CN113268535A - 一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法，包括：数据选择模块，用于收集数据并且对数据格式化处理及计算得到结果，选择出符合预期的数据；数据提取抽析模块，用于对数据抽析出特定时空范围与精度的程序能够识别的数据；数据格式转换模块，用于对抽析出的数据进行处理；数据服务模块，用于搭建微服务获取实时数据并且建立用户口令权限体系，并进行对系统的访问保护；所述数据选择模块与所述数据提取抽析模块、所述数据格式转换模块、所述数据服务模块依次连接。本发明为开发海洋观测预报应用的用户提供便捷、高效的数据获取API，用户可根据需要传递参数调用API获取特定时空、要素的海洋预报数据。

Description

一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法
技术领域
本发明涉及数据信息处理领域，尤其涉及一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法。
背景技术
当前海洋预报数据析取主要应用包括以下几个方面：
(1)海洋气象网站的预报发布与可视化展示。
(2)海洋气象相关研究学者对历史数据的研究分析。
目前针对海洋预报数据析取的技术主要是将海洋预报数据文件中存储的数据，解析存储到空间数据库或其他类型数据库中，用户使用时再从数据库查询，并将数据重新封装成指定形式返回。
在海洋观测预报过程中，会用到大量的观测数据，发现在观测数据的存储、使用及展示时，存在一下几个问题：
(1)每天会产生大量的海洋观测数据，用户在开发预报系统时需要海量存储空间来存储这些数据，对资源是一种极大的浪费。
(2)海洋观测数据的发布机构较多，且各个机构发布的数据格式不一。用户在使用时需要针对不同格式的数据使用不同的插件来进行解析，增加了预报前准备工作的复杂性。
(3)海洋观测预报需将解析后的数据在地图上进行可视化展示，但往往解析后的数据还需进行一系列处理才能适用于地图展示，且展示的效率较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于便捷高效的数据获取，还可以在输出方面更好的满足不同应用场景的需求。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统，包括：
数据选择模块：用于对参数进行格式化处理，选择出符合预期的数据；
数据提取抽析模块：用于对符合预期的数据进行抽析处理；
数据格式转换模块：用于将抽析处理后的数据转换成格式文件；
数据服务模块：用于搭建微服务平台并将所述数据选择模块、所述数据提取抽析模块、所述数据格式转换模块的调用封装成API，调用所述API获取实时数据；
所述数据选择模块与所述数据提取抽析模块、所述数据格式转换模块、所述数据服务模块依次连接。
优选地，所述参数包括解析数据类型、经纬度、数据精度、数据时间、返回数据格式。
优选地，所述数据提取抽析模块包括：时间抽取单元、空间与精度抽取单元和要素抽取单元，
所述时间抽取单元用于将用户所传递的预报时间与预报时效转换为多维数据所对应的时间维度，获得所述时间维度的数据，
所述空间与精度抽取单元用于基于用户传递的经纬度与精度参数对数据抽析，从而得到特定空间范围与精度的数据，
所述要素抽取单元基于要素名称，在包含多个要素的综合数据中选取特定要素。
优选地，所述数据格式转换模块包括：GeoJSON格式转换单元和png格式转换单元，所述GeoJSON格式转换单元基于JSON库将抽析后的数据的格式转换为GeoJSON格式，所述png格式转换单元基于numpy、PIL库将抽析后的数据的格式转换为png格式。
优选地，所述数据格式转换模块中数据处理的方式具体为：若转换的格式为所述GeoJSON格式，则将数据保留小数位数，使用JSON库生成JSON格式文件，并返回对应文件路径、文件名称；若转换格式为所述png格式，则根据不同要素名称进行处理，保留不同小数位数进行不同倍数的放大拆分，生成png文件。
优选地，若生成的文件为png格式文件，则将所述png格式文件对应的数据转换为Base64加密字符串；若所述生成的文件为GeoJSON格式文件，则将所述GeoJSON格式文件对应的数据转换为普通字符串。
