CN116955460B - 一种海洋预报信息服务产品的生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气象预报领域，提供了一种海洋预报信息服务产品的生成方法及装置。一种海洋预报信息服务产品的生成方法，包括：根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数；读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；根据层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立空间索引值与网格点的对应关系；对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果；获取用户位置，对用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录，且使用用户的规则条件输出相对应的预报结果并生成海浪预报信息服务产品。本发明支撑用户开展生产、生活决策，提升用户的生活效率。

Description

一种海洋预报信息服务产品的生成方法及装置

技术领域

本发明涉及气象预报领域，更具体的说是，涉及一种海洋预报信息服务产品的生成方法及装置。

背景技术

数值预报目前广泛应用于海洋气象预报领域，是一种使用大气和海洋数学模型，根据当前海洋大气状态来对未来海洋气象要素变化发展进行预测的技术手段。为研究不同科学问题，有重点的针对细分领域建立了不同的数值预报模式，如海浪模式、风暴潮模式、环流模式、大气模式等。数值预报模式输出是要素在未来一段时间的变化情况，以海浪数值预报模式为例，会输出有效波高在未来168小时的变化情况，通常以数组存储或表达。

随着以涉海生产、生活为代表的海洋经济的高速发展，人们对海洋预报的需求日益增强。常见的海洋预报需求，如洞头岛附近海域未来3天每日有效波高变化范围是多少？大浪以上的空间区域在什么地方，大约什么时候出现？要回答上面的问题，是需要数值预报模式预报支持的。在现有条件下，数值预报虽然并不完美，但经过检验的业务化数值预报系统，还是涉海生产生活的重要参考依据之一，也是开展海洋预报信息服务的基础。

我们认为，用户对于涉海生产或涉海活动的需求是清晰和明确的，即使相同地区、相同要素的预报，对于不同用户来说，其关注点也不是不同的。举例来说，对海况预报，以地方海事和游艇会两类用户的需求就有不同，地方海事部门更为关注的是所辖海域内在过程中有效波高的时空变化（大浪以上级别分布区域等），而游艇会关注的是离岸3-5海里海域的有效波高的预报结果，是否具备出航条件。

当要服务单用户或者几个用户的时候，可以通过人工定制方式制作面向用户的专题服务产品，但是一旦用户增多时，仅仅依靠人工就无法实现了，因此需要一种可以根据用户规则、需求，依靠数值预报模式而便捷化加工海洋预报信息，生成信息服务产品的方法。

采用离散六边形全球网格系统（Hexagon Discrete Global Grid System），其基本思路是通过多精度六边形球面平铺和分层索引表达地球。六边形网格系统是在球面环切二十面体的平面上创建的，然后使用反面中心多面体地心投影法将网格单元投影到球面表面。地球被分割为不同精度层级的六边形，每个六边形对应一个唯一的空间索引值。

选用六边形全球网格系统的原因：常见的空间索引由四叉树、基于空间填充曲线（Z曲线）的Geohash算法，基于Hilbert曲线的S²算法，以及Uber提出的H3空间索引算法。

但基于六边形的网格系统和其他系统是有所区别的，以S²为例，假设地球为理想的球体，使用一个与其相切的正方体将地球包围，然后从地球中心向正方体的6个面做投影，把球面上所有的点都投影到外切正方体的6个面上，然后通过不断细分6个面（正方形）的区域来表达空间位置，但其缺点是相同层级正方形其高纬度和低纬度的地区在面积上差异较大。六边形的全球网格系统则不同，其直接使用正二十面体来模拟地球（用一个正二十面体内切地球），将地球使用地心投影到多面体上，将多面体展成一个平面。H3并没有展开二十面体来构建其网格系统，而是将其网格布置在二十面体面上，遍布全球。H3网格是通过在地球上布置122个基础单元网格来构建的，每个面有10个网格。某些单元格由多个面包含。由于不可能仅用六边形对二十面体进行平铺，因此选择引入十二个五边形，每个二十面体顶点一个。这些顶点由使用球形二十面体方向定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋预报信息服务产品的生成方法及装置。

