實景天氣采集系統技術實現與業務化應用

劉輕揚 梁樂寧 陳默 盧大維 李寅鍇 王崢

（中國氣象局華風氣象傳媒集團有限責任公司，北京 100081）

0 引言

近年來，在氣象觀測站部署實景觀測設備已較為普遍，但多為保障臺站觀測設備安全的安監級應用[1-3]。上海市氣象局在全市建設天氣實景監測系統[4]，將采集的天氣實景畫面傳回值班室[5-6]，方便預報員全面了解上海各地區實時天氣狀況，為實景天氣應用提供了全新思路。

1 實景天氣采集系統總體架構設計

在全國范圍內建設基于天氣網眼硬件設備的實景天氣采集站點；搭建基于WebGIS技術的PC端及移動端的實景天氣采集服務平臺；利用基層氣象臺站或鐵塔公司的電力和網絡滿足設備運行和實景監測視頻的實時回傳；高清攝像頭加掛天氣要素模塊，包括溫度、氣壓、相對濕度和降水量探測模塊，實現實時監測數據和視頻畫面疊加顯示。

已建成的實景天氣采集系統可實時調取、查看和操控各點位攝像畫面，“天氣日歷”和“實景回溯”等功能在系統中展示；通過PC、手機APP、微信等發布手段實現全終端實景監測視頻訪問。實景天氣采集系統采用前后端徹底分離的方式進行開發，后端提供強大的數據接口服務支撐，前端對實時數據解析展示；前端模塊化開發具備可拓展性、容納性和可維護性。在邏輯架構上分為后臺管理子系統、信息發布子系統和實景天氣APP。系統總體架構如圖1所示。

1）后臺管理子系統對用賬戶信息、用戶權限、模塊控制、視頻直播服務、圖片服務和天氣數據服務進行管理，數據統一存儲至服務器，同時對用戶使用信息進行收集，可對用戶訪問模塊權限進行分配。

2）實景天氣發布子系統面向應用端發布天氣網眼設備信息、實景天氣視頻直播流、實景天氣圖片和氣象監測數據等信息，產品服務主要結合實時數據交換總線，通過數據接口實現對相關數據的接入、轉換及發布處理。

3）實景天氣采集手機客戶端（即實景天氣APP）通過數據接口獲取用戶權限信息、天氣網眼設備信息、實景天氣視頻直播流、實景天氣圖片和氣象監測數據等信息。由統一鑒權認證、地理信息引擎和實景視頻服務引擎組成，實現用戶登錄鑒權，實景天氣視頻直播流和氣象數據實時加載，通過GIS地理信息引擎實現產品和氣象要素疊加展示等功能。

2 實景天氣采集系統技術實現

2.1 實景天氣采集系統技術架構

在氣象臺站、旅游景區等地安裝實景天氣監控高清攝像頭并建設天氣實景監測站點；搭建基于WebGIS技術的PC端及移動端的實景天氣監測服務平臺；通過網絡專線或4G卡實現實景監測視頻的實時回傳；在各個安裝點部署天氣網眼視頻采集設備（由網絡高清球形攝像頭和天氣采集模塊組成），視頻采集設備將氣象信息疊加到視頻后，通過網絡將視頻上傳至內網服務器，同時視頻截圖及氣象信息通過FTP服務上傳至內網服務器，由內網服務器將視頻轉碼（轉成低碼率視頻流）并推送到公網服務器（數據傳輸流程：視頻采集設備→氣象局內網服務器→公網服務器）。高清攝像頭加掛天氣要素模塊，包括溫度、氣壓、相對濕度等氣象數據采集模塊，實現實時監測數據和實景監測視頻的同時回傳。

建設實景天氣管理系統，具有人員和設備管理權限，可實時調取、查看和操控各點位攝像畫面，系統部署在公網服務器，主要負責接收數據、整合數據、管理數據（視頻采集設備推送過來的視頻、圖片、氣象數據），相關人員可通過瀏覽器登錄到后臺系統管理頁面，對所有視頻采集設備進行遠程管理、配置參數、查看運行狀態等。實際用戶可通過PC、手機APP、微信等發布手段實現全終端實景監測視頻訪問，也可直接從內網服務器獲取視頻流。

