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青海省生態氣象一體化系統研發探究

來源:原創論文網 添加時間:2019-11-12

  摘    要: 針對數據管理不高效、平臺分散化、預警和服務信息傳送效率低等問題,以及農牧業監測服務產品難以快速高效制作發布難題;堅持“平臺上移,服務下延”的原則。集成、研發、優化針對農牧業氣象服務信息、牧草、積雪、干旱等精細化遙感反演模型,構建基于云計算和并行數據處理技術的多源衛星農牧業綜合監測業務支撐平臺和發布平臺,實現數據科學管理、智能檢索以及產品自動生產發布和實時推送,強化預警和評估能力。并與青海省科學技術信息研究所現有的“青海省農牧區科技信息綜合服務平臺”對接,推廣該平臺并進行應用示范。從而提升對農牧業的生產服務和預警能力,可為全省農牧業生產提供科技支撐。全面提升省市縣三級氣象服務能力和科技支撐能力。

  關鍵詞: 生態氣象; 一體化; 業務平臺;

  引言

  在生態氣象服務平臺開發研究方面,歐美國家高度重視生態氣象生產服務和綜合管理的信息化工作,將多源空間信息數據平臺的研究和應用放在優先位置,通過多源空間信息集成平臺建設,解決信息存儲、分析、顯示及決策支持能力。如美國在1987年和1993年先后完成了切薩比克灣(Chesapeake Bay)綜合整治基礎地理信息平臺和網絡平臺的建設,實現了海灣綜合管理和相關信息數據的實時傳輸和發布;澳大利亞建立了珊瑚礁遙感與地理信息數據庫,為大堡礁海洋公園進行科學管理提供數據和平臺[1]。國內,廖克等人在2003年研制了由生態環境動態監測、生態環境數據庫和生態環境決策支持與管理信息系統三部分組成的生態環境動態監測與管理信息系統,實現了數據的生態監測數據多元共享和快速決策能力。馬明國等在2003年基于遙感和GIS技術建立了甘肅中部黃土丘陵重點地區生態環境監測系統,為隴中地區以及甘肅省大規模、高速度的生態環境本底調查及長期持續的生態環境遙感監測進行了試驗和示范[2];和正民等于2006年建立了以Arc GIS為支撐平臺的青藏高原生態地質環境監測系統,采用C/S和B/S混合模式,在空間地理基礎上建立了青藏高原現代冰川雪線、河流湖泊、地質災害、荒漠化、地質構造等多專業、多層面、多功能的生態地質環境遙感監測系統[3]。中國氣象局國家氣象中心利用GIS技術以及工作流的基本思路建立了C/S架構的氣象預報服務產品的后臺加工制作系統[4,5,6,7,8]。

  青海作為青藏高原的重要組成部分,是長江、黃河、瀾滄江的發源地,是我國淡水資源的重要補給地,是高原生物多樣性最集中的地區,同時也是我國乃至東亞地區氣候變化的敏感區和生態演變的脆弱帶,其獨特的地理位置、豐富的自然資源和重要的生態功能在全國生態文明建設中具有特殊而重要的地位和作用。正是基于這一認識,青海省委、省政府提出了“生態立省”戰略和“生態文明先行區”建設規劃,構想了“大美青海”生態文明建設的美好藍圖。生態演變與氣候變化有著十分密切而復雜的相互關系,為此,青海省氣象部門高度重視以氣象為主的生態文明建設服務工作,將生態氣象工作納入重要議事日程,積極尋求氣象為生態文明建設服務的切入點,緊密圍繞青海生態保護與建設、生態防災減災和生態適應氣候變化的需求,大力實施生態保護型人工增雨作業,全面加強生態要素、生態災害和生態安全事件氣象監測評估,深入開展高寒草地植被恢復與重建技術等生態適應氣候變化技術試驗和示范,不斷增強青海生態防災減災和適應氣候變化的能力,取得了較好的社會、經濟和生態效益。

  從2003年開始,青海省氣象部門在全省不同生態功能區建設生態氣象地面監測站網,并陸續開展生態氣象觀測試驗研究和監測評估業務服務工作。多年來,在生態氣象觀測基礎建設、監測評估業務、觀測試驗研究和人才隊伍建設等方面逐漸具備了為生態文明先行區建設提供氣象保障服務的良好基礎條件。但目前仍然存在一系列問題,首先生態氣象服務信息的定量化、科學化水平不足;其次生態氣象服務信息的專題圖、產品內容標準化不夠;再者,針對數據管理方面存在不高效、平臺分散化、預警和服務信息傳送效率低等問題,以及農牧業監測服務產品難以快速高效制作發布難題。急需研發生態氣象一體化平臺,從而提升生態氣象服務能力。
 

青海省生態氣象一體化系統研發探究
 

  1 、總體設計

  秉承“智慧氣象”理念,積極構建“業務上移、服務下沉”扁平化的平臺建設思路,通過業務流程再造,研發智慧性省州縣三級業務平臺,利用先進的SOA架構軟件開發理念,實現數據分析、模型運算、產品自動化制作的全鏈路。系統總體構架方面(如圖1),一個云端部署、全省應用、按需定制的開放式云平臺設計,實現發布資源共享、數據互通互聯、上下聯動一體化業務運行。數據處理采用松耦合和GPU并行計算技術,解決大數據快速讀取、快速顯示和批量并行的計算處理;業務流程基于模型驅動和流程配置的一體化系統技術,實現了覆蓋生態應用全數據鏈路和業務流的自動化產品生產線,實現省州縣服務一張網。充分考慮平臺未來的可擴展性和交互機制,基于微內核與插件的遙感產品集成框架技術,同時制定統一數據源規范準則和外部數據訪問接口。實現平臺集約化、產品自動化、發布多元化、信息高度共享化,以提升氣象業務現代化水平。集成、研發、優化針對生態氣象牧草、積雪、干旱等精細化遙感反演模型,構建基于云計算和并行數據處理技術的多源衛星農牧業綜合監測業務支撐平臺和發布平臺,實現數據科學管理、智能檢索以及產品自動生產發布和實時推送,強化預警和評估能力。并與青海省科學技術信息研究所現有的“青海省農牧區科技信息綜合服務平臺”對接,推廣該平臺并進行應用示范,提升對農牧業生產服務和預警的能力,為全省農牧業生產提供技術支撐。

