CN103167414A - 基于智能手机参与感知的气象信息服务系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能手机参与感知的气象信息服务系统及其实现方法，结合通过用户智能手机获取的感知信息与传统气象资料，采用数据融合算法以满足用户的个性化气象服务，使用户有效融入预报预测预警系统中，成为其动态反馈信息的重要部分，参与观测、资料同化到应用的全过程。本发明包括感知层、数据传输层、数据处理层、应用层，感知层利用人们手持的智能移动终端及其所配备的传感设备来感知环境，收集实时气象数据；数据传输层将感知层采集的数据传输至数据处理层；数据处理层对接收到的数据进行运算融合；应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，接收用户的需求信息并予以反馈。

Description

基于智能手机参与感知的气象信息服务系统及其实现方法

 

技术领域

    本发明属于气象监测技术领域，尤其是涉及一种基于智能手机参与感知的气象预警预报信息服务系统及其实现方法。

 

背景技术

气象预报和人们的生活息息相关，人们总希望能够得知精细而准确的天气变化情况，从而可以更好的安排着装、工作和出行。在气象领域，气象部门可以提供短至临近（1～6小时）、长至10天的中期天气预报以及月季年气候预测，预报的精细程度也不断提高。然而，由于天气系统的混沌本质和预报本身存在的不确定性，继续大幅提高预报准确率已变得越来越困难。另一方面，随着社会经济的快速发展，用户对天气气候预报的要求不断提高，需求日渐呈现出多样化的趋势，这与逐渐趋于上限的天气气候预报预测水平之间的矛盾日益明显。

由于目前手机已成为最普及的计算终端，成为了人们不可或缺的与外界联系和交互的工具。嵌入式技术、传感技术与通信技术的不断融合发展，使手机不再是简单的通信工具，而成为一种集成通信、计算与感知能力的便携式个人智能终端。例如，iPhone4嵌入了亮度传感器、接近传感器、影像传感器、GPS、加速度传感器、声波传感器、磁阻传感器和陀螺仪等八类传感器，并提供Wi-Fi和蓝牙支持。随着智能手机的发展，一种新的感知方式应运而生：参与感知。参与感知通过个人移动设备和Web服务进行数据收集、分析个体或群体行为，系统地探索从医疗卫生到公众文化等人们感兴趣的方面，强调人在感知过程中发挥的作用，其规模随潜在参与者数量的变化而变化。

如果能将上述参与感知理念与传统气象预报数据相融合，将明显有助于解决气象领域中预报准确率不高且无法满足用户多样化需求的问题。

 

发明内容

为了进一步提高天气预报的精细程度，结合目前最新的参与感知模式，本发明公开了一种气象信息服务系统及其实现方法，结合通过用户智能手机获取的感知信息与传统气象资料，采用数据融合算法以满足用户的个性化气象服务，使用户不只是被动地接受气象信息，而是有效融入预报预测预警系统中，成为其动态反馈信息的重要部分，参与观测、资料同化到应用的全过程。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，包括：

感知层、数据传输层、数据处理层、应用层，其中， 

感知层包括智能移动终端和传感设备，传感设备采集气象数据，智能移动终端获取用户地理位置信息和用户输入信息，智能移动终端通过短距离无线通讯手段与传感设备连接以获取传感设备采集到的数据；

数据传输层用于将感知层采集的数据传输至数据处理层；

数据处理层对接收到的数据进行运算融合；

应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，并能接收用户的需求信息并予以反馈。

作为气象信息服务系统的一种优选方案，所述智能移动终端包括智能手机，所述传感设备包括气象传感器。

作为气象信息服务系统的一种优选方案，所述数据传输层的传输方式包括以下方式中的一种或几种：蓝牙无线接入方式、Wi-Fi无线接入方式和移动通信网络。

一种基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，包括如下步骤：

感知层利用人们手持的智能移动终端及其所配备的传感设备来感知环境，收集实时气象数据；数据传输层将感知层采集的数据传输至数据处理层；数据处理层对接收到的数据进行运算融合；应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，接收用户的需求信息并予以反馈。

