基于GIS的臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李博

摘要：臺(tái)風(fēng)是破壞力極強(qiáng)的自然災(zāi)害之一，中國是受臺(tái)風(fēng)影響較嚴(yán)重的國家。加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的檢測(cè)和預(yù)報(bào)是防災(zāi)減災(zāi)的有效手段。該文基于WebGIS和ArcServer平臺(tái)，采用Flex框架，依據(jù)臺(tái)風(fēng)自身特點(diǎn)和數(shù)據(jù)特點(diǎn)，結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑的相似性算法模型，設(shè)計(jì)了臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)。其中實(shí)現(xiàn)的功能主要包括臺(tái)風(fēng)路徑信息與衛(wèi)星云圖、信息查詢、瀏覽統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)繪圖；多功能歷史臺(tái)風(fēng)路徑信息查詢。該平臺(tái)的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)不僅可為廣大用戶提供內(nèi)容豐富、通俗易懂的臺(tái)風(fēng)氣象信息，而且可為行業(yè)用戶和決策部門提供具有一定參考價(jià)值的氣象服務(wù)產(chǎn)品，從而進(jìn)一步拓寬和完善了臺(tái)風(fēng)氣象信息產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)；WebGIS；路徑預(yù)測(cè)；ArcServer

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）33-0106-04

1 背景

臺(tái)風(fēng)的破壞性巨大，同時(shí)也是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1]。在全球臺(tái)風(fēng)生成區(qū)中，最頻繁的臺(tái)風(fēng)發(fā)生在太平洋西北地區(qū)，達(dá)到1/3的全球總和，另外臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度最強(qiáng)也是在太平洋西北地區(qū)。中國是世界上遭受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重和最頻繁的國家之一。自1949年以來，受西北太平洋的臺(tái)風(fēng)影響，我國每年所遭受的經(jīng)濟(jì)損失為20-100億元，死亡人數(shù)在100-1000人。近年來，隨著氣候被遭到嚴(yán)重破壞、沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，因臺(tái)風(fēng)而造成的損失也在明顯增加。

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害給社會(huì)財(cái)產(chǎn)，人身生命安全等造成巨大的危害，人們就需要通過一定的技術(shù)手段去獲取臺(tái)風(fēng)的相關(guān)信息，從而減少甚至避免臺(tái)風(fēng)的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步，人類所能收集關(guān)于臺(tái)風(fēng)的數(shù)據(jù)信息也豐富起來。人類獲取臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)更加快速、便捷、精確，使得臺(tái)風(fēng)的信息維度更加多樣、豐富，內(nèi)容也更加充實(shí)，為決策帶來充分的參考和依據(jù)。研究表明過去人們對(duì)于空間信息的獲取與分析，采用的技術(shù)手段相對(duì)比較落后，因而就需要一種更加高效和方便的手段或技術(shù)，更加注重信息的空間性，加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)信息的檢索效率，實(shí)現(xiàn)空間信息的共享，提供更加全面的決策信息。

近年來，隨著GIS在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，人們對(duì)于GIS科學(xué)的理解也隨之深入，使得GIS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越寬泛，越來越多的氣象工作者意識(shí)到地理信息技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。無論是在在歷史氣象資料的查詢、保存、檢索、統(tǒng)計(jì)分析，還是在基于空間數(shù)據(jù)的三維建模和數(shù)學(xué)建模及數(shù)據(jù)的空間分析方面，GIS技術(shù)都體現(xiàn)出卓越的空間信息的管理和分析能力。同時(shí)，GIS技術(shù)的飛速進(jìn)步，為臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)的管理和共享提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。同時(shí)，地理信息系統(tǒng)在氣象領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也為臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)與GIS的有機(jī)結(jié)合提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，信息共享將成為迫切的需求，這促使Internet和GIS的結(jié)合。WebGIS應(yīng)運(yùn)而生，它不僅擁有Internet信息的數(shù)據(jù)共享特點(diǎn)和信息發(fā)布功能，同時(shí)也具有GIS技術(shù)在數(shù)據(jù)的管理和空間分析方面的功能，這為GIS技術(shù)的普及和共享GIS技術(shù)的成果提供一個(gè)廣闊的平臺(tái)。

