基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)

張振濤張正文 陳 宇 薛 冰

（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)

張振濤*張正文 陳 宇 薛 冰

（中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京100081）

產(chǎn)品服務(wù)是公共氣象服務(wù)的重要手段之一。新媒體技術(shù)的進(jìn)步、發(fā)布渠道的拓展給氣象服務(wù)產(chǎn)品制作帶來了更高的時(shí)效性和美觀性要求?，F(xiàn)有的氣象業(yè)務(wù)平臺(tái)多依賴于第三方GIS（地理信息系統(tǒng)）組件完成氣象數(shù)據(jù)的分析和產(chǎn)品的輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于GIS的理論模型，在用戶交互、圖形質(zhì)量控制等方面受到限制。通過分析公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作的業(yè)務(wù)難點(diǎn)，提出了一種基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作框架，通過將氣象知識形式化，建立天氣事件與服務(wù)產(chǎn)品之間的聯(lián)系；同時(shí)采用流行的輕量級系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用多種圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天氣事件快速響應(yīng)，服務(wù)產(chǎn)品快速生成。關(guān)鍵性技術(shù)主要包括氣象知識抽取、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、地理邊界裁剪和圖形質(zhì)量控制等?；谠摽蚣芙ㄔO(shè)的原型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)完整、功能性強(qiáng)，在網(wǎng)站和手機(jī)氣象服務(wù)中取得了很好的應(yīng)用成果。

天氣熱點(diǎn)事件；公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)；專家系統(tǒng)

引 言

氣象服務(wù)產(chǎn)品是傳達(dá)氣象信息的重要媒介，其中的圖形化產(chǎn)品具有直觀、簡明等特點(diǎn)，是公共氣象服務(wù)中最常用的產(chǎn)品形式，具有不可替代的作用。國內(nèi)外眾多氣象服務(wù)門戶如Accuweather（www.accuweather.com）、中國天氣網(wǎng)（www.weather.com.cn）等均將圖形化服務(wù)產(chǎn)品作為網(wǎng)站的重要資訊內(nèi)容；決策材料中圖文并茂的方式也有利于氣象業(yè)務(wù)人員言簡意賅地闡述天氣形勢。目前，氣象部門已開發(fā)建設(shè)了適用于不同應(yīng)用場景的產(chǎn)品制作系統(tǒng)，具有代表性的有MICAPS［1］、MESIS［2］、基于GIS的氣象產(chǎn)品后臺(tái)制作系統(tǒng)［3］、近實(shí)時(shí)的公共氣象服務(wù)網(wǎng)站系統(tǒng)［4］、奧運(yùn)氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)［5］等。這些系統(tǒng)主要側(cè)重于專項(xiàng)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，能夠以交互或者自動(dòng)方式生成氣象產(chǎn)品。然而天氣過程錯(cuò)綜復(fù)雜，氣象服務(wù)對產(chǎn)品的質(zhì)量、時(shí)效以及過程匹配度要求越來越高，利用交互方式制作產(chǎn)品無法滿足大量產(chǎn)品快速準(zhǔn)確生成的要求，現(xiàn)有的自動(dòng)化制作方式在時(shí)間和空間尺度上采用固定參數(shù)，很難實(shí)現(xiàn)與天氣過程同步。此外，上述業(yè)務(wù)系統(tǒng)大多數(shù)依賴于商業(yè)GIS組件，這些組件以GIS的理論概念模型為核心，圖形質(zhì)量得不到有效控制，必須借助第三方圖形工具（例如Photoshop）進(jìn)行美化。因此，快速制作出高質(zhì)量的圖形化產(chǎn)品是氣象服務(wù)中亟待解決的問題。

本文提出了一種基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作框架，并給出原型系統(tǒng)MonaRudo。產(chǎn)品制作框架以氣象服務(wù)產(chǎn)品制圖技術(shù)為核心，綜合運(yùn)用GIS、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、大氣科學(xué)等領(lǐng)域知識綜合分析加工氣象數(shù)據(jù)；原型系統(tǒng)吸收了輕量級的程序設(shè)計(jì)思路［6］，通過功能模塊的合理劃分提高制作效率，與目前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全以GIS為核心，無論是格點(diǎn)場的產(chǎn)生還是圖形分析產(chǎn)品的輸出均為滿足GIS接口、處理而設(shè)計(jì)［7］不同，原型系統(tǒng)以產(chǎn)品制作框架為基礎(chǔ)，注重業(yè)務(wù)平臺(tái)使用過程中的完整性、合理性和流暢性。具體表現(xiàn)在天氣熱點(diǎn)事件的概念化、GIS功能的用戶透明性、事件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化腳本等方面。