本发明要解决的是现有技术中人工定制方式存在的效率低且无法一一满足各个用户需求的问题。

与现有技术相比，本发明技术方案及其有益效果如下：

本发明公开的第一方面，提供了一种海洋预报信息服务产品的生成方法，包括：S1，根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数；S2，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；S3，根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；S4，对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；S5，获取用户位置，使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；S6，根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。

本发明公开的第二方面，提供了一种海洋预报信息服务产品的生成装置，包括：获取模块，被配置为根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；计算模块，被配置为根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；处理模块，被配置为对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；所述获取模块还被配置为获取用户位置；所述处理模块还被配置为使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；生成模块，被配置为根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。

本发明的有益效果为：

本方案对数值预报产品数据预处理，选择合适的层级参数，将数值预报模式网格点转换为空间索引值，基于网格点所对应的数值预报结果，存储到数据库。根据用户对海洋预报的需求（与空间位置相关），将其对空间位置转换为对应的空间索引值，然后从数据库中提取预报时间序列数据，按照预定义的规则条件，计算生成海洋预报信息服务产品，支撑用户开展生产、生活决策，提升用户的生活效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种海洋预报信息服务产品的生成方法示意图。

图2是本发明实施例提供的一种海洋预报信息服务产品的生成装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1所示，一种海洋预报信息服务产品的生成方法，包括：

S1，根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数；

S2，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；

S3，根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；

S4，对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；

S5，获取用户位置，使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；

S6，根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。

所述S1包括：

岸段的空间坐标点集合{(lat₁,lon₁),…,(lat_n,lon_n)}，计算相邻点的空间距离（d₁,…,d_n），对其按从大到小排序，取其中位数Median_coast；

根据数值预报模式网格的空间分布，结合近海预报区域，计算近海预报区域内网格的平均间距，假设为Distance_grid；

Length=max(Median_coast,σDistance_grid),其中，σ为尺度参数，取值为1-1.5（浮点型），通过max函数取Median_coast和σDistance_grid中的较大值，然后对Length值通过查表寻找其对应的平均六边形长度，选择与其对应分辨率层级参数K。在中国近海区域，层级参数的值一般在5-7之间。

所述S2包括：

获得组成岸段的空间坐标点集合{(lat₁,lon₁),…,(lat_n,lon_n),n取值为整数}，将点集合的空间坐标（经度、纬度），结合层级参数，得到一系列空间索引值（去掉重复的空间索引值），将这些空间索引值存储，并标记属性。

所述S3中，计算数值预报模式网格的空间索引，具体通过Uber的H3库完成。建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系，一个空间索引值对应多个网格点，但每个网格点均有一个空间索引值。

所述S4中，所述数据表包括序列号、经纬度、空间索引值、起报时间、预报时效、预报值。

所述S5中，所述用户位置可归类为以点、线、面为基础的空间表达，其中，点用经、纬度对(lat,lon)表示，线用点的顺序集合表示，面用点的集合表示。用点表达面时，第一个点与最后一个点重合。

较为常见用户位置可通过以下几种方式获得，①通过如手机定位（直接获取坐标）；②用户输入的地名或者由地名组成的方位（地面通过逆地理编码获取位置，方位根据预定义的8、16方位及空间距离等进行转换、解析；③以标准化格式方式给出给出的空间信息（如GeoJSON、Shapefile等文件或者服务方式等）。

所述S5中，所述位置处理方法包括：

若所述用户位置类型为点，则根据位置点经、纬度对(lat,lon)和层级参数K计算其空间索引值；

根据所述空间索引值，查询所述S4中是否存在与所述空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明该请求位置不在海岸或者海域中。

所述S5中，所述位置处理方法还包括：

若所述用户位置类型为线，线表达为点的集合，对点集合中的点进行评估，根据第一个点的空间位置和层级参数计算其空间索引值，根据所述空间索引值求得对应的六边形，进而得到该六边形的边长值；其次，以所述边长值为依据判断现有点集合中相邻两个点的间距是否小于该值，如果小于所述边长值则不做处理；如果大于所述边长值，则对两点之间做线性插值，新增一个中间点，直到满足小于所述边长值的条件，按照上述条件遍历线中的全部点，更新得到线的点集合，计算得到的点集合所对应的空间索引值集合；

根据所述空间索引值集合，查询所述S4是否存在和其空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明该请求位置不在海岸或者海域中。