目前一些臺(tái)風(fēng)信息系統(tǒng)主要存在以下不足：1）臺(tái)風(fēng)信息服務(wù)產(chǎn)品種類較少，且表現(xiàn)方式比較單一；2）多種氣象信息產(chǎn)品無法綜合顯示，致使用戶無法直觀了解臺(tái)風(fēng)及相關(guān)信息；3）近海海區(qū)氣象服務(wù)產(chǎn)品目前在網(wǎng)站上都是以文字形式呈現(xiàn)，不利于查詢海區(qū)天氣情況；4）地理底圖疊加信息單一，無法疊加公路、鐵路等地理信息。

基于以上不足，本系統(tǒng)將依托豐富的氣象服務(wù)產(chǎn)品，綜合應(yīng)用 GIS 服務(wù)器的空間數(shù)據(jù)處理能力，分析多種與臺(tái)風(fēng)相關(guān)的氣象業(yè)務(wù)產(chǎn)品的時(shí)空要素特征，構(gòu)建基于 WebGIS 的臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)，著力從多功能臺(tái)風(fēng)路徑查詢、多種氣象信息集成發(fā)布、地理信息功能等功能方面進(jìn)一步拓寬和加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)氣象信息產(chǎn)品在服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度，從而通過網(wǎng)絡(luò)為公眾和行業(yè)用戶提供更豐富，更優(yōu)質(zhì)、更專業(yè)的臺(tái)風(fēng)氣象服務(wù)[2-3]。

2 臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)的基本理論

臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)方式有兩種，一種是數(shù)值預(yù)報(bào)，另一種是客觀預(yù)報(bào)[4]。數(shù)值預(yù)報(bào)是根據(jù)測(cè)量到的數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)出臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)軌跡的趨勢(shì)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；客觀預(yù)報(bào)把臺(tái)風(fēng)的歷史數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過計(jì)算概率、相似性、回歸分析等方法進(jìn)行預(yù)測(cè)[5][6]。

兩種方法各有自己的優(yōu)勢(shì)和不足，目前較多偏向于客觀預(yù)報(bào)中的相似性的方法[7]。

本平臺(tái)使用SrcServer中自帶的空間分析功能，以歷史臺(tái)風(fēng)信息為基礎(chǔ)，利用臺(tái)風(fēng)路徑的相似性原理，預(yù)測(cè)出臺(tái)風(fēng)路徑。

2.1 路徑相似度算法

路徑相似法是從歷史記錄中篩選出相似時(shí)間，相似氣象特征，相似運(yùn)動(dòng)軌跡的臺(tái)風(fēng)路徑，是臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)的常用方法[8]。相似的臺(tái)風(fēng)路徑是眾多影響因子共同作用的結(jié)果，也就說明諸多因子合力的等效性。中國氣象的相似性標(biāo)準(zhǔn)是地理、季節(jié)和移向移速相似。

在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中，采用相似度方法去模擬計(jì)算，關(guān)鍵點(diǎn)在尋求相似度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。從以往的經(jīng)驗(yàn)中可以得知，相似度通常確定在0和1之間。臺(tái)風(fēng)路徑之間的距離越接近，也就表明在空間上，兩條臺(tái)風(fēng)路徑越相似；在此基礎(chǔ)上，陸濤等通過緩沖區(qū)的大小，確定搜索的范圍，這有效減少了臺(tái)風(fēng)路徑計(jì)算的工作量[9]。

利用臺(tái)風(fēng)路徑之間的距離來表示臺(tái)風(fēng)路徑的相似度的方法，在計(jì)算過程上是比較復(fù)雜的，需要計(jì)算現(xiàn)有的臺(tái)風(fēng)路徑到歷史臺(tái)風(fēng)路徑上每一點(diǎn)的最短距離之和與歷史臺(tái)風(fēng)路徑的相似度。鄒亮等在基于臺(tái)風(fēng)路徑相似度方法計(jì)算的基礎(chǔ)上，改進(jìn)此算法，本文采用此優(yōu)化算法。

2.2 基于路徑相似度的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)