1 基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作

1.1 產(chǎn)品制作業(yè)務(wù)流程

面向公眾和決策的氣象服務(wù)部門通常由氣象專家、編輯、計(jì)算機(jī)技術(shù)等專業(yè)人員組成，各國氣象部門在機(jī)構(gòu)設(shè)置、氣象產(chǎn)品發(fā)布步驟等方面均具有一定的相似性［8］，典型的氣象產(chǎn)品一般由一系列可供用戶解讀的信息組成。氣象產(chǎn)品的制作過程需經(jīng)過產(chǎn)品內(nèi)容確定、格式描述、制作分析等步驟。天氣要素（溫度、降水、地質(zhì)災(zāi)害、大風(fēng)降溫等）、產(chǎn)品時(shí)間（發(fā)布時(shí)間、預(yù)報(bào)時(shí)間）、地理區(qū)域是氣象產(chǎn)品內(nèi)容重要組成部分（通常可稱之為氣象產(chǎn)品的屬性）。氣象服務(wù)產(chǎn)品制作流程通常包括以下步驟：①以氣象數(shù)據(jù)為起點(diǎn)，數(shù)據(jù)源于地面觀測、高空觀測、遙感探測（衛(wèi)星、雷達(dá)等）和數(shù)值模式輸出結(jié)果等；②氣象專家使用相關(guān)工具平臺(tái)瀏覽數(shù)據(jù)、分析天氣形勢（即解析數(shù)據(jù)）；③業(yè)務(wù)人員針對專家的認(rèn)識達(dá)成共識（會(huì)商討論等），從中挑選具有服務(wù)價(jià)值的天氣事件；④編寫天氣事件文字描述，參考對應(yīng)時(shí)次的實(shí)況和預(yù)報(bào)產(chǎn)品，制作氣象服務(wù)產(chǎn)品。

1.2 主要業(yè)務(wù)難點(diǎn)

通過分析氣象服務(wù)產(chǎn)品制作業(yè)務(wù)的流程特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)中存在的難點(diǎn)：①產(chǎn)品制作缺乏有效知識模型作為指導(dǎo)［9］，制作過程中多個(gè)步驟依賴專家知識與主觀思維；②不同專家對天氣過程的認(rèn)識具有不一致性，專家知識多以記憶的形式進(jìn)行表達(dá)，無法以物理形式存儲(chǔ)，難以共享；③專家的思考過程不能得到相關(guān)系統(tǒng)有效支持［8］；④制作過程缺乏規(guī)范化描述導(dǎo)致難以進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)化處理，產(chǎn)品制作過程包含多個(gè)人工步驟，繁瑣耗時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)過程迅速的天氣事件時(shí)，產(chǎn)品發(fā)布時(shí)效難以保證；⑤產(chǎn)品樣式受常規(guī)GIS系統(tǒng)制約，質(zhì)量難以控制，無法直接應(yīng)用于多種發(fā)布終端。

1.3 產(chǎn)品制作框架

基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作框架力圖解決產(chǎn)品制作業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)問題，為氣象服務(wù)人員日常業(yè)務(wù)提供支持，改善系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，保證產(chǎn)品的時(shí)效性和一致性?？偨Y(jié)氣象服務(wù)產(chǎn)品制作業(yè)務(wù)特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天氣過程發(fā)生時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確的氣象服務(wù)有助于幫助公眾合理決策，減少損失。本文將這類具有服務(wù)價(jià)值的天氣事件稱之為天氣熱點(diǎn)事件，顯然，以天氣熱點(diǎn)事件為驅(qū)動(dòng)快速響應(yīng)服務(wù)能夠有效提高服務(wù)質(zhì)量。關(guān)于天氣熱點(diǎn)事件的特征提取已有很多相關(guān)研究［10-11］，但業(yè)務(wù)人員的氣象知識和工作經(jīng)驗(yàn)仍然起到至關(guān)重要的作用，因此，基于天氣事件產(chǎn)品制作框架應(yīng)具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