作为气象信息服务系统的实现方法的一种改进方案，在所有步骤之前还包括如下步骤：数据处理层通过数据传输层向感知层中的智能移动终端发送感知任务。

作为气象信息服务系统的实现方法的一种优选方案，所述感知层的智能移动终端中安装有数据预处理软件，所述数据预处理软件对智能移动终端采集到的数据验证有效性，验证的规则包括极值检查和/或时空缺测检查。

作为气象信息服务系统的实现方法的一种优选方案，所述数据处理层对接收到的数据进行运算融合的过程包括一级融合和二级融合，所述一级融合对感知数据和自动气象站数据进行数据级融合，所述二级融合将一级融合后得到的精细数据运用插值算法，与雷达回波和卫星云图形成栅格资料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1、采用用户参与感知数据与传统气象数据融合，丰富了获取气象数据的信息渠道，使得气象预报更为精确和人性化。基于用户端研究、用户需求的理解及用户信息的反馈，不仅能提高用户对预报的应用水平，提高预报在用户端的效益，更能利用用户的实时信息改进预报结果。

2、采用多种气象资料融合处理技术，显著提高了气象预报数据的精细程度。

3、采用智能手机感知技术，使得每个用户都能参与到气象预报的过程中，利于从中挖掘出用户需求，提供个性化气象服务。

4、采用智能手机携带微型气象传感器采集信息，促进传感器技术及相关工艺的发展。

5、  采用一定的激励机制鼓励用户参与，真正做到气象普及，有助于用户对气象预报有更好的理解，作出相关决策。

 

附图说明

图1为基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的结构框图；

图2为基于智能手机参与感知的气象信息服务系统运行时的网络时序图；

图3为感知数据结构图；

图4为基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的数据流图；

图5为应用层发布气象融合资料的页面示意图；

图6为进行二级融合时观测点和网格点的位置关系图。

 

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，包括感知层、数据传输层、数据处理和应用层。本发明利用传感器技术、通信网络技术和计算机技术，用于对信息进行获取、传输和处理应用，融合构建了现代信息系统的“感官”、“神经”和“头脑”。实现基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，需要部署若干感知设备以及通信设施，同时还需要一个处理能力非常强的服务器来管理用户位置信息、感知数据、传统气象数据，若干移动客户端来接收和发送气象信息。本发明采用高级编程语言C#开发气象参与感知系统，以Oracle 10g作为外部存储数据库，原型系统实现后，既可以获取当前地点的传统气象资料，又可以查询结合了用户参与感知信息的实时融合资料。

具体地说，感知层包括智能移动终端，如智能手机，以及传感设备如气象传感器，应用时由人携带感知设备和传感设备进行气象数据的实时采集。采集参数类型多种多样，例如温湿度、降雨量、风速、气压等常规气象数据。智能移动终端可通过蓝牙、红外、热点共享等短距离无线通讯手段与传感设备无线连接，以获取传感设备采集到的气象数据。

数据传输层包括现有的有线和无线通信网络，涵盖互联网、各类移动基站、有线/无线路由及传输线路，涉及各类型通信协议，如Wi-Fi、蓝牙、红外传输等等。数据传输层利用现代通信技术将感知层与已有互联网相连接，实现气象数据的传输和共享，感知层中的智能移动终端可以由通过移动网络接入互联网，也可由无线网络接入方式与互联网相连。在气象参与感知网络中，由感知主体将手持设备（包括智能移动终端和传感设备）采集到的传感器数据安全可靠地上传到数据处理层，同时利用移动通信、自组织路由等技术进行组网，实现感知层内感知数据的传递。

数据处理层位于气象数据处理中心的服务器上，数据处理层对接收到的数据进行分析加工，包括对原始数据的分析、整理、计算等操作。在气象参与感知网络中，主要实现的是对感知数据有效性的验证、插值、以及与传统气象数据（自动气象站资料、雷达资料、云图资料）的融合等。数据处理层将处理后的数据传输至应用层以提供给用户更细致的服务。

应用层安装在展示终端上，应用层在数据信息已被数据处理层有效处理的基础上，为用户提供多种不同类型的气象服务，对人们的社会活动、决策做出指导，并反馈回感知层，实现对环境的外在控制，而不是像传统的数值天气预报，直接将不具有实践指导意义的数据展现给公众。根据用户需求的不同，还可以实行服务个性化的定制。比如在交通部门，参与感知气象预警预报系统可以为行人提供实时交通天气信息，有助于行人了解当前路况信息，决定是否需要更换路线。

