基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雒福佐

(青海省氣象信息中心，青海 西寧 810001)

0 引言

氣象預(yù)報(bào)的作用不僅僅局限于便利大眾的出行，且與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展存在密切的關(guān)系，各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)始注重氣象因素對(duì)其各自行業(yè)發(fā)展的影響，從而對(duì)氣象工作的精度和要求越來(lái)越嚴(yán)格[1-2]。因?yàn)闅庀箢A(yù)測(cè)是一個(gè)變化量，具有較高的不確定性，傳統(tǒng)的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果具有延時(shí)性和預(yù)測(cè)誤差，對(duì)于個(gè)人、各個(gè)行業(yè)都存在一定的影響[3-4]。為了解決以上問(wèn)題，本文提出基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，使特殊氣象預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度得到提高，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研究的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由監(jiān)控器、處理器、單元接口和數(shù)據(jù)采集器組成[5]。監(jiān)控器起到直接監(jiān)控的目的，能夠很好地分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，處理器通過(guò)微型端口處理監(jiān)控到的數(shù)據(jù)[6]，由多個(gè)單元接口來(lái)提高信息交互的能力，數(shù)據(jù)采集器具有信息采集能力，通過(guò)分析數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息顯示，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部引入了篩選功能，可以很好地篩選異常數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后期直接篩選。其中，特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 監(jiān)控器設(shè)計(jì)

基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件區(qū)域的監(jiān)控器的工作是對(duì)采集的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行初步復(fù)盤(pán)，監(jiān)控器的功能分為視頻監(jiān)控和屬性監(jiān)控，視頻監(jiān)控是監(jiān)控氣象環(huán)境的圖像，屬性監(jiān)測(cè)是通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)特殊氣象天氣的溫差、雨量、風(fēng)向等基本屬性[7]。監(jiān)控器支持IR-CUT雙濾光片，監(jiān)控成像像素達(dá)到1 920*1 080P，3MP高清模式。為了提高監(jiān)控器的穩(wěn)定性，監(jiān)控器內(nèi)部采用三天線架構(gòu)而成。監(jiān)控器可以360°全方位旋轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)設(shè)置了高級(jí)密碼和密鑰，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保密性。

監(jiān)控器架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控器示意圖

1.2 處理器設(shè)計(jì)

考慮到本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，選擇16單核的麒麟990處理器，可以安裝在64位任意操作系統(tǒng)中，處理器的CPU的主頻可以達(dá)到4.2 GHz，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，配置兩個(gè)CPU。此處理器的內(nèi)存為32 G，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可以根據(jù)需求對(duì)存儲(chǔ)空間自動(dòng)擴(kuò)展，存儲(chǔ)采用驅(qū)動(dòng)模式，總?cè)萘繛? T，采用SFF驅(qū)動(dòng)器，處理器與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信采用千兆的以太網(wǎng)卡。

1.3 單元接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單元接口的工作是保證系統(tǒng)硬件和軟件之間數(shù)據(jù)的傳輸效率，本文選擇單元接口為RS232接口，通信過(guò)程中遵循主從式原則進(jìn)行通信，單元接口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀功能圖如圖3所示。

圖3 單元接口數(shù)據(jù)幀組成圖

1.4 數(shù)據(jù)采集器

基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)采集器的工作是采集氣象數(shù)據(jù)信息，本文選擇UD-8數(shù)據(jù)采集器[8]。對(duì)比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器，本文設(shè)計(jì)的器件可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效驗(yàn)證，降低氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的計(jì)算量[9]。數(shù)據(jù)采集器與硬件區(qū)域的各個(gè)器件都存在數(shù)據(jù)交互，因此，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，選擇數(shù)據(jù)采集器的通信網(wǎng)絡(luò)為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)組合的雙網(wǎng)模式。