根據(jù)路徑相似度的方法，計(jì)算出不同的歷史臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑之間的相似度，然后按照相似度大小進(jìn)行排序。首先選取相似度最大的臺(tái)風(fēng)路徑作為實(shí)時(shí)路徑的預(yù)測(cè)路徑點(diǎn)。這種處理方式有缺陷，相似度最高的臺(tái)風(fēng)路徑有可能只是一部分非常吻合，而其他部分就會(huì)出現(xiàn)很大的偏差。因?yàn)椴豢赡芩械淖饔靡蜃佣际窒嗨?，畢竟存在眾多因素的差異。所以不能簡單的依照歷史臺(tái)風(fēng)路徑整體的相似度，而根據(jù)每一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的緩沖圓范圍之內(nèi)，計(jì)算出一個(gè)局部的相似度，在每一緩沖范圍之內(nèi)，選取一個(gè)最優(yōu)解。該方法示意圖如下：

S1，S2，S3代表不同時(shí)刻，也就表示臺(tái)風(fēng)的不同時(shí)刻的路徑。D1，D2，D3代表不同歷史臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過局部最大相似度的計(jì)算而得到的關(guān)鍵點(diǎn)。該方法使用局部最大相似度有效的解決了兩條臺(tái)風(fēng)路徑不可能完全一致的問題，在預(yù)測(cè)中，不斷選取一個(gè)最優(yōu)解作為預(yù)測(cè)點(diǎn)。

2.3 本文實(shí)現(xiàn)方法

1） 通過讀取圖層的屬性表文件，獲取當(dāng)前臺(tái)風(fēng)的坐標(biāo)信息。用ArcMap的Model Bulider制作緩沖工具，并在ArcCatalog中發(fā)布服務(wù)，獲取工具的地址。通過FlashBulider調(diào)用工具的REST地址，通過響應(yīng)的數(shù)據(jù)在客戶端繪制緩沖區(qū)。

2） 在服務(wù)器后臺(tái)加載已有的歷史臺(tái)風(fēng)信息，通過GIS的緩沖區(qū)分析，最終是的圖層屬性的疊加合并。這樣也就獲得了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。接下來就要在FlashBulider中通過對(duì)圖層的屬性文件相關(guān)操作，讀取并保存疊加分析后的數(shù)據(jù)。

3） 計(jì)算相似度。把現(xiàn)在的臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)和的疊加分析后的歷史臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行相似的計(jì)算，在緩沖區(qū)范圍之內(nèi)，計(jì)算距離的加權(quán)平均和，選出最優(yōu)解。

3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息平臺(tái)是基于服務(wù)器端的IIS和ArcServer，客戶端就是瀏覽器，開發(fā)平臺(tái)是Flex，輔助工具有ArcCatalog和ArcMap?？蛻舳酥饕墙邮苡脩舻恼?qǐng)求及顯示服務(wù)器響應(yīng)的結(jié)果。大部分的業(yè)務(wù)邏輯都是在GIS服務(wù)端，其負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理及響應(yīng)的傳送。

3.2 邏輯模型設(shè)計(jì)

表現(xiàn)層是平臺(tái)的訪問入口，主要負(fù)責(zé)請(qǐng)求的發(fā)送和響應(yīng)結(jié)果的呈現(xiàn)[10]。本系統(tǒng)的表現(xiàn)層就是瀏覽器，它只是把用戶的請(qǐng)求封裝打包，然后轉(zhuǎn)交給Web層，最終交給業(yè)務(wù)邏輯層處理。它更不會(huì)與數(shù)據(jù)層進(jìn)行交互，中間是通過Web層進(jìn)行隔離的。它主要用來為用戶提供與服務(wù)器交互的平臺(tái)，隱藏業(yè)務(wù)邏輯層的復(fù)雜。

Web層就相當(dāng)于一個(gè)中間件，主要用于接受用戶的請(qǐng)求和封裝服務(wù)器的響應(yīng)結(jié)果，接受用戶的請(qǐng)求之后調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的響應(yīng)功能進(jìn)行處理，然后把處理結(jié)果打包發(fā)給表現(xiàn)層。Web層也相當(dāng)于一個(gè)隔離層，把表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)邏輯層分開，避免表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)邏輯層過于耦合，使軟件更易擴(kuò)展和維護(hù)。