所述S5中，所述位置处理方法还包括：

若所述用户位置类型为面，面表达为点的顺序集合，计算得到多边形的中心点，根据中心点的空间位置和层级参数计算出所述中心点位置的空间索引值；将所述空间索引值放入队列中；其次，以该中心点为中心计算得到其相邻的6个邻域六边形，依次计算每个六边形的中心点坐标，且判断所述中心点坐标是否在所述多边形内；如果在，则记录空间索引值或对应的六边形中心点坐标并放入列表中，继续取其相邻且不重复的六边形，当该六边形的相邻六边形均不包含在多边形中或者该六边形为沿岸时，为终止条件；得到空间索引值集合；

根据所述空间索引值集合，查询所述S4中是否存在和其空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询空间索引值集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明该请求位置不在海岸或者海域中。

计算六边形为岸线的方法：通过查询该六边形的空间索引值是否在S2的结果中，如果在则为沿岸，否则不在沿岸。

所述S5中，所述规则条件来自用户，所述规则条件分为时间类条件、日变化范围以及预报时间间隔。

其中，①时间类条件，如大浪以上级别出现的时间，有效波高什么时候达到大浪以上级别；②日变化范围类，如24、48、72小时海浪预报值变化情况；③预报时间间隔类，如提供逐3小时间隔的有效波高预报结果。

①时间类条件

前置条件：预报点集合的逐小时预报记录。

处理方式：按照预报时效对记录分组处理，每组内计算有效波高均值，得到一组包含时间、有效波高值的二维数据表，从其中提取满足有效波高（或其可转换的波浪等级）条件的预报时间。

输出：满足条件的时间序列值。

②日变化范围类

前置条件：预报点集合的逐小时预报记录。

处理方式：按照时间段范围（日变化一般为24小时，或者按照今天白天（8点至20点）、今天晚上（20点到下一天8点）等），对记录中的预报时效字段进行分组处理（每组对应的不同相应的时间段）。在每组内，对有效波高字段按值从高到低排序，取前30%的平均值作为日变化范围的高值，取后30%的平均值作为日变化范围的低值。

输出：时间组及对应的有效波高变化范围的高低值。

③预报时间间隔类

前置条件：预报点集合的逐小时预报记录。

处理方法：按照时间间隔参数对记录中的预报时效字段进行分组，在每组内，取每组的均值作为该间隔时刻的预报值，得到一定时间间隔的预报值；

输出：一定时间间隔的有效波高预报序列。如

[{“Time”:“2023-07-01 12:00:00”,“Swh”:“2.3”},

{“Time”:“2023-07-01 15:00:00”,“Swh”:“2.2”}…

{“Time”:“2023-07-05 12:00:00”,“Swh”:“1.2”}]。

所述S6中，根据上述的数据结果，制作图表曲线或将结构化数据转换为文字描述，通过系统向用户呈现海洋预报信息服务产品的内容。

选用采用H3作为空间索引的优势，解决S²索引相同层级正方形其高纬度和低纬度的地区在面积上差异较大（北京和新加坡大约相差30-40%），但H3索引不会，因为其不涉及投影，尤其是极地区域相同层级的网格其面积变形是不大的。但H3索引也有其不足之处，就是不像S²索引一样可以完全父区域可以完全覆盖子区域，其父区域与子区域之间不是完全重叠的。在本方案设计中，考虑到主要应用场景会覆盖中国近海，其纬度范围大致为北纬8°到北纬43°，纬度差别很大，故考虑使用H3空间索引算法，该算法在后续计算网格点的空间六边形覆盖时能够保持较好的面积一致性。

参照图2所示，一种海洋预报信息服务产品的生成装置，包括：获取模块，被配置为根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；计算模块，被配置为根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；处理模块，被配置为对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；所述获取模块还被配置为获取用户位置；所述处理模块还被配置为使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；生成模块，被配置为根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。

以上实施例仅用以解释说明本发明的技术方案而非对其限制。本领域技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改和等同替换，均应落入本发明权利要求的保护范围中。

Claims (10)

1.一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，包括：

S1，根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数；

S2，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；

S3，根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；

S4，对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；

S5，获取用户位置，使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；

S6，根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。

2.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S1包括：

岸段的空间坐标点集合{[(lat₁,lon₁),…,(lat_n,lon_n)]，其中，lat为经度，lon为纬度，n取值为整数}，计算相邻点的空间距离（d₁,…,d_n），对其按从大到小排序，取其中位数Median_coast；