①氣象知識形式化。只有形式化的知識才能夠被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和應(yīng)用。目前，氣象知識的形式化描述已成為領(lǐng)域?qū)＜业难芯繜狳c(diǎn)［12］，產(chǎn)生式規(guī)則是領(lǐng)域知識常見的存儲(chǔ)形式，Ontology等知識建模工具均支持使用產(chǎn)生式規(guī)則描述領(lǐng)域概念間的聯(lián)系。制作框架借助Ontology的知識建模思想，建立了天氣熱點(diǎn)事件與服務(wù)產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

②專家系統(tǒng)引導(dǎo)。專家系統(tǒng)將專家的思考過程通過計(jì)算機(jī)過程進(jìn)行表達(dá)。圖1是基于產(chǎn)生式規(guī)則的專家系統(tǒng)框架［13］，制作框架中天氣事件觸發(fā)機(jī)制相當(dāng)于推理引擎，氣象概念的形式化建模起到了知識庫的作用，軟件工作區(qū)是用戶接口的實(shí)現(xiàn)，基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作框架具有專家系統(tǒng)特征。

圖1 專家系統(tǒng)框架Fig.1 The expert system shell

③基于知識模型的框架流程?？蚣芰鞒淘O(shè)計(jì)注重專業(yè)知識的形式化、業(yè)務(wù)人員的行為支持性和氣象產(chǎn)品的科學(xué)性（產(chǎn)品內(nèi)容的正確性等）。與傳統(tǒng)的制作流程相比，本文提出的制作框架更具有模塊化和結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)。首先抽取氣象服務(wù)產(chǎn)品中氣象概念的專家知識，明確產(chǎn)品內(nèi)容（天氣要素等）與最終氣象服務(wù)產(chǎn)品格式之間的聯(lián)系，當(dāng)有天氣熱點(diǎn)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)用制圖模板進(jìn)行產(chǎn)品制作，用戶在此過程中可對產(chǎn)品進(jìn)行再加工，包括圖形要素的更改（圖例、添加標(biāo)注等）、多種產(chǎn)品圖的疊加、層疊順序的調(diào)整等。整個(gè)流程如圖2所示。

④流暢的用戶體驗(yàn)。流暢性和良好的操作性是生產(chǎn)環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行的重要原則［14］，產(chǎn)品制作框架通過對業(yè)務(wù)邏輯的封裝和表現(xiàn)層的功能透明保證了用戶體驗(yàn)的流暢性，框架的功能覆蓋完整的產(chǎn)品制作流程，包括數(shù)據(jù)檢索、算法分析、產(chǎn)品制作、成圖保存等。各功能模塊優(yōu)先考慮輕量級及可擴(kuò)展性方案，并合理分擔(dān)制作流程，去中心化［15］的設(shè)計(jì)意味著框架以氣象產(chǎn)品為目的，結(jié)果導(dǎo)向的流程有利于不同用戶制作產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性，制作的產(chǎn)品可直接用于門戶媒介、決策材料或產(chǎn)品庫等。

圖2 氣象服務(wù)產(chǎn)品制作流程Fig.2 Production process of meteorological products

2 關(guān)鍵技術(shù)

從1.3節(jié)描述的系統(tǒng)框架特點(diǎn)可知，系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵問題集中在服務(wù)熱點(diǎn)確定、氣象數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)品模板應(yīng)用、產(chǎn)品輸出4個(gè)環(huán)節(jié)。服務(wù)熱點(diǎn)確定的根本是要確定服務(wù)產(chǎn)品，因此需要通過知識模型建立熱點(diǎn)與產(chǎn)品之間的關(guān)聯(lián)。氣象數(shù)據(jù)分析是數(shù)據(jù)與產(chǎn)品之間的橋梁，優(yōu)秀的分析算法能夠極大提高產(chǎn)品生成的效率。產(chǎn)品模板應(yīng)用以產(chǎn)品信息區(qū)域控制為前提，剔除無效信息能夠保證模版的正確應(yīng)用，突出產(chǎn)品重點(diǎn)。產(chǎn)品輸出往往面對多種發(fā)布媒介，合理的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)定使產(chǎn)品能夠在更多的媒介使用。

