保定特色林果气象要素精准靶向发布系统设计与实现

赵 鑫，韩艳君，韩英杰

（1.河北省保定市满城区气象局，河北保定 072150；2.河北省保定市气象站，河北保定 071000）

1 引言

随着社会经济发展，防灾减灾工作对气象预报的时空精细化、预报要素的多样化、定量化等方面提出了更高、更迫切的需求。传统的城镇/乡镇站点预报已不能完全适应按需预报、定位预报的服务要求，建立与现行城镇/乡镇站点预报、短临、短时、短期、中期各类灾害性天气预报相协调的精细化智能网格预报，既是适应气象服务需求的手段，也是预报业务精细化发展的方向与任务[1]。且传统的APP客户端每次更新后，需要下载完整的安装包进行更新，存在对于手机流量消耗比较多的问题；对于电脑端业务平台，存在启动后才可以重新使用的麻烦。本系统避开了这些弊端，有占用空间小，业务更新及时的优势。

本系统采用Java与GIS结合的模式进行开发，既有能使用Java语言满足B/S模式维护和升级方式简单的优势，又可通过Java绘图，满足绘制专业图形的要求，解决传统气象服务在信息传播不及时、信息传播范围有限等方面的问题，在葡萄、桃、草莓不同生育期，最终对其生长发育影响大的气象要素实现精准靶向发布。本系统还可以通过设置不同气象要素的阈值，在阈值到来时，实现自动靶向精准发布气象信息，进而减轻气象灾害对特色林果种植的影响，提高其产量[2]。

2 特色林果气象要素精准靶向发布系统框架设计

本文设计的特色林果气象要素精准靶向发布系统包括用户登录、数据交互查看子系统、靶向发布子系统和“一键式”发布监控子系统 4个部分（如图1）。

图1 特色林果气象要素精准靶向发布系统框图

2.1 用户登录

基本上所有的系统中都设置有登录这一个功能，登录这一个功能可以有很多登录方式，这里的登录方式只需要账号和密码就可以进行登录了。登录时有权限限制级别，后台管理系统只有管理人员才可进入操作。

保定市特色林果气象要素精准靶向发布系统采用小程序的方式进行设计，小程序对于系统安全更加稳定。小程序涉及到满城区、曲阳县、顺平县等3个不同县的农业气象数据，通过设置不同的用户账户进行登录。登录时通过对输入的用户名和密码进行区分，与数据库内置账号进行匹配，匹配完成之后，判断是否满足登录条件，如果账号满足登录条件，则用户进入小程序首页进行操作。

小程序登录的用户密码采用密文方式进行加密，数据以加密方式对密码进行存储，通过加密方式对账号进行加密，更加确保数据的安全性。登录时需要输入用户名和密码（图2），小程序后台对输入的密码通过加密开发包进行解密，并匹配数据库中的账号，如果符合要求，则用户进入系统首页。小程序内按登录账号不同，分配不同的区域，当使用账号登录时，后台通过用户名和密码对数据库进行查询，并查询出当前登录账号所属区域，同时获取当前区域所有的气象数据，包括实况、预报、预警、种植户数据等，并按照不同的区域显示在线地图。

图2 用户登录模块设计功能结构

2.2 数据交互查看子系统

2.2.1 气象数据采集与处理子系统

气象数据采集与处理子系统就是指自动气象站，通常是由一个以微型计算机为核心的特定数据采集器作为中心，将各种气象要素传感器的输出信号以有线或者无线的方式连接到数据采集器上，由数据采集器进行数据采集和转换处理以及气象信息的输出（如图3）。自动气象站一般由硬件和软件两部分构成，硬件部分包含计算机、数据通信接口、气象要素传感器、气象数据采集接口模块、电源转换模块等，软件部分包括数据采集与处理软件和数据网络传输软件等。

图3 气象数据采集与处理子系统功能结构

气象数据采集程序主要通过小程序后台设置不同的定时任务将需要使用的数据定时进行采集，数据类型主要包括分钟数据、小时数据等，对采集的数据按照不同的气象要素和系统的要求分门别类地保存到数据库中，并按系统要求分别对采集的时间数据进行必要的处理；后台定时器按照实际的业务时间进行设置。采集的数据源目前主要通过共享平台里的接口进行获取，后期可通过对接天擎业务平台获取数据并进行封装。实况监测页面打开时，通过传入的不同站点获取该站点下的实况数据，并进行展示。

由图3可知，数据采集模块需要采集数据，这些数据是由各类传感器输出的信号通过数据接口采集的，数据通过数据接口传入后，再经过处理变为后台所需要的数据格式，并由数据采集模块的输出接口输出；由后台输入接口接受的数据再进行数据解析，解析成数据库可以识别的数据（实况、预报、预警、其他），并进行入库。获取的数据主要包括JSON、XML、HTML等不同数据格式，对不同的数据格式进行解析，对解析后的数据打包进行封装。数据库根据数据接口进行数据封装，对应不同的数据格式，按照不同的属性进行保存。

