基于物聯(lián)網(wǎng)的城市單元體微氣候環(huán)境觀測管理模式

曾慶鋒 高瑞泉 溫精敏 李磊 許磊 湯洋 賴鑫

（作者單位：曾慶鋒、高瑞泉、溫精敏、李磊、賴鑫，深圳市國家氣候觀象臺；曾慶鋒、李磊，深圳南方強(qiáng)天氣研究重點實驗室；許磊、湯洋，深圳赑玄閣公司）

為利用好深圳豐富的科技創(chuàng)新資源，提升城市生態(tài)氣象服務(wù)，深圳市氣象局在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市單元體微氣候環(huán)境觀測資源歸集管理方面進(jìn)行大量探索工作。城市單元體微氣候觀測管理使得深圳市氣象局獲取了大量單元體觀測數(shù)據(jù)，補(bǔ)充了傳統(tǒng)氣象觀測體系，將氣象探測社會化從理念到落實，并構(gòu)建了城市氣象、生態(tài)氣象、氣候、環(huán)境和健康評價體系。

城市由不同單元體組成，如公園、醫(yī)院、學(xué)校、社區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)等，由于其單元功能、建筑體量和土地類型不同，其微氣候環(huán)境也各具特色。然而，一方面，城市化的速度在全球范圍內(nèi)急劇加快，顯著改變了地面空間形態(tài)和下墊面屬性，造成人為熱、溫室氣體和氣溶膠大量排放，導(dǎo)致城市災(zāi)害性氣候、熱島效應(yīng)、空氣污染等問題嚴(yán)重。另一方面，隨著社會的發(fā)展，城市居民對氣候環(huán)境品質(zhì)的追求在不斷提升，其中最基本的一個需求是了解自身所處單元體的微氣候環(huán)境情況，以獲得更舒適、安全的環(huán)境提供參考。環(huán)境的惡化已嚴(yán)重影響到城市居民的日常生活，使得對微氣候環(huán)境的研究更顯迫切。城市微氣候的研究始于20世紀(jì)70年代，德國斯圖加特市為減低弱風(fēng)條件下的污染，繪制了第一張都市氣候圖，從而展開了城市微氣候的研究工作。我國在城市微氣候研究最早是1997年東南大學(xué)柳孝圖等分析城市區(qū)域熱環(huán)境變化趨勢，介紹城市規(guī)劃和建筑設(shè)計措施對于改善城市區(qū)域微熱環(huán)境的效用。隨后眾多學(xué)者針對城市不同單元體的微氣候特征及其與城市規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、智能建筑、人體舒適度關(guān)系等各方面展開了廣泛研究。

當(dāng)前深圳在不到2000 km2的土地上容納了上千萬人口，市民對包括冷、暖、干、濕及污染等氣候環(huán)境品質(zhì)信息的需求非常強(qiáng)烈。為給深圳市公共安全、氣象預(yù)警預(yù)報、政府決策及氣候環(huán)境服務(wù)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，深圳市氣象局在全市部署了超過200個自動氣象站。雖然這些探測設(shè)備的數(shù)量已足夠多，但這些傳統(tǒng)氣象觀測仍不能完全滿足深圳市民日益精細(xì)化的環(huán)境品質(zhì)信息需求。主要體現(xiàn)在4方面：1）受限于高昂的價格和苛刻的安裝環(huán)境，自動氣象站的數(shù)量不可能無限增加；2）氣象要素在城市內(nèi)呈高度非均勻狀態(tài)，有限數(shù)量站點對于這種非均勻性的描述能力相當(dāng)有限；3）室內(nèi)是居民工作和生活的主要空間，開放空間的探測設(shè)備提供的數(shù)據(jù)對室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)不具備代表性；4）常規(guī)氣象觀測與民眾所關(guān)心的人居、氣候和環(huán)境而言，氣象觀測要素相對較少。

