公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)

張正文，張振濤

(中國氣象局公共氣象服務(wù)中心服務(wù)系統(tǒng)開放實驗室，北京 100080)

0 引言

氣象產(chǎn)品圖作為公共氣象服務(wù)的一個重要手段，具有簡明直觀等特點，制作形式美觀、內(nèi)容豐富、信息準(zhǔn)確的氣象產(chǎn)品圖已成為公共氣象服務(wù)業(yè)務(wù)人員重要職責(zé)之一［1-2］。氣象產(chǎn)品圖的發(fā)布方式主要有門戶網(wǎng)站、移動互聯(lián)網(wǎng)、專題決策材料幾種。近年來，由于移動設(shè)備、新媒體技術(shù)的不斷進(jìn)步，打造適宜的業(yè)務(wù)平臺幫助業(yè)務(wù)人員制作時效性強(qiáng)、符合媒介要求的氣象產(chǎn)品圖已成為氣象服務(wù)系統(tǒng)開發(fā)人員迫切問題。目前，國內(nèi)的氣象業(yè)務(wù)人員主要使用 MESIS［1］、IDV［3］、GWASS等軟件實現(xiàn)產(chǎn)品圖的制作，IDV 由美國UCAR組織下屬機(jī)構(gòu)Unidata程序中心研發(fā)，IDV基于Java技術(shù)，軟件本身集成Barne等插值算法，可在三維視角下繪制等值面等值線等產(chǎn)品圖。值得一提的是，Unidata圍繞IDV開發(fā)了一系列的產(chǎn)品，包括用于氣象數(shù)據(jù)管理的LDM等。MESIS由中國氣象局氣象中心研發(fā)，早期版本基于ArcGIS平臺，近期版本基于SuperMap，MESIS主要用于決策材料的制作，控件功能例如圖例的制作等基于ArcGIS API，界面風(fēng)格也與ArcGIS保持一致，對于熟悉GIS的業(yè)務(wù)人員較易掌握。GWASS由中國氣象局公共氣象服務(wù)中心研發(fā)，具有三維和二維2種視角，GWASS主要功能在于氣象數(shù)據(jù)的分析處理與展示。某些基于GIS的氣象產(chǎn)品后臺制作系統(tǒng)將主要功能集中于后臺自動化運行，前臺供用戶設(shè)定產(chǎn)品參數(shù)及管理計劃任務(wù)［4-6］。綜合國內(nèi)外氣象產(chǎn)品制作軟件來看，主要有以下不足:

(1)海量數(shù)據(jù)處理功能不足，大多數(shù)軟件基于文件系統(tǒng)，國外有NetCDF［7］格式，國內(nèi)主要使用Micaps數(shù)據(jù)格式;

(2)氣象數(shù)據(jù)分析算法難以定制，有些軟件集成了一些較為常用的插值算法，但在實際使用過程中較難擴(kuò)展;

(3)產(chǎn)品圖形質(zhì)量難以保證，業(yè)務(wù)人員往往需要在成圖以后再使用PhotoShop等位圖處理工具進(jìn)行美化;

(4)安裝操作依賴第三方軟件，有些需要商業(yè)授權(quán)，不能實現(xiàn)所見即所得的用戶體驗。

基于以上原因，公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)(開發(fā)代號:MonaRudo)基于.NET平臺，綜合運用多種處理算法(三角網(wǎng)格等值線追蹤等)處理氣象數(shù)據(jù)，提供文本編輯、氣象專業(yè)符號繪制等工具實現(xiàn)所見即所得的氣象產(chǎn)品編輯平臺，力圖為業(yè)務(wù)人員提供一款集數(shù)據(jù)獲取、處理、展現(xiàn)、成圖、保存多個功能為一體的業(yè)務(wù)平臺。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 建設(shè)目標(biāo)