一种对海洋预报数据进行高效时空析取方法，包括以下步骤：
S1、对参数进行格式化处理获取符合预期的数据；
S2、将所述符合预期的数据进行抽析处理获取能够识别的数据；
S3、对抽析处理后的数据进行预处理，获取转换后的格式文件，返回给客户；
S4、搭建微服务平台，所述客户基于所述微服务平台调用封装完成的API，获取实时数据，并且建立用户口令权限体系，通过口令对API的访问进行安全保护。
优选地，所述S2中的抽析处理过程为：使用抽析命令进行要素、时空、精度的抽析，对无法使用命令的直接抽析的，使用算法获取数据的要素列表、时间范围、经纬度范围与精度信息，并与用户所传相应的参数对比抽析。
优选地，所述S3中的预处理方法为：将抽析出的数据进行不同小数位数、缺失值的处理。
本发明的有益效果为：
(1)本发明系统直接对原始grib1、grib2、NetCDF格式数据文件读取操作，无需解析存储到数据库中，节省大量数据存储空间。
(2)本发明系统使用特定规则的png格式将气象数据发送给用户，大幅降低发送数据量，节省大量网络传输带宽，减小系统响应时间。
(3)本发明方法为开发海洋观测预报应用的用户提供便捷、高效的数据获取API，用户可根据需要传递参数调用API获取特定时空、要素的海洋预报数据，降低用户对于海洋预报数据的使用、研发成本。
(4)本发明方法在数据输出方面，本发明提供GeoJSON、png两种输出格式，可以满足用户不同应用场景的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明系统操作流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法，包括：
数据选择模块，利用对预报时间、预报时效等参数格式化处理及计算所得到的结果，选择最符合预期的数据；
数据提取抽析模块，使用wgrib2、cdo等命令行工具将grib1、grib2、NetCDF格式的数据抽析出特定时空范围与精度的程序可识别的数据；
数据格式转换模块，利用一种算法对抽析出的数据针对不同小数位数、缺失值进行处理，转换成GeoJSON格式或png格式；
数据服务模块，本系统发布为Web Service，同时提供相应的API，用户通过申请使用口令进行调用获取数据。
作为本发明的进一步改进，所述的数据提取抽析模块，包括时间抽取单元、空间与精度抽取单元和要素抽取单元；所述时间抽取单元用于将用户所传递的预报时间与预报时效等参数转换为多维数据所对应的某一时间维度，从而得到某一时刻的数据；所述空间与精度抽取单元通过wgrib2、cdo、nco这三种命令行工具，根据用户所传递的经纬度与精度参数对数据抽析，从而得到特定空间范围与精度的数据；所述要素抽取单元使用要素名称在包含多个要素的综合数据中选取特定要素的数据。
作为本发明的进一步改进，所述的数据格式转换模块，包括GeoJSON格式转换单元与png格式转换单元；GeoJSON格式转换单元通过JSON库与相关算法，将抽析后的数据转换为GeoJSON格式数据；png格式转换单元通过numpy、PIL库以及相关算法，将抽析后的数据转换为png格式。
本发明的一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统，主要包括以下四部分：
数据选择模块。使用Java语言编写一个方法，通过参数接收预报时间、文件编号。使用文件编号在xml文件中遍历寻找该类型文件对应的预报时间范围、起报时间、预报时效、预报时间间隔、数据路径、文件后缀。将接收的预报时间转化为世界标准时间或北京时间，从预报时间范围结束日期开始，循环递减预报时间间隔与接收的预报时间对比。若二者一致，则通过预报时效选择最近的起报日期，起报日期与文件后缀组成所选择的数据文件名称，数据路径与数据文件名称最终组成返回值，完成数据选择。