基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，包括如下步骤：

感知层利用人们手持的智能移动终端及其所配备的传感设备来感知环境，收集实时气象数据；数据传输层将感知层采集的数据传输至数据处理层；数据处理层对接收到的数据进行运算融合；应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，接收用户的需求信息并予以反馈。其中的数据流动过程如图4所示。

本例中，系统运作时，用户或专业人员携带智能手机和气象传感器（可测量温度、湿度、风速等气象常规数据）分布在各地，由于上述人员可以在室内室外不受限制地移动，覆盖的区域范围也就更加广泛，感知周围经过区域的气象数据能够提供有效实时的天气信息。每部智能手机有其唯一的物理标识，其自带的传感器能收集到手机通过GPS定位获得的用户地理位置信息，而携带的气象传感器则能采集到所在区域的气象数据。如图3所示，除了携带传感器采集到的常规气象要素数据，用户还可以将自身对所遇天气现象的文字描述、图片以及对数据质量的把握等信息加入到感知数据中。关于气象感知数据的获取形式，大体可分为两种：主动获取和被动获取。主动获取即是普通用户对自身所处地理位置的气象信息的主动上传。智能手机自带的传感器与携带的传感器通过数据传输层将传感器数据自动上传到服务器，并且加上用户对于天气现象的描述、记录。被动获取则是由指定人员（通常是气象专业人员）按照任务需求上传数据，显而易见地，在被动获取时，在所有步骤之前还包括如下步骤：数据处理层通过数据传输层向感知层中的智能移动终端发送感知任务，获得感知任务的智能手机可定时将数据发送至数据处理层中。

用户收集到的感知数据可以通过移动通信网络直接连接互联网并上传至数据处理层，或者通过Wi-Fi等短距离无线通信手段与本地网络连接，再上传至数据处理层。智能手机通常包含多种无线数据通信接口，例如Wi-Fi、GSM、蓝牙、USB等，在设计气象参与感知网络数据传输协议时除了考虑可靠性、带宽、延迟等传统因素，还必须考虑计费、流量、能耗，所以需要在多套通信手段间进行选择、切换，或者并行利用，切换的顺序，应优先利用蓝牙，其次通过Wi-Fi接入互联网，如果前述两种连接方式均不可用，则选择GSM/CDMA/WCDMA等移动通信网络，当然，感知层也可直接通过有线网络与互联网连接。

由于感知数据及传统气象数据具有类型多、数量大的特点，需要对这些海量数据进行处理、融合。对于感知数据、传统气象资料的融合，目的就是提高气象预报的精细化程度和实效性。大量未经训练的用户作为基本感知单元时，感知数据会存在各种质量问题，如不精确、不完整、不一致和不及时等等，因此只有对这些感知数据进行进一步处理，才能使最终回馈给用户的气象服务内容更为精准。本发明对数据的处理主要包括在感知层的预处理步骤和在数据处理层的分级融合步骤。

    首先，在感知层收集到用户个人信息流之后，由智能手机对感知数据进行预处理，初步验证感知数据的有效性。智能手机中优选安装相应的数据预处理软件，该软件首先对智能手机携带传感器采集的气象数据包解析，以特定的的格式进行存储，存储的格式为：时间，位置，气象要素（气象数据的类型，如温度、湿度、风速等），数值，用户评论数据，再按照一定的规则验证其有效性。上述验证规则包括：极值检查和/或时空缺测检查。其中，极值检查是指感知数据不能超过一定的数值范围；时空缺测检查是指检查数据格式中时间、位置信息是否缺损。例如，根据当地历史数据能判断出当地合理的温度范围，将该范围作为极值边界，即可以排除手机所携带的温度传感器传回的错误值。

    在手机将感知数据上传到服务器后，数据处理层开始进行数据分级融合的过程。为了确保数据融合的即时性，服务器可连接或搭建为云计算中心，云计算中心可对运算和存储资源进行动态分配，为数据融合分配虚拟网络资源池、虚拟存储、虚拟网络。由于感知数据的结构在设计时与自动气象站数据基本一致，所以它们的融合限于数据级融合，即一级融合。一级融合过程如下：感知数据以（时间，位置，气象要素，数值）的格式上传至数据中心后，取相近时间、相近地点、相同气象要素的感知数据和自动气象站数据（自动气象站数据也可处理成与感知数据相同的格式），按照权重将两者的数值融合。融合后的数据会比单一的感知数据或自动气象站数据精准。

