大屏可視化技術在氣象領域的應用

徐達 孫超 劉乖乖 郭聰

摘 要 通過Vbi5大屏可視化技術與市面主流基于B/S架構可視化技術的對比研究，將Vbi5應用在氣象綜合業(yè)務中，從綜合觀測、預報預測、到公共服務和信息支撐，生動形象的展示在大屏幕上，利用成熟的業(yè)務系統(tǒng)對氣象大數(shù)據(jù)分析和計算的結(jié)果，顯示了氣象資料從采集、傳輸、處理、入庫的全流程信息。采用文字、圖表、Web控件、狀態(tài)進度圖的形式展示了數(shù)據(jù)動態(tài)流動，動力環(huán)境，高性能計算機上的模式運行狀況。Vbi5可視化技術不光為管理者提供清晰的決策，更為參觀者形象展示氣象業(yè)務運行的全過程。

關鍵詞 Vbi5；大屏可視化；氣象數(shù)據(jù)

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）235-0133-03

1 信息可視化的現(xiàn)狀

隨著科學技術的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一輪信息技術的崛起和深入應用，對氣象大數(shù)據(jù)的分析和展示都充滿了挑戰(zhàn)。如何從海量數(shù)據(jù)中提取出有用信息，從而更好地將氣象資料和業(yè)務系統(tǒng)串聯(lián)監(jiān)控起來已經(jīng)成為氣象信息中心的一個熱點問題。

數(shù)據(jù)可視化直觀的將離散數(shù)據(jù)通過圖表清晰的傳遞，尤其在氣象數(shù)據(jù)資料監(jiān)控方面，大屏展示已經(jīng)是不可或缺的一部分，最終目標是為用戶清晰直觀的反應天氣實況，快速定位出現(xiàn)告警的氣象業(yè)務系統(tǒng)。這不僅能夠提高值班人員的工作效益，而且間接帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。

數(shù)據(jù)可視化的技術難點不在于對數(shù)據(jù)展示的效果，而在于如何將復雜的氣象業(yè)務邏輯串聯(lián)起來。在一頁頁的畫面中，如何讓人了解數(shù)據(jù)和業(yè)務之間的關聯(lián)，這就需要對大屏整體的顏色、布局、可視化組件的綜合運用。

2 技術架構實現(xiàn)

目前市面上主流BS（Browser/Server）架構實現(xiàn)可視化的優(yōu)勢在于，開發(fā)速度快，維護成本低，共享性強的特點，能夠在短時間內(nèi)利用網(wǎng)上現(xiàn)有的可視化組件倉庫構建出畫面。但是BS架構對于服務器，網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)安全的要求很高。對于大量數(shù)據(jù)輸入，例如繪制全國近6萬個地面區(qū)域自動觀測站站點地圖分布打點信息，將會大大增加瀏覽器與服務器之間的通信，增加數(shù)據(jù)加載和響應時間；同時，網(wǎng)上開源的可視化組件并不能滿足現(xiàn)有的氣象業(yè)務需求。

Vbi5基于CS（Client/Server）架構的可視化框架，提供總控，地圖分析，實時監(jiān)控，匯報演示等模板，通過多元的組件，穩(wěn)定的網(wǎng)絡通信，安全的數(shù)據(jù)存取，快速的系統(tǒng)響應，實現(xiàn)對氣象業(yè)務監(jiān)控和氣象信息業(yè)務全流程可視化的展示。在氣象信息化時代下，新型的數(shù)據(jù)可視化工具需要有一下特性：

1）穩(wěn)定性：能夠7×24小時不間斷工作，在網(wǎng)絡中斷情況下，對于演示參觀場景依然可以不影響畫面的監(jiān)控、切換，保證屏幕上獲取最近一個時次的數(shù)據(jù)。

2）易用性：滿足快速開發(fā)，實現(xiàn)圖形控件拖拽的方式進行畫面構建，滿足大數(shù)據(jù)時代信息多元化的特性。

3）多元數(shù)據(jù)集成支持：除了本地數(shù)據(jù)庫，支持接口采集，網(wǎng)頁嵌入、視屏流的接入多種表現(xiàn)方式。

3 Vbi5大屏可視化技術

傳統(tǒng)可視化技術，除了需要工程師熟悉業(yè)務邏輯外，還需要非常專業(yè)的軟件開發(fā)人員進行后端數(shù)據(jù)處理和前端頁面設計才能實現(xiàn)。相較于命令行式的開發(fā)布局，Vbi5通過圖形界面編程提供了更直觀、友好的開發(fā)環(huán)境，幫助非計算機專業(yè)的工程師搭建屬于自己的可視化應用。

Vbi5支持多種數(shù)據(jù)源的接入，為數(shù)據(jù)信息提供了一個開源的展示平臺。能夠接入的數(shù)據(jù)源通過對關鍵字進行格式轉(zhuǎn)換，邏輯判斷，映射，實現(xiàn)對氣象業(yè)務的實時監(jiān)控的需求。