2.1 氣象概念知識抽取

知識工程是計(jì)算機(jī)學(xué)科的研究熱點(diǎn)，關(guān)于氣象領(lǐng)域的知識建模相關(guān)論述已有報(bào)道［12］，知識管理可以將大量無序化知識實(shí)現(xiàn)有序化，實(shí)現(xiàn)知識共享，提升組織價(jià)值［16］。各領(lǐng)域知識可以通過與專家會(huì)談的方式獲取，文獻(xiàn)［8］詳細(xì)分析了氣象專家的知識建模過程并成功構(gòu)建以過程性知識（目標(biāo)和方法）和描述性知識（領(lǐng)域概念和關(guān)系）為主的兩類成果。與此類似，天氣熱點(diǎn)事件是MonaRudo的核心概念，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的首要步驟在于建立天氣事件與氣象產(chǎn)品之間的聯(lián)系從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)流程。本文在與專家會(huì)談的基礎(chǔ)上針對日常業(yè)務(wù)中關(guān)注度較高的天氣事件進(jìn)行梳理分類，找出氣象服務(wù)熱點(diǎn)，挖掘領(lǐng)域概念之間的聯(lián)系，進(jìn)而創(chuàng)建服務(wù)熱點(diǎn)模型并進(jìn)行推理應(yīng)用。挖掘技術(shù)以氣象實(shí)況資料、預(yù)報(bào)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(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行提示。在征詢專家意見后形式化氣象服務(wù)概念，以描述氣象數(shù)據(jù)變化為基礎(chǔ)，描述了氣象產(chǎn)品與天氣概念及所用到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系（表1），通過表1結(jié)合更詳細(xì)的指標(biāo)體系可以在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立天氣熱點(diǎn)事件的發(fā)生提示，氣象服務(wù)人員的業(yè)務(wù)制作流程將實(shí)現(xiàn)從圍繞產(chǎn)品的主觀探索向?yàn)閲@事件的啟發(fā)式流程轉(zhuǎn)變。

表1 氣象概念與氣象產(chǎn)品聯(lián)系示例表Table 1 Contact chart of meteorological concepts and meteorological products

2.2 氣象數(shù)據(jù)分析技術(shù)

氣象服務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要可分為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)和網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)兩種。MonaRudo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(diǎn)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，具有高精度、高效率和易于處理等特點(diǎn)［17］。改進(jìn)的等值線追蹤算法是在傳統(tǒng)的網(wǎng)格點(diǎn)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)行優(yōu)化，引入網(wǎng)格中心點(diǎn)確定等值線追蹤時(shí)多個(gè)連接點(diǎn)的優(yōu)先級。文獻(xiàn)［18］描述了等值線追蹤算法的步驟及實(shí)現(xiàn)流程。

MonaRudo根據(jù)氣象產(chǎn)品制作特點(diǎn)，在兩種原有算法的基礎(chǔ)上，針對氣象上氣溫、降水等數(shù)據(jù)連續(xù)性的特點(diǎn)對算法進(jìn)行了調(diào)整，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)以合理的層次疊放，以正確的顏色填充。

2.3 地理邊界剪裁

為了保證等值線分析的準(zhǔn)確性，設(shè)定的分析區(qū)域需要大于常規(guī)地理行政區(qū)域，地理邊界剪裁成為制圖的重要步驟之一。目前大多數(shù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)均依賴GIS接口實(shí)現(xiàn)裁剪功能，圖形文件在媒介展示需要經(jīng)過世界坐標(biāo)到設(shè)備坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。世界坐標(biāo)屬于邏輯坐標(biāo)，無度量單位；設(shè)備坐標(biāo)屬于物理坐標(biāo)，常見的顯示器以像素為度量單位。通過預(yù)處理、設(shè)置參數(shù)優(yōu)化裁剪流程、增加網(wǎng)格分辨率等方法在一定程度上提高了作圖效率，但由于GIS的運(yùn)算系統(tǒng)基于世界坐標(biāo)，無法考慮設(shè)備環(huán)境參數(shù)，像素分辨率的不同仍可能導(dǎo)致GIS剪裁后的圖片出現(xiàn)鋸齒等現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)的制圖流程將裁剪功能配置在成圖輸出階段，從系統(tǒng)運(yùn)行角度，即圖形（此時(shí)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以封裝對象代表，對象包含一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）在設(shè)備顯示階段前使用硬件接口對圖形需要顯示的區(qū)域進(jìn)行剪裁。系統(tǒng)使用圖形設(shè)備接口（GDI+）組件中Graphics類型對象的Clip屬性設(shè)置實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，與GIS的裁剪相比較，使用操作系統(tǒng)I/O裁剪具有以下優(yōu)點(diǎn)：①合理分擔(dān)計(jì)算資源，GIS的裁剪基于邏輯坐標(biāo)體系，使用CPU進(jìn)行空間分析，而多數(shù)操作系統(tǒng)圖形設(shè)備接口都進(jìn)行優(yōu)化，使用GPU處理并減少了不必要的計(jì)算量，在裁剪效率上具有質(zhì)的提升；②能保證裁剪邊緣平滑不出現(xiàn)馬賽克，I/O裁剪基于設(shè)備坐標(biāo)，能根據(jù)設(shè)備成像技術(shù)以最小的度量單位控制。

