■ 鄢俊潔 瞿建華 范霖

為了解決不同氣象數(shù)據(jù)間的應(yīng)用接口，并突破傳統(tǒng)C/S架構(gòu)應(yīng)用軟件的限制，設(shè)計(jì)了一種基于服務(wù)的，能支持多源、多尺度、多形態(tài)的氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)與發(fā)布的集成技術(shù)解決方案。基于該方案所建立的多源氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)集成顯示應(yīng)用平臺(tái)（ShinetekView），能很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端發(fā)布和輕量級(jí)客戶端應(yīng)用，并能采用分布式的數(shù)據(jù)管理方式及組件式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新的數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。

近些年來(lái)，氣象衛(wèi)星資料在時(shí)間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率上有了大幅度的提高，但是大數(shù)據(jù)量、非常頻繁的資料，給數(shù)據(jù)的使用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。首先，要解決的是高分辨率數(shù)據(jù)的應(yīng)用問(wèn)題。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星資料應(yīng)用軟件中，大多采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，資料需要先下載到本地，才可以開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用產(chǎn)品的分析。目前，我國(guó)風(fēng)云三號(hào)D星（FY-3D）的 MERSI的5 min L1B數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量已經(jīng)達(dá)到2 G，風(fēng)云四號(hào)（FY-4）試驗(yàn)星全圓盤觀測(cè)的L1B數(shù)據(jù)量達(dá)到3 G，同時(shí)頻次非常高，5 min就可以完成一次中國(guó)區(qū)域的觀測(cè)。在如此大的數(shù)據(jù)量下，如何便利地使用數(shù)據(jù)，是目前迫切需要解決的問(wèn)題。其次，氣象數(shù)據(jù)種類的增加，帶來(lái)了這些數(shù)據(jù)的融合使用問(wèn)題。每增加一類數(shù)據(jù)，需要開(kāi)發(fā)一套新的應(yīng)用軟件。不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)對(duì)于使用用戶來(lái)說(shuō)也會(huì)非常地不便利。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展，目前云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用日益廣泛，對(duì)于傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用同樣提出了挑戰(zhàn)，利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)資源和IT技術(shù)，優(yōu)化和提高氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率和應(yīng)用效果，是迫切需要解決的問(wèn)題。因此，如何解決大數(shù)據(jù)量及不同類型數(shù)據(jù)的綜合顯示問(wèn)題，是目前多源氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決大數(shù)據(jù)高效使用和多源數(shù)據(jù)應(yīng)用兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)了多源氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)集成顯示應(yīng)用平臺(tái)（ShinetekView，以下簡(jiǎn)稱應(yīng)用平臺(tái)）。應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)上采用面向服務(wù)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云服務(wù)和輕量級(jí)客戶端應(yīng)用；同時(shí)，采用分布式管理，可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)量進(jìn)行配置；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用組件式設(shè)計(jì)，在需要新增一種資料或者一種產(chǎn)品時(shí)，只需要增加對(duì)應(yīng)的中間件即可，解決了擴(kuò)展性問(wèn)題。

1.1 框架設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，整個(gè)應(yīng)用平臺(tái)分為三層：數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用展示層（圖1）。

圖1 應(yīng)用平臺(tái)總體架構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)處理層上，首先為了保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和一致性，要對(duì)輸入的氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，包括對(duì)數(shù)據(jù)的文件名、文件格式、存儲(chǔ)方式和數(shù)據(jù)管理等方面，生成系統(tǒng)內(nèi)部定義的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。然后將標(biāo)準(zhǔn)化后的氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)根據(jù)類型的不同處理成影像、矢量、高程三種數(shù)據(jù)類型。目前支持對(duì)風(fēng)云系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、碳衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的處理。

在數(shù)據(jù)服務(wù)上，采用文件系統(tǒng)與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)一管理模式，通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與文件系統(tǒng)對(duì)各類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理與訪問(wèn)，通過(guò)在存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、應(yīng)用系統(tǒng)等多個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)保證系統(tǒng)在存儲(chǔ)、管理與訪問(wèn)上的效率。

在應(yīng)用展示上，采用標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的OGC（Open geospatial consortium）服務(wù)，包括WMS（Web map service）、WFS（Web feature service）以及WCS（Web coverage service），矢量、柵格及影像數(shù)據(jù)都可以在客戶端通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)行訪問(wèn)。同時(shí)可以根據(jù)需要定制發(fā)布策略，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)的全自動(dòng)化氣象及衛(wèi)星遙感產(chǎn)品的實(shí)時(shí)發(fā)布。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