公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)是一款氣象產(chǎn)品圖制作軟件，系統(tǒng)所提供功能囊括完整的氣象產(chǎn)品圖制作流程，在圖形質(zhì)量上以滿足氣象服務(wù)業(yè)務(wù)人員需求為標(biāo)準(zhǔn)，該平臺為用戶提供統(tǒng)一的氣象數(shù)據(jù)處理接口并綜合管理矢量圖和位圖，系統(tǒng)用戶使用該平臺不僅可處理常見的Micaps［8］類型數(shù)據(jù)，還可以在成圖過程中使用PhotoShop風(fēng)格工具對位圖進(jìn)行操作，從用戶角度，系統(tǒng)內(nèi)在邏輯完全透明，用戶在使用過程中不需要了解GIS知識概念或使用Micaps等第三方軟件進(jìn)行預(yù)處理即可制作氣象產(chǎn)品圖。業(yè)務(wù)目標(biāo)為公共氣象服務(wù)手機(jī)報產(chǎn)品圖、中國天氣網(wǎng)等專題圖產(chǎn)品制作，系統(tǒng)適用范圍為氣象服務(wù)人員和科研人員。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)MonaRudo基于C#語言體系，在地理數(shù)據(jù)處理上不依賴 ArcGIS［9］、SuperMap等第三方組件，系統(tǒng)采用輕量級實現(xiàn)理念，MonaRudo采用1:400萬的地圖矢量數(shù)據(jù)，包含氣象服務(wù)熱點挖掘、工具庫、文件瀏覽等模塊，系統(tǒng)集成的工具庫、算法庫等均使用插件管理機(jī)制載入，MonaR-udo在保證交互靈活性的同時還提供模板定制腳本自動化出圖。

圖1描述了MonaRudo軟件整體架構(gòu)，數(shù)據(jù)層使用IDataProvider封裝不同數(shù)據(jù)來源，使得上層功能均能使用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯中，由于業(yè)務(wù)人員制圖的需要，MonaRudo提供2類圖形的管理，即向量圖和位圖。不同圖形均可使用不同的渲染策略進(jìn)行繪制，有效保證繪制圖形的風(fēng)格可擴(kuò)展性。表現(xiàn)層提供了用戶功能入口，包括用戶行為交互、工具選擇、文件打開保存操作按鈕等。

圖1 公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 氣象服務(wù)熱點挖掘技術(shù)

氣象服務(wù)熱點可以定義為對氣象服務(wù)具備典型提示性和服務(wù)價值的天氣事件、天氣過程或新聞點。氣象服務(wù)熱點挖掘核心基于本體思想，利用本體對服務(wù)熱點對象進(jìn)行分析，找出氣象服務(wù)熱點挖掘領(lǐng)域概念之間的聯(lián)系，進(jìn)而創(chuàng)建服務(wù)熱點模型并進(jìn)行推理應(yīng)用。挖掘技術(shù)以氣象實況資料、預(yù)報資料、歷史資料、災(zāi)情資料等為基礎(chǔ)，結(jié)合服務(wù)中涉及的各類氣象指標(biāo)，形成熱點數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行提示。

氣象服務(wù)熱點挖掘是系統(tǒng)中服務(wù)產(chǎn)品制作的主要入口點，其主要內(nèi)容包括熱點分類、熱點內(nèi)容、熱點產(chǎn)品、處理任務(wù)、相關(guān)數(shù)據(jù)和存儲結(jié)構(gòu)。熱點挖掘技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)了從大量氣象數(shù)據(jù)中快速分析服務(wù)重點，簡化了服務(wù)人員的工作流程，有效提高了工作效率。

圖2 氣象熱點形成過程

圖2描述了MonaRudo使用資料庫和指標(biāo)庫結(jié)合熱點算法發(fā)現(xiàn)氣象服務(wù)熱點的技術(shù)路線，根據(jù)氣象服務(wù)業(yè)務(wù)流程，MonaRudo共梳理21類典型的氣象概念，并明確了各氣象概念使用的氣象資料來源及算法。MonaRudo基于事件驅(qū)動的制作流程可以幫助氣象業(yè)務(wù)人員在典型天氣事件發(fā)生時迅速制作相關(guān)產(chǎn)品。