    雷达回波图提供的数据空间分辨率虽然不高，但从图中不同颜色回波可以识别出降雨强度，雨区范围和未来降雨的移动方向。在沙漠、高原等缺少自动气象站的地区，无法获得雷达回波图，但由卫星云图所提供的资料，往往能够弥补常规探测资料的不足，对提高预报的准确率发挥了重要作用。通过卫星云图图象的形态、结构、亮度和纹理等特征，可以鉴别云的种、属及降水状况，不同颜色也可表示不同温度范围。最后，将一级融合后得到的精细数据运用插值算法，与雷达回波、卫星云图形成栅格资料，即是数据的二级融合。一级融合后的数据与雷达等传统气象资料栅格化采用距离倒数乘方法进行插值。我们在知道有限个点处的气象数据后，通过函数估算出其他位置的近似气象数值，最后形成网格排列数据，网格密度可由当地自动气象站稀疏程度和感知数据多少来设定。计算一个网格结点时，配给的权重是一个分数，所有权重的总和等于1.0。如图6所示，1、2、3、4分别是观测点（观测点数据即为一级融合后的数据和传统气象数据），要计算网格点的数值，计算四个观测点与网格点的距离，并将距离乘以一定的系数作为权重， 1、2、3、4四点的权重和为1.0，以图6为例，由于1点距网格点最近，则1的权重应赋予最大，即越接近。

融合后的数据具有高时空分辨率的特点，这就为气象预报系统提供了及时、有效、稳定且更为精确的资料。

在数据进行有效处理之后，结合地理信息，在应用层上呈现某地的实时气象融合资料。应用层包括用户手持的手机、电脑、平板电脑等具有可视界面且具有一定数据处理能力的智能终端，如图5所示，智能终端通过浏览器打开Web页面便能浏览各地的实时气象融合资料，还能进一步根据用户的需要筛选、定制更精准的气象信息，例如灾害天气临近预报、环境监测数据或其他个性天气服务。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，其特征在于：包括感知层、数据传输层、数据处理层、应用层，其中， 

    感知层包括智能移动终端和传感设备，传感设备采集气象数据，智能移动终端获取用户地理位置信息和用户输入信息，智能移动终端通过短距离无线通讯手段与传感设备连接以获取传感设备采集到的数据；

数据传输层用于将感知层采集的数据传输至数据处理层；

数据处理层对接收到的数据进行运算融合；

应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，并能接收用户的需求信息并予以反馈。

2.根据权利要求1所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，其特征在于：所述智能移动终端包括智能手机，所述传感设备包括气象传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统，其特征在于：所述数据传输层的传输方式包括以下方式中的一种或几种：蓝牙无线接入方式、Wi-Fi无线接入方式和移动通信网络。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

感知层利用人们手持的智能移动终端及其所配备的传感设备来感知环境，收集实时气象数据；数据传输层将感知层采集的数据传输至数据处理层；数据处理层对接收到的数据进行运算融合；应用层通过用户终端发布经过数据处理层运算后的气象融合资料，接收用户的需求信息并予以反馈。

5.根据权利要求4所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，其特征在于：在所有步骤之前还包括如下步骤：数据处理层通过数据传输层向感知层中的智能移动终端发送感知任务。

6.根据权利要求4或5所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，其特征在于：所述感知层的智能移动终端中安装有数据预处理软件，所述数据预处理软件对智能移动终端采集到的数据验证有效性，验证的规则包括极值检查和/或时空缺测检查。

7.根据权利要求4或5所述的基于智能手机参与感知的气象信息服务系统的实现方法，其特征在于：所述数据处理层对接收到的数据进行运算融合的过程包括一级融合和二级融合，所述一级融合对感知数据和自动气象站数据进行数据级融合，所述二级融合将一级融合后得到的精细数据运用插值算法，与雷达回波和卫星云图形成栅格资料。

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