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)今實現(xiàn)了對微氣候環(huán)境的低成本和智能化探測。與此同時深圳市民對自身所處的單元體氣候環(huán)境越來越重視，為定量評估和優(yōu)化所處單元體的微氣候環(huán)境品質(zhì)，越來越多業(yè)主根據(jù)單元體特點和具體需求，在單元體內(nèi)定制化地布設(shè)大量智能化、低成本但精度達(dá)標(biāo)的氣候環(huán)境傳感器。由此積累了豐富多元的城市單元體微氣候環(huán)境資料，并形成良好的社會觀測環(huán)境。與傳統(tǒng)氣象觀測相比，單元體觀測儀器的不局限安裝于室外，也不要求具有大范圍的區(qū)域代表性，但這些觀測數(shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)匯集并經(jīng)合理算法進(jìn)行質(zhì)量控制后，是對傳統(tǒng)氣象觀測的補(bǔ)充。為利用好深圳豐富的科技創(chuàng)新資源，做大城市氣候環(huán)境探測資源池，提升城市生態(tài)氣象服務(wù)，深圳市氣象局在城市單元體的微氣候環(huán)境觀測資源歸集管理方面進(jìn)行大量探索工作。本文對該工作的現(xiàn)狀和經(jīng)驗進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 技術(shù)與方法

“城市單元體”可定義為功能相對單一的城市組成部分，通常包含數(shù)棟建筑和配套空間，為城市居民的生活、工作、教育、治療和休息等提供場所，例如學(xué)校、醫(yī)院、公園、社區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)等。城市單元體微氣候是指在城市單元體內(nèi)的區(qū)別于周邊條件和環(huán)境的氣候現(xiàn)象，其變化對于人們的身體健康和生活舒適度產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的影響，與人民幸福生活息息相關(guān)。由于單元體功能、建筑體量、土地類型和環(huán)境的不同，其微氣候特征存在較大差別，其在眾多研究中均有體現(xiàn)。

1.1 觀測要素

與傳統(tǒng)的氣象觀測不同，單元體微氣候觀測具有較強(qiáng)的針對性，觀測內(nèi)容由主體需求結(jié)合單元體特征針對單元體氣候環(huán)境主要特質(zhì)進(jìn)行設(shè)計，其觀測自成完整體系，可能囊括氣象、環(huán)境、人居、健康、節(jié)能和安全等方面。例如，校園、醫(yī)院，一般對氣溫、濕度、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強(qiáng)和總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）等要素進(jìn)行觀測；公園，一般對雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、濕度、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強(qiáng)和TVOC等要素進(jìn)行觀測?？偟膩碇v，單元體微氣候觀測是根據(jù)單元體需求融合了多方面監(jiān)測功能的定制化觀測，其觀測結(jié)果可為單元體微環(huán)境調(diào)整和決策提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)觀測傳感器技術(shù)

微氣候單元體觀測的傳感器利用精密集成技術(shù)，將不同傳感器模塊進(jìn)行組合，并采用集成度高的數(shù)字電路及MEMS工藝，具備觀測全面、抗干擾能力強(qiáng)、實時性高、體積小巧特點。不同傳感器模塊負(fù)責(zé)不同類型的數(shù)據(jù)采集，中央處理器負(fù)責(zé)整理所有的傳感器數(shù)據(jù)，還可執(zhí)行模塊校準(zhǔn)、位置信息更新等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理服務(wù)器發(fā)出的命令。所采用的傳感器均為小型化器件，從而大大縮小了觀測設(shè)備的幾何尺寸。例如，深圳市氣象局微氣候觀測試點的傳感器，可測量溫度、濕度、甲醛、顆粒物、PM2.5、TVOC、噪音等9種要素，其采集器尺寸僅為30 cm×6 cm×8 cm，遠(yuǎn)小于自動氣象站尺寸。