數(shù)據(jù)采集器電路圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集器電路圖

2 基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

WebGIS也被稱為網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，融合了Web技術(shù)GIS的衍生技術(shù)，系統(tǒng)利用HTTP協(xié)議完成地理信息的請(qǐng)求與應(yīng)答功能，比傳統(tǒng)的地理定位系統(tǒng)具有較高的交互能力。WebGIS的通信采用XML語(yǔ)言編寫(xiě)，首先將ArcObject組件內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝，封裝過(guò)程對(duì)信息進(jìn)行標(biāo)記，然后利用HTTP協(xié)議的三次握手準(zhǔn)則，完成數(shù)據(jù)包的成功轉(zhuǎn)發(fā)與應(yīng)答。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)是目前全球范圍內(nèi)，性能最佳、時(shí)效性最好的地理定位系統(tǒng)[10]，此系統(tǒng)反饋的信息可以通過(guò)編碼，發(fā)送到任意合法的瀏覽器內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)主要的應(yīng)用模式是地圖顯示應(yīng)用、數(shù)據(jù)查詢、地理位置仿真應(yīng)用三種類型。特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框示意圖如圖5所示。

圖5 特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件示意圖

地圖顯示應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)內(nèi)必不可少的信息應(yīng)用模板，為了提高系統(tǒng)的功能性，地圖顯示應(yīng)用會(huì)定期進(jìn)行更新，系統(tǒng)的地圖將有效區(qū)域內(nèi)的建筑物進(jìn)行標(biāo)記繪畫(huà)，地圖的比例可以根據(jù)需求隨時(shí)調(diào)整[11]。另外地圖還有漫游功能和鷹眼功能，分別以方位空間和視圖空間兩種模式進(jìn)行繪制，使得地理位置的模擬更加真實(shí)具體[12-13]。系統(tǒng)地圖的空間數(shù)據(jù)查詢包括用戶信息查詢和空間信息查詢兩種模式，用戶數(shù)據(jù)查詢應(yīng)用主要面向用戶的查詢檢索，按照地理信息查詢符合要求的地理位置[14]?？臻g信息查詢是確定待查詢地點(diǎn)的唯一性，在此基礎(chǔ)上以定位點(diǎn)為圓心，檢索地理信息。無(wú)論哪種查詢，查詢結(jié)果都會(huì)按照用戶需要的格式輸出，主要的表現(xiàn)形式為圖層展示、數(shù)據(jù)表格展示、圖像展示[15]。

集成基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的設(shè)計(jì)，總結(jié)特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

圖6 基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件流程

首先采集特殊氣象的特征信息，面對(duì)不同經(jīng)緯度地理位置，系統(tǒng)硬件區(qū)域數(shù)據(jù)采集器所啟用的配置不同，需要在采集信息前對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行功能配置。采集成功后將待監(jiān)測(cè)地理位置前2小時(shí)的氣象信息進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，篩選出無(wú)效數(shù)據(jù)，為特殊氣象預(yù)測(cè)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。將有效數(shù)據(jù)利用最小二乘支持向量回歸算法完成特殊氣象特征的提取，公式如下：

p=wt×φ(x)+b

(1)

式中，wt氣象數(shù)據(jù)的權(quán)值向量；φ(x)表示非線性映射函數(shù)；x輸入氣象數(shù)據(jù)信息；b表示計(jì)算偏差。

其次對(duì)其氣象環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了提高氣象數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，本文利用支持向量分類回歸算法對(duì)氣象數(shù)據(jù)完成預(yù)測(cè)計(jì)算，預(yù)測(cè)公式如下所示：

表1 相關(guān)特征氣象特征安全閾值

(2)

式中，p表示輸出的氣象數(shù)據(jù)特征，δ表示氣象預(yù)測(cè)的有效誤差；k表示懲罰系數(shù)；f(x1,y1,z1)表示氣象變化的核函數(shù)；ai表示預(yù)測(cè)向量系數(shù)；其他未知數(shù)的意義同上。

