實時氣象信息服務平臺關鍵技術研究

何華貴，楊 梅，楊衛軍，王明省

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000）

實時氣象信息服務平臺關鍵技術研究

何華貴1，楊 梅1，楊衛軍1，王明省1

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510000）

圍繞氣象數據的收集、預處理、傳輸共享、分析處理和可視化等關鍵技術進行研究，探討利用海量氣象數據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行展示，為實時氣象信息服務平臺的實現提供支撐。

氣象服務；數據質量控制；數據分析；可視化

1 數據收集與預處理

本文以長江流域為例，收集長江流域各省市的氣象資料以及流域內自動氣象站的歷史數據，經過預處理后將其以結構化數據的方式存儲至實時氣象信息服務平臺的數據庫表內。同時，對實時的氣象要素數據進行監測分析并進行質量控制，為Web應用系統提供及時、完備、可靠的數據源[1]。

1.1 氣象數據收集

氣象數據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，并通過與三峽梯調中心之間的地面專線，傳輸至三峽梯調進行存儲及處理。氣象數據收集處理信息流程如圖1所示。

圖1 實時氣象信息收集處理流程圖

1.2 數據監控管理

在數據處理并存儲至數據庫的同時，數據監控管理模塊實時對錄入的數據進行監測，判斷每條數據是否準時收到，并監測是否存在某時次數據缺測的情況，將數據的到站統計情況，以狀態碼的方式錄入至數據庫的相關庫表，同時為用戶提供數據入庫的監控管理界面，能夠實時了解數據收集入庫的情況，并能夠統計指定時次的及時率、缺測率以及缺測時次等統計信息。實時監控功能通過查詢數據庫中氣象數據的到站情況，統計出當前時刻自動氣象站數據的到站率，并實時顯示。

1.3 雨量質量控制

自動氣象站雨量質量控制是對數據庫中雨量數據正確性的檢查。采用界限值檢查方法和空間一致性檢查方法，對數據庫中國家級自動站和區域自動站的小時降水數據進行質量控制，生成質量控制碼，并更新至數據庫表中，質量控制方法詳見表1（表中R25、R50、R75分別為小時降水序列的75%、50%、25%的分位數）。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。降水要素的質量控制界限值閾值范圍參考《地面氣象觀測規范》以及《地面氣象觀測資料質量控制》。空間一致性檢查方法是根據氣象要素分布的地理空間具有相關性[2]，空間距離較近的氣象站點比距離較遠的站點的特征值具有更大的相似性。根據插值原理，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據來估計被檢站數據，再根據實測值與估計值差值大小，確定數據質量控制碼。

針對所要處理的降水數據，采用以上2種檢查方法，最后生成3種類型的質量控制碼：“1”代表數據正確，“2”代表數據可疑，“3”代表數據錯誤（未進行指控的數據標記為“9”）。對于質控碼為“3”的錯誤數據，在系統應用中做丟棄處理，對于質控碼為“2”的可疑數據，可根據用戶應用的需求，處理后加以應用。

表1 質量控制方法說明

1.4 面雨量計算

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

式中，n為總站數；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，并將結果寫入數據庫表中。

1.5 歷史數據管理

由于長江流域覆蓋面較廣，流域內各省的氣象資料總量占用磁盤空間較大，而且隨著系統的運行，資料不斷積累，如果不采取措施將會出現系統因磁盤空間不足而導致系統不能正常運行的情況，氣象資料經處理錄入數據庫中，因此沒有保留原始文件的必要。氣象資料文件目錄維護軟件將定期對氣象資料文件目錄進行維護和清理。

2 數據傳輸與共享

實時氣象信息服務平臺數據傳輸與共享系統應遵循氣象和水文部門的有關技術規范，采用數據庫統一訪問接口，為各業務提供數據服務。為保障數據的一致性，各個業務應用系統中心建立數據庫，通過網絡共享由上一級數據主管部門傳輸數據[3]，以三峽為例，實時氣象信息數據傳輸共享的網絡結構圖如圖2所示，通過省保障中心的對外通信服務器將數據傳輸至三峽梯調通信處理機，數據庫和Web 服務器連接在三峽梯調外網網絡，同時數據庫服務器要和成都調控中心的三區網絡聯通，保證數據同步。

原始的水文氣象數據通過共享方式實時地傳輸到三峽梯調中心，數據入庫軟件從原始文件中讀取出數據，并對其進行格式解析，寫入數據庫；然后收集處理程序對數據庫中的數據進行質量控制；最后資料處理程序生成MICAPS格式的文件，并嚴格按照標準的命名規范保存。同時，文件庫和數據庫中的數據可以與三峽二區水調自動化系統的數據庫以及成都調控中心綜合數據平臺進行同步[4]。數據傳輸與共享系統由資料傳輸模塊、數據庫入庫模塊、資料處理模塊、數據庫清理模塊、數據庫維護等5個模塊組成。各模塊通過數據統一訪問接口、標準數據庫接口實現與數據庫的信息交互。

