基于人機(jī)交互的高質(zhì)量EL型風(fēng)自記紙數(shù)字化方法及其在吉林省適用性探究

張一博 余清波 王程程 王艷萍

（吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130062）

1 引言

氣象歷史資料是指通過多種觀測和探測技術(shù)方法獲取到的大氣狀態(tài)及其變化過程的歷史記錄及其衍生記錄。歷史氣象資料記載著過去天氣活動(dòng)和變化的原始探測記錄，對全國氣象專業(yè)和部門的科學(xué)研究、氣象業(yè)務(wù)建設(shè)有著深遠(yuǎn)的影響。數(shù)字化是指通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在目標(biāo)物上提取出模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。紙質(zhì)氣象歷史資料數(shù)字化是指將記載著過去天氣活動(dòng)和變化的原始探測紙質(zhì)記錄轉(zhuǎn)化為可編輯、處理的數(shù)據(jù)文件的過程[1]。此項(xiàng)工作對紙質(zhì)氣象歷史資料的保護(hù)有著十分重要的價(jià)值和意義。同時(shí)還能打破原有記錄載體的局限性，為紙質(zhì)氣象歷史資料在應(yīng)用范圍和效率等方面提供巨大的改變。

自20世紀(jì)60年代開始[2]，在吉林全省范圍內(nèi)逐步開展風(fēng)向風(fēng)速觀測，省內(nèi)采用EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)作為主要觀測儀器，同時(shí)部分站還采用達(dá)因風(fēng)向風(fēng)速觀測儀器，將吉林省近50年的風(fēng)向風(fēng)速以自記紙形式保存下來，并形成了珍貴的紙質(zhì)氣象歷史資料。但由于年代長，保管條件差，已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的紙張變質(zhì)、字跡變淡（模糊）等現(xiàn)象[3]。于21世紀(jì)10年代初，開始對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙進(jìn)行掃描并逐步開展數(shù)字化處理工作。

吉林省氣象檔案館EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙最早觀測時(shí)間從1969年開始，其中大部分自記紙已有不同程度的變質(zhì)、筆跡模糊、紙張過度磨損等情況。數(shù)字化工作旨在將吉林省共52個(gè)風(fēng)自記觀測站1969—2005年共計(jì)64.64萬張EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙進(jìn)行掃描、數(shù)字化和質(zhì)量審核，并最終生成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，并起到對紙質(zhì)氣象檔案保護(hù)的作用。

本文將通過對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)的自記工作原理、自記紙風(fēng)向風(fēng)速提取以及關(guān)鍵難點(diǎn)進(jìn)行對比和論述，為全省52個(gè)EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙數(shù)字化工作的順利進(jìn)行和高質(zhì)量的完成奠定基礎(chǔ)。也將為吉林省乃至全國在長時(shí)間序列分鐘風(fēng)向風(fēng)速的研究、氣候研究、氣象預(yù)報(bào)、開發(fā)利用風(fēng)能資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)、掌握近代極端事件和提升防災(zāi)減災(zāi)能力等方面提供強(qiáng)有力的氣象科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4-8]。

2 EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)

2.1 儀器設(shè)備及工作原理

EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)主要由感應(yīng)器、指示器、記錄器3部分構(gòu)成，此儀器為有線遙測儀器。通常將感應(yīng)器放置在室外距地面不低于10m高處，指示器與記錄器放置在室內(nèi)，用電纜與感應(yīng)器相連接。通常，記錄器由6個(gè)部分組成，分別是風(fēng)向電磁鐵、風(fēng)速電磁鐵、自己鐘、自記筆、筆擋、充放電線路。當(dāng)控制風(fēng)向記錄的繼電器閉合工作時(shí)，與風(fēng)向標(biāo)所在方位的模塊開始工作，控制相應(yīng)的自記筆開始工作，從而將對應(yīng)風(fēng)向記錄下來[9]。

2.2 觀測記錄及整理

EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙風(fēng)向自記部分包含8個(gè)風(fēng)向，分別記錄在4根平行線（風(fēng)向基線）上，自上至下依次排序?yàn)椋篠、N、NE、SW、E、W、SE、NW。由此8個(gè)風(fēng)向兩兩組合形成剩余8個(gè)風(fēng)向：NNE、ENE、ESE、SSE、SSW、WSW、WNW、NNW。這16方位及靜風(fēng)對應(yīng)的符號記錄見表1（風(fēng)速≤0.2m/s為靜風(fēng)）。

