基于WebGIS的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉茜茜，孫亞琴＋，呂 翔，彭明艷，雷 洋，楊 慧

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221116；2.徐州市氣象局，江蘇 徐州221002；3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116）

0 引 言

天氣預(yù)報(bào)等工作在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要的角色［1］。近年來，徐州氣象事業(yè)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，各級氣象部門在專業(yè)和專項(xiàng)氣象服務(wù)的供應(yīng)等方面做了積極的探索，但是徐州市現(xiàn)有氣象服務(wù)系統(tǒng)中存在的一些問題已不能滿足現(xiàn)代業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，主要表現(xiàn)有：多源氣象信息源各自獨(dú)立，未形成統(tǒng)一的多源信息集成服務(wù)模式；服務(wù)產(chǎn)品形式單一，主要以手工輸入文字方式為主，服務(wù)信息發(fā)送方式單一、零散，服務(wù)效率低；傳統(tǒng)服務(wù)氣象信息區(qū)域空間差異難以體現(xiàn)，且可視化程度低，服務(wù)效果不好。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對GIS相關(guān)功能需求的不斷增強(qiáng)，一些發(fā)布?xì)庀笮畔⒌腤ebGIS平臺也已應(yīng)運(yùn)而生［2］。近年來，GIS在國內(nèi)外氣象領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及，主要服務(wù)于氣象資料管理、氣象災(zāi)害評估［3］、氣象建模分析評價(jià)以及輔助決策等方面。基于WebGIS技術(shù)的氣象信息顯示平臺能提供精細(xì)化、個(gè)性化、靈活生動(dòng)的產(chǎn)品展示方式，更好的提升服務(wù)效果［4］。WebGIS具有訪問范圍廣泛、系統(tǒng)安全性好、系統(tǒng)協(xié)同工作能力增強(qiáng)、系統(tǒng)投資成本降低等特點(diǎn)［5］。因此，基于 WebGIS技術(shù)建立一個(gè)高效、開放、交互性好的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)，整合獲得的實(shí)時(shí)多源信息，通過用戶交互自動(dòng)生成服務(wù)產(chǎn)品，為不同的服務(wù)對象提供直觀、可視的氣象服務(wù)功能，滿足用戶的實(shí)際應(yīng)用需求?；诒本┏瑘D公司的SuperMap IS.Net的WebGIS框架技術(shù)［6］，我們設(shè)計(jì)與開發(fā)了徐州市氣象信息服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多源氣象信息集成、服務(wù)產(chǎn)品形式多元化、氣象信息服務(wù)空間可視化等應(yīng)用需求，進(jìn)一步提高了徐州市氣象信息服務(wù)水平。不僅包含屬性數(shù)據(jù)，而且還包含大量的空間數(shù)據(jù)，在空間數(shù)據(jù)的管理方面，采用北京超圖公司的SuperMap SDX＋技術(shù)。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐州氣象信息服務(wù)系統(tǒng)整體架構(gòu)采用四層B／S結(jié)構(gòu)，包括客戶層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、WebGIS服務(wù)層、數(shù)據(jù)層 （如圖1所示）?？蛻魧邮怯脩襞c整個(gè)系統(tǒng)的接口，接收系統(tǒng)運(yùn)行所需的參數(shù)，并將服務(wù)器端的計(jì)算結(jié)果以可視化的方式表達(dá)出來；業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，該層代表客戶端應(yīng)用，由應(yīng)用開發(fā)者負(fù)責(zé)開發(fā)，應(yīng)用構(gòu)建者不需要知道WebGIS服務(wù)是如何提供的，只要知道相應(yīng)的WebGIS服務(wù)可用，并能通過接口調(diào)用即可；WebGIS服務(wù)層是連接業(yè)務(wù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的橋梁，提供Web與GIS服務(wù)，Web－GIS層實(shí)現(xiàn)GIS功能與對空間數(shù)據(jù)的管理，并使得WebGIS服務(wù)能方便地嵌入到業(yè)務(wù)應(yīng)用層中；數(shù)據(jù)層為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)存取接口，提供高效的數(shù)據(jù)訪問，其作用是從數(shù)據(jù)庫中讀取、寫入、刪除對象［7］，徐州氣象信息服務(wù)系統(tǒng)中

