实时气象信息服务平台关键技术研究

何华贵，杨 梅，杨卫军，王明省

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510000）

实时气象信息服务平台关键技术研究

何华贵1，杨 梅1，杨卫军1，王明省1

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东 广州 510000）

围绕气象数据的收集、预处理、传输共享、分析处理和可视化等关键技术进行研究，探讨利用海量气象数据提取有用信息的方法及如何将分析处理得到的信息直观形象地在地图上进行展示，为实时气象信息服务平台的实现提供支撑。

气象服务；数据质量控制；数据分析；可视化

1 数据收集与预处理

本文以长江流域为例，收集长江流域各省市的气象资料以及流域内自动气象站的历史数据，经过预处理后将其以结构化数据的方式存储至实时气象信息服务平台的数据库表内。同时，对实时的气象要素数据进行监测分析并进行质量控制，为Web应用系统提供及时、完备、可靠的数据源[1]。

1.1 气象数据收集

气象数据收集方式主要通过湖北省气象局与长江流域省市气象局的专线连接，以 FTP 的方式，在湖北省气象局收集所有长江流域各省市的气象资料，并通过与三峡梯调中心之间的地面专线，传输至三峡梯调进行存储及处理。气象数据收集处理信息流程如图1所示。

图1 实时气象信息收集处理流程图

1.2 数据监控管理

在数据处理并存储至数据库的同时，数据监控管理模块实时对录入的数据进行监测，判断每条数据是否准时收到，并监测是否存在某时次数据缺测的情况，将数据的到站统计情况，以状态码的方式录入至数据库的相关库表，同时为用户提供数据入库的监控管理界面，能够实时了解数据收集入库的情况，并能够统计指定时次的及时率、缺测率以及缺测时次等统计信息。实时监控功能通过查询数据库中气象数据的到站情况，统计出当前时刻自动气象站数据的到站率，并实时显示。

1.3 雨量质量控制

自动气象站雨量质量控制是对数据库中雨量数据正确性的检查。采用界限值检查方法和空间一致性检查方法，对数据库中国家级自动站和区域自动站的小时降水数据进行质量控制，生成质量控制码，并更新至数据库表中，质量控制方法详见表1（表中R25、R50、R75分别为小时降水序列的75%、50%、25%的分位数）。界限值检查方法是检查要素值是否在其测量允许值范围之内。降水要素的质量控制界限值阈值范围参考《地面气象观测规范》以及《地面气象观测资料质量控制》。空间一致性检查方法是根据气象要素分布的地理空间具有相关性[2]，空间距离较近的气象站点比距离较远的站点的特征值具有更大的相似性。根据插值原理，对于被检站被检时次的某个要素（如降水），可用邻近参考站的数据来估计被检站数据，再根据实测值与估计值差值大小，确定数据质量控制码。

针对所要处理的降水数据，采用以上2种检查方法，最后生成3种类型的质量控制码：“1”代表数据正确，“2”代表数据可疑，“3”代表数据错误（未进行指控的数据标记为“9”）。对于质控码为“3”的错误数据，在系统应用中做丢弃处理，对于质控码为“2”的可疑数据，可根据用户应用的需求，处理后加以应用。

表1 质量控制方法说明

1.4 面雨量计算

面雨量计算主要采用算术平均法将流域各站测得的同期雨量相加后除以总站数，即为该流域的面雨量。其数学表达式为：

式中，n为总站数；Pi为各站同期雨量。

自动气象站面雨量计算模块同时具备自动计算面雨量和手动计算面雨量2种方式。分别计算 1 h、3 h、6 h面雨量和日面雨量，并将结果写入数据库表中。

1.5 历史数据管理

由于长江流域覆盖面较广，流域内各省的气象资料总量占用磁盘空间较大，而且随着系统的运行，资料不断积累，如果不采取措施将会出现系统因磁盘空间不足而导致系统不能正常运行的情况，气象资料经处理录入数据库中，因此没有保留原始文件的必要。气象资料文件目录维护软件将定期对气象资料文件目录进行维护和清理。

2 数据传输与共享

实时气象信息服务平台数据传输与共享系统应遵循气象和水文部门的有关技术规范，采用数据库统一访问接口，为各业务提供数据服务。为保障数据的一致性，各个业务应用系统中心建立数据库，通过网络共享由上一级数据主管部门传输数据[3]，以三峡为例，实时气象信息数据传输共享的网络结构图如图2所示，通过省保障中心的对外通信服务器将数据传输至三峡梯调通信处理机，数据库和Web 服务器连接在三峡梯调外网网络，同时数据库服务器要和成都调控中心的三区网络联通，保证数据同步。

原始的水文气象数据通过共享方式实时地传输到三峡梯调中心，数据入库软件从原始文件中读取出数据，并对其进行格式解析，写入数据库；然后收集处理程序对数据库中的数据进行质量控制；最后资料处理程序生成MICAPS格式的文件，并严格按照标准的命名规范保存。同时，文件库和数据库中的数据可以与三峡二区水调自动化系统的数据库以及成都调控中心综合数据平台进行同步[4]。数据传输与共享系统由资料传输模块、数据库入库模块、资料处理模块、数据库清理模块、数据库维护等5个模块组成。各模块通过数据统一访问接口、标准数据库接口实现与数据库的信息交互。