表1 風(fēng)向符號與度數(shù)對照

風(fēng)速自記部分通常是按照空氣行程200m電接1次，風(fēng)速記錄筆與之對應(yīng)的跳動(dòng)1次，完成對此時(shí)刻的風(fēng)速記錄。以10min為單位，風(fēng)速記錄筆跳動(dòng)1次，則代表此次記錄的風(fēng)速為0.3m/s；若記錄筆跳動(dòng)2次，則代表此次記錄的風(fēng)速為0.7m/s；若記錄筆跳動(dòng)3次，則代表此次記錄的風(fēng)速為1.0m/s。通常對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)所記錄風(fēng)速的小數(shù)位只取0、3、7。其計(jì)算原理公式為：

式中，V表示此單位時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速；S表示空氣行程；a為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)速記錄筆跳動(dòng)次數(shù)；T為單位時(shí)間。

通常把因儀器問題造成風(fēng)速筆尖跳動(dòng)1次就上升或下降一格，亦或跳動(dòng)3次上升或下降2格這種現(xiàn)象稱之為大跳或邁大步。而處理此類現(xiàn)象的常用方法是根據(jù)風(fēng)速筆尖在10min內(nèi)所跳動(dòng)的實(shí)際次數(shù)計(jì)算此時(shí)刻風(fēng)速，而不去考慮跳過的格數(shù)，這種處理方法通常稱之為“數(shù)跳”。

3 EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)自記紙?zhí)崛?/h2>

3.1 技術(shù)路線

將EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙用專業(yè)設(shè)備掃描成數(shù)字圖像，再利用中國氣象局開發(fā)的EL型電接風(fēng)自記紙數(shù)字化軟件，將已掃描圖像上的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為可編輯處理的數(shù)據(jù)文件，再進(jìn)行人工初次干預(yù)審驗(yàn)。最后將修改結(jié)果與全國地面氣象資料A6文件對比，并依次通過三級檢驗(yàn)（分別為公司級質(zhì)檢、省級質(zhì)檢、國家級質(zhì)檢），從而完成全部自記紙?zhí)崛」ぷ?，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。其技術(shù)路線見圖1。

圖1 EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)自記紙?zhí)崛〖夹g(shù)路線

3.2 自記紙掃描

根據(jù)中國氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司下發(fā)的歷史氣象資料拯救與數(shù)字化技術(shù)規(guī)范中EL型風(fēng)向風(fēng)速自記紙掃描要求，采用24位彩色掃描儀，將自記紙掃描成200dpi以上的圖像文件。在圖像文件處理中，通常計(jì)算機(jī)會(huì)對圖像文件內(nèi)的RGB色彩通道進(jìn)行提取和對比。而自記紙的圖像文件內(nèi)通常會(huì)有大量的藍(lán)色和紅色信息，多數(shù)紅色通道內(nèi)的信息代表紙上的風(fēng)向與風(fēng)速網(wǎng)格，多數(shù)藍(lán)色通道的信息代表紙上風(fēng)向桿、跡線及冗余信息。因此，吉林省在開展掃描工作時(shí)，將自記紙保存成300dpi的圖像文件，以便在提取工作中提升質(zhì)量。

3.3 自記紙風(fēng)向部分提取原理

人機(jī)交互采用人工手動(dòng)修改的方式，將計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別與提取中出現(xiàn)的風(fēng)向桿識別錯(cuò)誤及跡線識別跟蹤錯(cuò)誤加以修正和刪除的方法。在提取工作中會(huì)出現(xiàn)，人工修改較多的風(fēng)向桿和風(fēng)速跡線的情況。一般根據(jù)風(fēng)向桿間最大間距及首根風(fēng)向桿和末根風(fēng)向桿間的長度計(jì)算風(fēng)向桿平均間距，并由軟件等間距繪制新的風(fēng)向桿，用于替換修改區(qū)域內(nèi)的錯(cuò)誤風(fēng)向桿，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)向提取過程。以某一時(shí)刻的風(fēng)向是ENE為例，計(jì)算機(jī)識別出來的代碼為00101000，這就實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)風(fēng)向識別過程。其計(jì)算機(jī)風(fēng)向識別對照原理見表2。