1.2 系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括基礎(chǔ)概況、氣象預(yù)測、氣象預(yù)報(bào)、氣象服務(wù)、后臺管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測六大功能模塊，每一個(gè)模塊下又包含若干子功能，圖2展示了徐州氣象服務(wù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

（1）基礎(chǔ)概況模塊：基礎(chǔ)概況模塊包括基礎(chǔ)地圖、氣象站點(diǎn)信息和經(jīng)濟(jì)概況等基礎(chǔ)信息的展示，提供常用GIS功能，并可根據(jù)編號、名稱或類型對氣象站點(diǎn)信息進(jìn)行查詢并在地圖上高亮顯示。通過經(jīng)濟(jì)專題圖或者經(jīng)濟(jì)列表圖可以查看徐州各市縣及鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)狀況。

（2）氣象觀測模塊：氣象觀測模塊包括雷達(dá)云圖、氣溫與降水量監(jiān)測、空氣質(zhì)量和水情監(jiān)控等功能。雷達(dá)云圖中包含雷達(dá)圖、紅外云圖、可見光云圖和水汽云圖等不同類型的圖像，系統(tǒng)能自動(dòng)地讀取氣象服務(wù)器中不同類型的實(shí)時(shí)雷達(dá)云圖，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間段內(nèi)連續(xù)播放，使得能夠快速的觀察分析出氣象信息。氣溫和降水量數(shù)據(jù)由后臺實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊不斷地讀入數(shù)據(jù)庫，并利用插值方法生成氣溫和降水量的等值線和色斑圖，直觀地展示了各地區(qū)的氣溫和降水量狀況。水情監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測水庫的水位及蓄水量信息，并根據(jù)水庫歷史最大水位和流量做好防洪防汛等預(yù)測?？諝赓|(zhì)量模塊能夠讀取實(shí)時(shí)監(jiān)測的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，并在地圖上表達(dá)出實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量信息，方便用戶及時(shí)了解空氣質(zhì)量。

（3）氣象預(yù)報(bào)模塊：該模塊包括短中長期天氣預(yù)報(bào)、氣候評價(jià)、農(nóng)業(yè)農(nóng)情信息和天氣查詢等功能。短期天氣預(yù)報(bào)生成短期預(yù)報(bào)專題圖，直觀地在地圖上顯示徐州各地區(qū)24、48、72小時(shí)天氣信息。中長期天氣預(yù)報(bào)、氣候評價(jià)和農(nóng)業(yè)農(nóng)情等資料逐日統(tǒng)計(jì)排序，以Microsoft Word形式存放，可以根據(jù)需要進(jìn)行閱讀和下載，查詢?nèi)魏沃付?、月、旬、周的平均溫度、降水總量、降水日?shù)、日照時(shí)數(shù)和日照百分率等信息。

（4）氣象服務(wù)模塊：該模塊包括氣象預(yù)警、人工影響天氣、森林火險(xiǎn)預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等功能，提供及時(shí)準(zhǔn)確、高效的災(zāi)情查詢與統(tǒng)計(jì)功能。實(shí)現(xiàn)了氣象預(yù)警信號的發(fā)布、變化和解除等基于地圖的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示功能。森林火險(xiǎn)和地質(zhì)災(zāi)害也實(shí)現(xiàn)了森林火險(xiǎn)的等級和災(zāi)害點(diǎn)預(yù)警信息的基于地圖的實(shí)時(shí)顯示功能。全市各地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)與距離其最近的自動(dòng)站的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)自動(dòng)站觀測降水達(dá)到一定級別時(shí)，對相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)在地圖上能夠自動(dòng)做出警示。

