公共气象服务产品制作系统

张正文，张振涛

(中国气象局公共气象服务中心服务系统开放实验室，北京 100080)

0 引言

气象产品图作为公共气象服务的一个重要手段，具有简明直观等特点，制作形式美观、内容丰富、信息准确的气象产品图已成为公共气象服务业务人员重要职责之一［1-2］。气象产品图的发布方式主要有门户网站、移动互联网、专题决策材料几种。近年来，由于移动设备、新媒体技术的不断进步，打造适宜的业务平台帮助业务人员制作时效性强、符合媒介要求的气象产品图已成为气象服务系统开发人员迫切问题。目前，国内的气象业务人员主要使用 MESIS［1］、IDV［3］、GWASS等软件实现产品图的制作，IDV 由美国UCAR组织下属机构Unidata程序中心研发，IDV基于Java技术，软件本身集成Barne等插值算法，可在三维视角下绘制等值面等值线等产品图。值得一提的是，Unidata围绕IDV开发了一系列的产品，包括用于气象数据管理的LDM等。MESIS由中国气象局气象中心研发，早期版本基于ArcGIS平台，近期版本基于SuperMap，MESIS主要用于决策材料的制作，控件功能例如图例的制作等基于ArcGIS API，界面风格也与ArcGIS保持一致，对于熟悉GIS的业务人员较易掌握。GWASS由中国气象局公共气象服务中心研发，具有三维和二维2种视角，GWASS主要功能在于气象数据的分析处理与展示。某些基于GIS的气象产品后台制作系统将主要功能集中于后台自动化运行，前台供用户设定产品参数及管理计划任务［4-6］。综合国内外气象产品制作软件来看，主要有以下不足:

(1)海量数据处理功能不足，大多数软件基于文件系统，国外有NetCDF［7］格式，国内主要使用Micaps数据格式;

(2)气象数据分析算法难以定制，有些软件集成了一些较为常用的插值算法，但在实际使用过程中较难扩展;

(3)产品图形质量难以保证，业务人员往往需要在成图以后再使用PhotoShop等位图处理工具进行美化;

(4)安装操作依赖第三方软件，有些需要商业授权，不能实现所见即所得的用户体验。

基于以上原因，公共气象服务产品制作系统(开发代号:MonaRudo)基于.NET平台，综合运用多种处理算法(三角网格等值线追踪等)处理气象数据，提供文本编辑、气象专业符号绘制等工具实现所见即所得的气象产品编辑平台，力图为业务人员提供一款集数据获取、处理、展现、成图、保存多个功能为一体的业务平台。

1 系统总体设计

1.1 建设目标

公共气象服务产品制作系统是一款气象产品图制作软件，系统所提供功能囊括完整的气象产品图制作流程，在图形质量上以满足气象服务业务人员需求为标准，该平台为用户提供统一的气象数据处理接口并综合管理矢量图和位图，系统用户使用该平台不仅可处理常见的Micaps［8］类型数据，还可以在成图过程中使用PhotoShop风格工具对位图进行操作，从用户角度，系统内在逻辑完全透明，用户在使用过程中不需要了解GIS知识概念或使用Micaps等第三方软件进行预处理即可制作气象产品图。业务目标为公共气象服务手机报产品图、中国天气网等专题图产品制作，系统适用范围为气象服务人员和科研人员。

1.2 系统架构

公共气象服务产品制作系统MonaRudo基于C#语言体系，在地理数据处理上不依赖 ArcGIS［9］、SuperMap等第三方组件，系统采用轻量级实现理念，MonaRudo采用1:400万的地图矢量数据，包含气象服务热点挖掘、工具库、文件浏览等模块，系统集成的工具库、算法库等均使用插件管理机制载入，MonaR-udo在保证交互灵活性的同时还提供模板定制脚本自动化出图。

图1描述了MonaRudo软件整体架构，数据层使用IDataProvider封装不同数据来源，使得上层功能均能使用统一的结构化数据，在系统内部业务逻辑中，由于业务人员制图的需要，MonaRudo提供2类图形的管理，即向量图和位图。不同图形均可使用不同的渲染策略进行绘制，有效保证绘制图形的风格可扩展性。表现层提供了用户功能入口，包括用户行为交互、工具选择、文件打开保存操作按钮等。

图1 公共气象服务产品制作系统架构

2 关键技术及解决方案

2.1 气象服务热点挖掘技术

气象服务热点可以定义为对气象服务具备典型提示性和服务价值的天气事件、天气过程或新闻点。气象服务热点挖掘核心基于本体思想，利用本体对服务热点对象进行分析，找出气象服务热点挖掘领域概念之间的联系，进而创建服务热点模型并进行推理应用。挖掘技术以气象实况资料、预报资料、历史资料、灾情资料等为基础，结合服务中涉及的各类气象指标，形成热点数据信息，并进行提示。

气象服务热点挖掘是系统中服务产品制作的主要入口点，其主要内容包括热点分类、热点内容、热点产品、处理任务、相关数据和存储结构。热点挖掘技术的应用，实现了从大量气象数据中快速分析服务重点，简化了服务人员的工作流程，有效提高了工作效率。

图2 气象热点形成过程

图2描述了MonaRudo使用资料库和指标库结合热点算法发现气象服务热点的技术路线，根据气象服务业务流程，MonaRudo共梳理21类典型的气象概念，并明确了各气象概念使用的气象资料来源及算法。MonaRudo基于事件驱动的制作流程可以帮助气象业务人员在典型天气事件发生时迅速制作相关产品。