2.4 圖形質(zhì)量控制及成圖技術(shù)

不同發(fā)布渠道對圖形質(zhì)量的要求有一定差異，應(yīng)用于氣象服務(wù)網(wǎng)站的圖形產(chǎn)品尺寸限制在510×430像素，單個(gè)圖形文件大小不超過50 KB；手機(jī)氣象服務(wù)對于圖形產(chǎn)品的尺寸要求為300×253像素，單個(gè)圖形文件大小在15 KB以下，且圖像不失真。系統(tǒng)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(diǎn)。該色彩量化算法考慮在兩個(gè)像素顆粒之間填充與這兩個(gè)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)目有限，利用設(shè)備能力可允許的各種顏色，盡可能再現(xiàn)具有真實(shí)感的圖形效果，就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(shí)現(xiàn)色彩優(yōu)化選擇的方法，簡稱八叉樹量化［19］。圖3展示了圖形經(jīng)過壓縮后，使用量化算法的前后效果對比，由圖3可以看出，八叉樹量化算法很好地消除了圖形噪點(diǎn)等元素，提高了圖形質(zhì)量。

圖3 圖像量化算法效果對比圖（a）使用八叉樹量化算法前，（b）使用八叉樹量化算法后Fig.3 Comparison chart of image quantization algorithm（a）before Octree quantified，（b）after Octree quantified

3 原型系統(tǒng)MonaRudo

公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作原型系統(tǒng)MonaRudo采用C＃語言體系，輕量級實(shí)現(xiàn)理念，底圖采用1：400萬的地圖矢量數(shù)據(jù)，包含氣象服務(wù)熱點(diǎn)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，MonaRudo在保證交互靈活性的同時(shí)還提供模板腳本語言MonaScript自動(dòng)化出圖。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MonaRudo使用MVC模式進(jìn)行軟件分層，即將軟件分為模型、視圖和控制器3部分（圖4），其中表現(xiàn)層為用戶顯示區(qū)，即為視圖；渲染策略、地圖、圖層相應(yīng)用戶操作，即為控制器，環(huán)境變量為控制器參數(shù)；系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通過模型的形式進(jìn)行表達(dá)，并利用通用數(shù)據(jù)接口進(jìn)行訪問。

圖4 公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of public meteorological service products

系統(tǒng)使用通用數(shù)據(jù)接口封裝不同數(shù)據(jù)來源，環(huán)境參數(shù)如投影參數(shù)、圖層順序等使用單例模式完成初始化并使用消息者模式［20］通知圖層等對象，工具庫中各類型工具使用反射機(jī)制進(jìn)行加載，工具對象通過命令模式操作圖層。在系統(tǒng)內(nèi)部業(yè)務(wù)邏輯中，MonaRudo提供矢量圖和位圖兩類圖形管理，不同圖形均可使用不同的渲染策略進(jìn)行繪制。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、文件打開保存操作等。

整個(gè)系統(tǒng)的渲染使用多線程控制技術(shù)［21］，線程池的活躍線程數(shù)取決于CPU的核數(shù)，每個(gè)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。不同于其他平臺(tái)使用的樹形結(jié)構(gòu)，本平臺(tái)使用鏈表結(jié)構(gòu)管理圖層，每個(gè)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畫圖對象的Graphic句柄。各圖層使用策略模式選擇所需的渲染策略，各渲染策略均實(shí)現(xiàn)對簡單對象進(jìn)行屬性控制。