傳感器采集頻次快（秒級觀測），可通過無線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行處理，實現(xiàn)在局部區(qū)域內(nèi)多觀測點的數(shù)據(jù)監(jiān)測和資源共享功能。經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)能夠較準(zhǔn)確地反映城市單元體的微氣候及環(huán)境品質(zhì)。這些數(shù)據(jù)可用于兩條鏈路：一條通路鏈接本地服務(wù)器及單元體內(nèi)智能設(shè)備，用于自動調(diào)控單元體的微氣候和環(huán)境；另一條通路則鏈接城市單元體中心服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)分發(fā)到數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)等。傳感器將環(huán)境智能、自主控制和自治的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起，提供能夠和環(huán)境交互以及基于它們各自目的自主運行機(jī)制。同時傳感器為即插即用式，可以靈活地安裝于室內(nèi)戶外不同位置，滿足單元體不同場景下的監(jiān)測需求，而且成本相對較低，適合較全面觀測。

1.3 數(shù)據(jù)質(zhì)控及處理

傳感器采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制工作在本地服務(wù)器上完成，一般經(jīng)過判斷、訓(xùn)練及修正模塊完成檢驗和修訂工作后才被發(fā)送往中心服務(wù)器，以保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。判斷模塊的主要作用在于檢測數(shù)據(jù)的真實性，這是觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，所采用主要方法是極值檢驗、時間一致性檢驗和空間一致性檢驗。訓(xùn)練模塊主要是建立傳感器采集數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)的回歸模型，為下一步的修正模塊修訂數(shù)據(jù)提供模型參數(shù)。因為城市單元體觀測儀器采用較多較低成本的功能模塊組合布設(shè)，為了讓這些傳感器采集的數(shù)據(jù)可信和可用，需要利用已有的較高精度的傳感器數(shù)據(jù)去校準(zhǔn)?？刹捎没谥蜗蛄繖C(jī)等方法建立訓(xùn)練模塊，根據(jù)某點觀測的時間序列及周邊較高精度觀測的時間序列建立回歸模型，將輸入向量映射到一個高維的特征向量空間，并在高維特征空間構(gòu)造最優(yōu)回歸函數(shù)，解決非線性回歸問題。修正模塊是根據(jù)訓(xùn)練模塊建立的回歸模型，對經(jīng)過判斷模塊初步質(zhì)量控制后的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的回歸修正。對單元體傳感器采集數(shù)據(jù)和附近位置專業(yè)級氣象站儀器進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者絕對誤差均值為0.17 ℃，說明單元體微氣候探測設(shè)備的精度是可信的。

2 運行管理模式

為強(qiáng)化城市單元體微氣候觀測能力和促進(jìn)單元體觀測體系的健康可持續(xù)發(fā)展，深圳市氣象局對城市單元體微氣候的數(shù)據(jù)觀測、收集、處理、應(yīng)用和行為進(jìn)行了規(guī)范，做到觀測工作有制度、有流程、有規(guī)范，更好歸集社會探測資源，確保城市單元體觀測績效。

2.1 把關(guān)數(shù)據(jù)源

對從事微氣候設(shè)備研發(fā)、觀測、產(chǎn)品開發(fā)或與氣象部門合作開發(fā)氣象環(huán)境觀測服務(wù)的單位（企業(yè)）進(jìn)行引導(dǎo)和管理，向其推廣《地面氣象觀測規(guī)范》和《自動氣象站通用技術(shù)規(guī)范》等國家觀測規(guī)范，制定《自動氣象站維護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《回南天觀測指南》等指導(dǎo)性技術(shù)規(guī)范以及《城市單元體微氣候環(huán)境觀測管理辦法》，為單元體微氣候的觀測環(huán)境、儀器技術(shù)性能、儀器設(shè)施位置、儀器安裝要求及數(shù)據(jù)精度、穩(wěn)定性和連續(xù)性等方面作參考，從數(shù)據(jù)源頭把關(guān)。