数据提取抽析模块。使用Python语言针对不同格式数据文件编写不同的函数进行处理，同时使用不同的命令行工具和库函数辅助处理：grib1格式文件使用cdo命令行工具，grib2格式文件使用wgrib2命令行工具，NetCDF格式文件使用nco命令行工具与NetCDF库。函数通过参数接收数据路径、数据文件名称、预报时间、数据发布时间、要素名称、垂向层、经纬度范围，通过将预报时间与数据文件发布时间相减再除以预报间隔，得到所需数据的时间层次，以此抽取某一时刻的数据；使用命令行工具获取数据文件的要素信息，通过要素名称、垂向层精确查找该要素在要素信息中的编号或变量名称，使用要素编号或变量名称将该要素的数据从多要素数据中抽离出单要素数据文件，存入系统缓存中；针对不同文件格式、不同要素的数据，自适应使用适合的空间精度抽析命令抽取指定经纬度范围的数据文件，部分无法使用命令直接抽析的，通过提取文件中的经纬度数据与精度数据，循环判断抽取指定经纬度范围的数据。
数据格式转换模块。使用Python编写对应的格式转换函数，通过参数接收解析出的数据数组、经纬度数组、要素名称和转换格式名称。若转换格式为GeoJSON，则将数组中的数据保留合适的小数位数，按照标准GeoJSON格式循环拼接数据使用JSON库生成JSON格式文件，并返回对应文件路径、文件名称；若转换格式为png，则根据不同要素名称分别处理，根据不同要素保留不同小数位数，进行不同倍数的放大拆分，转换为numpy数组，使用PIL库存放到png的四个通道中，最终生成png文件。
数据服务模块。使用Java语言，Spring Boot、Mybatis Plus框架搭建微服务，把对数据选择模块、数据提取抽析模块、数据格式转换模块的调用封装成API，参数包括解析数据类型、经纬度、数据精度、数据时间、返回数据格式等，用户调用API即可实时获取所需数据。同时建立用户口令权限体系，通过口令对API的访问进行安全保护。
一种对海洋预报数据进行高效时空析取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对参数进行格式化处理获取符合预期的数据；
S2、将所述符合预期的数据进行抽析处理获取能够识别的数据；
S3、对抽析处理后的数据进行预处理，获取转换后的格式文件，返回给客户；
S4、搭建微服务平台，所述客户基于所述微服务平台调用封装完成的API，获取实时数据，并且建立用户口令权限体系，通过口令对API的访问进行安全保护。
本发明的一种对海洋预报数据进行高效时空析取的系统及方法，操作流程如图2所示，具体步骤如下：
S1、用户按照API说明文档填写参数调用API，具体需要用户填写的参数说明如表1所示。
表1
Figure BDA0003099162030000091
S2、读取数据文件的预报时效、预报间隔、起报时间，将用户输入的数据时间参数与这三个变量进行加工计算，匹配出合适的数据文件，并将该文件路径与用户输入的其他参数一并传给python脚本处理。
S3、根据数据文件类型，选择对应的解析命令行工具。对部分类型的文件使用抽析命令直接进行要素、时空、精度的抽析，对无法使用命令的直接抽析的，使用算法获取数据的要素列表、时间范围、经纬度范围与精度信息，并与用户所传相应的参数对比抽析。
S4、按照用户所传的返回数据类型，将抽析后的数据转为相应的png格式文件或GeoJSON格式文件。若转换png格式文件，则将数据进行小数到整数的转换，并存储到png的四个通道中，具体存储规则如表2所示；
表2
Figure BDA0003099162030000101
若转换GeoJSON格式文件，则将数据与GeoJSON相关类型信息拼接。
S5、按照生成的文件格式转换相应格式的数据返回用户。若为png格式文件，则转换为Base64加密字符串；若为GeoJSON格式文件，则转换普通字符串，用户输入参数如表3所示。
表3
ID 文件编号 100001
TLLon 左上角经度 110
TLLat 左上角经度 10
BRLon 右下角经度 160
BRLat 右下角纬度 45
varCode 要素编号 229
varName 要素名称 waveHeight
Time 数据时间 20190901T08:00:00
RetumDataFormat 返回数据格式 png
本发明的有益效果为：
(1)本发明系统直接对原始grib1、grib2、NetCDF格式数据文件读取操作，无需解析存储到数据库中，节省大量数据存储空间。
(2)本发明系统使用特定规则的png格式将气象数据发送给用户，大幅降低发送数据量，节省大量网络传输带宽，减小系统响应时间。
