馬云飛 楊鶴 全秋浩 王麗偉

摘 要 本文分析了多源氣象數(shù)據(jù)動(dòng)畫/視頻圖形化服務(wù)產(chǎn)品制作技術(shù)，利用GIS相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同空間范圍多時(shí)段不同氣象要素進(jìn)行空間插值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，這種方法可以提高氣象數(shù)據(jù)插值的效率和美觀性。本文運(yùn)用ArcGIS ModelBuilder模型構(gòu)建技術(shù)，以及基于ArcGIS Engine二次開發(fā)組件，開發(fā)的氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件，靜態(tài)圖形產(chǎn)品制作組件、動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件，結(jié)合ArcGIS空間分析工具，構(gòu)建多源氣象數(shù)據(jù)圖形化服務(wù)產(chǎn)品制作模型，使氣象服務(wù)圖形產(chǎn)品制作效率更高，輸出的產(chǎn)品精度更高且這一過(guò)程為全自動(dòng)化處理。

關(guān)鍵詞 ArcGIS Engine；反距離權(quán)重；氣象動(dòng)畫視頻；服務(wù)產(chǎn)品

前言

隨著氣象圖形化產(chǎn)品制作加工在氣象日常工作逐漸顯現(xiàn)的重要性，氣象工作者對(duì)不同氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)以及多種天氣現(xiàn)象和過(guò)程的可視化繪圖需要愈發(fā)廣泛[1]，且越來(lái)越多樣化、個(gè)性化，現(xiàn)如今，常規(guī)意義上的統(tǒng)計(jì)表和地圖不能滿足氣象工作者的需要，生動(dòng)形象的可視化手段逐漸受到人們追捧[2]。以往的氣象數(shù)據(jù)地圖可視化，大都只能表達(dá)單一的氣象屬性，利用常規(guī)地圖符號(hào)表達(dá)某地區(qū)氣象要素指標(biāo)某一時(shí)間點(diǎn)的屬性，而氣象要素在時(shí)態(tài)方面的演變規(guī)律卻不能非常形象直觀地表達(dá)出來(lái)。本文采用多源氣象要素動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)方法，構(gòu)建動(dòng)態(tài)氣象數(shù)據(jù)動(dòng)畫制作模型，以動(dòng)畫的形式同時(shí)將氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間、屬性等特性動(dòng)態(tài)連續(xù)的加以展示，意義如下：

使得氣象數(shù)據(jù)可視化方式多種多樣。氣象數(shù)據(jù)可視化表達(dá)方式一直以來(lái)較為單一，動(dòng)畫視頻等可視化產(chǎn)品能夠更加生動(dòng)形象的表達(dá)其的氣象信息。

提高用戶提取質(zhì)量和深度挖掘氣象數(shù)據(jù)中包含的信息。在這里氣象數(shù)據(jù)的挖掘是通過(guò)用動(dòng)態(tài)展現(xiàn)描述現(xiàn)實(shí)世界中的各種天氣現(xiàn)象。這種顯示方式允許用戶從不同角度觀察和分析天氣現(xiàn)象，并進(jìn)行提取為用戶提供更多有用和有趣的信息。

改善用戶的視覺(jué)體驗(yàn)。動(dòng)態(tài)圖片比靜態(tài)圖片更具吸引力，同時(shí)反映氣象數(shù)據(jù)時(shí)空信息，尤其是氣象數(shù)據(jù)的時(shí)間維度變化。

1 氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件

1.1 ArcGIS Engine概述

ArcGIS Engine是美國(guó)Esri公司推出的用于開發(fā)桌面版程序的GIS二次開發(fā)工具包[3]。ArcGIS Engine提供完整的數(shù)據(jù)處理、空間分析和地圖制圖等功能，能夠靈活的實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的不同規(guī)模的GIS應(yīng)用軟件開發(fā)，它可以被 C#、JAVA、C/C++等語(yǔ)言調(diào)用[4]。

1.2 組件工作流程

本文實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)空間范圍多種氣象要素進(jìn)行插值且自動(dòng)繪圖，利用省級(jí)數(shù)據(jù)傳輸接口程序，讀取MySQL或Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)配置氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件參數(shù)，同時(shí)結(jié)合讀取的多個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)組件處理后，結(jié)合不同的氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)生成多個(gè)文本文件，天氣數(shù)據(jù)傳輸界面程序開始調(diào)整。使用插值繪圖組件，組件啟動(dòng)并讀取生成的文本文件，在組件映射控件上生成離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，并執(zhí)行反距離權(quán)重插值以完成映射，具體流程如圖1所示。

2 動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件

2.1 FFmpeg概述

本文動(dòng)畫及視頻服務(wù)產(chǎn)品的制作利用到了FFmpeg開源程序中的視頻、圖片轉(zhuǎn)換功能。FFmpeg是一套用于錄制，轉(zhuǎn)換，數(shù)字音頻，視頻以及將其轉(zhuǎn)換為流的開源電腦程序。它為錄制，轉(zhuǎn)換和流式傳輸音頻和視頻提供了完整的解決方案。雖然FFmpeg是在Linux平臺(tái)研發(fā)的，但它也具備良好的跨平臺(tái)性和系統(tǒng)兼容性，包括Windows、Mac OS X等。

