FY-4A衛星資料在民航氣象信息融合顯示平臺中的應用

朱國棟，安志強，劉曉明，陳福康

（1.民航新疆空中交通管理局空管中心氣象中心，新疆 烏魯木齊 830016；2.民航新疆空中交通管理局氣象服務部，新疆 烏魯木齊 830016）

FY-4A氣象衛星是中國的第二代靜止氣象衛星，其中風云四號A星（FY-4A）于2016年12月11日成功發射，后續逐漸替代我國第一代靜止氣象衛星風云二號系列衛星，該衛星的觀測時間分辨率和空間分辨率大幅超越風云二號系列衛星，能夠實現對中國及周邊區域天氣的連續觀測[1]。目前，FY-4A為了確保觀測的及時性，采取全圓盤和中國區域的組合觀測模式，確保最短獲取5 min間隔的中國及周邊區域的衛星觀測[2]。通過高時空分辨率的衛星觀測，可以獲得對流等天氣的分布和演變，來彌補天氣雷達無法覆蓋區域的天氣監測。

隨著民航機場航班運行數量的增長、航班正常性需求的激增以及通用航空業務的發展[3-4]，考慮現有的FY-4A信息處理應用平臺僅用于顯示衛星云圖，沒有將氣象衛星圖層與民航氣象及空管運行信息融合處理，無法充分發揮FY-4A資料的高時空分辨率的特性，為改善氣象信息應用水平，充分發揮新型探測資料在民航業務運行中的效果，本文嘗試開發設計基于風云四號衛星的信息融合顯示平臺，利用WebGIS技術，將氣象衛星圖層與民航氣象、空管航跡等信息融合顯示[5-7]，提升FY-4A在民航業務運行中的作用。

1 平臺設計

結合FY-4A衛星數據接收系統輸出的原始衛星數據，本平臺開發設計數據收集與解碼模塊，通過投影轉換，繪制中國區域各個通道的衛星云圖，同時收集雷達、閃電定位、空管運行等信息，利用WebGIS技術實現各類信息的融合顯示。具體平臺流程圖如圖1所示。

圖1 平臺業務流程示意圖

針對本平臺涉及的資料收集、數據處理繪圖及前端顯示，平臺采用多種編程語言進行開發，例如資料收集模塊采用python腳本語言，設計開發基于文件系統或ftp的多線程文件比對和下載，實現不同數據源的資料下載和存儲功能。FY-4A的數據解析、投影轉換和繪圖，采用python中成熟的衛星云圖處理庫，進行衛星圓盤圖的數據解析，通過匹配分辨率、區域及通道信息，按照給定的配色方案，將各個通道的數據進行讀取，同時結合WebGIS顯示需要，將圓盤圖進行投影轉換，進而輸出符合WebGIS疊加顯示的png圖片，為后續顯示提供數據支持。由于衛星數據處理耗費計算資源，本平臺通過多任務方式進行云圖的數據處理，確保數據處理效率及時。前端顯示采用C#asp.net進行開發，通過資料收集模塊獲取的各類氣象數據，結合不同數據的顯示特點開發數據顯示接口，為用戶提供高效、友好的交互顯示頁面。

2 功能模塊

結合平臺業務流程設計，本平臺主要包含氣象信息收集、FY-4A衛星資料處理模塊、信息融合顯示模塊及資料監控模塊。通過上述功能模塊實現各類氣象信息收集、處理與顯示管理功能，為用戶提供高效、穩定的數據處理顯示平臺。

2.1 氣象信息收集模塊

通過分析現有業務運行信息和用戶需求，本平臺通過編寫數據收集腳本，利用計劃任務方式，自動收集衛星資料、天氣雷達、閃電定位以及航跡信息，其中衛星資料、天氣雷達、閃電定位等氣象數據資料，通過文件存儲系統及FTP服務，實時比對數據源與本地數據存儲的數據差異，利用多線程傳輸、復制任務進行新增數據的下載和存儲工作。為了提高數據檢索效率，本模塊按照時間信息進行分類存儲和歸檔，為后續產品處理、顯示模塊提供高效的數據收集模塊。

2.2 FY-4A衛星資料處理模塊

本模塊通過實時監控FY-4A衛星資料目錄數據，對未解碼繪圖的數據進行解析，通過文件名獲取分辨率數據，同時結合分辨率設置通道數量，采用預制好的配色方案進行繪圖，繪圖期間將圓盤圖進行投影轉換，實現與WebGIS地圖瓦片的匹配。具體流程如圖2所示。

圖2 FY-4A衛星資料處理模塊流程示意圖

按照上述流程，本模塊將數據解析、投影及繪圖任務進行封裝，用于后續的繪圖任務，具體模塊代碼如下所示：

2.3 信息融合顯示模塊

結合FY-4A衛星資料、天氣雷達、閃電定位以及航跡信息的數據特點，衛星資料、天氣雷達為png圖片，通過定義統一的投影方式和繪圖區域，按照leaflet平臺規則設定圖片圖層進行顯示。閃電定位及航跡信息則采用json方式存儲，通過解析json數據設置成標簽圖層，同時按照各個資料的時間序列標識，實現資料的前后時次翻頁、指定時間動畫演示等功能，具體功能界面如圖3所示。

圖3 信息融合顯示示意圖

2.4 資料監控管理模塊

本平臺涉及的資料種類較多，時間更新頻率差異較大，為了確保平臺數據更新的及時有效，本模塊通過自動監控數據存儲路徑，按照衛星云圖、天氣雷達、閃電定位等數據文件的命名規則，分析數據是否及時收集獲取，判斷數據處理后的產品是否有效，確保WebGIS顯示平臺底層的數據支撐運行正常，如出現數據缺失、產品超時等問題，及時進行告警提示，排查相關故障，避免資料缺失導致的顯示問題。

由于FY-4A衛星原始數據及后處理產品文件數量巨大，每日存儲空間占用可達4TB左右，考慮到現有存儲設備的規模，本模塊自動監控數據目錄存儲實時情況，動態管理各類數據存儲時間，通過設置閾值自動清理超過存儲能力的數據，避免數據無法存儲導致的平臺運行異常情況。

3 結束語

民航機場航班正常性需求的激增以及通航業務的發展，亟需提高氣象與空管的信息融合，進而改善氣象在民航運行中的輔助決策能力。通過空中航空器綜合數據與氣象信息的融合顯示，建立信息綜合顯示系統，不僅提高了復雜危險天氣下的監視能力，還將FY-4A衛星數據通過WebGIS技術，與航路、導航點、管制區域等管制目標信息做到融合顯示，實現管制信息與氣象數據在時間軸的一致性展示，改善現有運行數據孤立分布的窘境，積極提升氣象在空管運行中的作用，確保民航運行的安全與效率。