楊 雪，徐曉莉，宋 智，江 蕾

(1.四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心，四川 成都 6100722.高原與盆地旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072)

0 引 言

在氣象預(yù)報預(yù)測業(yè)務(wù)工作及其服務(wù)領(lǐng)域中,有大量的數(shù)據(jù)資料及產(chǎn)品需要繪制成插值圖像產(chǎn)品。插值圖像產(chǎn)品是以相等數(shù)值點的連線或色塊表示連續(xù)分布且逐漸變化的數(shù)量特征的一種圖像[1]，是氣象業(yè)務(wù)中最為常用的氣象要素圖像顯示方法。插值圖像產(chǎn)品能夠直觀、準確地顯示出氣象要素的分布情況，便于氣象業(yè)務(wù)人員對天氣情況進行高效快捷的分析和決策。

在氣象行業(yè)中，許多業(yè)務(wù)系統(tǒng)中都涵蓋了制作氣象要素插值圖像產(chǎn)品的工作，但目前大部分產(chǎn)品制作都缺乏統(tǒng)一標準的業(yè)務(wù)流程和規(guī)則，沒有建立一步到位的統(tǒng)一業(yè)務(wù)流程，導(dǎo)致各系統(tǒng)在產(chǎn)品制作方面都有功能交叉重疊，相同或相似功能被重復(fù)開發(fā)，集約化程度不高；各系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)處理流程過于復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸和交換流程繁復(fù)紊亂，有些相同的圖像產(chǎn)品在不同服務(wù)器的存儲次數(shù)過多；而且各系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的制作標準，同一氣象要素生成的插值圖像產(chǎn)品結(jié)果都各不相同，對氣象業(yè)務(wù)人員的分析和判斷造成了一定困擾。因此，建立一個氣象要素空間插值圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像產(chǎn)品的統(tǒng)一加工處理、信息化管理和高效檢索共享，使業(yè)務(wù)人員能迅速、準確地查看所需圖像產(chǎn)品，是十分必要的。

文中基于省級統(tǒng)一氣象數(shù)據(jù)環(huán)境，對省級各類氣象要素插值圖像產(chǎn)品的加工制作流程進行整合，建立了氣象要素插值圖像產(chǎn)品的統(tǒng)一數(shù)據(jù)加工處理流水線，實現(xiàn)統(tǒng)一、規(guī)范的原始數(shù)據(jù)收集，插值圖像的加工處理，圖像產(chǎn)品的存儲管理和共享應(yīng)用。并且針對四川省氣象要素的空間分布特點，采用了一種協(xié)同克里金法的插值算法，基于在線GP服務(wù)實現(xiàn)了插值圖像產(chǎn)品的制作。該系統(tǒng)能夠有效提高氣象預(yù)報預(yù)測和服務(wù)業(yè)務(wù)的工作質(zhì)量和效率，對推進氣象業(yè)務(wù)的規(guī)范化、標準化，推進氣象業(yè)務(wù)綜合改革和氣象現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。

1 氣象要素插值方法

空間插值算法是影響氣象要素插值效果的重要因素，氣象要素插值圖像產(chǎn)品制作優(yōu)劣的關(guān)鍵點是空間插值算法的選取。目前國內(nèi)外成熟的空間插值算法有很多，包括克里金插值法、反距離權(quán)重法、最小曲率法、樣條函數(shù)法、自然鄰域法、最近鄰點法等[2]。對于各類氣象要素的空間數(shù)據(jù)的插值,在不同的地域和不同的時空尺度內(nèi)，所謂的最優(yōu)插值算法也是相對的。在氣象要素分布較為密集的區(qū)域，各類算法的結(jié)果差異較小,但是在氣象要素分布較為稀疏的區(qū)域，結(jié)果的差異則較大[3]。

由于四川省位于中國西南地區(qū)，地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地、四川盆地等幾大地貌單元，省內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，垂直地帶明顯，地勢變化較大。四川省氣象要素的空間分布與地形海拔關(guān)系密切，地形的水平地帶性和垂直地帶性分布特征對氣象要素插值結(jié)果會產(chǎn)生很大的影響[4]。所以文中選取基于DEM高程數(shù)據(jù)計算的協(xié)同克里金法，該算法是一種多元地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法，考慮了地形環(huán)境對氣象要素的影響，將海拔高度等地形地勢信息應(yīng)用加入到插值過程中[4-5]，增加四川省DEM高程數(shù)據(jù)作為氣象要素插值的協(xié)同區(qū)域化變量，參與到空間插值計算中，以提高四川省氣象要素插值精度。

