集、預(yù)處理、傳輸共享、分析處理和可視化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，探討利用海量氣象數(shù)據(jù)提取有用信息的方法及如何將分析處理得到的信息直觀形象地在地圖上進(jìn)行展示，為實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺的實(shí)現(xiàn)提供支撐。

氣象服務(wù)；數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)分析；可視化

1 數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

本文以長江流域?yàn)槔?，收集長江流域各省市的氣象資料以及流域內(nèi)自動氣象站的歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后將其以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的方式存儲至實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)庫表內(nèi)。同時，對實(shí)時的氣象要素數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析并進(jìn)行質(zhì)量控制，為Web應(yīng)用系統(tǒng)提供及時、完備、可靠的數(shù)據(jù)源[1]。

1.1 氣象數(shù)據(jù)收集

氣象數(shù)據(jù)收集方式主要通過湖北省氣象局與長江流域省市氣象局的專線連接，以 FTP 的方式，在湖北省氣象局收集所有長江流域各省市的氣象資料，并通過與三峽梯調(diào)中心之間的地面專線，傳輸至三峽梯調(diào)進(jìn)行存儲及處理。氣象數(shù)據(jù)收集處理信息流程如圖1所示。

圖1 實(shí)時氣象信息收集處理流程圖

1.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控管理

在數(shù)據(jù)處理并存儲至數(shù)據(jù)庫的同時，數(shù)據(jù)監(jiān)控管理模塊實(shí)時對錄入的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，判斷每條數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)時收到，并監(jiān)測是否存在某時次數(shù)據(jù)缺測的情況，將數(shù)據(jù)的到站統(tǒng)計情況，以狀態(tài)碼的方式錄入至數(shù)據(jù)庫的相關(guān)庫表，同時為用戶提供數(shù)據(jù)入庫的監(jiān)控管理界面，能夠?qū)崟r了解數(shù)據(jù)收集入庫的情況，并能夠統(tǒng)計指定時次的及時率、缺測率以及缺測時次等統(tǒng)計信息。實(shí)時監(jiān)控功能通過查詢數(shù)據(jù)庫中氣象數(shù)據(jù)的到站情況，統(tǒng)計出當(dāng)前時刻自動氣象站數(shù)據(jù)的到站率，并實(shí)時顯示。

1.3 雨量質(zhì)量控制

自動氣象站雨量質(zhì)量控制是對數(shù)據(jù)庫中雨量數(shù)據(jù)正確性的檢查。采用界限值檢查方法和空間一致性檢查方法，對數(shù)據(jù)庫中國家級自動站和區(qū)域自動站的小時降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，生成質(zhì)量控制碼，并更新至數(shù)據(jù)庫表中，質(zhì)量控制方法詳見表1（表中R25、R50、R75分別為小時降水序列的75%、50%、25%的分位數(shù)）。界限值檢查方法是檢查要素值是否在其測量允許值范圍之內(nèi)。降水要素的質(zhì)量控制界限值閾值范圍參考《地面氣象觀測規(guī)范》以及《地面氣象觀測資料質(zhì)量控制》?？臻g一致性檢查方法是根據(jù)氣象要素分布的地理空間具有相關(guān)性[2]，空間距離較近的氣象站點(diǎn)比距離較遠(yuǎn)的站點(diǎn)的特征值具有更大的相似性。根據(jù)插值原理，對于被檢站被檢時次的某個要素（如降水），可用鄰近參考站的數(shù)據(jù)來估計被檢站數(shù)據(jù)，再根據(jù)實(shí)測值與估計值差值大小，確定數(shù)據(jù)質(zhì)量控制碼。

針對所要處理的降水?dāng)?shù)據(jù)，采用以上2種檢查方法，最后生成3種類型的質(zhì)量控制碼：“1”代表數(shù)據(jù)正確，“2”代表數(shù)據(jù)可疑，“3”代表數(shù)據(jù)錯誤（未進(jìn)行指控的數(shù)據(jù)標(biāo)記為“9”）。對于質(zhì)控碼為“3”的錯誤數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)應(yīng)用中做丟棄處理，對于質(zhì)控碼為“2”的可疑數(shù)據(jù)，可根據(jù)用戶應(yīng)用的需求，處理后加以應(yīng)用。

表1 質(zhì)量控制方法說明

1.4 面雨量計算

面雨量計算主要采用算術(shù)平均法將流域各站測得的同期雨量相加后除以總站數(shù)，即為該流域的面雨量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，n為總站數(shù)；Pi為各站同期雨量。

自動氣象站面雨量計算模塊同時具備自動計算面雨量和手動計算面雨量2種方式。分別計算 1 h、3 h、6 h面雨量和日面雨量，并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫表中。

1.5 歷史數(shù)據(jù)管理

由于長江流域覆蓋面較廣，流域內(nèi)各省的氣象資料總量占用磁盤空間較大，而且隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，資料不斷積累，如果不采取措施將會出現(xiàn)系統(tǒng)因磁盤空間不足而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的情況，氣象資料經(jīng)處理錄入數(shù)據(jù)庫中，因此沒有保留原始文件的必要。氣象資料文件目錄維護(hù)軟件將定期對氣象資料文件目錄進(jìn)行維護(hù)和清理。

