FY-4A衛(wèi)星資料在民航氣象信息融合顯示平臺(tái)中的應(yīng)用

朱國(guó)棟，安志強(qiáng)，劉曉明，陳?？?/p>

（1.民航新疆空中交通管理局空管中心氣象中心，新疆 烏魯木齊 830016；2.民航新疆空中交通管理局氣象服務(wù)部，新疆 烏魯木齊 830016）

FY-4A氣象衛(wèi)星是中國(guó)的第二代靜止氣象衛(wèi)星，其中風(fēng)云四號(hào)A星（FY-4A）于2016年12月11日成功發(fā)射，后續(xù)逐漸替代我國(guó)第一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星，該衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間分辨率和空間分辨率大幅超越風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)中國(guó)及周邊區(qū)域天氣的連續(xù)觀測(cè)[1]。目前，F(xiàn)Y-4A為了確保觀測(cè)的及時(shí)性，采取全圓盤和中國(guó)區(qū)域的組合觀測(cè)模式，確保最短獲取5 min間隔的中國(guó)及周邊區(qū)域的衛(wèi)星觀測(cè)[2]。通過高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星觀測(cè)，可以獲得對(duì)流等天氣的分布和演變，來彌補(bǔ)天氣雷達(dá)無法覆蓋區(qū)域的天氣監(jiān)測(cè)。

隨著民航機(jī)場(chǎng)航班運(yùn)行數(shù)量的增長(zhǎng)、航班正常性需求的激增以及通用航空業(yè)務(wù)的發(fā)展[3-4]，考慮現(xiàn)有的FY-4A信息處理應(yīng)用平臺(tái)僅用于顯示衛(wèi)星云圖，沒有將氣象衛(wèi)星圖層與民航氣象及空管運(yùn)行信息融合處理，無法充分發(fā)揮FY-4A資料的高時(shí)空分辨率的特性，為改善氣象信息應(yīng)用水平，充分發(fā)揮新型探測(cè)資料在民航業(yè)務(wù)運(yùn)行中的效果，本文嘗試開發(fā)設(shè)計(jì)基于風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星的信息融合顯示平臺(tái)，利用WebGIS技術(shù)，將氣象衛(wèi)星圖層與民航氣象、空管航跡等信息融合顯示[5-7]，提升FY-4A在民航業(yè)務(wù)運(yùn)行中的作用。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

結(jié)合FY-4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)輸出的原始衛(wèi)星數(shù)據(jù)，本平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收集與解碼模塊，通過投影轉(zhuǎn)換，繪制中國(guó)區(qū)域各個(gè)通道的衛(wèi)星云圖，同時(shí)收集雷達(dá)、閃電定位、空管運(yùn)行等信息，利用WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類信息的融合顯示。具體平臺(tái)流程圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)業(yè)務(wù)流程示意圖

針對(duì)本平臺(tái)涉及的資料收集、數(shù)據(jù)處理繪圖及前端顯示，平臺(tái)采用多種編程語言進(jìn)行開發(fā)，例如資料收集模塊采用python腳本語言，設(shè)計(jì)開發(fā)基于文件系統(tǒng)或ftp的多線程文件比對(duì)和下載，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源的資料下載和存儲(chǔ)功能。FY-4A的數(shù)據(jù)解析、投影轉(zhuǎn)換和繪圖，采用python中成熟的衛(wèi)星云圖處理庫，進(jìn)行衛(wèi)星圓盤圖的數(shù)據(jù)解析，通過匹配分辨率、區(qū)域及通道信息，按照給定的配色方案，將各個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，同時(shí)結(jié)合WebGIS顯示需要，將圓盤圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，進(jìn)而輸出符合WebGIS疊加顯示的png圖片，為后續(xù)顯示提供數(shù)據(jù)支持。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理耗費(fèi)計(jì)算資源，本平臺(tái)通過多任務(wù)方式進(jìn)行云圖的數(shù)據(jù)處理，確保數(shù)據(jù)處理效率及時(shí)。前端顯示采用C#asp.net進(jìn)行開發(fā)，通過資料收集模塊獲取的各類氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合不同數(shù)據(jù)的顯示特點(diǎn)開發(fā)數(shù)據(jù)顯示接口，為用戶提供高效、友好的交互顯示頁面。

2 功能模塊

結(jié)合平臺(tái)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)，本平臺(tái)主要包含氣象信息收集、FY-4A衛(wèi)星資料處理模塊、信息融合顯示模塊及資料監(jiān)控模塊。通過上述功能模塊實(shí)現(xiàn)各類氣象信息收集、處理與顯示管理功能，為用戶提供高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理顯示平臺(tái)。