協(xié)同克里金法是普通克里金法的擴展[6]，協(xié)同克里金插值法利用多個協(xié)同區(qū)域化屬性對所需計算的要素值進行插值計算。通過建立交叉協(xié)方差函數(shù)或交叉變異函數(shù)模型，用易于觀測的變量對不易觀測的變量進行估算[7-9]。其插值計算公式為：

(1)

其中，Z為協(xié)同克里金法對待計算要素點的估算量；n為輸入的全部樣本點數(shù)量；αi和βi分別為協(xié)同克里金法的區(qū)域化變量的權(quán)重系數(shù)；xi為輸入各點的氣象要素數(shù)據(jù)；yi為協(xié)同變量DEM高程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)值。

在使用協(xié)同克里金法進行空間插值時，滿足無偏和最優(yōu)條件下，一般假設(shè)區(qū)域內(nèi)對空間插值影響滿足二階平穩(wěn)分析。αi和βi可由線性方程組求得，計算公式為:

(2)

以2017年全國2 000多個自動氣象站和四川省4 700多個自動氣象站的氣象觀測記錄為驗證測試數(shù)據(jù)，選取克里金插值法、徑向函數(shù)法與協(xié)同克里金法進行對比分析驗證。對降水量觀測要素的插值結(jié)果如表1所示，結(jié)果證明協(xié)同克里金法與原始數(shù)據(jù)最為接近。

表1 插值方法比較

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

平臺遵循《氣象信息化行動方案(2015-2016)》中氣象業(yè)務(wù)流程優(yōu)化與業(yè)務(wù)系統(tǒng)集約化整合的方針[10]，采用多層架構(gòu)體系，建立統(tǒng)一的規(guī)范化、標準化的產(chǎn)品制作業(yè)務(wù)流程。提升氣象插值圖像產(chǎn)品制作質(zhì)量和效率，實現(xiàn)各類產(chǎn)品在省級的統(tǒng)一收集分發(fā)、加工處理、存儲管理和共享服務(wù)。

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計綜合考慮到軟件的性能，系統(tǒng)的可擴展性、穩(wěn)定性、可維護性、安全性等多方面因素。采用Java EE技術(shù)體系，基于B/S的模式架構(gòu)，在Server服務(wù)端，包含對原始數(shù)據(jù)的收集、加工處理、生成產(chǎn)品、提供服務(wù)等各種業(yè)務(wù)邏輯；在Browser瀏覽端，則主要用于圖像產(chǎn)品的應(yīng)用展示。整個系統(tǒng)總體架構(gòu)采用多層架構(gòu)體系，包括數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)加工處理層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用功能層一共五個部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)收集層：該層是平臺的原始數(shù)據(jù)收集部分，采用Quartz調(diào)度器，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的各類氣象資料要素的收集策略，定期從省級氣象統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境中獲取相應(yīng)的氣象要素原始數(shù)據(jù)，包括氣象觀測數(shù)據(jù)、預(yù)報產(chǎn)品、歷史數(shù)據(jù)等資料中的氣象要素數(shù)據(jù)，用于制作各類氣象插值圖像產(chǎn)品。

(2)數(shù)據(jù)加工處理層：該層是平臺的預(yù)處理部分。該系統(tǒng)采用ArcGIS提供的在線GP服務(wù)，建立氣象要素插值圖像產(chǎn)品的自動化加工處理流程，利用GP服務(wù)調(diào)用智能插值算法，對數(shù)據(jù)收集層采集的氣象要素進行處理，快速生成氣象要素的插值圖像產(chǎn)品，如色斑圖或等值線圖等；并根據(jù)數(shù)據(jù)類型添加圖像信息，最終遵照產(chǎn)品命名規(guī)范對圖像進行命名，生成氣象要素的插值圖像產(chǎn)品。