然后對(duì)特殊氣象預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。常見(jiàn)的氣象特征為大風(fēng)、大雪、暴雨三種類型，根據(jù)公式(1)計(jì)算氣象的特征，預(yù)測(cè)結(jié)果正常時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)測(cè)，一旦處于危險(xiǎn)氣象數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)檢計(jì)算，兩次計(jì)算結(jié)果相同時(shí)，觸發(fā)氣象安全預(yù)警功能。對(duì)于不同特殊氣象特征，一旦氣象數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的安全閾值，并且持續(xù)10秒鐘以上，系統(tǒng)就會(huì)生成一個(gè)預(yù)警提示。根據(jù)氣象特征的數(shù)據(jù)，對(duì)氣象的危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)警區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)持續(xù)10分鐘，數(shù)據(jù)波動(dòng)在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)解除氣象危險(xiǎn)預(yù)警。相關(guān)特征氣象特征安全閾值設(shè)置表如表1所示。

最后發(fā)布相關(guān)預(yù)測(cè)報(bào)告，并進(jìn)行信息日志存儲(chǔ)，系統(tǒng)持續(xù)對(duì)需要預(yù)測(cè)地區(qū)的氣象進(jìn)行持續(xù)安全監(jiān)測(cè)，當(dāng)有新的特殊氣象特征和信息出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，添加相應(yīng)氣象特征站點(diǎn)和預(yù)警參數(shù)即可。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上的論述，完成了基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，本文設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)采用基于多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)方法1)和基于GIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)方法2)作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組。因?yàn)樘厥鈿庀蟀l(fā)生的頻率有限，是不可預(yù)估的，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試的效果，本文設(shè)計(jì)兩組測(cè)試，一組是對(duì)甘肅市北緯40度零2分的地理位置的氣象進(jìn)行持續(xù)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，另一組是對(duì)已經(jīng)發(fā)生的特殊氣象進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前會(huì)將特殊氣象發(fā)生前兩小時(shí)的氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)用的計(jì)算機(jī)內(nèi)，專業(yè)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)可能會(huì)存儲(chǔ)第二組測(cè)試的樣本數(shù)據(jù)，因此第二組測(cè)試由傳統(tǒng)方法1和本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)共同完成測(cè)試，第一組測(cè)試三個(gè)系統(tǒng)共同完成。實(shí)驗(yàn)線完成第二組測(cè)試，然后再完成一組測(cè)試，一切準(zhǔn)備操作完成后，選擇同一時(shí)間觸發(fā)計(jì)算，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)全部向計(jì)算機(jī)終端提交監(jiān)控預(yù)警報(bào)告后，停止實(shí)驗(yàn)，整理實(shí)驗(yàn)器件，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)不同系統(tǒng)得到監(jiān)測(cè)氣象綜合分析能力結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)監(jiān)測(cè)氣象綜合分析能力結(jié)果

表2的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，三個(gè)系統(tǒng)完成特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警的測(cè)試數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法1在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中最終只輸出了特殊氣象天氣事件的類型、持續(xù)時(shí)間以及氣象危害等級(jí)三個(gè)氣象特征，并輸出2條氣象記錄；傳統(tǒng)方法2的預(yù)警系統(tǒng)輸出了特殊氣象天氣事件的類型、持續(xù)時(shí)間以及氣象危害等級(jí)、能見(jiàn)度值、預(yù)測(cè)持續(xù)時(shí)間、回波強(qiáng)度4個(gè)氣象特征值，并輸出4條氣象記錄。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅輸出了5個(gè)氣象特征值，并且對(duì)特殊天氣事件進(jìn)行仔細(xì)分析，將特殊天氣輸出10條記錄。此數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)的預(yù)警系統(tǒng)具有孤立性，對(duì)于一個(gè)完整的特殊氣象事件的綜合分析能力較差，只能統(tǒng)一地對(duì)氣象事件進(jìn)行分析，會(huì)受到氣象關(guān)系的影響，降低氣象安全監(jiān)測(cè)的精度。相比本文設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)具有綜合性，可以降低氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系度對(duì)氣象預(yù)測(cè)的干擾，達(dá)到提高安全監(jiān)測(cè)預(yù)警精度的目的。