表2 EL型電接風(fēng)風(fēng)向識別規(guī)則對照

在風(fēng)向提取過程中，風(fēng)向的準(zhǔn)確性不僅僅受到風(fēng)向桿的影響，同時(shí)也受到風(fēng)速跡線的影響。當(dāng)某一時(shí)刻出現(xiàn)“邁大步”問題時(shí)，對應(yīng)的風(fēng)向也會(huì)出現(xiàn)提取數(shù)值不準(zhǔn)確的問題，從而影響數(shù)據(jù)數(shù)字化成果質(zhì)量。

圖2為乾安站1989年4月5日的部分自記紙內(nèi)容，在02時(shí)40分—05時(shí)出現(xiàn)跡線異常，在沒有處理的自記紙中03—05時(shí)整點(diǎn)的風(fēng)向自動(dòng)判別為靜風(fēng)且05時(shí)的風(fēng)速是000，而全國地面氣象資料A6文件中所對應(yīng)的風(fēng)向值為缺測，05時(shí)的風(fēng)速是040，與實(shí)際情況出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。在人工將03—05時(shí)的風(fēng)速跡線標(biāo)記為異常并做邁大步處理后，03時(shí)、04時(shí)整點(diǎn)的風(fēng)向風(fēng)速調(diào)整為缺測，且05時(shí)的風(fēng)向風(fēng)速是南風(fēng)040，與A6文件中所記錄的信息相符，從而更好地將數(shù)據(jù)提取出來。

圖2 風(fēng)向數(shù)據(jù)提取對比（以乾安站1989年4月5日記錄為例）

3.4 自記紙風(fēng)速部分提取原理與難點(diǎn)

在風(fēng)速識別提取過程中，也經(jīng)常出現(xiàn)上文中提到的“邁大步”現(xiàn)象。一般以“數(shù)跳”的方式處理這種“邁大步”問題。但對于無法“數(shù)跳”時(shí)，原則上尊重人工整理時(shí)的原始判斷，風(fēng)速參考備注或原人工整理結(jié)果，從而確定對風(fēng)速按比例進(jìn)行折算處理，其計(jì)算公式如下：

式中，ki表示時(shí)刻i下的折算系數(shù)；Ai表示時(shí)刻i下全國地面氣象資料A6文件中的風(fēng)速數(shù)值；Wi表示與Ai對應(yīng)的某一時(shí)刻下計(jì)算機(jī)識別的錯(cuò)誤風(fēng)速數(shù)值；k表示抽取的各個(gè)時(shí)刻計(jì)算出的折算系數(shù)的平均值；Ri表示通過折算系數(shù)計(jì)算得到的該時(shí)刻修正風(fēng)速數(shù)值。

圖3 是扶余站1977年5月1日的部分自記紙內(nèi)容。在未進(jìn)行人工干預(yù)時(shí)，從跡線中所提取的整點(diǎn)風(fēng)速僅15時(shí)和07時(shí)的風(fēng)速與全國地面氣象資料A6文件所記錄的信息在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)，可視為正確數(shù)據(jù)，其余各時(shí)刻的數(shù)據(jù)均為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。在進(jìn)行人工干預(yù)后，共處理14處異常跡線（風(fēng)速跡線中黃色部分）。在采用“數(shù)跳法”處理這14處異常時(shí)可以看到，16—19時(shí)、23時(shí)、02時(shí)、03時(shí)、05時(shí)、09時(shí)、12時(shí)、13時(shí)的整點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過訂正后與全國地面氣象資料A6文件所記錄的信息在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)，可視為正確數(shù)據(jù)，其余各時(shí)刻的數(shù)據(jù)均為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并不能作為合格數(shù)據(jù)使用。在采用“折算系數(shù)法”處理上述異常時(shí)可以看出整體效果最好，所提出的風(fēng)速值與全國地面氣象資料A6文件所記錄的信息相符或在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)。

圖3 風(fēng)速數(shù)據(jù)提取對比（以扶余站1977年5月1日記錄為例）

圖4是乾安站1989年4月1日的部分自記紙內(nèi)容。在未進(jìn)行人工干預(yù)時(shí)，從跡線中所提取的整點(diǎn)風(fēng)速中13時(shí)、18時(shí)、21時(shí)、22時(shí)、00時(shí)、08時(shí)、11時(shí)、12時(shí)的整點(diǎn)風(fēng)速與全國地面氣象資料A6文件比對，判定所記錄的信息為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。在進(jìn)行人工干預(yù)后，共處理14處異常跡線。在采用“數(shù)跳法”處理這14處異常時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，僅00時(shí)的整點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過訂正后與全國地面氣象資料A6文件所記錄的信息在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)，可視為正確數(shù)據(jù)，其余各時(shí)刻的數(shù)據(jù)均為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并不能作為合格數(shù)據(jù)使用。在采用“折算系數(shù)法”處理上述異常時(shí)可以看出整體效果最好，共訂正7處異常數(shù)值，所提取的風(fēng)速值與全國地面氣象資料A6文件所記錄的信息相符或在實(shí)際誤差允許范圍內(nèi)。