從系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)上，應(yīng)用平臺(tái)分為應(yīng)用層和支撐層兩部分。支撐層是所有的數(shù)據(jù)、服務(wù)的基礎(chǔ)，包括數(shù)據(jù)的獲取、產(chǎn)品處理、遙感分析、專題圖制作等多種功能。支撐層采用REST API的方式進(jìn)行接口封裝，為應(yīng)用層提供接口。在應(yīng)用層，主要解決的是數(shù)據(jù)的可視化、地圖服務(wù)、人機(jī)交互操作的相應(yīng)問(wèn)題等。在應(yīng)用層，采用了BootStrap的UI設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了界面的設(shè)計(jì)，采用了D3框架進(jìn)行了數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用Openlayers框架進(jìn)行GIS服務(wù)設(shè)計(jì)，采用國(guó)際通用接口，能很好地支撐目前所有發(fā)布的地圖服務(wù)，例如天地圖、google地圖、Bing地圖等。此外，采用cesium進(jìn)行三維顯示設(shè)計(jì)，解決了在近景下的三維地形的可視化和分析。圖2為應(yīng)用平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)圖?；谶@個(gè)技術(shù)架構(gòu)，系統(tǒng)解決了遙感影像數(shù)據(jù)與WebGIS服務(wù)的結(jié)合，為遙感產(chǎn)品基于B/S架構(gòu)的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖2 應(yīng)用平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)圖

2 關(guān)鍵問(wèn)題解決方案

在應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)中，要解決多源數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在平臺(tái)中，涉及的氣象數(shù)據(jù)包括三種類型：衛(wèi)星數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。目前氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括極軌衛(wèi)星系列和靜止衛(wèi)星系列。極軌衛(wèi)星系列能提供全球的觀測(cè)數(shù)據(jù)，靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)能提供高時(shí)間分辨率的分析。目前，應(yīng)用平臺(tái)解決的衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要來(lái)自于風(fēng)云二號(hào)、風(fēng)云三號(hào)、風(fēng)云四號(hào)、NPP、TERRA、AQUA等衛(wèi)星。數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)主要包括溫度、壓強(qiáng)、濕度、風(fēng)場(chǎng)等要素，作為數(shù)據(jù)分析的輔助基礎(chǔ)。觀測(cè)數(shù)據(jù)主要為站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為離散場(chǎng)數(shù)據(jù)。在應(yīng)用平臺(tái)中，首先需要解決多源數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，其次需要解決大數(shù)據(jù)量的快速顯示問(wèn)題。

2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化中，需要解決的問(wèn)題主要包括數(shù)據(jù)本身的接口的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)管理方式的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)所使用的調(diào)色板的統(tǒng)一。

首先，在數(shù)據(jù)接口上，使用的數(shù)據(jù)包括風(fēng)云系列衛(wèi)星遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)（FY-3C、FY-3D、FY-4A等）、多種數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)（T639數(shù)據(jù)、NCEP數(shù)據(jù)、ECMWF數(shù)據(jù)等）、其他衛(wèi)星遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)（NPP、NOAA、Himawari-8等），產(chǎn)品類型包括云圖影像、云檢測(cè)、云相態(tài)、云頂高度、降水估計(jì)、水體監(jiān)測(cè)、火點(diǎn)監(jiān)測(cè)、地表溫度、對(duì)流初生、海表溫度、陸表溫度、植被指數(shù)等。其他類型數(shù)據(jù)還涉及地理信息數(shù)據(jù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)的類型和級(jí)別，首先將數(shù)據(jù)分為格點(diǎn)數(shù)據(jù)和離散數(shù)據(jù)。各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等都屬于格點(diǎn)數(shù)據(jù)，而地理信息數(shù)據(jù)、觀測(cè)數(shù)據(jù)、特殊的衛(wèi)星產(chǎn)品（例如火點(diǎn)）屬于離散數(shù)據(jù)。對(duì)于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用金字塔技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的分辨率，建立金字塔。數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)雖然同樣為格點(diǎn)數(shù)據(jù)，但是其分辨率低，數(shù)據(jù)量相對(duì)小。因此，在數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)上，采用數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，采用一定的編碼方式，能快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交換。離散數(shù)據(jù)采用通用的地理空間信息數(shù)據(jù)交換格式接口進(jìn)行編碼。