圖1 實景天氣采集系統總體架構 Fig. 1 Framework of the real-time weather acquisition system

2.2 客戶端軟件系統核心功能組成

平臺主要包含4個子系統：

1）實景天氣直播流子系統。建立多路網絡傳輸通道，實現平臺和服務器之間圖片、音頻、視頻等數據傳輸和交換。實景天氣直播流子系統（圖2）可接收其他設備推送或主動獲取的直播流（如攝像頭、其他直播源）。獲取到直播流后，進行處理、分發。

2）實景天氣展示子系統。通過實景天氣展示子系統體現實景天氣、實景觀測、天氣日歷和實景回溯等功能：

? 實景天氣：通過地圖或設備列表界面，點擊查看天氣網眼所在地實景天氣實時監看視頻；

? 實景觀測:顯示過去24 h天氣實況曲線和實景天氣整點時刻圖片比對；

圖2 實景天氣直播流子系統流程設示意圖 Fig. 2 Diagram of real-time weather live stream subsystem

? 天氣日歷：自動抓取同時間節點天氣網眼圖片，顯示過去一個月逐日實景天氣圖片，以日歷形式展示；

? 實景回溯：播放過去24 h實景天氣視頻（圖集合成）快播視頻，視頻后臺自動合成。

3）實景天氣后臺信息管理子系統。實景天氣后臺信息管理子系統結構由5部分構成，包括圖片服務、視頻直播服務、天氣數據服務、設備操作服務、設備及人員管理服務：

? 圖片服務：處理和存儲采集的圖片數據，提供圖集展示服務；

? 視頻直播服務：接收來自視頻直播服務器推送過來的直播數據流并轉發到客戶端；

? 天氣數據服務：匯集實景天氣采集站點氣象數據，可從國家級或者省級CIMISS氣象數據統一服務接口采集天氣實況數據集并存儲于數據庫中。將采集過來的天氣實況數據，通過https服務接口的方式分發到手機、PC等客戶端。將氣象數據存儲和轉發并提供給客戶端；

? 設備操作服務：對實景天氣采集攝像頭進行控制操作，也可以進行變倍、聚焦和光圈操作。實現對畫面的亮度、對比度、飽和度、色度和圖像質量等功能的控制操作；

? 設備及人員管理服務：實現設置用戶權限、設備添加、刪除禁用、人員操作和設備狀態等管理功能。

4）數據接口服務子系統。實景天氣采集系統將采集到的天氣實況數據、實景天氣視頻流、實景天氣圖片和實景天氣采集點位置信息匯總至數據接口服務子系統。其他業務平臺可實時訪問天氣實景視頻和圖片，系統提供標準數據接口，通過數據接口服務的方式提供給實景天氣服務產品和數據。系統可與PC、APP和微信等服務終端進行對接，提供多平臺服務支撐。

2.3 實景天氣采集系統氣象要素傳感器設備性能要求

實景天氣采集系統氣象要素觀測設備是固定式一體自動監測設備（圖3）。系統包含氣象傳感器、數據采集器、控制處理器和4G無線傳輸等模塊，該系統可進行常規的氣溫、降水量、濕度、風向和風速等基本氣象要素觀測（表1）。

圖3 實景天氣采集設備實際安裝效果圖 Fig. 3 Installed real-time weather acquisition system

3 實景天氣采集手機客戶端

3.1 實景天氣軟件設計

“實景天氣”手機客戶端覆蓋iOS和Android主流移動應用平臺，軟件運行軟件環境為iOS 8.0系統及以上操作系統和Android4.4系統及以上操作系統，編程語言采用C、C++、C#、nodejs、Objective-c和html5進行開發。

表1 實景天氣設備性能要求 Table 1 Performance requirements of real-time weather acquisition system