3.2 功能設(shè)計(jì)

圖5展示了MonaRudo軟件界面，分為菜單欄、懸浮工具欄、主體工作區(qū)3大部分。

圖5 MonaRudo軟件界面Fig.5 MonaRudo software interface

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、保存功能，視圖菜單提供懸浮窗口顯隱設(shè)定、子窗口布局設(shè)定等功能，編輯菜單分為地圖、制圖模板、分析模板3類，地圖類提供系統(tǒng)底圖參數(shù)設(shè)定功能；制圖模板類主要由制圖人員添加氣象產(chǎn)品圖圖形要素；分析模板用來設(shè)定服務(wù)產(chǎn)品圖填色方案。

懸浮工具欄包含熱點(diǎn)挖掘、圖層管理、資料檢索和工具庫4部分，熱點(diǎn)挖掘提供服務(wù)熱點(diǎn)事件算法閾值和定時(shí)任務(wù)設(shè)定，是服務(wù)產(chǎn)品制作的切入點(diǎn)，主要內(nèi)容包括熱點(diǎn)分類、熱點(diǎn)內(nèi)容、熱點(diǎn)產(chǎn)品、處理任務(wù)、相關(guān)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖層管理提供增加、刪除、上移、下移、圖層屬性設(shè)置等功能。資料檢索通過預(yù)配置提供文件系統(tǒng)搜索，文件組織方式根據(jù)業(yè)務(wù)人員檢索習(xí)慣確定。工具庫提供通用操作和專業(yè)符號兩大類工具，通用工具包含地圖漫游、縮放、文本標(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。通用工具與專業(yè)符號的工具主要區(qū)別在于專業(yè)符號工具用來在產(chǎn)品中制作一些矢量圖形，用戶更多的直觀體驗(yàn)是使用這些工具即可添加圖形要素，而不需要從系統(tǒng)角度考慮添加的是何種符號。

MonaRudo提供腳本語言MonaScript以支持自動(dòng)化作業(yè)，MonaScript基于xml標(biāo)準(zhǔn)，對出圖不同的設(shè)定即可完成氣象產(chǎn)品的批量制作。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

MonaRudo自2011年11月啟動(dòng)建設(shè)，2012年6月原型系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)試應(yīng)用。試應(yīng)用期間，系統(tǒng)支持了中國天氣網(wǎng)的服務(wù)專題以及每日的“氣象服務(wù)公報(bào)”和“氣象服務(wù)手機(jī)報(bào)”（圖6）兩大業(yè)務(wù)。在高考?xì)庀蠓?wù)、臺(tái)風(fēng)氣象服務(wù)、黃金周氣象服務(wù)中制作了近20種實(shí)況和預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品。

圖6 氣象服務(wù)手機(jī)報(bào)產(chǎn)品Fig.6 Meteorological service products of mobile newspaper

通過MonaRudo制作的產(chǎn)品完全符合網(wǎng)站氣象服務(wù)要求，能夠直接應(yīng)用于網(wǎng)站的相關(guān)專題或服務(wù)頻道。

MonaRudo對于手機(jī)服務(wù)產(chǎn)品的制作效率和產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了兼顧，在手機(jī)氣象服務(wù)中發(fā)揮了重要的支撐作用。

4 小 結(jié)

基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)遵循氣象服務(wù)產(chǎn)品制作的業(yè)務(wù)流程，旨在減輕業(yè)務(wù)人員工作負(fù)擔(dān)，有效保障氣象服務(wù)時(shí)效性，提高氣象服務(wù)水平，滿足現(xiàn)代化氣象業(yè)務(wù)發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）系統(tǒng)集成了采用知識建模工具Onlogy構(gòu)建的天氣事件與氣象數(shù)據(jù)、產(chǎn)品之間的關(guān)系概念化模型，產(chǎn)品制作以基于天氣事件驅(qū)動(dòng)而不是采用時(shí)間或空間的固定指標(biāo)，保證用戶服務(wù)的產(chǎn)品符合天氣事件特征。