2.2 提供觀測技術(shù)支持

對從事微氣候設(shè)備研發(fā)、觀測、產(chǎn)品開發(fā)、服務(wù)或與氣象部門合作開發(fā)氣象環(huán)境觀測服務(wù)的單位（企業(yè)）提供微氣候單元體觀測專題培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)，規(guī)范單元體數(shù)據(jù)觀測、收集和處理等方面工作：1）指導(dǎo)企業(yè)做好單元體的多元素探測傳感器的通信模塊和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用；2）指導(dǎo)企業(yè)做好多元素探測傳感器集群地理協(xié)同與校準(zhǔn)工作，規(guī)范記錄每個傳感器位置情況，并將一系列環(huán)境參數(shù)添加至設(shè)備，為其他設(shè)備或未布置設(shè)備提供地理數(shù)據(jù)協(xié)同與校準(zhǔn)；3）協(xié)助企業(yè)進(jìn)行對比觀測試驗和數(shù)值模型訓(xùn)練，從而降低個體傳感器誤差，提高測量數(shù)值精度；4）提供數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面的方法和技術(shù)支持；5）提供數(shù)據(jù)分析應(yīng)用、科學(xué)數(shù)字化、可視化和分析應(yīng)用方面的技術(shù)指導(dǎo)和支持。

2.3 規(guī)范數(shù)據(jù)管理

規(guī)范城市單元體微氣候的采集要素以及數(shù)據(jù)、儲存和應(yīng)用程序接口（API）格式等內(nèi)容。規(guī)定單元體觀測應(yīng)自成完整體系，同時數(shù)據(jù)應(yīng)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)格式建議參考?xì)庀缶值孛鏆庀笠財?shù)據(jù)文件格式，內(nèi)容包括測站基本信息、站號、觀測時間、緯度、經(jīng)度，海拔高度、觀測方式、觀測數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制標(biāo)識、文件更正標(biāo)識等，并附上東、南、西、北4張以上設(shè)備位置圖。數(shù)據(jù)傳輸和接口由公司各自按照統(tǒng)一API格式開發(fā)，并編制好技術(shù)文檔。

單元體數(shù)據(jù)各自存儲，確保數(shù)據(jù)本身的安全。一般建議數(shù)據(jù)儲存在服務(wù)器7天做臨時調(diào)用， 同時數(shù)據(jù)備份在備份服務(wù)器做永久保管，每個月定期備份至數(shù)據(jù)備份容災(zāi)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，對單元體探測設(shè)備和要素進(jìn)行編制形成調(diào)用函數(shù)和命令，定義標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一的API接口，用戶發(fā)起HTTP請求，利用API接口將相應(yīng)數(shù)據(jù)直接錄入氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4 反饋觀測數(shù)據(jù)

共享數(shù)據(jù)在氣象局入庫后，經(jīng)過質(zhì)量控制、審核、分析處理等工作后通過深圳氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、“四小微”等眾多途徑實時反饋給單元體。同時，氣象局利用公眾開放日、公務(wù)員義務(wù)活動等多途徑對氣象探測原理、探測數(shù)據(jù)重要性、探測數(shù)據(jù)應(yīng)用以及單元體微氣候觀測和產(chǎn)品等內(nèi)容進(jìn)行宣傳，為單元體探測和數(shù)據(jù)共享提供“土壤”。

3 管理成效

通過這種模式創(chuàng)新管理，目前深圳市氣象局獲取了47個單元體379套設(shè)備，獲取氣象、環(huán)境、能源和人居等多元觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量每天超過500萬組。單元體有商業(yè)區(qū)、辦公樓、學(xué)校、公園、旅游區(qū)等類別，主要分布在深圳市中西部、沿海及東北部人口和建筑密集區(qū)域（圖1）。觀測要素有雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、氣壓、噪聲、CO2、紫外線、PM2.5、光強(qiáng)、TVOC等十多種微氣候要素。深圳市城市單元體微氣候環(huán)境觀測資源歸集管理工作帶來的成效如下。