2.2.2 系统实况展示

天气是指某一个地区距离地表较近的大气层在短时间内的具体状态。而天气现象则是指发生在大气中的各种自然现象，即某瞬时内大气中各种气象要素（如气温、气压、湿度、风、云、雾、雨、闪、雪、霜、雷、雹、霾等）空间分布的综合表现。

天气过程就是一定地区的天气现象随时间的变化过程。各种天气系统都具有一定的空间尺度和时间尺度，而且各种尺度系统间相互交织、相互作用。许多天气系统的组合，构成大范围的天气形势，构成半球甚至全球的大气环流。天气系统总是处在不断新生、发展和消亡过程中，在不同发展阶段有着其相对应的天气现象分布。

天气预报应用大气变化的规律，根据当前及近期的天气形势，对某一地未来一定时期内的天气状况进行预测。它是根据对卫星云图和天气图的分析，结合有关气象资料、地形和季节特点、群众经验等综合研究后作出的。如我国中央气象台的卫星云图，就是我国制造的“风云一号”气象卫星摄取的。利用卫星云图照片进行分析，能提高天气预报的准确率。天气预报就时效的长短通常分为3种：短期天气预报（2-3天）、中期天气预报（4-9天），长期天气预报（10-15天以上），中央电视台每天播放的主要是短期天气预报。

实况展示业务平台按照不同的气象要素数据进行显示，主要包括气温、降水、风力、风向、湿度、气压等，选择不同的气象要素，地图上自动加载气象站点，并显示当前气象要素数据值。显示的地图是根据当前选择区域的不同，自动加载区域地图数据，并自动叠加区域自动站信息，显示当前选择的气象要素实况数据。天气实况在页面上可以直接进行显示，也可以统计进行展示；此外也可以根据选择的不同气象要素进行展示，点击不同的气象站点，可同时加载所有不同气象要素数据，主要包括站点编号、站点名称、气象要素值等。地图根据不同区域进行加载，点击地图上的站点，可以查看气象实况数据。

2.2.3 种植户数据加载

（1）数据加载

特色林果小程序主要针对农业数据进行数据设置和展示，小程序通过地图方式，获取当前区域提供的种植户数据，将数据叠加到地图上进行展示。提供的种植户数据包括名称、经纬度、联系人、联系方式等（如图4）。点击地图上不同的种植户，可详细查看种植户数据的详细信息。也可以根据提供的种植面积范围，在地图上展示覆盖区域，地图上根据设置的不同颜色色标等级进行标注。选择不同区域、不同农业种植类型，根据过滤的后台数据在地图上进行覆盖。

图4 种植户数据加载功能结构

我国农业进入由单纯追求产量的数量型农业向数量与质量并重的效益型农业产业化发展的新时期，其发展趋势将逐步向规模化、集约化、专业化和标准化的现代农业过渡。特色农业通过产业化，形成生产、加工、销售有机结合和相互促进的机制，能够充分发挥特色农产品资源优势，提高区域经济的市场竞争力和农业综合实力。中国特色农业已经形成了从特色农产品种植、养殖，到产品加工、贮运、销售一体化经营的完整产业链，并且产业分工仍然在不断细化。按照标准化理论，在产业链中，各专业分工越细，相互依赖程度就越大，对标准化的要求就越高。

（2）技术实现

主要利用WebGIS发布的rest风格的Web服务为前端提供json对象形式的专题数据，页面利用GIS API for JavaScript实现了特色林果要素数据的统计以及基于空间位置的可视化。前端页面与后台之间的交互采用JSON格式进行传输，JSON是一种轻量级的数据交换格式，采用完全独立于编程语言的文本格式来存储和表示数据。任何数据支持的类型都能转换成JSON表达。简单的语法格式和清晰的层次结构使得JSON成为理想的数据交换语言。与XML相比，JSON更简洁且容易看懂，同时也易于生成和解析，可以极大节约传输数据占用的带宽从而有效提升网络传输效率。几乎所有的前端框架都支持JSON对象的解析，为整体的框架提供了基础。

根据提供的特色林果数据进行整理，并按照不同的区域、种植物类型进行区分；加载Web地图，根据提供的种植户经纬度数据进行地图叠加，并进行展示；点击不同的种植户可查看详细信息；根据提供的种植区域范围，在地图上叠加种植区域范围。

2.2.4 阈值设置

小程序后台根据提供的农作物指标数据设置不同的阈值，农作物生育周期不同，气象要素对指标数据有一定的影响，系统通过获取的实况数据与当前指标数据进行对比分析，当发现获取的实况数据与指标数据出现不一致时，小程序后台通过自动组织相关文字内容，通过短信或其他方式通知相关责任人（如图5）[3]。以暴雨蓝色预警信号为例，根据修订后的标准，预计未来可能出现下列条件之一或实况已达到下列条件之一并可能持续时将启动暴雨蓝色预警信号，即：雨强（1小时降雨量）达30mm以上；或6小时降雨量达50mm以上；或24小时降雨量达70mm以上。与旧标准相比，只是增加了“24小时降雨量达70mm以上”的预警阈值，1小时和6小时降雨量的阈值标准并没有变。同样，暴雨黄色预警信号新增了“24小时降雨量达100mm以上”的预警阈值；暴雨橙色预警信号新增了“24小时降雨量达150mm以上”的预警阈值；暴雨红色预警信号新增了“24小时降雨量达200mm以上”的预警阈值。