根据数值预报模式网格的空间分布，结合近海预报区域，计算近海预报区域内网格的平均间距，假设为Distance_grid；

Length=max(Median_coast,σDistance_grid),其中，σ为尺度参数，通过max函数取Median_coast和σDistance_grid中的较大值，然后对Length值通过查表寻找其对应的平均六边形长度，选择与其对应分辨率层级参数K。

3.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S2包括：

获得组成岸段的空间坐标点集合{(lat₁,lon₁),…,(lat_n,lon_n),n取值为整数}，将点集合的空间坐标结合层级参数，得到一系列空间索引值，将这些空间索引值存储，并标记为属性。

4.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S4中，所述数据表包括序列号、经纬度、空间索引值、起报时间、预报时效、预报值。

5.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S5中，所述用户位置可归类为以点、线、面为基础的空间表达，其中，点用经、纬度对(lat,lon)表示，线用点的顺序集合表示，面用点的集合表示。

6.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S5中，所述位置处理方法包括：

若所述用户位置类型为点，则根据位置点经、纬度对(lat,lon)和层级参数K计算其空间索引值；

根据所述空间索引值，查询所述S4中是否存在与所述空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明请求位置不在海岸或者海域中。

7.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S5中，所述位置处理方法还包括：

若所述用户位置类型为线，线表达为点的集合，对点集合中的点进行评估，根据第一个点的空间位置和层级参数计算其空间索引值，根据所述空间索引值求得对应的六边形，进而得到该六边形的边长值；其次，以所述边长值为依据判断现有点集合中相邻两个点的间距是否小于该值，如果小于所述边长值则不做处理；如果大于所述边长值，则对两点之间做线性插值，新增一个中间点，直到满足小于所述边长值的条件，按照上述条件遍历线中的全部点，更新得到线的点集合，计算得到的点集合所对应的空间索引值集合；

根据所述空间索引值集合，查询所述S4是否存在和其空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明请求位置不在海岸或者海域中。

8.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S5中，所述位置处理方法还包括：

若所述用户位置类型为面，面表达为点的顺序集合，计算得到多边形的中心点，根据中心点的空间位置和层级参数计算出所述中心点位置的空间索引值；将所述空间索引值放入队列中；其次，以该中心点为中心计算得到其相邻的6个邻域六边形，依次计算每个六边形的中心点坐标，且判断所述中心点坐标是否在所述多边形内；如果在，则记录空间索引值或对应的六边形中心点坐标并放入列表中，继续取其相邻且不重复的六边形，当该六边形的相邻六边形均不包含在多边形中或者该六边形为沿岸时，为终止条件；得到空间索引值集合；

根据所述空间索引值集合，查询所述S4中是否存在和其空间索引值相同的记录，如果存在则将该记录存储到结果集合中；如果不存在，则跳过查询空间索引值集合中的其他空间索引值；如果结果集合为空，则说明请求位置不在海岸或者海域中。

9.根据权利要求1所述的一种海洋预报信息服务产品的生成方法，其特征在于，所述S5中，所述规则条件来自用户，所述规则条件分为时间类条件、日变化范围以及预报时间间隔。

10.一种海洋预报信息服务产品的生成装置，其特征在于，包括：

获取模块，被配置为根据岸段、近海预报区域和数值预报模式网格空间分布特征，确定层级参数，读取岸段的矢量格式数据，获得组成岸段的空间坐标点集合；

计算模块，被配置为根据所述层级参数和网格点的空间坐标计算数值预报模式的网格点对应的空间索引值，建立所述空间索引值与所述网格点的对应关系；

处理模块，被配置为对数值预报模式的数据进行处理，提取每个网格点的数值预报结果，并存储在二维数据表；

所述获取模块还被配置为获取用户位置；

所述处理模块还被配置为使用位置处理方法对所述用户位置进行处理得到预报点集合的逐小时预报记录；使用用户的规则条件对所述预报点集合的逐小时预报记录进行处理，输出相对应的预报结果；

生成模块，被配置为根据所述预报结果，生成海浪预报信息服务产品。