“實景天氣”手機客戶端設計簡潔明了為主旨，突出實景天氣服務產品重點。用戶根據授權賬號和密碼登錄客戶端。首頁以列表或地圖的形式展示在全國范圍內部署的天氣網眼縮略圖列表或位置信息，點擊可查看實景天氣詳情。實景天氣詳情頁提供最新實景縮略圖、天氣實況及核心功能模塊訪問入口。

3.2 實景天氣客戶端軟件功能

1）設備選擇。提供全國區域天氣網眼設備顯示，展示分為列表和地圖兩種，點擊某個設備，進入設備詳情頁面。

設備詳情頁提供實景天氣視頻直播展示，天氣實況可查看氣溫、空氣質量、風力、風向和氣壓等氣象要素。下方提供延時攝影、查看圖集、天氣日歷和視頻設置功能入口。

2）延時視頻。播放過去24 h實景天氣視頻快播視頻，顯示視頻標題和發布時間，可選擇暫停播放、繼續播放或全屏展示。

3）圖集展示。圖集展示可展示各個設備最近截取的16張圖片，圖片采集間隔時間通過后臺管理系統進行設置。

4）天氣日歷。自動抓取同時間節點天氣網眼圖片，顯示過去一個月逐日實景天氣圖片，以日歷形式展示，天氣日歷功能支持豎屏和橫屏查看。

5）功能設置。功能設置分為視頻區和控制區。

4 實景天氣采集系統業務應用

4.1 搭建實景天氣觀測系統保障實時業務

高度訂制化天氣網眼實景天氣觀測設備，全新硬件設備升級，提供高清實景直播，設備支持360°全景觀測、可選裝多種氣象要素采集模塊、高清攝像頭實時天氣監看、視頻流全終端訪問、信號實時接入氣象影視直播系統、攝像頭自清潔便于設備維護。

2017年開始，華風創新已在全國部分地區建設了實景天氣觀測點，構建了一套全天候、智能化、多層次的實景天氣觀測系統，為氣象、媒體、旅游、交通等多行業提供實景天氣直播和本地氣象數據采集功能于一體的整體解決方案。

4.2 打造全新視頻產品加工平臺實現產品自動化生產

目前，實景天氣采集系統已形成全新視頻產品加工平臺，實現產品自動化生產，負責視頻資源自動合成處理（水印添加、標題條添加等）、快速播放視頻制作設置、延時視頻自動生成、圖片采集頻次設置、天氣日歷生成配置、短視頻制作等，可應用于氣象圖文類節目業務生產，為融媒體內容生產提供基礎支撐。

4.3 創立氣象媒資眾籌新概念支撐全媒體氣象服務

積極與地方氣象部門、中國鐵塔公司等單位進行溝通，共建實景天氣采集系統。逐步形成了天氣網眼的規?；渴穑瑸樯鐣^測資源的擴展和后續視頻大數據應用提供了基礎支撐。并積極參與中國氣象局綜合觀測司組織的社會化觀測行動，完成《志愿氣象觀測行動計劃（2018—2020年）》和《社會氣象觀測發展指導意見》的編制工作。

實景天氣采集系統加工生產的媒資資源可滿足電視媒體、網站和移動新媒體等不同媒體的實際需求，進行產品開發及設計制作，實現產品營銷和媒資運營。創立氣象媒資眾籌新概念，為社會化觀測提供有效采集與匯傳渠道，可用于解決氣象災害報道素材和氣象信息服務數據支撐不足的難題。

4.4 實景天氣服務產品接入國家級業務平面

實景天氣系統相關產品也主動與中國氣象局實時業務系統對接：2018年6月，天氣網眼入駐國家信息中心天鏡系統；12月，實景天氣直播視頻流接入中央氣象臺會商室，同時實景天氣圖片與中央氣象臺Micpas系統4.5版本進行對接，為預報員天氣分析和業務服務提供現場第一手素材，服務于實時業務。