在數(shù)據(jù)管理上，由于種類多，數(shù)據(jù)的空間分辨率、時(shí)間分辨率也不一樣。按照級(jí)別進(jìn)行分類分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)等，并通過(guò)統(tǒng)一的方式進(jìn)行管理。通過(guò)對(duì)元數(shù)據(jù)的提取，按照衛(wèi)星名稱、儀器名稱、數(shù)據(jù)級(jí)別、投影類型、觀測(cè)時(shí)間、空間分辨率、產(chǎn)品名等，對(duì)數(shù)據(jù)的命名、存儲(chǔ)的目錄、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星的時(shí)間分辨率相差較大，在此處設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)據(jù)的開(kāi)始觀測(cè)及結(jié)束觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行的提取，很好地解決了極軌衛(wèi)星一天一次而靜止衛(wèi)星幾分鐘一次的集中顯示問(wèn)題。

最后，遙感產(chǎn)品的應(yīng)用除了數(shù)據(jù)本身以外，顯示需要用到數(shù)據(jù)的調(diào)色板。一般來(lái)說(shuō)，遙感產(chǎn)品的調(diào)色板主要分為漸變型、分段型、分段漸變以及混合型等多種。為了能進(jìn)行統(tǒng)一管理，采用分層結(jié)構(gòu)對(duì)調(diào)色板進(jìn)行的定義，能實(shí)現(xiàn)所有類型的產(chǎn)品的調(diào)色要求。調(diào)色板在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特殊性，將數(shù)據(jù)級(jí)別、產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品量綱加入到設(shè)計(jì)中，除此以外，還考慮了遙感產(chǎn)品通常使用的偏移和放大系數(shù)。

2.2 分布式配置

在數(shù)據(jù)管理上，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式管理，平臺(tái)將所有氣象及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)抽象成一個(gè)具有數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)資源路徑、調(diào)色板資源路徑、數(shù)據(jù)時(shí)間軸資源路徑等屬性的產(chǎn)品對(duì)象，并且通過(guò)配置進(jìn)行管理。這個(gè)對(duì)象可以通過(guò)配置的方式，進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的包括名稱、分辨率、顯示方式、數(shù)據(jù)存放地址等所有信息的配置，一方面解決了多源數(shù)據(jù)在不同地址存放的問(wèn)題，另一方面，解決了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和兼容性問(wèn)題，能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的添加。

以下就是風(fēng)云四號(hào)歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品的配置信息示例：

2.3 通用Web數(shù)據(jù)訪問(wèn)

數(shù)據(jù)訪問(wèn)方案采用面向資源的RESTful架構(gòu)形式，任何數(shù)據(jù)資源（包括圖像、文件等）在該架構(gòu)中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的URL來(lái)標(biāo)識(shí)，用戶想要獲取數(shù)據(jù)就必須通過(guò)資源所對(duì)應(yīng)的URL來(lái)操作，而這些操作中數(shù)據(jù)是以它們的某種表現(xiàn)形式來(lái)傳輸?shù)?，比如Html、JSON、JPEG等。除了上例中描述的對(duì)影像產(chǎn)品分塊數(shù)據(jù)資源的獲取形式外，還可通過(guò)RESTfulAPI對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，為用戶提供諸如GEOjson、KML等多種數(shù)據(jù)類型。

2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)

首先，在應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)上，由于采用了國(guó)際通用接口，因此能直接使用國(guó)際及國(guó)內(nèi)發(fā)布的各類地圖服務(wù)。其次，用戶能通過(guò)平臺(tái)直接獲取產(chǎn)品的結(jié)果，產(chǎn)品結(jié)果以通用數(shù)據(jù)格式GeoTiff的方式提供給用戶，方便用戶進(jìn)一步的應(yīng)用。

除此以外，平臺(tái)還用組件的方式提供給用戶專題圖、動(dòng)畫(huà)等數(shù)據(jù)的獲取服務(wù)。在不同的功能模塊的實(shí)現(xiàn)上，應(yīng)用平臺(tái)采用面向服務(wù)的方式，設(shè)計(jì)了組件式的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)處理層，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)獲取組件，在增加一種數(shù)據(jù)的情況下，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的類型、分辨率、級(jí)別等進(jìn)行擴(kuò)展。在數(shù)據(jù)服務(wù)層，設(shè)計(jì)了空間分析、專題圖制作、典型事件、動(dòng)畫(huà)等組件，為遙感數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用分析提供工具。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

