實景天氣采集系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)與業(yè)務(wù)化應(yīng)用

劉輕揚 梁樂寧 陳默 盧大維 李寅鍇 王崢

（中國氣象局華風氣象傳媒集團有限責任公司，北京 100081）

0 引言

近年來，在氣象觀測站部署實景觀測設(shè)備已較為普遍，但多為保障臺站觀測設(shè)備安全的安監(jiān)級應(yīng)用[1-3]。上海市氣象局在全市建設(shè)天氣實景監(jiān)測系統(tǒng)[4]，將采集的天氣實景畫面?zhèn)骰刂蛋嗍襕5-6]，方便預(yù)報員全面了解上海各地區(qū)實時天氣狀況，為實景天氣應(yīng)用提供了全新思路。

1 實景天氣采集系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

在全國范圍內(nèi)建設(shè)基于天氣網(wǎng)眼硬件設(shè)備的實景天氣采集站點；搭建基于WebGIS技術(shù)的PC端及移動端的實景天氣采集服務(wù)平臺；利用基層氣象臺站或鐵塔公司的電力和網(wǎng)絡(luò)滿足設(shè)備運行和實景監(jiān)測視頻的實時回傳；高清攝像頭加掛天氣要素模塊，包括溫度、氣壓、相對濕度和降水量探測模塊，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻畫面疊加顯示。

已建成的實景天氣采集系統(tǒng)可實時調(diào)取、查看和操控各點位攝像畫面，“天氣日歷”和“實景回溯”等功能在系統(tǒng)中展示；通過PC、手機APP、微信等發(fā)布手段實現(xiàn)全終端實景監(jiān)測視頻訪問。實景天氣采集系統(tǒng)采用前后端徹底分離的方式進行開發(fā)，后端提供強大的數(shù)據(jù)接口服務(wù)支撐，前端對實時數(shù)據(jù)解析展示；前端模塊化開發(fā)具備可拓展性、容納性和可維護性。在邏輯架構(gòu)上分為后臺管理子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)和實景天氣APP。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1）后臺管理子系統(tǒng)對用賬戶信息、用戶權(quán)限、模塊控制、視頻直播服務(wù)、圖片服務(wù)和天氣數(shù)據(jù)服務(wù)進行管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲至服務(wù)器，同時對用戶使用信息進行收集，可對用戶訪問模塊權(quán)限進行分配。

2）實景天氣發(fā)布子系統(tǒng)面向應(yīng)用端發(fā)布天氣網(wǎng)眼設(shè)備信息、實景天氣視頻直播流、實景天氣圖片和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，產(chǎn)品服務(wù)主要結(jié)合實時數(shù)據(jù)交換總線，通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的接入、轉(zhuǎn)換及發(fā)布處理。

3）實景天氣采集手機客戶端（即實景天氣APP）通過數(shù)據(jù)接口獲取用戶權(quán)限信息、天氣網(wǎng)眼設(shè)備信息、實景天氣視頻直播流、實景天氣圖片和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息。由統(tǒng)一鑒權(quán)認證、地理信息引擎和實景視頻服務(wù)引擎組成，實現(xiàn)用戶登錄鑒權(quán)，實景天氣視頻直播流和氣象數(shù)據(jù)實時加載，通過GIS地理信息引擎實現(xiàn)產(chǎn)品和氣象要素疊加展示等功能。

2 實景天氣采集系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

2.1 實景天氣采集系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

在氣象臺站、旅游景區(qū)等地安裝實景天氣監(jiān)控高清攝像頭并建設(shè)天氣實景監(jiān)測站點；搭建基于WebGIS技術(shù)的PC端及移動端的實景天氣監(jiān)測服務(wù)平臺；通過網(wǎng)絡(luò)專線或4G卡實現(xiàn)實景監(jiān)測視頻的實時回傳；在各個安裝點部署天氣網(wǎng)眼視頻采集設(shè)備（由網(wǎng)絡(luò)高清球形攝像頭和天氣采集模塊組成），視頻采集設(shè)備將氣象信息疊加到視頻后，通過網(wǎng)絡(luò)將視頻上傳至內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，同時視頻截圖及氣象信息通過FTP服務(wù)上傳至內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，由內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器將視頻轉(zhuǎn)碼（轉(zhuǎn)成低碼率視頻流）并推送到公網(wǎng)服務(wù)器（數(shù)據(jù)傳輸流程：視頻采集設(shè)備→氣象局內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器→公網(wǎng)服務(wù)器）。高清攝像頭加掛天氣要素模塊，包括溫度、氣壓、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和實景監(jiān)測視頻的同時回傳。

建設(shè)實景天氣管理系統(tǒng)，具有人員和設(shè)備管理權(quán)限，可實時調(diào)取、查看和操控各點位攝像畫面，系統(tǒng)部署在公網(wǎng)服務(wù)器，主要負責接收數(shù)據(jù)、整合數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)（視頻采集設(shè)備推送過來的視頻、圖片、氣象數(shù)據(jù)），相關(guān)人員可通過瀏覽器登錄到后臺系統(tǒng)管理頁面，對所有視頻采集設(shè)備進行遠程管理、配置參數(shù)、查看運行狀態(tài)等。實際用戶可通過PC、手機APP、微信等發(fā)布手段實現(xiàn)全終端實景監(jiān)測視頻訪問，也可直接從內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器獲取視頻流。

