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青海省生态气象一体化系统研发探究

来源:原创论文网 添加时间:2019-11-12

  摘    要: 针对数据管理不高效、平台分散化、预警和服务信息传送效率低等问题,以及农牧业监测服务产品难以快速高效制作发布难题;坚持“平台上移,服务下延”的原则。集成、研发、优化针对农牧业气象服务信息、牧草、积雪、干旱等精细化遥感反演模型,构建基于云计算和并行数据处理技术的多源卫星农牧业综合监测业务支撑平台和发布平台,实现数据科学管理、智能检索以及产品自动生产发布和实时推送,强化预警和评估能力。并与青海省科学技术信息研究所现有的“青海省农牧区科技信息综合服务平台”对接,推广该平台并进行应用示范。从而提升对农牧业的生产服务和预警能力,可为全省农牧业生产提供科技支撑。全面提升省市县三级气象服务能力和科技支撑能力。

  关键词: 生态气象; 一体化; 业务平台;

  引言

  在生态气象服务平台开发研究方面,欧美国家高度重视生态气象生产服务和综合管理的信息化工作,将多源空间信息数据平台的研究和应用放在优先位置,通过多源空间信息集成平台建设,解决信息存储、分析、显示及决策支持能力。如美国在1987年和1993年先后完成了切萨比克湾(Chesapeake Bay)综合整治基础地理信息平台和网络平台的建设,实现了海湾综合管理和相关信息数据的实时传输和发布;澳大利亚建立了珊瑚礁遥感与地理信息数据库,为大堡礁海洋公园进行科学管理提供数据和平台[1]。国内,廖克等人在2003年研制了由生态环境动态监测、生态环境数据库和生态环境决策支持与管理信息系统三部分组成的生态环境动态监测与管理信息系统,实现了数据的生态监测数据多元共享和快速决策能力。马明国等在2003年基于遥感和GIS技术建立了甘肃中部黄土丘陵重点地区生态环境监测系统,为陇中地区以及甘肃省大规模、高速度的生态环境本底调查及长期持续的生态环境遥感监测进行了试验和示范[2];和正民等于2006年建立了以Arc GIS为支撑平台的青藏高原生态地质环境监测系统,采用C/S和B/S混合模式,在空间地理基础上建立了青藏高原现代冰川雪线、河流湖泊、地质灾害、荒漠化、地质构造等多专业、多层面、多功能的生态地质环境遥感监测系统[3]。中国气象局国家气象中心利用GIS技术以及工作流的基本思路建立了C/S架构的气象预报服务产品的后台加工制作系统[4,5,6,7,8]。

  青海作为青藏高原的重要组成部分,是长江、黄河、澜沧江的发源地,是我国淡水资源的重要补给地,是高原生物多样性最集中的地区,同时也是我国乃至东亚地区气候变化的敏感区和生态演变的脆弱带,其独特的地理位置、丰富的自然资源和重要的生态功能在全国生态文明建设中具有特殊而重要的地位和作用。正是基于这一认识,青海省委、省政府提出了“生态立省”战略和“生态文明先行区”建设规划,构想了“大美青海”生态文明建设的美好蓝图。生态演变与气候变化有着十分密切而复杂的相互关系,为此,青海省气象部门高度重视以气象为主的生态文明建设服务工作,将生态气象工作纳入重要议事日程,积极寻求气象为生态文明建设服务的切入点,紧密围绕青海生态保护与建设、生态防灾减灾和生态适应气候变化的需求,大力实施生态保护型人工增雨作业,全面加强生态要素、生态灾害和生态安全事件气象监测评估,深入开展高寒草地植被恢复与重建技术等生态适应气候变化技术试验和示范,不断增强青海生态防灾减灾和适应气候变化的能力,取得了较好的社会、经济和生态效益。

  从2003年开始,青海省气象部门在全省不同生态功能区建设生态气象地面监测站网,并陆续开展生态气象观测试验研究和监测评估业务服务工作。多年来,在生态气象观测基础建设、监测评估业务、观测试验研究和人才队伍建设等方面逐渐具备了为生态文明先行区建设提供气象保障服务的良好基础条件。但目前仍然存在一系列问题,首先生态气象服务信息的定量化、科学化水平不足;其次生态气象服务信息的专题图、产品内容标准化不够;再者,针对数据管理方面存在不高效、平台分散化、预警和服务信息传送效率低等问题,以及农牧业监测服务产品难以快速高效制作发布难题。急需研发生态气象一体化平台,从而提升生态气象服务能力。
 

青海省生态气象一体化系统研发探究
 

  1 、总体设计

  秉承“智慧气象”理念,积极构建“业务上移、服务下沉”扁平化的平台建设思路,通过业务流程再造,研发智慧性省州县三级业务平台,利用先进的SOA架构软件开发理念,实现数据分析、模型运算、产品自动化制作的全链路。系统总体构架方面(如图1),一个云端部署、全省应用、按需定制的开放式云平台设计,实现发布资源共享、数据互通互联、上下联动一体化业务运行。数据处理采用松耦合和GPU并行计算技术,解决大数据快速读取、快速显示和批量并行的计算处理;业务流程基于模型驱动和流程配置的一体化系统技术,实现了覆盖生态应用全数据链路和业务流的自动化产品生产线,实现省州县服务一张网。充分考虑平台未来的可扩展性和交互机制,基于微内核与插件的遥感产品集成框架技术,同时制定统一数据源规范准则和外部数据访问接口。实现平台集约化、产品自动化、发布多元化、信息高度共享化,以提升气象业务现代化水平。集成、研发、优化针对生态气象牧草、积雪、干旱等精细化遥感反演模型,构建基于云计算和并行数据处理技术的多源卫星农牧业综合监测业务支撑平台和发布平台,实现数据科学管理、智能检索以及产品自动生产发布和实时推送,强化预警和评估能力。并与青海省科学技术信息研究所现有的“青海省农牧区科技信息综合服务平台”对接,推广该平台并进行应用示范,提升对农牧业生产服务和预警的能力,为全省农牧业生产提供技术支撑。