(3)本发明方法为开发海洋观测预报应用的用户提供便捷、高效的数据获取API，用户可根据需要传递参数调用API获取特定时空、要素的海洋预报数据，降低用户对于海洋预报数据的使用、研发成本。
(4)本发明方法在数据输出方面，本发明提供GeoJSON、png两种输出格式，可以满足用户不同应用场景的需求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，包括：
数据选择模块，用于对参数进行格式化处理，选择出符合预期的数据；
数据提取抽析模块，用于对符合预期的数据进行抽析处理；
数据格式转换模块，用于将抽析处理后的数据转换成格式文件；
数据服务模块，用于搭建微服务平台并将所述数据选择模块、所述数据提取抽析模块、所述数据格式转换模块的调用封装成API，调用所述API获取实时数据；
所述数据选择模块与所述数据提取抽析模块、所述数据格式转换模块、所述数据服务模块依次连接。
2.根据权利要求1所述的对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，所述参数包括解析数据类型、经纬度、数据精度、数据时间、返回数据格式。
3.根据权利要求1所述的对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，所述数据提取抽析模块包括：时间抽取单元、空间与精度抽取单元和要素抽取单元；
所述时间抽取单元用于将用户所传递的预报时间与预报时效转换为多维数据所对应的时间维度，获得所述时间维度的数据；
所述空间与精度抽取单元用于基于用户传递的经纬度与精度参数对数据抽析，从而得到特定空间范围与精度的数据；
所述要素抽取单元基于要素名称，在包含多个要素的综合数据中选取特定要素。
4.根据权利要求1所述的对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，所述数据格式转换模块包括：GeoJSON格式转换单元和png格式转换单元，所述GeoJSON格式转换单元基于JSON库将抽析后的数据的格式转换为GeoJSON格式，所述png格式转换单元基于numpy、PIL库将抽析后的数据的格式转换为png格式。
5.根据权利要求4所述的对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，所述数据格式转换模块中数据处理的方式具体为：若转换的格式为所述GeoJSON格式，则将数据保留小数位数，使用JSON库生成JSON格式文件，并返回对应文件路径、文件名称；若转换格式为所述png格式，则根据不同要素名称进行处理，保留不同小数位数进行不同倍数的放大拆分，生成png文件。
6.根据权利要求4所述的对海洋预报数据进行高效时空析取系统，其特征在于，若生成的文件为png格式文件，则将所述png格式文件对应的数据转换为Base64加密字符串；若所述生成的文件为GeoJSON格式文件，则将所述GeoJSON格式文件对应的数据转换为普通字符串。
7.一种对海洋预报数据进行高效时空析取方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对参数进行格式化处理获取符合预期的数据；
S2、将所述符合预期的数据进行抽析处理获取能够识别的数据；
S3、对抽析处理后的数据进行预处理，获取转换后的格式文件，返回给客户；
S4、搭建微服务平台，所述客户基于所述微服务平台调用封装完成的API，获取实时数据，并且建立用户口令权限体系，通过口令对API的访问进行安全保护。
8.根据权利要求7所述的对海洋预报数据进行高效时空析取方法，其特征在于，所述S2中的抽析处理过程为：使用抽析命令进行要素、时空、精度的抽析，对无法使用命令的直接抽析的，使用算法获取数据的要素列表、时间范围、经纬度范围与精度信息，并与用户所传相应的参数对比抽析。
9.根据权利要求7所述的对海洋预报数据进行高效时空析取方法，其特征在于，所述S3中的预处理方法为：将抽析出的数据进行不同小数位数、缺失值的处理。
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