(3)數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要負責(zé)整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。存儲的信息包括管理數(shù)據(jù)和圖像產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。該系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫管理軟件，遵照全國綜合氣象信息共享業(yè)務(wù)的流程規(guī)范，制定產(chǎn)品的存儲規(guī)范，其中存儲了圖像產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化部分和非結(jié)構(gòu)化部分，即對產(chǎn)品索引信息的入庫和對產(chǎn)品文件的歸檔。其中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)化部分以數(shù)據(jù)庫的方式存儲，存儲了產(chǎn)品的索引信息，非結(jié)構(gòu)化部分以文件系統(tǒng)的方式存儲，存儲了產(chǎn)品的文件本體，所以數(shù)據(jù)層是以數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式構(gòu)建的。數(shù)據(jù)層還具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲策略，包括數(shù)據(jù)入庫策略、表分區(qū)策略、數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)策略、數(shù)據(jù)歸檔/取回策略、數(shù)據(jù)遷移/回遷策略、數(shù)據(jù)清除策略等。

(4)數(shù)據(jù)服務(wù)層：數(shù)據(jù)服務(wù)層是一個承上啟下的層次，該層面向應(yīng)用功能層提供統(tǒng)一、標準、豐富的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和應(yīng)用接口。數(shù)據(jù)接口提供包括圖像產(chǎn)品的查詢、文件的下載等功能，即根據(jù)應(yīng)用功能層發(fā)出的各種請求，從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的組織，返回所需數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用功能層使用。

(5)應(yīng)用功能層：應(yīng)用功能層是系統(tǒng)應(yīng)用的表現(xiàn)層，主要對應(yīng)系統(tǒng)用戶可以直接在系統(tǒng)的展示平臺上使用的各種功能，系統(tǒng)通過圖像展示等方式向用戶提供制作的氣象插值圖像共享。該層使用MVC模型和jQuery Grid Plugin技術(shù)，將數(shù)據(jù)服務(wù)層和應(yīng)用展示層相分離，具有較高的可靠性和較低的耦合性。圖像產(chǎn)品顯示界面采用了GIS地理信息服務(wù)，在提供產(chǎn)品圖像顯示的同時，還提供了氣象要素的疊加與圖像動畫播放等功能。

2.2 基于在線GP服務(wù)的插值圖像產(chǎn)品制作技術(shù)

系統(tǒng)采用ArcGIS提供的在線GP服務(wù)中的智能插值算法，快速生成氣象要素的插值圖像產(chǎn)品(如色斑圖、等值線圖等)[11-12]。GP服務(wù)即地理處理服務(wù)，是一種能夠創(chuàng)建并執(zhí)行GIS任務(wù)(包括空間分析和建模任務(wù))的方法。它提供了對地理空間數(shù)據(jù)進行的操作服務(wù)和增值服務(wù)。通過GP服務(wù)可以將一系列的GIS工具以流的方式組成集成度更高的GIS工具處理規(guī)則，將所需處理的原始數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)傳入GP工具，按照GP模型所規(guī)定的處理規(guī)則自動執(zhí)行計算分析，并返回處理結(jié)果[13]。GP服務(wù)避免大量重復(fù)性工作，可以讓用戶用很少的代碼就可以完成一個復(fù)雜的操作，簡化了大量的程序編碼，用最簡單的方式處理各類復(fù)雜的GIS任務(wù)，從而提高效率。

ArcGIS Server作為一個企業(yè)級的GIS平臺，提供了大量的地理處理工具，供GP服務(wù)使用，可根據(jù)需要對這些工具進行組合構(gòu)造自己的GIS分析模型，然后發(fā)布成GP服務(wù)，以方便各種客戶端調(diào)用。ArcGIS的GP服務(wù)將腳本工具和模型工具相結(jié)合[14]，在ArcGIS Server中發(fā)布為服務(wù)，供各類編程語言使用，包括Javascript、Flex、Silverlight等。

系統(tǒng)利用GP服務(wù)建立制作氣象要素插值圖像產(chǎn)品的模型，即自動將收集到的站點或格點數(shù)據(jù)定位到地圖上，然后調(diào)用智能插值算法對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)需求對圖像進行地理信息的疊加和裁剪，生成色斑圖或等值線圖，并在圖像上添加文字和圖例信息，最終遵照全國綜合氣象信息共享業(yè)務(wù)的存儲規(guī)范，生成標準格式和大小的圖像格式產(chǎn)品，遵照制定好的產(chǎn)品文件名命名規(guī)范，對圖像產(chǎn)品按照規(guī)范進行命名。圖像加工處理流程如圖2所示。