2.2 图形质量控制

手机报具有体积限制，一份公共气象服务手机报通常包含4～5张气象产品图，因此每张图体积应尽量小于15k，本平台在成图过程中首先控制像素位深及颜色数，然后采用基于八叉树结构的色彩量化算法进行压缩优化消除噪点。该色彩量化算法考虑在2个像素颗粒之间填充与这2个像素颜色相近的过渡颜色，提供更多可视颜色空间。

不同的媒介设备所表示的色彩数目是有限的，利用设备能力可允许的K种颜色，尽可能地再现真实感的图形效果，是图像量化的目的所在，采用八叉树结构表示色彩空间、用以实现色彩优化选择的方法，简称八叉树量化［10］。图3显示了针对气象产品图使用八叉树量化前后效果对比，从图3可以看出，八叉树量化算法有效消除了气象产品图中噪点及颜色缺失等情况。

图3 图像量化算法效果对比图

2.3 插件管理机制及渲染策略

MonaRudo使用传统的MVC软件架构，数据提供者IDataProvider用来抽象系统使用的数据输入，系统运行时的环境参数使用单例模式［11］完成初始化，并使用消息者模式通知图层等对象，系统工具库使用反射机制进行加载，工具对象通过命令模式操作图层。

整个系统的渲染均使用多线程控制，线程池的活跃线程数取决于CPU的核数，每个线程对应控制屏幕一部分区域，对于影像地图，此线程负责该区域内所有金字塔瓦片图下载渲染。

不同于其它多数平台使用的树形结构，本平台使用链表结构管理图层，每个图层均对应一块相应的内存区域，此内存区域即构成Windows画图对象Graphic的句柄。各图层使用策略模式［11］选择所需的渲染方式，各渲染策略均包含简单的对象进行属性控制。

2.4 等值线分析算法

目前气象业务中常用的数据根据其结构特点可以分为离散点数据(站点数据)和网格点数据2种。MonaRudo分别采用三角网格分析算法和改进的等值线追踪算法进行等值线分析。

三角网格分析算法用于离散点数据分析，整合了泰森多边形生成算法，Delaunay三角网生成算法以及不规则三角网等值线追踪算法，可以快速通过数据分析得到等值线信息，同时，针对气象上气温、降水等数据连续性的特点对算法进行了调整。改进的等值线追踪算法是在传统的网格点等值线追踪算法的基础上，对网格内等值线走向问题进行了优化，引入网格中心点确定等值线追踪时多个连接点的优先级。三角网绘制等值线算法具有高精度、高效率和易于处理的性线等特点［12］。

MonaRudo根据气象产品制作特点，在2种原有算法的基础上，进一步完成了每一条等值线的自闭合、确定闭合区域内外值关系并采用三次样条插值算法对等值线进行平滑处理。经过算法完善，保证多条等值线的闭合区以合理的的层次叠放，以正确的颜色填充。文献［13］描述了等值线追踪算法的步骤及实现流程。

3 系统界面

图4展示了MonaRudo软件界面，分为菜单栏、悬浮工具栏、主体工作区三大部分。

图4 MonaRudo软件界面图

菜单栏包括文件工具栏、视图和编辑菜单，文件工具栏提供文件打开、保存操作，视图菜单提供悬浮窗口显隐设定，各子窗口布局设定等操作，编辑菜单分为地图、制图模板、数据、分析模板4大类，地图类提供系统使用底图参数设定，例如投影参数、定位等。制图模板类主要由制图人员添加气象产品图图形要素，包括插入图例、标题、页脚等。分析模板用来设定气象产品图填色方案，目前系统集成的主要有1小时降水模板、24小时降水模板、气温模板、风速模板等

左侧窗口包含热点挖掘、图层管理、资料检索和工具库4部分，热点挖掘提供服务热点事件算法阈值和定时任务设定，图层管理提供增加、删除、上移、下移、图层属性设置等功能，资料检索提供文件系统搜索，用户通过预配置可快速检索实况和预报数据。资料检索列表主要针对气象数据进行分类供用户快速查询，列表中数据类型组织方式根据业务人员检索习惯确定，图5为MonaRudo中资料检索窗口。

图5 资料检索结构

如图6所示，工具库提供通用操作和专业符号2大类工具，通用工具包含地图漫游、缩放、文字标注等基本操作工具，专业符号工具为用户提供气象符号的绘制，包括霜冻线、静止锋等。

图6 工具库分类

用户在主体工作区的所有操作均保证流畅柔和的所见即所得用户体验，比如文字标注与PhotoShop使用方式完全一致，而不是采用ArcGIS、SuperMap等弹框输入文字。主体功能区各要素均可进行独立设置、拖曳等操作。

4 结束语

公共气象服务产品制作系统MonaRudo旨在为气象服务人员提供专业的气象产品制作工具，进一步拓展气象产品图在新媒介设备上的表现水平。相比较其它气象业务系统，MonaRudo具有以下特点:

(1)注重气象产品绘制过程的简便快捷，气象业务人员不需要掌握其它领域如GIS、计算机图形学等方面的知识也能快速使用并完成工作。

(2)MonaRudo在绘图设备、图形算法上为用户提供更多选择，保证图形质量符合设备要求。

(3)集成多种气象要素的插值算法，使用插件机制提供可扩展性。

MonaRudo已在公共气象服务手机报、公共气象服务专报中得到应用，目前在气象行业中使用云计算平台进行数据分析已成为工程趋势［14］，在未来的工作中，笔者将更加注重气象热点事件中的海量数据处理能力以试图打造Internet衍生应用，为业务人员提供更加强大的实时制作能力。

［1］吕终亮，罗兵，吴焕萍，等.MESIS信息检索及可视化产品制作平台实现［J］.应用气象学报，2012，23(5):631-637.

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