（5）后臺管理：提供專業(yè)用戶注冊和登錄功能，主要包括數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)版本信息等基本模塊。在該模塊中管理員可以上傳、修改、添加和刪除氣象數(shù)據(jù)文件，對氣象信息和預(yù)警要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行后臺編輯與管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新和維護(hù)。后臺管理功能使系統(tǒng)的操作性和擴(kuò)展性得以提高。

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控：針對氣象要素實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了后臺實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的變化，并經(jīng)過數(shù)據(jù)整理后讀入數(shù)據(jù)庫。該模塊針對空氣質(zhì)量信息、自動(dòng)站信息、短期氣象信息、雷達(dá)云圖信息等諸多氣象要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)測到的氣象要素?cái)?shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)格式，實(shí)時(shí)讀入數(shù)據(jù)庫，以便系統(tǒng)中能顯示實(shí)時(shí)的氣象預(yù)報(bào)。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)的組織與管理

徐州氣象信息服務(wù)系統(tǒng)包括多源氣象信息、基礎(chǔ)地理信息以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，其中空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)與管理采用超圖公司的SuperMap SDX＋空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)。系統(tǒng)包括3個(gè)專題數(shù)據(jù)庫：

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫：包括徐州行政區(qū)劃、交通、水系、居民地等地圖要素。

經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫：包括徐州各市、縣、區(qū)、鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫：包括各種類型的氣象站點(diǎn)和災(zāi)害點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)及觀測記錄的氣象信息數(shù)據(jù)，多種形式的雷達(dá)數(shù)據(jù)以及森林火險(xiǎn)、氣象寒潮或大霧預(yù)警信息等數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

系統(tǒng)運(yùn)行于Windows 7操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)開發(fā)采用超圖公司的WebGIS框架技術(shù)SuperMap IS.Net，編程語言為C＃.Net，并結(jié)合了Asp.Net、JavaScript、AJAX等網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用SQL Server 2008。

2.3 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)主界面如圖3所示。包括地圖展示區(qū)、模塊選擇區(qū)、GIS操作區(qū)、功能切換區(qū)、鷹眼等部分。界面布局設(shè)計(jì)合理，并且模塊選擇區(qū)、功能切換等區(qū)域可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的縮隱和顯示。

圖3 系統(tǒng)主界面

2.4 開發(fā)實(shí)例

（1）降水量等值線生成

插值分析是氣象信息處理應(yīng)用最為廣泛的分析算法之一［8］，在徐州市氣象信息服務(wù)系統(tǒng)中應(yīng)用GIS的空間插值技術(shù)生成了氣溫等值線專題圖、降水量等值線專題圖、氣溫色斑圖以及降水量色斑圖等?，F(xiàn)以降水量等值線的生成為例，詳細(xì)介紹其實(shí)現(xiàn)機(jī)制。首先連接氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，對氣象站點(diǎn)的降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，用選擇時(shí)段內(nèi)的累加降水量數(shù)據(jù)更新氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)集中的降水量數(shù)據(jù)值，然后調(diào)用 SuperMap.Web.ISDotNet6程序集中 SpatialAnalyst－Manager類提供的IsoLineByGridDataset接口對其進(jìn)行內(nèi)插做柵格化處理。根據(jù)GridDataSet屬性提取等值線的柵格數(shù)據(jù)集 （Grid或DEM）標(biāo)識，IsoLineParam屬性設(shè)置等值線提取的有關(guān)參數(shù)，通過InterPolateParam類的對象來設(shè)置插值的有關(guān)參數(shù)，InterPolateMode參數(shù)用來設(shè)置使用的插值方法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是采用的IDW方法進(jìn)行插值。最后用內(nèi)插方法在生成的柵格數(shù)據(jù)集上進(jìn)行等值線提取操作獲取降水量等值線的專題圖層數(shù)據(jù)。等值線成功生成后其圖層范圍會(huì)超出徐州市的行政區(qū)邊界，將等值線圖層和徐州行政區(qū)劃圖層進(jìn)行疊加處理，并添加到跟蹤圖層下，通過SpatialAnalystManager.OverlayAnalyst（）接口函數(shù)，通過其提供的OverlayParam參數(shù)將徐州行政區(qū)劃圖層設(shè)置為裁剪圖層，用于裁剪原始的等值線圖，從而得到符合要求的徐州市行政區(qū)范圍內(nèi)的降水量等值線專題圖如圖4所示。