2.2 圖形質(zhì)量控制

手機(jī)報具有體積限制，一份公共氣象服務(wù)手機(jī)報通常包含4～5張氣象產(chǎn)品圖，因此每張圖體積應(yīng)盡量小于15k，本平臺在成圖過程中首先控制像素位深及顏色數(shù)，然后采用基于八叉樹結(jié)構(gòu)的色彩量化算法進(jìn)行壓縮優(yōu)化消除噪點。該色彩量化算法考慮在2個像素顆粒之間填充與這2個像素顏色相近的過渡顏色，提供更多可視顏色空間。

不同的媒介設(shè)備所表示的色彩數(shù)目是有限的，利用設(shè)備能力可允許的K種顏色，盡可能地再現(xiàn)真實感的圖形效果，是圖像量化的目的所在，采用八叉樹結(jié)構(gòu)表示色彩空間、用以實現(xiàn)色彩優(yōu)化選擇的方法，簡稱八叉樹量化［10］。圖3顯示了針對氣象產(chǎn)品圖使用八叉樹量化前后效果對比，從圖3可以看出，八叉樹量化算法有效消除了氣象產(chǎn)品圖中噪點及顏色缺失等情況。

圖3 圖像量化算法效果對比圖

2.3 插件管理機(jī)制及渲染策略

MonaRudo使用傳統(tǒng)的MVC軟件架構(gòu)，數(shù)據(jù)提供者IDataProvider用來抽象系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)輸入，系統(tǒng)運行時的環(huán)境參數(shù)使用單例模式［11］完成初始化，并使用消息者模式通知圖層等對象，系統(tǒng)工具庫使用反射機(jī)制進(jìn)行加載，工具對象通過命令模式操作圖層。

整個系統(tǒng)的渲染均使用多線程控制，線程池的活躍線程數(shù)取決于CPU的核數(shù)，每個線程對應(yīng)控制屏幕一部分區(qū)域，對于影像地圖，此線程負(fù)責(zé)該區(qū)域內(nèi)所有金字塔瓦片圖下載渲染。

不同于其它多數(shù)平臺使用的樹形結(jié)構(gòu)，本平臺使用鏈表結(jié)構(gòu)管理圖層，每個圖層均對應(yīng)一塊相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域，此內(nèi)存區(qū)域即構(gòu)成Windows畫圖對象Graphic的句柄。各圖層使用策略模式［11］選擇所需的渲染方式，各渲染策略均包含簡單的對象進(jìn)行屬性控制。

2.4 等值線分析算法

目前氣象業(yè)務(wù)中常用的數(shù)據(jù)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可以分為離散點數(shù)據(jù)(站點數(shù)據(jù))和網(wǎng)格點數(shù)據(jù)2種。MonaRudo分別采用三角網(wǎng)格分析算法和改進(jìn)的等值線追蹤算法進(jìn)行等值線分析。

三角網(wǎng)格分析算法用于離散點數(shù)據(jù)分析，整合了泰森多邊形生成算法，Delaunay三角網(wǎng)生成算法以及不規(guī)則三角網(wǎng)等值線追蹤算法，可以快速通過數(shù)據(jù)分析得到等值線信息，同時，針對氣象上氣溫、降水等數(shù)據(jù)連續(xù)性的特點對算法進(jìn)行了調(diào)整。改進(jìn)的等值線追蹤算法是在傳統(tǒng)的網(wǎng)格點等值線追蹤算法的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)格內(nèi)等值線走向問題進(jìn)行了優(yōu)化，引入網(wǎng)格中心點確定等值線追蹤時多個連接點的優(yōu)先級。三角網(wǎng)繪制等值線算法具有高精度、高效率和易于處理的性線等特點［12］。