2 數(shù)據(jù)傳輸與共享

實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺數(shù)據(jù)傳輸與共享系統(tǒng)應(yīng)遵循氣象和水文部門的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一訪問接口，為各業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。為保障數(shù)據(jù)的一致性，各個業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中心建立數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡(luò)共享由上一級數(shù)據(jù)主管部門傳輸數(shù)據(jù)[3]，以三峽為例，實(shí)時氣象信息數(shù)據(jù)傳輸共享的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，通過省保障中心的對外通信服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至三峽梯調(diào)通信處理機(jī)，數(shù)據(jù)庫和Web 服務(wù)器連接在三峽梯調(diào)外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，同時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器要和成都調(diào)控中心的三區(qū)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，保證數(shù)據(jù)同步。

原始的水文氣象數(shù)據(jù)通過共享方式實(shí)時地傳輸?shù)饺龒{梯調(diào)中心，數(shù)據(jù)入庫軟件從原始文件中讀取出數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行格式解析，寫入數(shù)據(jù)庫；然后收集處理程序?qū)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；最后資料處理程序生成MICAPS格式的文件，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的命名規(guī)范保存。同時，文件庫和數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以與三峽二區(qū)水調(diào)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫以及成都調(diào)控中心綜合數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行同步[4]。數(shù)據(jù)傳輸與共享系統(tǒng)由資料傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫入庫模塊、資料處理模塊、數(shù)據(jù)庫清理模塊、數(shù)據(jù)庫維護(hù)等5個模塊組成。各模塊通過數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問接口、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫接口實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的信息交互。

圖2 實(shí)時氣象信息數(shù)據(jù)傳輸共享網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 數(shù)據(jù)分析與處理

實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺數(shù)據(jù)分析與處理系統(tǒng)提供氣象數(shù)據(jù)的分析與處理功能，通過對傳輸、收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析最終生成雷達(dá)、衛(wèi)星產(chǎn)品，1 h色斑圖產(chǎn)品，并進(jìn)行雨強(qiáng)籠罩面積計算和空間查詢等。下面將對其中涉及到的技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)、衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)均為二進(jìn)制文件，由于氣象數(shù)據(jù)種類繁多，無法全部進(jìn)行分析，選取其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，雷達(dá)數(shù)據(jù)選取基本反射率（R）、組合反射率（CR）和 1 h降水（OHP）3種數(shù)據(jù)格式，衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取風(fēng)云 2 號E 星中的紅外云圖（I 圖）、水汽云圖（W 圖）和可見光云圖（V 圖）3種數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

3.2 1 h色斑效果圖

在地質(zhì)、氣象、環(huán)境等許多領(lǐng)域都會用到等值線和等值面的繪制方法來實(shí)現(xiàn)對三維場量的可視化表示。常用的等值面繪制步驟是：離散量→網(wǎng)格化→插值法求等值線→拓?fù)浞治觥鷧^(qū)域繪制。這些步驟均需要大量的運(yùn)算，對機(jī)器的處理能力要求較高。經(jīng)過對比分析，平臺中選用等值線繪制控件ContourOCX進(jìn)行色斑圖產(chǎn)品生成[5]。繪制步驟為：反距離權(quán)重法初始化→加入離散點(diǎn)→生成離散點(diǎn)等值線→生成等值面。

3.3 區(qū)域站空間索引

空間索引[6]是指依據(jù)空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關(guān)系按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含空間對象的概要信息，如對象的標(biāo)識、外接矩形及指向空間對象實(shí)體的指針。作為一種輔助性的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間索引介于空間操作算法和空間對象之間，它通過篩選作用，大量與特定空間操作無關(guān)的空間對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率。

3.4 雨強(qiáng)籠罩面積計算

雨強(qiáng)籠罩面積計算是指根據(jù)自動站站點(diǎn)的控制面積，查詢共享數(shù)據(jù)庫，對固定區(qū)域、指定時間范圍內(nèi)不同強(qiáng)度的降水所籠罩的面積進(jìn)行計算，最終以表格的形勢顯示各個子流域 0～20 mm、20～50 mm、50～100 mm雨量籠罩面積。實(shí)現(xiàn)該功能需要計算出每個站點(diǎn)的控制面積，比較常用的方法是使用泰森多邊形[7]。

4 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)通過收集、傳輸、分析和處理，最終目的是顯示，在數(shù)據(jù)可視化過程中涉及到幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，下面將對其進(jìn)行簡單介紹。