本文設(shè)計(jì)的安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的信息如表3所示。

傳統(tǒng)方法1的信息如表4所示。

表3 本文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信息結(jié)果

表4 傳統(tǒng)方法1監(jiān)測(cè)信息結(jié)果

傳統(tǒng)方法2的信息如表5所示。

表5 傳統(tǒng)方法2監(jiān)測(cè)信息結(jié)果

觀察表3～5可知，第一組實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的3小時(shí)內(nèi)，本文設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)在開(kāi)始預(yù)警的前10分鐘系統(tǒng)輸出甘肅市北緯40度零2分地理位置實(shí)時(shí)的氣象信息，第10分鐘起，系統(tǒng)會(huì)提前預(yù)測(cè)并輸出與實(shí)際時(shí)間相差30分鐘的氣象信息。傳統(tǒng)方法1在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前30分鐘不輸出任何信息，具有預(yù)測(cè)時(shí)延性，第31分鐘開(kāi)始，系統(tǒng)會(huì)輸出實(shí)時(shí)氣象信息的同時(shí)，協(xié)同輸出預(yù)測(cè)10分鐘的氣象信息。傳統(tǒng)方法2存在預(yù)測(cè)時(shí)延，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始20分鐘內(nèi)，系統(tǒng)沒(méi)有輸出實(shí)時(shí)的氣象信息，第21分鐘開(kāi)始，系統(tǒng)會(huì)輸出實(shí)時(shí)氣象信息的同時(shí)，協(xié)同輸出預(yù)測(cè)20分鐘的氣象信息。相比基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的時(shí)間延時(shí)較短，對(duì)于預(yù)警效果的影響處于可以接受的狀態(tài)，可以保證對(duì)特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

分析應(yīng)用本文系統(tǒng)后在不同環(huán)境下出現(xiàn)特殊氣象特征的預(yù)警發(fā)出時(shí)間，分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同環(huán)境下預(yù)警發(fā)出時(shí)間

從圖7可以看出，在不同天氣條件下，隨著特殊氣象特征的增多，預(yù)警發(fā)出的時(shí)間也隨之增加，不同環(huán)境會(huì)導(dǎo)致預(yù)警時(shí)間不同，其中霧霾天氣下發(fā)出預(yù)警的時(shí)間最長(zhǎng)，最高可達(dá)9 ms，在該環(huán)境下，攝像機(jī)很難監(jiān)測(cè)；在晴天環(huán)境下，攝像機(jī)和雷達(dá)都不受干擾，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警最高僅需要4.1 ms，霧霾天氣下的預(yù)警時(shí)間比晴天環(huán)境高出許多。在三種環(huán)境下，通過(guò)本文系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警的時(shí)間不超過(guò)10 ms，說(shuō)明本文系統(tǒng)可以較為及時(shí)地發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

綜上所述，可以直觀地對(duì)比出本文設(shè)計(jì)的基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有綜合性和對(duì)強(qiáng)微波的預(yù)警性，并且系統(tǒng)不存在預(yù)測(cè)延時(shí)，從而使系統(tǒng)的預(yù)警精度達(dá)到氣象預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

硬件區(qū)域采用UD-8數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控器、處理器集成的高運(yùn)行基礎(chǔ)的架構(gòu)，高傳輸效率的單元接口將系統(tǒng)硬件區(qū)域內(nèi)各個(gè)硬件設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，使器件的性能最大化。本文設(shè)計(jì)的基于WebGIS的特殊氣象特征安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)利用最小二乘支持向量算法，協(xié)作系統(tǒng)硬件區(qū)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，共同完成實(shí)時(shí)特殊氣象特征安全的預(yù)警，提高系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度。本系統(tǒng)可以為氣象服務(wù)系統(tǒng)提供特殊氣象的變化數(shù)據(jù)以及一段時(shí)間內(nèi)氣象變化的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)氣象信息遠(yuǎn)程可視化服務(wù)。