  图1 总体设计架构图
图1 总体设计架构图

  1.1、 支撑平台功能

  支撑平台是一套运行在服务器端的集业务运行管理、数据库管理、系统管理为一体的综合软件平台(如图2)。提供任务配置、任务调度、任务执行过程监控、运行状态统计、数据管理、产品生成、产品管理、权限/日志/邮件等的管理功能。平台具有源数据自动采集入库、遥感数据标准化处理、产品自动生成、业务运行管理、数据分发、业务管理、系统管理等功能。同时应为遥感监测分析平台提供强大的数据支撑能力。

  (1)多源数据读取与深加工子系统

  多源数据读取与深加工子系统主要实现遥感综合业务服务平台系统(如图3)在接收到其他外部系统传输来的各种卫星源数据、常规观测数据或地理信息数据后,对数据进行质量检验、格式转换、卫星数据辐射校正、几何校正、图像多日合成以及数据标准化处理等一系列数据加工、处理的流程。这些流程为整个遥感综合业务服务平台系统最基础、最核心的业务流程,在流程的执行过程中,加工的数据内容、数据形态、数据结构都将随着流程处理活动或节点的改变而发生变化,数据的交互关系也将随着处理活动的不同而设计为不同的应用模式,同时传输的数据内容也将随着不同产品的加工和监测分析而发生改变。

  (2)常规产品制作子系统

  常规产品制作子系统(如图4)主要实现根据生成的标准化数据集,调用反演算法模型库,依据调度约束规则和数据输入输出规范,动态实时反演干土层厚度、土壤重量含水率、积雪覆盖、积雪深度、牧草产量等生态要素信息,结合自定义的专题图模板和参量色标体系,经过裁剪、标准化输出,生成各类专题图。同步利用面向对象快速统计算法,根据边界信息,快速统计各个行政区域各等级的面积信息,结合产品模板,生成WORD产品信息。发布平台触发,通过发布平台动态发送各类专题信息。同时通过多种优化手段提高对数据存储、数据检索、数据加载以及数据浏览的效率,实现对多层次、多专题、多尺度、多形态的海量产品进行发布(如图5)。

  1.2、 产品发布平台

  生态环境遥感业务产品自动制作发布系统通过接收规则、数据同步/数据抓取等方式采集各专题监测的产品、服务等相关信息资源,经过监测产品数据整合系统加工处理后,提交监测产品内容管理系统供编辑、审核、发布,以用户为中心,按不同的服务对象,从用户需求及系统可提供的产品和服务出发,进行具体的流程,最终实现多功能“一站式”服务的门户网站。

  2、 关键技术

  2.1、 基于微内核与插件的遥感产品集成框架技术

  图2 支撑平台构造图
图2 支撑平台构造图

  图3 多源数据读取与深加工子系统技术流程
图3 多源数据读取与深加工子系统技术流程

  图4 常规产品制作子系统技术流程
图4 常规产品制作子系统技术流程

  基于微内核与插件的遥感产品集成框架主要体现在系统内核、基础框架、专业插件;微内核主要实现系统通用基础功能,对微内核进行扩展,形成以并发处理、矩阵运算、集成算法为主的计算框架;基础框架是为系统数据处理、人机交互及可视化提供与业务独立、功能强大的“特殊插件”;专业插件是业务应用的核心,并可根据需求,在平台框架内实现“即插即用”、按需裁切,为用户提供个性鲜明的定制服务,支持快速业务应用的灵活扩展。

  2.2、 面向多计算任务的多节点作业调度技术

  面对高时效要求的生产任务,必须依托高性能的硬件环境,建立生产任务的控制和管理机制,根据数据到达情况、资料处理流程和系统资源状况等因素采用合理高效的适合作业调度策略,建立多机自动业务调度体系,实现多个计算任务的并行作业。根据不同的计算任务和特点,定制符合业务要求的调度策略是项目研发的难点之一。调度策略的制定需要根据系统多个计算节点的状态、节点资源利用率、任务计算量、数据相关性、执行时效、计算数据量等因素进行计算资源的动态分配,计算所需数据的动态分割和融合,进而做到动态负载均衡,达到环境的最大利用,并保证调度任务的异常监控和容错处理能力。

  图5 产品发布平台
图5 产品发布平台

  4、 结论与讨论

  青海省生态气象监测评估预警一体化平台目前初步功能已完成,针对性地考虑了各州县生态气象服务的个性化需求,有效地提高了基层生态气象服务的效率和质量。随着信息化技术的不断发展,对气象服务工作的要求也在不断提高,气象服务工作仍需要在提高服务主动性、产品制作的规范性、产品发布的及时性等方面得以不断改进和完善。

  参考文献

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  [3]和正民,王建超,范景辉,等.基于Arc GIS的青藏高原生态地质环境遥感监测系统[J].国土资源遥感,2006,(2):75-78.
  [4]唐卫,吕终亮.基于GIS的气象服务产品后台制作系统[J].计算机工程,2009,35(17):232-234.
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  [8]仇月霞,余志伟.基于AE的气象要素检索与图形化显示模块的设计与实现[J].气象与环境学报,2008,24(6):1-2.

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