2.2 組件工作流程

該組件采用C/S桌面架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，作為動(dòng)畫視頻產(chǎn)品的輸出組件運(yùn)行在后臺(tái)。經(jīng)過(guò)氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件處理后生成的圖片存放在文件服務(wù)器對(duì)應(yīng)的目錄。該目錄按照日期和不同氣象要素分門別類組織好。當(dāng)動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件接到用戶產(chǎn)品生成需求后，在文件服務(wù)器按需抓取靜態(tài)圖片文件，經(jīng)過(guò)組件程序處理后生成gif動(dòng)畫，與此同時(shí)，對(duì)于有視頻轉(zhuǎn)換需求的用戶，組件程序會(huì)繼續(xù)向下執(zhí)行，將gif動(dòng)畫轉(zhuǎn)換成特定格式的視頻文件。最終把產(chǎn)品文件傳到文件服務(wù)器供用戶調(diào)用。

3 基于ArcGIS ModelBuilder模型構(gòu)建技術(shù)

ArcGIS ModelBuilder（模型構(gòu)建器）是將一系列地理處理工具串聯(lián)在一起的工作流[5]。模型構(gòu)建器甚至還可用于將系統(tǒng)工具箱的工具與自定義程序進(jìn)行有效集成。模型構(gòu)建器的優(yōu)勢(shì)在于它生成工作流的簡(jiǎn)單易用性。模型構(gòu)建器支持用戶自定義工具，同時(shí)，也支持使用python和VBScript編寫工具配合其他模型使用。本文就采用這種方式將自研發(fā)組件和多種空間分析工具相結(jié)合的方式構(gòu)件自定義模型進(jìn)而完成產(chǎn)品輸出流程。以本文多源氣象數(shù)據(jù)圖形化服務(wù)產(chǎn)品制作模型為例，模型構(gòu)建如圖2所示。

本文所用氣象數(shù)據(jù)分兩部分，一個(gè)是存放在數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，另一部分是netCDF數(shù)據(jù)，為了能夠在gis中讀取氣象專業(yè)數(shù)據(jù)，需要?jiǎng)?chuàng)建netCDF要素圖層將氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS可識(shí)別的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行后續(xù)處理。氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的數(shù)據(jù)以及經(jīng)轉(zhuǎn)換的氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后統(tǒng)一輸出不同氣象要素的靜態(tài)圖形產(chǎn)品文件，并分門別類地存放到文件服務(wù)器的相應(yīng)目錄，動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件讀取相應(yīng)目錄的靜態(tài)圖片文件后，制作生成動(dòng)畫視頻產(chǎn)品包括gif圖片和avi格式視頻。

4 結(jié)論與討論

本文氣象插值出圖軟件所使用的反距離權(quán)重插值法，雖然解決了自動(dòng)化并提高了制圖的效率，但是沒(méi)有與其他插值方法，諸如樣條曲線法、克里金等插值方法進(jìn)行比較，目前暫時(shí)無(wú)法確定哪種插值方法能夠在不同氣象要素插值時(shí)提升插值效果。

動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件生成的視頻實(shí)現(xiàn)了視頻自動(dòng)化生成功能，能夠更好地在時(shí)空變化上體現(xiàn)某些天氣現(xiàn)象的演變，具有表達(dá)上生動(dòng)形象的優(yōu)點(diǎn)，但是無(wú)法滿足部分用戶添加聲音的需求，圖像配合音頻可能在表達(dá)效果上會(huì)更好，今后還需要實(shí)現(xiàn)聲音同步添加的功能。

本文提出的通過(guò)氣象數(shù)據(jù)插值出圖組件、動(dòng)畫視頻產(chǎn)品制作組件，并利用圖形可擴(kuò)展可視化建模工具實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作流程的技術(shù)，可以自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)檢索分析處理和相關(guān)服務(wù)產(chǎn)品輸出。同時(shí)圖形服務(wù)產(chǎn)品發(fā)布在吉林省氣象圖形產(chǎn)品共享系統(tǒng)中，也證明該技術(shù)是可靠的，既減輕了預(yù)報(bào)員和決策氣象服務(wù)人員的主觀分析時(shí)間，又極大地提高了產(chǎn)品制作效率、精確度和美觀度，便于相關(guān)氣象工作者進(jìn)行決策。

參考文獻(xiàn)

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[4] 黃勇奇，韋合勇，謝玉波.基于ArcGIS Engine的專題地圖制作的實(shí)現(xiàn)[J]安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（14）：44-45.

[5] 唐衛(wèi)，吳煥平，羅兵，等.基于GIS的氣象服務(wù)產(chǎn)品后臺(tái)制作系統(tǒng)[J]計(jì)算機(jī)工程，2009，35（17）：232-234.