4.1 柵格與矢量數(shù)據(jù)疊加

雷達(dá)二進(jìn)制數(shù)據(jù)生成的結(jié)果是柵格圖片，如何將柵格圖片與矢量地圖疊加，并保證位置的準(zhǔn)確性是另一個需要重點(diǎn)考慮的問題。通過讀取頭文件可以獲取圖片的中心點(diǎn)坐標(biāo)以及圖片的像素大小，根據(jù)這幾個值計算圖片的實(shí)際坐標(biāo)范圍[8]。具體計算方法如下：以雷達(dá)數(shù)據(jù)為例，一個像素大約代表1 km，在地球上經(jīng)線上跨緯度1°等于11 km，緯線上跨經(jīng)度1°等于111×cos A km，其中A是緯度，因此已知中心點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為X和Y，圖片長寬a和b，坐標(biāo)范圍計算公式為：

然后通過 ArcGIS API for Flex 提供的 MapImageLayer類將柵格數(shù)據(jù)疊加到矢量地圖上。

4.2 色斑圖實(shí)時繪制

以往繪制等值線色斑圖大部分都是 C/S 模式最終生成圖片，實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺是基于B/S 模式的網(wǎng)頁版，需要在網(wǎng)頁中實(shí)時生成用戶查詢時間范圍內(nèi)累計降雨量色斑圖[9]，因此需要實(shí)時生成并在地圖上加載。具體解決方案為：用戶選擇時間范圍之后點(diǎn)擊“查詢”按鈕，調(diào)用WebService服務(wù)發(fā)送調(diào)用請求，后臺Web服務(wù)通過調(diào)用打包生成的exe程序生成相應(yīng)的等值線或等值面（shp格式）存入到相應(yīng)目錄下。Web服務(wù)調(diào)用成功后Flex加載相應(yīng)的shp文件到地圖上，并根據(jù)屬性信息按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行顏色渲染以及添加標(biāo)注，從而實(shí)現(xiàn)色斑圖實(shí)時繪制。

4.3 風(fēng)向標(biāo)繪制

氣象領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)向標(biāo)的繪制有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如何將風(fēng)向標(biāo)通過Flex技術(shù)準(zhǔn)確地在地圖上進(jìn)行繪制，并滿足地圖的縮放、平移等操作是需要解決的問題，本文的方法是：①使用to Screen方法將自動站經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，然后根據(jù)屏幕坐標(biāo)、風(fēng)速方向計算風(fēng)向線的終點(diǎn)位置坐標(biāo)并繪制，從而完成風(fēng)向線的繪制功能；②通過循環(huán)繪制風(fēng)速線，最終完成整個風(fēng)向標(biāo)的繪制，考慮到地圖縮放、平移等操作，需要對地圖extent添加監(jiān)聽，當(dāng)extent改變時重新繪制，從而保證風(fēng)向標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。

5 結(jié) 語

實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺關(guān)鍵技術(shù)，主要包括數(shù)據(jù)的收集預(yù)處理、數(shù)據(jù)的傳輸共享、數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)的可視化。本文在數(shù)據(jù)收集和傳輸方面重點(diǎn)介紹了相關(guān)程序的實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)分析和處理方面重點(diǎn)介紹了分析處理的方法、原理、流程和結(jié)果等，在數(shù)據(jù)可視化方面，重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)顯示的一些關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)時氣象信息服務(wù)平臺的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和技術(shù)支撐。

[1] 周炳喜．基于LCDS和Flex Viewer電網(wǎng)臺風(fēng)WebGIS研究[D]．上?！萌A東師范大學(xué),2010

[2] 陸晨,戴麗萍．大城市專業(yè)氣象服務(wù)產(chǎn)品及規(guī)范[J]．氣象科技,2002,30(6)∶369-372 [3] Lopes A．Improving the Robustness and Accuracy of the Marching Cubes Algorithm for Isosurfacing[J]．IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2003,9(1)∶16-29

[4] Montani C,Scateni R,Scopigno R．Decreasing Isosurface Complexity Via Discrete Fitting[J]．Computer Aided Geometric Design,2000(17)∶207-232

[5] Grunfeld K．Integrating Spatio-temporal Information in Environmental Monitoring Data a Visualization Approach Applied to Mass Data[J]．Total Environ,2005(13)∶1-20

[6] 酈敏杰,張旗,沈萍月,等．ArcGIS Server地圖緩存技術(shù)及Rest技術(shù)在氣象服務(wù)中的應(yīng)用[J]．浙江氣象,2010,30(增刊)∶70-71

[7] 黃建華．襄樊市多功能氣象服務(wù)網(wǎng)站的設(shè)計[J]．湖北氣象,2003(1)∶33-35

[8] 徐芬,焦圣明,李崇志．Flex技術(shù)在自動氣象站觀測網(wǎng)中的應(yīng)用[J]．氣象科學(xué),2010,30(4)∶534-537

[9] 周必高．氣象信息Web站點(diǎn)的設(shè)計和開發(fā)[J]．浙江氣象科技,1999,20(3)∶22-25

P208

B

1672-4623（2016）01-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.005

何華貴，高級工程師，研究方向?yàn)榈貓D制圖及城市地理信息系統(tǒng)。

2014-01-26。

項(xiàng)目來源：2011年度廣州市電子商務(wù)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2011-03-002）。