在編輯器中對數(shù)據(jù)源進行簡單的數(shù)據(jù)配置，或?qū)Σ樵兊腟QL語句進行封裝處理，配合簡單的Python腳本可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)快速增刪改查，最后通過可視化組件對數(shù)據(jù)進行渲染構圖，形成一個專業(yè)的可視化應用場景。

Vbi5新增了應急數(shù)據(jù)模塊，對畫面內(nèi)應用的數(shù)據(jù)模型做了分表存儲，隔離常規(guī)數(shù)據(jù)模型做二次數(shù)據(jù)備用，提高了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

4 天氣、氣候模式可視化

Vbi5提供個性化組件，通過綁定數(shù)據(jù)源的形式，實現(xiàn)前后端交互，通過對數(shù)據(jù)源中字段的配置添加，展示自己個性化的應用。同時對字段值之間的轉(zhuǎn)換，篩選后得到符合業(yè)務邏輯的圖像，系統(tǒng)支持自動檢驗邏輯判別式的合法性，校驗成功后上傳至后臺自動執(zhí)行。

首先對業(yè)務上運行的天氣、氣候模式的日志解析，得到每個模式的運行時次和狀態(tài)，通過Restful接口采集入庫。因為氣象領域中模式運行采用世界時，而在大屏展示需要用北京時，通過SQL語句對采集入庫的數(shù)據(jù)做一個時間上轉(zhuǎn)化，畫面中的可視化組件需要綁定經(jīng)過處理后的新數(shù)據(jù)模型而非原始的Restful接口模型，配置cron表達式修改可視化組件對數(shù)據(jù)的采集時間，點擊更新后，得到我們設計的可視化應用，如圖3所示。

5 基于Vbi5的氣象數(shù)據(jù)大屏可視化

氣象大數(shù)據(jù)可視化主要涉及到對整個氣象業(yè)務的串聯(lián)，通過天、地、空、一體的綜合觀測技術對氣象元數(shù)據(jù)的采集；到基于氣象專業(yè)方程和模式計算的預報預測；將精確的預報結(jié)果和預警信息整合后服務公眾；依托于高性能、云計算、龐大的資源池將各個業(yè)務穿成一體，形成我們現(xiàn)代信息化的氣象產(chǎn)品。

氣象領域中對天氣狀況準確預報是我們首要任務，通過對氣象數(shù)據(jù)的加工處理，繪制出的一幅幅精準的氣溫圖，降水圖和風場圖，可以動態(tài)的傳輸至Vbi5的相關組件進行展示。在后臺通過對數(shù)據(jù)分析判斷后綁定在Vbi5的相關組件上可以達到對全國31省氣象設備的有效監(jiān)控。

如何集成現(xiàn)有的業(yè)務系統(tǒng)和氣象產(chǎn)品在可視化平臺中也是我們攻克的難點。Vbi5通過配置Web插件參數(shù)，充分利用圖形工作站的GPU對檢測場景渲染，減輕了對CPU和內(nèi)存資源的消耗。同時利用大屏的視屏處理器，在大屏上進行開窗操作，即在現(xiàn)有的畫面上疊加電視信號，通過氣象頻道實施反應出當前的氣象熱點信息。

根據(jù)大屏的分辨率，新建畫面，在畫面中添加圖片，文字，表格等，統(tǒng)一畫面風格和屬性，配置相應的可視化組件的數(shù)據(jù)源，通過SQL過濾查詢和Python腳本對數(shù)據(jù)進行處理，保存發(fā)布后實現(xiàn)大屏的可視化，如圖4所示。

6 結(jié)論

要想實現(xiàn)氣象業(yè)務從數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、應用服務的全流程可視化監(jiān)控，需要充分利用氣象大數(shù)據(jù)，依托于國家氣象局已建各類軟硬件應用系統(tǒng)，包括高性能計算機中心、云平臺基礎設施、資源池、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、中國氣象局衛(wèi)星廣播系統(tǒng)、氣象觀測系統(tǒng)、氣象通信系統(tǒng)等?；赩bi5大屏可視化技術，滿足了氣象數(shù)據(jù)從靜態(tài)、平面的展示到動態(tài)、立體渲染的效果，快速高效的反應了氣象資料的傳輸?shù)募皶r性和準確性，為用戶在氣象數(shù)據(jù)共享服務系統(tǒng)和統(tǒng)一數(shù)據(jù)環(huán)境的建設提供運行監(jiān)控和保障，對氣象數(shù)據(jù)業(yè)務及其信息支撐提供可視化分析展示，有針對性的提升數(shù)據(jù)共享服務能力和數(shù)據(jù)環(huán)境支撐能力，保障和推動氣象數(shù)據(jù)共享服務業(yè)務的順利開展。

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