圖1 實景天氣采集系統(tǒng)總體架構(gòu) Fig. 1 Framework of the real-time weather acquisition system

2.2 客戶端軟件系統(tǒng)核心功能組成

平臺主要包含4個子系統(tǒng)：

1）實景天氣直播流子系統(tǒng)。建立多路網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，實現(xiàn)平臺和服務(wù)器之間圖片、音頻、視頻等數(shù)據(jù)傳輸和交換。實景天氣直播流子系統(tǒng)（圖2）可接收其他設(shè)備推送或主動獲取的直播流（如攝像頭、其他直播源）。獲取到直播流后，進行處理、分發(fā)。

2）實景天氣展示子系統(tǒng)。通過實景天氣展示子系統(tǒng)體現(xiàn)實景天氣、實景觀測、天氣日歷和實景回溯等功能：

? 實景天氣：通過地圖或設(shè)備列表界面，點擊查看天氣網(wǎng)眼所在地實景天氣實時監(jiān)看視頻；

? 實景觀測:顯示過去24 h天氣實況曲線和實景天氣整點時刻圖片比對；

圖2 實景天氣直播流子系統(tǒng)流程設(shè)示意圖 Fig. 2 Diagram of real-time weather live stream subsystem

? 天氣日歷：自動抓取同時間節(jié)點天氣網(wǎng)眼圖片，顯示過去一個月逐日實景天氣圖片，以日歷形式展示；

? 實景回溯：播放過去24 h實景天氣視頻（圖集合成）快播視頻，視頻后臺自動合成。

3）實景天氣后臺信息管理子系統(tǒng)。實景天氣后臺信息管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由5部分構(gòu)成，包括圖片服務(wù)、視頻直播服務(wù)、天氣數(shù)據(jù)服務(wù)、設(shè)備操作服務(wù)、設(shè)備及人員管理服務(wù)：

? 圖片服務(wù)：處理和存儲采集的圖片數(shù)據(jù)，提供圖集展示服務(wù)；

? 視頻直播服務(wù)：接收來自視頻直播服務(wù)器推送過來的直播數(shù)據(jù)流并轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端；

? 天氣數(shù)據(jù)服務(wù)：匯集實景天氣采集站點氣象數(shù)據(jù)，可從國家級或者省級CIMISS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)一服務(wù)接口采集天氣實況數(shù)據(jù)集并存儲于數(shù)據(jù)庫中。將采集過來的天氣實況數(shù)據(jù)，通過https服務(wù)接口的方式分發(fā)到手機、PC等客戶端。將氣象數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)并提供給客戶端；

? 設(shè)備操作服務(wù)：對實景天氣采集攝像頭進行控制操作，也可以進行變倍、聚焦和光圈操作。實現(xiàn)對畫面的亮度、對比度、飽和度、色度和圖像質(zhì)量等功能的控制操作；

? 設(shè)備及人員管理服務(wù)：實現(xiàn)設(shè)置用戶權(quán)限、設(shè)備添加、刪除禁用、人員操作和設(shè)備狀態(tài)等管理功能。

4）數(shù)據(jù)接口服務(wù)子系統(tǒng)。實景天氣采集系統(tǒng)將采集到的天氣實況數(shù)據(jù)、實景天氣視頻流、實景天氣圖片和實景天氣采集點位置信息匯總至數(shù)據(jù)接口服務(wù)子系統(tǒng)。其他業(yè)務(wù)平臺可實時訪問天氣實景視頻和圖片，系統(tǒng)提供標準數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)接口服務(wù)的方式提供給實景天氣服務(wù)產(chǎn)品和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可與PC、APP和微信等服務(wù)終端進行對接，提供多平臺服務(wù)支撐。

2.3 實景天氣采集系統(tǒng)氣象要素傳感器設(shè)備性能要求

實景天氣采集系統(tǒng)氣象要素觀測設(shè)備是固定式一體自動監(jiān)測設(shè)備（圖3）。系統(tǒng)包含氣象傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制處理器和4G無線傳輸?shù)饶K，該系統(tǒng)可進行常規(guī)的氣溫、降水量、濕度、風向和風速等基本氣象要素觀測（表1）。

圖3 實景天氣采集設(shè)備實際安裝效果圖 Fig. 3 Installed real-time weather acquisition system

3 實景天氣采集手機客戶端

3.1 實景天氣軟件設(shè)計

“實景天氣”手機客戶端覆蓋iOS和Android主流移動應(yīng)用平臺，軟件運行軟件環(huán)境為iOS 8.0系統(tǒng)及以上操作系統(tǒng)和Android4.4系統(tǒng)及以上操作系統(tǒng)，編程語言采用C、C++、C#、nodejs、Objective-c和html5進行開發(fā)。