圖4 降水量等值線

降水量等值線的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵代碼如下：

Function jslInterpolate（）｛ ／／降水量等值線插值

Var interpolateParam＝new SuperMap.IS.InterpolateParam （）；／／設(shè)置插值模式

......｝

Function onComplete＿intjsl（interpolateresult）｛

／／提取降水量等值線

if（interpolateresult.succeed）｛

Var resultDataset＝ "jsl＠XuZhouQX"；

……

if（isoRegionResult.suceed）｛

OverlayAnalyst＿Clipjsl（isoRegionResult.re

sultDataset）；｝

else ……

spatialAnalystManager.IsoRegion （isoRegionParam，onComplete＿jsl，onError，null）；｝

......｝

Function OverlayAnalyst＿Clipjsl（Layer）｛ ／／降水量等值線裁剪

Var overlayParam ＝ new SuperMap.IS.OverlayParam （）；……

overlayParam.operateLayer＝ "徐州行政區(qū)＠XuZhouQX"；／／設(shè)置裁剪圖層

Var spatialAnalystManager ＝ MapControl1.GetSpatialAnalystManager （）；

spatialAnalystManager.OverlayAnalyst（overlayParam，onjslOverlayAnalystComplete，onError，null）；

......

Var rangeTheme＝ new SuperMap.IS.RangeTheme（）；

／／降水量分值專題圖的設(shè)置

......

MapControl1.Update（）；

.....｝

（2）短期天氣預(yù)報(bào)

空間信息查詢主要有兩種方式［9］：一種方式是屬性查圖，即利用屬性信息查詢后，在地圖上定位并高亮顯示查詢結(jié)果；另一種是圖查屬性，即通過地圖查找對應(yīng)地理實(shí)體的屬性信息。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的氣象要素查詢功能即屬于第二種空間查詢方式－屬性查圖。

氣象要素查詢功能又包括短中長期天氣預(yù)報(bào)、地質(zhì)災(zāi)害、森林火險(xiǎn)、水情監(jiān)控、空氣質(zhì)量、氣象預(yù)警等。其中，天氣預(yù)報(bào)信息按照氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編碼方式存儲(chǔ)在文件中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過編寫的程序進(jìn)行自動(dòng)解讀、提取，并劃分為若干字段存放在數(shù)據(jù)庫中。在查詢短時(shí)天氣時(shí)，首先設(shè)置查詢圖層為 “氣象站點(diǎn)P＠XuZhouQX”，然后進(jìn)行查詢條件設(shè)置，調(diào)用QueryManager.QueryBySql方法進(jìn)行具體查詢工作并將結(jié)果保存到 “resultset”變量中，最后進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿秩緦⒉樵兘Y(jié)果顯示到地圖上，查詢效果如圖5所示。

圖5 短時(shí)天氣查詢

3 結(jié)束語

GIS對氣象資料的管理、查詢、制作專題圖和統(tǒng)計(jì)分析中已經(jīng)起到不可代替的作用［10］。建設(shè)基于 WebGIS的氣象服務(wù)系統(tǒng)，是適應(yīng)氣象服務(wù)深入發(fā)展的需要?；谒膶覤／S體系結(jié)構(gòu)的徐州市氣象信息服務(wù)系統(tǒng)，能夠提供基于地理空間數(shù)據(jù)的氣象信息的顯示、預(yù)測預(yù)報(bào)等服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)了在線的、可視化的氣象信息服務(wù)，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的變化，形成了統(tǒng)一的多源信息集成服務(wù)模式，改變了氣象服務(wù)信息發(fā)送方式單一的局面，大大提升業(yè)務(wù)人員的預(yù)報(bào)服務(wù)效率和改善了服務(wù)方式。

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