圖2 實時氣象信息數據傳輸共享網絡拓撲圖

3 數據分析與處理

實時氣象信息服務平臺數據分析與處理系統提供氣象數據的分析與處理功能，通過對傳輸、收集的數據進行處理分析最終生成雷達、衛星產品，1 h色斑圖產品，并進行雨強籠罩面積計算和空間查詢等。下面將對其中涉及到的技術問題進行詳細介紹。

3.1 雷達衛星數據處理

雷達、衛星原始數據均為二進制文件，由于氣象數據種類繁多，無法全部進行分析，選取其中一部分數據進行解析處理，雷達數據選取基本反射率（R）、組合反射率（CR）和 1 h降水（OHP）3種數據格式，衛星數據選取風云 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種數據產品。

3.2 1 h色斑效果圖

在地質、氣象、環境等許多領域都會用到等值線和等值面的繪制方法來實現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→網格化→插值法求等值線→拓撲分析→區域繪制。這些步驟均需要大量的運算，對機器的處理能力要求較高。經過對比分析，平臺中選用等值線繪制控件ContourOCX進行色斑圖產品生成[5]。繪制步驟為：反距離權重法初始化→加入離散點→生成離散點等值線→生成等值面。

3.3 區域站空間索引

空間索引[6]是指依據空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數據結構，其中包含空間對象的概要信息，如對象的標識、外接矩形及指向空間對象實體的指針。作為一種輔助性的空間數據結構，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 雨強籠罩面積計算

雨強籠罩面積計算是指根據自動站站點的控制面積，查詢共享數據庫，對固定區域、指定時間范圍內不同強度的降水所籠罩的面積進行計算，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。實現該功能需要計算出每個站點的控制面積，比較常用的方法是使用泰森多邊形[7]。

4 數據可視化

數據通過收集、傳輸、分析和處理，最終目的是顯示，在數據可視化過程中涉及到幾個關鍵技術問題，下面將對其進行簡單介紹。

4.1 柵格與矢量數據疊加

雷達二進制數據生成的結果是柵格圖片，如何將柵格圖片與矢量地圖疊加，并保證位置的準確性是另一個需要重點考慮的問題。通過讀取頭文件可以獲取圖片的中心點坐標以及圖片的像素大小，根據這幾個值計算圖片的實際坐標范圍[8]。具體計算方法如下：以雷達數據為例，一個像素大約代表1 km，在地球上經線上跨緯度1°等于11 km，緯線上跨經度1°等于111×cos A km，其中A是緯度，因此已知中心點經緯度坐標為X和Y，圖片長寬a和b，坐標范圍計算公式為：

然后通過 ArcGIS API for Flex 提供的 MapImageLayer類將柵格數據疊加到矢量地圖上。

4.2 色斑圖實時繪制

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，實時氣象信息服務平臺是基于B/S 模式的網頁版，需要在網頁中實時生成用戶查詢時間范圍內累計降雨量色斑圖[9]，因此需要實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擊“查詢”按鈕，調用WebService服務發送調用請求，后臺Web服務通過調用打包生成的exe程序生成相應的等值線或等值面（shp格式）存入到相應目錄下。Web服務調用成功后Flex加載相應的shp文件到地圖上，并根據屬性信息按照標準進行顏色渲染以及添加標注，從而實現色斑圖實時繪制。

4.3 風向標繪制

氣象領域對風向標的繪制有行業標準，如何將風向標通過Flex技術準確地在地圖上進行繪制，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方法將自動站經緯度坐標轉換為屏幕坐標，然后根據屏幕坐標、風速方向計算風向線的終點位置坐標并繪制，從而完成風向線的繪制功能；②通過循環繪制風速線，最終完成整個風向標的繪制，考慮到地圖縮放、平移等操作，需要對地圖extent添加監聽，當extent改變時重新繪制，從而保證風向標位置的準確性。

5 結 語

實時氣象信息服務平臺關鍵技術，主要包括數據的收集預處理、數據的傳輸共享、數據的分析處理、數據的可視化。本文在數據收集和傳輸方面重點介紹了相關程序的實現，在數據分析和處理方面重點介紹了分析處理的方法、原理、流程和結果等，在數據可視化方面，重點介紹了數據顯示的一些關鍵技術，為實時氣象信息服務平臺的實現提供數據準備和技術支撐。

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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，研究方向為地圖制圖及城市地理信息系統。

2014-01-26。

項目來源：2011年度廣州市電子商務發展專項資金資助項目（2011-03-002）。