图2 实时气象信息数据传输共享网络拓扑图

3 数据分析与处理

实时气象信息服务平台数据分析与处理系统提供气象数据的分析与处理功能，通过对传输、收集的数据进行处理分析最终生成雷达、卫星产品，1 h色斑图产品，并进行雨强笼罩面积计算和空间查询等。下面将对其中涉及到的技术问题进行详细介绍。

3.1 雷达卫星数据处理

雷达、卫星原始数据均为二进制文件，由于气象数据种类繁多，无法全部进行分析，选取其中一部分数据进行解析处理，雷达数据选取基本反射率（R）、组合反射率（CR）和 1 h降水（OHP）3种数据格式，卫星数据选取风云 2 号E 星中的红外云图（I 图）、水汽云图（W 图）和可见光云图（V 图）3种数据产品。

3.2 1 h色斑效果图

在地质、气象、环境等许多领域都会用到等值线和等值面的绘制方法来实现对三维场量的可视化表示。常用的等值面绘制步骤是：离散量→网格化→插值法求等值线→拓扑分析→区域绘制。这些步骤均需要大量的运算，对机器的处理能力要求较高。经过对比分析，平台中选用等值线绘制控件ContourOCX进行色斑图产品生成[5]。绘制步骤为：反距离权重法初始化→加入离散点→生成离散点等值线→生成等值面。

3.3 区域站空间索引

空间索引[6]是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。

3.4 雨强笼罩面积计算

雨强笼罩面积计算是指根据自动站站点的控制面积，查询共享数据库，对固定区域、指定时间范围内不同强度的降水所笼罩的面积进行计算，最终以表格的形势显示各个子流域 0～20 mm、20～50 mm、50～100 mm雨量笼罩面积。实现该功能需要计算出每个站点的控制面积，比较常用的方法是使用泰森多边形[7]。

4 数据可视化

数据通过收集、传输、分析和处理，最终目的是显示，在数据可视化过程中涉及到几个关键技术问题，下面将对其进行简单介绍。

4.1 栅格与矢量数据叠加

雷达二进制数据生成的结果是栅格图片，如何将栅格图片与矢量地图叠加，并保证位置的准确性是另一个需要重点考虑的问题。通过读取头文件可以获取图片的中心点坐标以及图片的像素大小，根据这几个值计算图片的实际坐标范围[8]。具体计算方法如下：以雷达数据为例，一个像素大约代表1 km，在地球上经线上跨纬度1°等于11 km，纬线上跨经度1°等于111×cos A km，其中A是纬度，因此已知中心点经纬度坐标为X和Y，图片长宽a和b，坐标范围计算公式为：

然后通过 ArcGIS API for Flex 提供的 MapImageLayer类将栅格数据叠加到矢量地图上。

4.2 色斑图实时绘制

以往绘制等值线色斑图大部分都是 C/S 模式最终生成图片，实时气象信息服务平台是基于B/S 模式的网页版，需要在网页中实时生成用户查询时间范围内累计降雨量色斑图[9]，因此需要实时生成并在地图上加载。具体解决方案为：用户选择时间范围之后点击“查询”按钮，调用WebService服务发送调用请求，后台Web服务通过调用打包生成的exe程序生成相应的等值线或等值面（shp格式）存入到相应目录下。Web服务调用成功后Flex加载相应的shp文件到地图上，并根据属性信息按照标准进行颜色渲染以及添加标注，从而实现色斑图实时绘制。

4.3 风向标绘制

气象领域对风向标的绘制有行业标准，如何将风向标通过Flex技术准确地在地图上进行绘制，并满足地图的缩放、平移等操作是需要解决的问题，本文的方法是：①使用to Screen方法将自动站经纬度坐标转换为屏幕坐标，然后根据屏幕坐标、风速方向计算风向线的终点位置坐标并绘制，从而完成风向线的绘制功能；②通过循环绘制风速线，最终完成整个风向标的绘制，考虑到地图缩放、平移等操作，需要对地图extent添加监听，当extent改变时重新绘制，从而保证风向标位置的准确性。

5 结 语

实时气象信息服务平台关键技术，主要包括数据的收集预处理、数据的传输共享、数据的分析处理、数据的可视化。本文在数据收集和传输方面重点介绍了相关程序的实现，在数据分析和处理方面重点介绍了分析处理的方法、原理、流程和结果等，在数据可视化方面，重点介绍了数据显示的一些关键技术，为实时气象信息服务平台的实现提供数据准备和技术支撑。

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P208

B

1672-4623（2016）01-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.005

何华贵，高级工程师，研究方向为地图制图及城市地理信息系统。

2014-01-26。

项目来源：2011年度广州市电子商务发展专项资金资助项目（2011-03-002）。