GP服務(wù)通過預(yù)先制作好的模型，實現(xiàn)對ArcGIS服務(wù)端各類GIS任務(wù)自定義流程的自動化處理。通過站點或格點數(shù)據(jù)制作氣象插值圖像產(chǎn)品的GP模型，如圖3所示。

圖2 圖像加工處理流程

圖3 在線GP服務(wù)模型

(1)IFeatures為輸入的氣象要素站點或格點數(shù)據(jù)，然后利用插值算法對數(shù)據(jù)進行插值處理。GP服務(wù)根據(jù)若干要素點(IFeatures)的位置和其觀測值(如某站點的降水量，氣溫等)，利用預(yù)先選取的插值方法對IFeatures進行插值。

(2)插值完成之后,得到矩陣式的格點結(jié)果Output raster，先依據(jù)四川省省級邊界信息(BOUNT PROV區(qū)域)對生成的等值面圖層進行裁剪(Extract by Mask)，得到剪裁后的格點結(jié)果Mask raster。

(3)需要依據(jù)插值結(jié)果Mask raster繪制等值線(Contour)，將具有相同屬性值的點連接起來得到最終的等值線結(jié)果。

2.3 多種氣象插值圖像產(chǎn)品定時制作策略

因為系統(tǒng)中提供對多種類型、多種時間屬性的氣象插值圖像產(chǎn)品制作，并且可以根據(jù)全省用戶的需求自適應(yīng)地添加新的氣象資料產(chǎn)品類型制作流程。所以采用基于節(jié)目表的多線程和多進程方式進行插值圖像產(chǎn)品的制作。系統(tǒng)采用的定時策略如下：

(1)因系統(tǒng)需要制作不同時間屬性、不同類型的圖像產(chǎn)品，所以設(shè)置定時生成節(jié)目表策略。每日在固定時間點(一般設(shè)置為世界時23點)，根據(jù)系統(tǒng)配置信息，自動生成下一日的產(chǎn)品制作節(jié)目表。節(jié)目表中包括要制作的產(chǎn)品資料類型、資料時間、預(yù)計開始制作時間、制作周期、預(yù)計完成數(shù)量、實際完成數(shù)量等信息。

產(chǎn)品的預(yù)計開始制作時間根據(jù)產(chǎn)品資料類型和資料時間生成，考慮到某些資料的特殊性，加入時間偏移方法計算產(chǎn)品的預(yù)計開始制作時間。如氣象資料精細化預(yù)報產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)的資料時間與發(fā)布時間存在一定偏差，故需在一定的偏差時間后，制作該資料的產(chǎn)品才有數(shù)據(jù)，所以開始制作時間應(yīng)為資料時間加時間偏移量。

為了保證資料采集的完整性和實效性，采用循環(huán)制作的方式，對氣象資料進行重復(fù)多次制作。制作周期是產(chǎn)品制作任務(wù)循環(huán)重復(fù)執(zhí)行的時間周期，預(yù)計完成數(shù)量是執(zhí)行的次數(shù)，根據(jù)資料類型進行設(shè)置。比如5分鐘降水量資料采用的周期為1分鐘，預(yù)計完成數(shù)量是5次；1小時累計降水量資料采用的周期為5分鐘，預(yù)計完成數(shù)量是6次。系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品節(jié)目表中的預(yù)計開始制作時間、制作周期和預(yù)計完成數(shù)量，從某個時間節(jié)點開始，定時循環(huán)制作某一特定產(chǎn)品，直至制作完成預(yù)計數(shù)量的產(chǎn)品為止。

(2)系統(tǒng)每日根據(jù)產(chǎn)品節(jié)目表中的預(yù)計開始制作時間，定時制作各類圖像產(chǎn)品。首先依據(jù)節(jié)目表中的產(chǎn)品資料類型和產(chǎn)品時間屬性，按照配置好的獲取資料接口信息，通過氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口自動獲取所需的站點或格點數(shù)據(jù)。