2）系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式，各功能模塊相互獨(dú)立。系統(tǒng)通過設(shè)置GDI+組件中Graphics類型對象的Clip屬性實(shí)現(xiàn)地理邊界無損裁剪，集成八叉樹量化算法優(yōu)化圖形體積和質(zhì)量，解決了商用GIS軟件無法實(shí)現(xiàn)的圖像質(zhì)量控制問題。采用基于xml語言的腳本MonaScript實(shí)現(xiàn)服務(wù)產(chǎn)品自動(dòng)化處理和制作，批量制圖的效率優(yōu)于主流商業(yè)GIS軟件。

3）系統(tǒng)整體界面設(shè)計(jì)突出所見即所得的用戶體驗(yàn)，不同于多數(shù)現(xiàn)有業(yè)務(wù)平臺(tái)通過配置窗口設(shè)置最終產(chǎn)品圖形要素屬性，系統(tǒng)提供通用工具和專用工具將內(nèi)部邏輯透明化，用戶始終面對的是最終產(chǎn)品的預(yù)覽而非使用參數(shù)定制后再調(diào)整，在主工作區(qū)即可完成各項(xiàng)操作。

系統(tǒng)提供的產(chǎn)品制作能力，包括制圖效率、圖形質(zhì)量已能夠滿足業(yè)務(wù)要求，但在數(shù)據(jù)處理方面，系統(tǒng)尚不具有大數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)境下的實(shí)時(shí)制作能力。云計(jì)算、基于文件的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)已在高性能生產(chǎn)環(huán)境下得到重要應(yīng)用，通過多源數(shù)據(jù)融合并形式化專家知識、豐富系統(tǒng)知識庫有利于提升災(zāi)害性天氣服務(wù)能力，結(jié)合氣象行業(yè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)、提高氣象熱點(diǎn)事件挖掘算法在大數(shù)據(jù)環(huán)境下的應(yīng)用水平將是下一步研究的主要內(nèi)容，結(jié)合不同的氣象數(shù)據(jù)如雷達(dá)產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖等拓展精細(xì)化服務(wù)水平也是氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)需考慮的重點(diǎn)。

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An Event-based Public Meteorological Service Product System

Zhang Zhentao Zhang Zhengwen Chen Yu Xue Bing
（Public Meteorological Service Center，CMA，Beijing 100081）

The rapid developments of the new media technology and the expansion of dissemination channels have brought higher requirements in timeliness and aesthetic property in the processes of making meteorological service products.The present meteorological working platform mostly relies on the third-party GIS component to complete the analysis of meteorological data and the output of products.Through the analysis on difficulties in making public meteorological service products，a manufacture framework based on weather events is proposed.The framework is oriented towards meteorological knowledge extraction，data analysis，geographical boundaries clipping and graphics quality control and so on.

The key issues of the framework are focused on four procedures，including identified service hotspot，meteorological data analysis，applying product template and product output.The fundamental of service and product determination is to determine service hotspots，so knowledge modeling association between hotspots and products is linked.While meteorological data analysis is the bridge between data and products，the triangle-grid interpolation algorithm and rectangle-grid isoline tracking algorithm are integrated in analyzing observations and numerical forecast results.Applying product templates is based on the control of information area，the clip property of GDI+helps exclude invalid information to ensure using the correct templates，and to highlight the key information of the product.Meanwhile，product output is often faced with a variety of distribution media，so the Octree algorithm is applied to quantize the product color when the file size is limited to a small value，and the products can be used through more media.

C＃language is used in programming the event-based public meteorological service product prototype system，which is called MonaRudo.MonaRudo is a lightweight system which adopts 1：4000000 GIS vector data，including hotspot verifying of meteorological service，interaction tools library，file browsing modules and so on.The interaction tools library，algorithms library and other libraries are all loaded as plugins.MonaRudo focuses on the flexibility of user interaction as well as an integrated scripting language named MonaScript which is provided for unattended products manufacture.

Since 2012，MonaRudo has been used in typhoon meteorological service and“golden week”meteorological service，providing more than 20 kinds of service products.Because of the complete structure and powerful functionality，MonaRudo has brought good service results for Web sites and mobile phones.

newsworthy weather event；public meteorological service products system；expert system

張振濤，張正文，陳宇，等.基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng).應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（2）：249-256.

2013-07-08收到，2013-12-13收到再改稿。

*email：70924129＠qq.com