圖4 風(fēng)速數(shù)據(jù)提取對比（以乾安站1989年4月1日記錄為例）

經(jīng)過上述對比分析，發(fā)現(xiàn)用折算系數(shù)處理后的數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測記錄上的數(shù)值匹配效果更高，故在吉林省內(nèi)將所有涉及到的邁大步記錄均采用“折算系數(shù)法”進(jìn)行處理。

4 提取成果檢驗(yàn)

EL型電接風(fēng)自記紙數(shù)字化過程是先將分鐘風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行識別提取，再與全國地面氣象資料A6文件中所對應(yīng)的時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。而A6文件中的整點(diǎn)10min風(fēng)向風(fēng)速是通過人工整理，讀取EL型電接風(fēng)自記紙得到的數(shù)據(jù)信息。實(shí)際工作中，所識別出來的風(fēng)向風(fēng)速數(shù)值與A6文件中記錄的數(shù)據(jù)完全一致或在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為軟件中的風(fēng)向風(fēng)速無誤；若二者之間數(shù)據(jù)不一致時(shí)，需加以人工判別，并保留判別依據(jù)，待各級質(zhì)檢人員確認(rèn)通過。

通過上述對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速計(jì)的工作原理及技術(shù)難點(diǎn)對比分析，利用中國氣象局下發(fā)的EL型電接風(fēng)自記紙數(shù)字化軟件對吉林省24個(gè)臺站30.19萬張自記紙進(jìn)行數(shù)據(jù)識別與提取，并完成三級質(zhì)檢工作。各站數(shù)字化提取質(zhì)檢結(jié)果見圖5。

圖5 各站EL型電接風(fēng)自記紙?zhí)崛∪壻|(zhì)檢成果比例

如圖5所示，吉林省24個(gè)站的各站數(shù)據(jù)質(zhì)量均在99.7%以上，能充分證明該數(shù)據(jù)數(shù)字化成果的完整性和準(zhǔn)確性?？蔀檎坝嘘P(guān)科研單位在研究吉林省各地區(qū)風(fēng)向風(fēng)速及相關(guān)氣象研究時(shí)提供更準(zhǔn)確可靠的氣象基數(shù)據(jù)，為吉林省風(fēng)的研究奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

本文主要針對EL型電接風(fēng)向風(fēng)速自記紙的數(shù)字化方法進(jìn)行探究，結(jié)合實(shí)際工作中遇到的問題進(jìn)行技術(shù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。從三級質(zhì)檢反饋的結(jié)果上看：

（1）在提取風(fēng)向信息時(shí)，在注意風(fēng)向桿準(zhǔn)確性的同時(shí)，也要注意該時(shí)次風(fēng)速跡線提取的準(zhǔn)確性，跡線處理的正確與否會(huì)直接影響到風(fēng)向提取的準(zhǔn)確性。

（2）在風(fēng)速跡線提取時(shí)，不僅需要保證跡線追蹤的準(zhǔn)確性，也要將關(guān)鍵難題處理準(zhǔn)確，尋求最好的處理辦法。在吉林省EL型風(fēng)數(shù)字化提取過程中，通過對比分析可以看出，折算系數(shù)法提取出的數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于其他方法，并經(jīng)過反復(fù)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)成果更具有權(quán)威性和可靠性。為省內(nèi)余下28個(gè)站的34萬余張自記紙數(shù)字化提供了寶貴的參考依據(jù)和研究基礎(chǔ)。

（3）隨著氣象自動(dòng)觀測業(yè)務(wù)的廣泛開展，EL型電接風(fēng)向風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)的保存形式也在發(fā)生轉(zhuǎn)變，即從原來的紙質(zhì)資料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮託庀笥^測數(shù)據(jù)形式。為了使紙質(zhì)氣象歷史數(shù)據(jù)能夠更好地與現(xiàn)在的電子氣象觀測數(shù)據(jù)相兼容，今后將陸續(xù)開展其他各類要素的紙質(zhì)資料數(shù)字化工作。