  圖1 總體設計架構圖
圖1 總體設計架構圖

  1.1、 支撐平臺功能

  支撐平臺是一套運行在服務器端的集業務運行管理、數據庫管理、系統管理為一體的綜合軟件平臺(如圖2)。提供任務配置、任務調度、任務執行過程監控、運行狀態統計、數據管理、產品生成、產品管理、權限/日志/郵件等的管理功能。平臺具有源數據自動采集入庫、遙感數據標準化處理、產品自動生成、業務運行管理、數據分發、業務管理、系統管理等功能。同時應為遙感監測分析平臺提供強大的數據支撐能力。

  (1)多源數據讀取與深加工子系統

  多源數據讀取與深加工子系統主要實現遙感綜合業務服務平臺系統(如圖3)在接收到其他外部系統傳輸來的各種衛星源數據、常規觀測數據或地理信息數據后,對數據進行質量檢驗、格式轉換、衛星數據輻射校正、幾何校正、圖像多日合成以及數據標準化處理等一系列數據加工、處理的流程。這些流程為整個遙感綜合業務服務平臺系統最基礎、最核心的業務流程,在流程的執行過程中,加工的數據內容、數據形態、數據結構都將隨著流程處理活動或節點的改變而發生變化,數據的交互關系也將隨著處理活動的不同而設計為不同的應用模式,同時傳輸的數據內容也將隨著不同產品的加工和監測分析而發生改變。

  (2)常規產品制作子系統

  常規產品制作子系統(如圖4)主要實現根據生成的標準化數據集,調用反演算法模型庫,依據調度約束規則和數據輸入輸出規范,動態實時反演干土層厚度、土壤重量含水率、積雪覆蓋、積雪深度、牧草產量等生態要素信息,結合自定義的專題圖模板和參量色標體系,經過裁剪、標準化輸出,生成各類專題圖。同步利用面向對象快速統計算法,根據邊界信息,快速統計各個行政區域各等級的面積信息,結合產品模板,生成WORD產品信息。發布平臺觸發,通過發布平臺動態發送各類專題信息。同時通過多種優化手段提高對數據存儲、數據檢索、數據加載以及數據瀏覽的效率,實現對多層次、多專題、多尺度、多形態的海量產品進行發布(如圖5)。

  1.2、 產品發布平臺

  生態環境遙感業務產品自動制作發布系統通過接收規則、數據同步/數據抓取等方式采集各專題監測的產品、服務等相關信息資源,經過監測產品數據整合系統加工處理后,提交監測產品內容管理系統供編輯、審核、發布,以用戶為中心,按不同的服務對象,從用戶需求及系統可提供的產品和服務出發,進行具體的流程,最終實現多功能“一站式”服務的門戶網站。

  2、 關鍵技術

  2.1、 基于微內核與插件的遙感產品集成框架技術

  圖2 支撐平臺構造圖
圖2 支撐平臺構造圖

  圖3 多源數據讀取與深加工子系統技術流程
圖3 多源數據讀取與深加工子系統技術流程

  圖4 常規產品制作子系統技術流程
圖4 常規產品制作子系統技術流程

  基于微內核與插件的遙感產品集成框架主要體現在系統內核、基礎框架、專業插件;微內核主要實現系統通用基礎功能,對微內核進行擴展,形成以并發處理、矩陣運算、集成算法為主的計算框架;基礎框架是為系統數據處理、人機交互及可視化提供與業務獨立、功能強大的“特殊插件”;專業插件是業務應用的核心,并可根據需求,在平臺框架內實現“即插即用”、按需裁切,為用戶提供個性鮮明的定制服務,支持快速業務應用的靈活擴展。

  2.2、 面向多計算任務的多節點作業調度技術

  面對高時效要求的生產任務,必須依托高性能的硬件環境,建立生產任務的控制和管理機制,根據數據到達情況、資料處理流程和系統資源狀況等因素采用合理高效的適合作業調度策略,建立多機自動業務調度體系,實現多個計算任務的并行作業。根據不同的計算任務和特點,定制符合業務要求的調度策略是項目研發的難點之一。調度策略的制定需要根據系統多個計算節點的狀態、節點資源利用率、任務計算量、數據相關性、執行時效、計算數據量等因素進行計算資源的動態分配,計算所需數據的動態分割和融合,進而做到動態負載均衡,達到環境的最大利用,并保證調度任務的異常監控和容錯處理能力。

  圖5 產品發布平臺
圖5 產品發布平臺

  4、 結論與討論

  青海省生態氣象監測評估預警一體化平臺目前初步功能已完成,針對性地考慮了各州縣生態氣象服務的個性化需求,有效地提高了基層生態氣象服務的效率和質量。隨著信息化技術的不斷發展,對氣象服務工作的要求也在不斷提高,氣象服務工作仍需要在提高服務主動性、產品制作的規范性、產品發布的及時性等方面得以不斷改進和完善。

  參考文獻

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