(3)獲取資料數(shù)據(jù)后，根據(jù)制作產(chǎn)品的配置信息，進行插值圖像制作。配置信息中包括該資料類型使用的插值算法、該資料類型使用的色標信息、剪裁的地理信息范圍(如四川省范圍)。

在功能的實現(xiàn)上，系統(tǒng)基于Quartz調(diào)度器，讀取節(jié)目表中存儲的全省資料制作信息。每個節(jié)目生成一個定時運行的產(chǎn)品制作任務(wù)，每個任務(wù)按照周期循環(huán)執(zhí)行，獲取相應(yīng)資料的數(shù)據(jù)，制作成插值圖像產(chǎn)品，最終將產(chǎn)品入庫存儲。詳細的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品制作流程

3 系統(tǒng)運行效果

(1)系統(tǒng)生成的圖像產(chǎn)品。

圖5即為文中實現(xiàn)的四川省氣溫實況色斑圖。在圖像產(chǎn)品頂部是產(chǎn)品名稱和產(chǎn)品資料時間；中間是色斑圖顯示，以網(wǎng)格形式標注了經(jīng)緯度；右下角為色斑圖的圖例顯示，標注了觀測要素的量級劃分和在色斑圖中的顯示顏色；左下角標注了圖像產(chǎn)品的制作單位。

圖5 四川省氣溫實況色斑圖

(2)圖像產(chǎn)品在四川省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)中的應(yīng)用。

針對本省氣象預(yù)報與服務(wù)業(yè)務(wù)的需求，在四川省氣象局研發(fā)的“四川省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)”中，通過系統(tǒng)提供的圖像產(chǎn)品統(tǒng)一服務(wù)接口，獲取該系統(tǒng)制作的地面、高空、數(shù)值模式等資料的圖像產(chǎn)品，進行共享展示。

如圖6所示，在“四川省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)”的實觀測模塊，展示包括地面常規(guī)資料中的小時降水量、降水量統(tǒng)計、氣溫、本站氣壓、相對濕度、能見度等觀測要素的圖像產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

針對目前省級氣象集約化建立數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工處理流程的需求，在分析現(xiàn)有氣象要素插值圖像產(chǎn)品業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，提出一種基于省級統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境制作氣象要素插值產(chǎn)品的新流程。對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、基于在線GP服務(wù)的插值圖像產(chǎn)品制作技術(shù)和產(chǎn)品存儲管理、共享服務(wù)技術(shù)進行了詳細闡述。系統(tǒng)采用了較為先進的技術(shù)和成熟的框架，基于省級統(tǒng)一氣象數(shù)據(jù)環(huán)境，集成基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)，選取協(xié)同克里金插值算法，生成要素級圖像產(chǎn)品，對產(chǎn)品進行統(tǒng)一的存儲管理，并通過服務(wù)接口面向全省氣象部門提供統(tǒng)一的共享服務(wù)。生成產(chǎn)品在“四川省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)外”中投入業(yè)務(wù)使用，投入使用后得到專業(yè)用戶的肯定，有效提高了氣象預(yù)報預(yù)測和服務(wù)業(yè)務(wù)的工作質(zhì)量和效率。滿足綜合觀測、預(yù)報預(yù)測、氣象服務(wù)等多方面的應(yīng)用需求，對一線氣象預(yù)報服務(wù)等業(yè)務(wù)人員提供了很大幫助，減少了業(yè)務(wù)中的人力成本投入，提高了工作效率。對推進氣象業(yè)務(wù)的規(guī)范化、標準化，推進氣象業(yè)務(wù)綜合改革和氣象現(xiàn)代化建設(shè)具有重要意義。

圖6 四川省氣象業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)

系統(tǒng)基于省級統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境實現(xiàn)了產(chǎn)品的收集、處理、存儲、管理和服務(wù)，是一套參考了世界氣象組織(WMO)建議的標準和國內(nèi)氣象行業(yè)標準的數(shù)據(jù)流程。遵照這一嚴密的、規(guī)范的流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加工預(yù)處理流程的再造，可以輕松地加工處理省級特有的氣象產(chǎn)品。各省對省級特有產(chǎn)品的管理與共享業(yè)務(wù)需求基本相同，因此，該平臺在全國各氣象部門都具有良好的可推廣性和復(fù)用性。