3.1 運(yùn)行環(huán)境

平臺(tái)硬件環(huán)境：至少一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備和一臺(tái)數(shù)據(jù)處理設(shè)備。單機(jī)配置要求超過(guò)5CORE，內(nèi)存10 G以上。根據(jù)所使用的數(shù)據(jù)的種類的多少進(jìn)行硬件平臺(tái)的擴(kuò)充。以風(fēng)云四號(hào)產(chǎn)品集成應(yīng)用顯示為例，平臺(tái)配備了CPU8CORE，內(nèi)存32 G，帶寬2 Gbps的環(huán)境。

平臺(tái)軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux（ubuntu 16以上或者centos 6以上版本）；瀏覽器為Chrome、IE 10以上。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用平臺(tái)作為一個(gè)整體解決方案，提供給用戶的是一套結(jié)合了后端處理服務(wù)，前端應(yīng)顯示用的整套系統(tǒng)。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)圖

服務(wù)端為自動(dòng)處理，前臺(tái)顯示端的操作和數(shù)據(jù)的請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。前臺(tái)顯示端通過(guò)Web提供給用戶使用。圖4為平臺(tái)主界面，主要分為四個(gè)區(qū)：視圖區(qū)（中間）、時(shí)間軸（下方）、產(chǎn)品選擇控制區(qū)（左下角）、應(yīng)用控制面板區(qū)（右上角）。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

目前平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，按照展示方式的不同主要分為以下幾類：

1）柵格數(shù)據(jù)的平面、球面展示。在風(fēng)云三號(hào)數(shù)據(jù)的展示中，采用2D平面的方式展示全球的數(shù)據(jù)，在3D中采用三維遠(yuǎn)景球面展示全球數(shù)據(jù)，并且能快速移動(dòng)、放大縮?。▓D5）。

2）柵格數(shù)據(jù)的流場(chǎng)展示。在風(fēng)云四號(hào)的數(shù)據(jù)展示中，將數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)疊加到風(fēng)云四號(hào)的產(chǎn)品上，通過(guò)流場(chǎng)的展示效果，非常好地展示了臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)情況、水汽的輸送情況等（圖6）。

圖4 應(yīng)用平臺(tái)展示界面

圖5 風(fēng)云三號(hào)D星MERSI真彩色圖2D顯示效果

圖6 風(fēng)云四號(hào)云圖疊加數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)顯示效果

3）快速的云圖動(dòng)畫(huà)。對(duì)于靜止衛(wèi)星而言，高頻次的觀測(cè)后的云圖動(dòng)畫(huà)能很好地分析天氣現(xiàn)象，特別是強(qiáng)對(duì)流天氣。在風(fēng)云四號(hào)、Himawari-8的數(shù)據(jù)展示中，按照時(shí)間先后進(jìn)行各類產(chǎn)品的動(dòng)畫(huà)展示。

4）疊加地形的三維近景展示。在碳衛(wèi)星中，采用三維的疊加地形方式進(jìn)行二氧化碳產(chǎn)品的展示（圖7）。

圖7 碳衛(wèi)星CO2濃度產(chǎn)品疊加地形的三維近景展示

綜上所述，應(yīng)用平臺(tái)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種數(shù)據(jù)的處理和使用，在風(fēng)云三號(hào)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、風(fēng)云四號(hào)省級(jí)用戶站、Himawari-8的省級(jí)用戶站中也得到業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 小結(jié)

基于以上系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案，研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的多源氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)集成顯示應(yīng)用平臺(tái)（ShinetekView），很好地實(shí)現(xiàn)了包括風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星、風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星、碳衛(wèi)星在內(nèi)的多種衛(wèi)星資料的綜合顯示，除此以外能進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的疊加分析。同時(shí)能支持二維、三維遠(yuǎn)景、三維近景的多種顯示方式。

ShinetekView是一種支持多源、多尺度、多形態(tài)的氣象數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)布的集成方案，為未來(lái)多源數(shù)據(jù)的遙感應(yīng)用提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔易用的平臺(tái)。

深入閱讀

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