2.1 氣象信息收集模塊

通過分析現(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行信息和用戶需求，本平臺(tái)通過編寫數(shù)據(jù)收集腳本，利用計(jì)劃任務(wù)方式，自動(dòng)收集衛(wèi)星資料、天氣雷達(dá)、閃電定位以及航跡信息，其中衛(wèi)星資料、天氣雷達(dá)、閃電定位等氣象數(shù)據(jù)資料，通過文件存儲(chǔ)系統(tǒng)及FTP服務(wù)，實(shí)時(shí)比對(duì)數(shù)據(jù)源與本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)差異，利用多線程傳輸、復(fù)制任務(wù)進(jìn)行新增數(shù)據(jù)的下載和存儲(chǔ)工作。為了提高數(shù)據(jù)檢索效率，本模塊按照時(shí)間信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)和歸檔，為后續(xù)產(chǎn)品處理、顯示模塊提供高效的數(shù)據(jù)收集模塊。

2.2 FY-4A衛(wèi)星資料處理模塊

本模塊通過實(shí)時(shí)監(jiān)控FY-4A衛(wèi)星資料目錄數(shù)據(jù)，對(duì)未解碼繪圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過文件名獲取分辨率數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合分辨率設(shè)置通道數(shù)量，采用預(yù)制好的配色方案進(jìn)行繪圖，繪圖期間將圓盤圖進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與WebGIS地圖瓦片的匹配。具體流程如圖2所示。

圖2 FY-4A衛(wèi)星資料處理模塊流程示意圖

按照上述流程，本模塊將數(shù)據(jù)解析、投影及繪圖任務(wù)進(jìn)行封裝，用于后續(xù)的繪圖任務(wù)，具體模塊代碼如下所示：

2.3 信息融合顯示模塊

結(jié)合FY-4A衛(wèi)星資料、天氣雷達(dá)、閃電定位以及航跡信息的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，衛(wèi)星資料、天氣雷達(dá)為png圖片，通過定義統(tǒng)一的投影方式和繪圖區(qū)域，按照leaflet平臺(tái)規(guī)則設(shè)定圖片圖層進(jìn)行顯示。閃電定位及航跡信息則采用json方式存儲(chǔ)，通過解析json數(shù)據(jù)設(shè)置成標(biāo)簽圖層，同時(shí)按照各個(gè)資料的時(shí)間序列標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)資料的前后時(shí)次翻頁、指定時(shí)間動(dòng)畫演示等功能，具體功能界面如圖3所示。

圖3 信息融合顯示示意圖

2.4 資料監(jiān)控管理模塊

本平臺(tái)涉及的資料種類較多，時(shí)間更新頻率差異較大，為了確保平臺(tái)數(shù)據(jù)更新的及時(shí)有效，本模塊通過自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，按照衛(wèi)星云圖、天氣雷達(dá)、閃電定位等數(shù)據(jù)文件的命名規(guī)則，分析數(shù)據(jù)是否及時(shí)收集獲取，判斷數(shù)據(jù)處理后的產(chǎn)品是否有效，確保WebGIS顯示平臺(tái)底層的數(shù)據(jù)支撐運(yùn)行正常，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、產(chǎn)品超時(shí)等問題，及時(shí)進(jìn)行告警提示，排查相關(guān)故障，避免資料缺失導(dǎo)致的顯示問題。

由于FY-4A衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)及后處理產(chǎn)品文件數(shù)量巨大，每日存儲(chǔ)空間占用可達(dá)4TB左右，考慮到現(xiàn)有存儲(chǔ)設(shè)備的規(guī)模，本模塊自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)目錄存儲(chǔ)實(shí)時(shí)情況，動(dòng)態(tài)管理各類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，通過設(shè)置閾值自動(dòng)清理超過存儲(chǔ)能力的數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)無法存儲(chǔ)導(dǎo)致的平臺(tái)運(yùn)行異常情況。

3 結(jié)束語

民航機(jī)場(chǎng)航班正常性需求的激增以及通航業(yè)務(wù)的發(fā)展，亟需提高氣象與空管的信息融合，進(jìn)而改善氣象在民航運(yùn)行中的輔助決策能力。通過空中航空器綜合數(shù)據(jù)與氣象信息的融合顯示，建立信息綜合顯示系統(tǒng)，不僅提高了復(fù)雜危險(xiǎn)天氣下的監(jiān)視能力，還將FY-4A衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過WebGIS技術(shù)，與航路、導(dǎo)航點(diǎn)、管制區(qū)域等管制目標(biāo)信息做到融合顯示，實(shí)現(xiàn)管制信息與氣象數(shù)據(jù)在時(shí)間軸的一致性展示，改善現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)孤立分布的窘境，積極提升氣象在空管運(yùn)行中的作用，確保民航運(yùn)行的安全與效率。