表1 實景天氣設(shè)備性能要求 Table 1 Performance requirements of real-time weather acquisition system

“實景天氣”手機客戶端設(shè)計簡潔明了為主旨，突出實景天氣服務(wù)產(chǎn)品重點。用戶根據(jù)授權(quán)賬號和密碼登錄客戶端。首頁以列表或地圖的形式展示在全國范圍內(nèi)部署的天氣網(wǎng)眼縮略圖列表或位置信息，點擊可查看實景天氣詳情。實景天氣詳情頁提供最新實景縮略圖、天氣實況及核心功能模塊訪問入口。

3.2 實景天氣客戶端軟件功能

1）設(shè)備選擇。提供全國區(qū)域天氣網(wǎng)眼設(shè)備顯示，展示分為列表和地圖兩種，點擊某個設(shè)備，進入設(shè)備詳情頁面。

設(shè)備詳情頁提供實景天氣視頻直播展示，天氣實況可查看氣溫、空氣質(zhì)量、風力、風向和氣壓等氣象要素。下方提供延時攝影、查看圖集、天氣日歷和視頻設(shè)置功能入口。

2）延時視頻。播放過去24 h實景天氣視頻快播視頻，顯示視頻標題和發(fā)布時間，可選擇暫停播放、繼續(xù)播放或全屏展示。

3）圖集展示。圖集展示可展示各個設(shè)備最近截取的16張圖片，圖片采集間隔時間通過后臺管理系統(tǒng)進行設(shè)置。

4）天氣日歷。自動抓取同時間節(jié)點天氣網(wǎng)眼圖片，顯示過去一個月逐日實景天氣圖片，以日歷形式展示，天氣日歷功能支持豎屏和橫屏查看。

5）功能設(shè)置。功能設(shè)置分為視頻區(qū)和控制區(qū)。

4 實景天氣采集系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用

4.1 搭建實景天氣觀測系統(tǒng)保障實時業(yè)務(wù)

高度訂制化天氣網(wǎng)眼實景天氣觀測設(shè)備，全新硬件設(shè)備升級，提供高清實景直播，設(shè)備支持360°全景觀測、可選裝多種氣象要素采集模塊、高清攝像頭實時天氣監(jiān)看、視頻流全終端訪問、信號實時接入氣象影視直播系統(tǒng)、攝像頭自清潔便于設(shè)備維護。

2017年開始，華風創(chuàng)新已在全國部分地區(qū)建設(shè)了實景天氣觀測點，構(gòu)建了一套全天候、智能化、多層次的實景天氣觀測系統(tǒng)，為氣象、媒體、旅游、交通等多行業(yè)提供實景天氣直播和本地氣象數(shù)據(jù)采集功能于一體的整體解決方案。

4.2 打造全新視頻產(chǎn)品加工平臺實現(xiàn)產(chǎn)品自動化生產(chǎn)

目前，實景天氣采集系統(tǒng)已形成全新視頻產(chǎn)品加工平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品自動化生產(chǎn)，負責視頻資源自動合成處理（水印添加、標題條添加等）、快速播放視頻制作設(shè)置、延時視頻自動生成、圖片采集頻次設(shè)置、天氣日歷生成配置、短視頻制作等，可應(yīng)用于氣象圖文類節(jié)目業(yè)務(wù)生產(chǎn)，為融媒體內(nèi)容生產(chǎn)提供基礎(chǔ)支撐。

4.3 創(chuàng)立氣象媒資眾籌新概念支撐全媒體氣象服務(wù)

積極與地方氣象部門、中國鐵塔公司等單位進行溝通，共建實景天氣采集系統(tǒng)。逐步形成了天氣網(wǎng)眼的規(guī)模化部署，為社會化觀測資源的擴展和后續(xù)視頻大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。并積極參與中國氣象局綜合觀測司組織的社會化觀測行動，完成《志愿氣象觀測行動計劃（2018—2020年）》和《社會氣象觀測發(fā)展指導(dǎo)意見》的編制工作。

實景天氣采集系統(tǒng)加工生產(chǎn)的媒資資源可滿足電視媒體、網(wǎng)站和移動新媒體等不同媒體的實際需求，進行產(chǎn)品開發(fā)及設(shè)計制作，實現(xiàn)產(chǎn)品營銷和媒資運營。創(chuàng)立氣象媒資眾籌新概念，為社會化觀測提供有效采集與匯傳渠道，可用于解決氣象災(zāi)害報道素材和氣象信息服務(wù)數(shù)據(jù)支撐不足的難題。

4.4 實景天氣服務(wù)產(chǎn)品接入國家級業(yè)務(wù)平面

實景天氣系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品也主動與中國氣象局實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接：2018年6月，天氣網(wǎng)眼入駐國家信息中心天鏡系統(tǒng)；12月，實景天氣直播視頻流接入中央氣象臺會商室，同時實景天氣圖片與中央氣象臺Micpas系統(tǒng)4.5版本進行對接，為預(yù)報員天氣分析和業(yè)務(wù)服務(wù)提供現(xiàn)場第一手素材，服務(wù)于實時業(yè)務(wù)。