MonaRudo根據(jù)氣象產(chǎn)品制作特點，在2種原有算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成了每一條等值線的自閉合、確定閉合區(qū)域內(nèi)外值關(guān)系并采用三次樣條插值算法對等值線進(jìn)行平滑處理。經(jīng)過算法完善，保證多條等值線的閉合區(qū)以合理的的層次疊放，以正確的顏色填充。文獻(xiàn)［13］描述了等值線追蹤算法的步驟及實現(xiàn)流程。

3 系統(tǒng)界面

圖4展示了MonaRudo軟件界面，分為菜單欄、懸浮工具欄、主體工作區(qū)三大部分。

圖4 MonaRudo軟件界面圖

菜單欄包括文件工具欄、視圖和編輯菜單，文件工具欄提供文件打開、保存操作，視圖菜單提供懸浮窗口顯隱設(shè)定，各子窗口布局設(shè)定等操作，編輯菜單分為地圖、制圖模板、數(shù)據(jù)、分析模板4大類，地圖類提供系統(tǒng)使用底圖參數(shù)設(shè)定，例如投影參數(shù)、定位等。制圖模板類主要由制圖人員添加氣象產(chǎn)品圖圖形要素，包括插入圖例、標(biāo)題、頁腳等。分析模板用來設(shè)定氣象產(chǎn)品圖填色方案，目前系統(tǒng)集成的主要有1小時降水模板、24小時降水模板、氣溫模板、風(fēng)速模板等

左側(cè)窗口包含熱點挖掘、圖層管理、資料檢索和工具庫4部分，熱點挖掘提供服務(wù)熱點事件算法閾值和定時任務(wù)設(shè)定，圖層管理提供增加、刪除、上移、下移、圖層屬性設(shè)置等功能，資料檢索提供文件系統(tǒng)搜索，用戶通過預(yù)配置可快速檢索實況和預(yù)報數(shù)據(jù)。資料檢索列表主要針對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分類供用戶快速查詢，列表中數(shù)據(jù)類型組織方式根據(jù)業(yè)務(wù)人員檢索習(xí)慣確定，圖5為MonaRudo中資料檢索窗口。

圖5 資料檢索結(jié)構(gòu)

如圖6所示，工具庫提供通用操作和專業(yè)符號2大類工具，通用工具包含地圖漫游、縮放、文字標(biāo)注等基本操作工具，專業(yè)符號工具為用戶提供氣象符號的繪制，包括霜凍線、靜止鋒等。

圖6 工具庫分類

用戶在主體工作區(qū)的所有操作均保證流暢柔和的所見即所得用戶體驗，比如文字標(biāo)注與PhotoShop使用方式完全一致，而不是采用ArcGIS、SuperMap等彈框輸入文字。主體功能區(qū)各要素均可進(jìn)行獨立設(shè)置、拖曳等操作。

4 結(jié)束語

公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)MonaRudo旨在為氣象服務(wù)人員提供專業(yè)的氣象產(chǎn)品制作工具，進(jìn)一步拓展氣象產(chǎn)品圖在新媒介設(shè)備上的表現(xiàn)水平。相比較其它氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)，MonaRudo具有以下特點:

(1)注重氣象產(chǎn)品繪制過程的簡便快捷，氣象業(yè)務(wù)人員不需要掌握其它領(lǐng)域如GIS、計算機(jī)圖形學(xué)等方面的知識也能快速使用并完成工作。

(2)MonaRudo在繪圖設(shè)備、圖形算法上為用戶提供更多選擇，保證圖形質(zhì)量符合設(shè)備要求。

(3)集成多種氣象要素的插值算法，使用插件機(jī)制提供可擴(kuò)展性。

MonaRudo已在公共氣象服務(wù)手機(jī)報、公共氣象服務(wù)專報中得到應(yīng)用，目前在氣象行業(yè)中使用云計算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析已成為工程趨勢［14］，在未來的工作中，筆者將更加注重氣象熱點事件中的海量數(shù)據(jù)處理能力以試圖打造Internet衍生應(yīng)用，為業(yè)務(wù)人員提供更加強(qiáng)大的實時制作能力。

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