圖1 深圳市微氣候觀測單元體分布圖

3.1 補(bǔ)充傳統(tǒng)氣象觀測體系

通過對城市單元體微氣候觀測管理，從社會資源中吸納除氣象外的環(huán)境、能源和人居等非主流的氣象觀測數(shù)據(jù)，完善生態(tài)氣象觀測體系，補(bǔ)充主流氣象探測資源。一方面，這些觀測數(shù)據(jù)有效彌補(bǔ)現(xiàn)有氣象觀測體系的不足，也可構(gòu)建城市氣象、生態(tài)氣象、氣候、環(huán)境和健康評價體系，不但為天氣監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報、氣象服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)和政府決策提供另一支撐，助推氣象行業(yè)發(fā)展，而且為生態(tài)氣象、人居環(huán)境和居民美好生活提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。另一方面，通過城市單元體微氣候觀測資源的管理和歸攏，逐漸構(gòu)建更加成熟的氣象探測社會化的理念和體系，令其納入健康可持續(xù)的發(fā)展軌道。

3.2 加深城市微氣候環(huán)境科學(xué)認(rèn)識

單元體微氣候探測從點拓展到面并深入到室內(nèi)，實現(xiàn)了對單元體的全方位觀測。這些長序列、多點位的城市單元體微氣候環(huán)境數(shù)據(jù)，有助于更深入地理解相同區(qū)域氣候背景下不同類型單元體的微氣候特征、規(guī)律和機(jī)制，具有重要的科學(xué)價值。對深圳市一學(xué)校微氣候與常規(guī)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到單元體內(nèi)外的微環(huán)境的差異性，并發(fā)現(xiàn)常規(guī)氣象觀測對城市單元的室內(nèi)環(huán)境幾乎沒有參考價值。

3.3 帶動物聯(lián)網(wǎng)觀測技術(shù)創(chuàng)新

由于這管理模式提出了一系列具體要求，促進(jìn)了如基于物聯(lián)網(wǎng)的微氣候觀測組網(wǎng)技術(shù)、低成本多要素氣候環(huán)境傳感器技術(shù)、傳感器集群地理協(xié)同與校準(zhǔn)引導(dǎo)技術(shù)、微氣候渲染展示技術(shù)等大量技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于氣象觀測。例如，建立單元體三維立體模型，在模型之上按不同要素渲染生成圖形產(chǎn)品，并且可進(jìn)行交互式操作，以任意視角展示氣候環(huán)境要素空間分布（圖2）。

圖2 深圳市氣象局微氣候數(shù)據(jù)產(chǎn)品

3.4 具有科普示范作用

微氣候單元體的觀測和數(shù)據(jù)應(yīng)用，具有科普示范作用，激發(fā)了服務(wù)對象對氣象科學(xué)的興趣和愛好，取得了良好的社會效益。例如開發(fā)的校園微氣候環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品平臺，附帶了微氣候環(huán)境論文寫作功能，并可進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)分享、專家與大眾評論拓展、論文排名和評比等項目，使得微氣候環(huán)境的監(jiān)測、分析和應(yīng)用融入學(xué)生生活，豐富了學(xué)生的課余活動，啟發(fā)了學(xué)生對氣象、環(huán)境和自然的興趣（圖3）。

4 展望

今后，需進(jìn)一步完善微氣候環(huán)境信息監(jiān)測的規(guī)范和機(jī)制，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和云技術(shù)，加強(qiáng)單元體的微氣候環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、收集、應(yīng)用和反饋工作；加強(qiáng)對單元體微氣候環(huán)境觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)應(yīng)用工作，提升其在天氣預(yù)警預(yù)報、氣象服務(wù)、生態(tài)氣象以及人居環(huán)境改善方面的效能。同時，需擴(kuò)大城市微氣候環(huán)境探測模式的應(yīng)用范圍，整合多需求人群，引導(dǎo)更多社會力量參與，以得到更全面的城市微氣候環(huán)境觀測資源。未來隨著城市單元體微氣候觀測工作的不斷深入推廣，深圳市有望建成以區(qū)域自動站為節(jié)點（空間分辨率為千米數(shù)量級）、以單元體微氣候全息觀測為拓展（空間分辨率為10 m數(shù)量級），更為全面、精細(xì)的城市氣象探測網(wǎng)絡(luò)體系。

圖3 校園微氣候環(huán)境分析作品

深入閱讀

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