图5 阈值设置功能结构

只要持续时间够长，并且累积雨量达到了相应标准，仍然可以算作暴雨。新标准仍为蓝色、黄色、橙色、红色四级预警，在此前2016年版本设定的雨强（1小时降雨量）标准、过程雨量标准（6小时降雨量）的基础上，新增24小时暴雨预警信号标准阈值，切合农业气象防灾减灾需求及业务实际，更好地发挥了阈值设置在防灾减灾中的作用。农作物指标也包括病虫害指标，小程序后台根据当前季节易出现的病虫害适当做出提醒，提醒种植户做出相关防治措施。

该子系统对需要的气象数据进行采集，并进行入库；后台启动阈值设置接口，将获取的采集数据与阈值进行匹配；根据阈值匹配结果，做出相应处理，超出阈值进行提醒，否则正常业务运行。

2.3 靶向发布子系统

为了提高预警信息发布的效率，按照将预警信息优先发送给最需要的人群的设计思想，提出了运用基于预警信息内容、特定区域和人群的靶向技术进行精准发布的推送策略。首先，通过分析预警信息发布技术研究现状及存在的问题，从时间、区域、人群三个维度研究预警信息精准发布的关键技术；然后，利用地理信息系统（GIS）的区域搜索技术，设计了针对手机短信，手机APP等多渠道靶向发布的处理流程和技术方案；最后，提供了针对主要发布渠道的核心算法示例，通过算法快速过滤，使经过研判的预警信息优先发送给重点区域人群。该靶向技术在省级预警发布业务中得到成功应用，验证了该方法的可行性。与采用群发或广播的发布策略相比，该方法降低了预警信息发布阻塞或推送缓慢的概率。靶向发布依托大数据标签、位置服务和云MAS群发能力搭建大数据智慧短信平台，在保护客户隐私和信息安全的前提下，利用基站覆盖和大数据技术综合分析能力得出指定区域的常驻和漫游用户，建立实时动态的数据模型，锁定发布时效内在区域附近停留的用户，向其发布精细化预报预警短信，响应时间不超过3分钟，发送速度最高达到500条/秒。当突发性、局地性强的暴雨等灾害性天气发生时，通过靶向发布，精准快速面向即将影响区域发布预警，为采取有效防御措施争取时间。

特色林果气象服务小程序通过获取每种农作物指标数据，与采集的数据进行阈值匹配，并结合提供的农作物种植范围区域数据进行相互配合。当获取的实况数据达到一定阈值时，通过靶向定位可将受影响范围的农作物种植区域进行标注，可清楚查看易受影响区域范围。

对获取的气象数据进行阈值匹配；通过阈值分析，判断是否超出阈值范围；对超出阈值范围的数据，通过靶向发布方式，结合数据范围进行标注。

2.4 “一键式”发布监控子系统

特色林果小程序可针对发布终端进行实时发布监控，包括显示屏、短信、微信等，终端发布是气象信息最有效的发布手段。为实现气象信息的及时发布，为农业及时提供气象信息，设计发布监控功能。该功能整合了现有的信息发布手段，并实现对接，可多手段一键式发布气象信息、气象服务信息、气象为农信息（如图6）。该功能按照MVC设计模式来构建，采用跨平台应用程序框架开发，基于TCP协议和FTP协议实现系统内的相互通信。发布过程中，小程序对发布情况进行实时监控，并实时显示发布进度，包括对成功数、失败数进行数据统计，针对发布情况可进行详细查看，对发送失败的数据，可详细查看数据信息，并对数据进行提取。

图6 “一键式”发布监控子系统功能结构

提取发布用户数据，并进行数据分析；对发布结果进行数据统计，并进行归类；对获取的成功数和失败数进行统计，并进行入库；提取发送成功的数据和发送失败的数据；对发送数据的实际情况进行查看，主要包括详情数据，查询的数据可通过列表方式、图表方式进行查看。

3 结论

本系统利用微信旗下的微信小程序平台，完成保定市特色林果气象要素精准靶向发布系统设计与实现。通过研究新媒体（微信小程序）在特色林果种植（满城的葡萄种植、顺平的桃树种植、曲阳的鸭梨种植）气象灾害防御方面的应用，解决传统气象服务信息传播不及时、信息传播范围有限等问题，在葡萄、桃、草莓不同生育期，最终对其生长发育影响大的气象要素实现精准靶向发布，设置不同气象要素的阈值，在阈值到来时，实现自动靶向精准发布气象信息，进而减轻气象灾害对特色林果种植的影响，提高其产量。