業(yè)務(wù)邏輯層是整個(gè)邏輯設(shè)計(jì)的核心，負(fù)責(zé)所有的業(yè)務(wù)處理。它是Web層和持久層通信的中間者，對(duì)兩者之間起承接作用，這就使得Web層和持久層處于一種松耦合的關(guān)系，使得設(shè)計(jì)更加靈活。

持久層也稱數(shù)據(jù)層，是整個(gè)設(shè)計(jì)的信息中心。直接與業(yè)務(wù)邏輯層通信，主要滿足業(yè)務(wù)邏輯層的請(qǐng)求，然后給予必要的響應(yīng)。

這種B/S的多層結(jié)構(gòu)，削弱表現(xiàn)層的責(zé)任和減少表現(xiàn)層的壓力，避免各層之間的過度依賴，處于低耦合的關(guān)系[11]。業(yè)務(wù)邏輯的變化，不會(huì)影響表現(xiàn)層、Web層因?yàn)楸憩F(xiàn)層只負(fù)責(zé)顯示，不牽扯業(yè)務(wù)邏輯，而Web層通過接口調(diào)用，與具體的實(shí)現(xiàn)無關(guān)。整個(gè)構(gòu)建易于擴(kuò)展和維護(hù)。

4 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與開發(fā)

4.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于本平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，軟件在功能上主要分為兩類，分別是地圖基本操作和臺(tái)風(fēng)模塊。

地圖基本模塊主要實(shí)現(xiàn)搜索、測(cè)量、繪圖、書簽、截圖、打印等功能。

臺(tái)風(fēng)模塊是本軟件的核心模塊。包括信息查詢、瀏覽統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)繪圖小模塊。信息查詢能夠?qū)ε_(tái)風(fēng)的分布情況及臺(tái)風(fēng)路線的預(yù)測(cè)；瀏覽統(tǒng)計(jì)能夠?qū)ε_(tái)風(fēng)的基本信息進(jìn)行瀏覽，并統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)的分布和屬性的變化情況；實(shí)時(shí)繪圖能夠?qū)崿F(xiàn)客戶端的動(dòng)態(tài)繪圖功能。

空間要素的存儲(chǔ)是由系統(tǒng)完成的，只需要輸入臺(tái)風(fēng)基本信息，包含中心氣壓，風(fēng)速等字段。其實(shí)空間數(shù)據(jù)也是由二維表存儲(chǔ)的，本文中ArcSDE就相當(dāng)預(yù)拆解與組裝的工人，把空間要素拆分成二維信息，然后存放在數(shù)據(jù)庫中。

本文的數(shù)據(jù)主要存放在Shapefile文件和數(shù)據(jù)庫中。要發(fā)布要素服務(wù)的圖層，屬性必須通過ArcSDE存放于SQL Server中，因?yàn)橐胤?wù)關(guān)系到數(shù)據(jù)的讀取。把Shapefile文件通過ArcSDE映射到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，提高空間要素的查詢效率，并能有效的管理空間要素，是存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的主要方式。臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息平臺(tái)是由表現(xiàn)層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和持久層四層架構(gòu)組成。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上把所有的業(yè)務(wù)邏輯處理都放在后臺(tái)服務(wù)器中，即各功能模塊的運(yùn)行環(huán)境是在服務(wù)器端，客戶端僅是系統(tǒng)的入口，負(fù)責(zé)處理結(jié)果的呈現(xiàn)。

4.2 系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，應(yīng)該細(xì)化系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)的步驟之后，應(yīng)該能夠精準(zhǔn)地確定臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)具體要怎么做，怎么設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能模塊[12]。確定功能模塊，選擇編程語言來實(shí)現(xiàn)，本文采用的是Flex，完成各個(gè)功能模塊代碼的編寫。

臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息系統(tǒng)是由表現(xiàn)層、Web層、業(yè)務(wù)邏輯層和持久層四層架構(gòu)組成。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上把所有的業(yè)務(wù)邏輯處理都放在后臺(tái)服務(wù)器中，即各功能模塊的運(yùn)行環(huán)境是在服務(wù)器端，客戶端是系統(tǒng)的入口，負(fù)責(zé)處理結(jié)果的呈現(xiàn)。

（a）系統(tǒng)主界面

（b）臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵點(diǎn)的屬性查詢

（c）臺(tái)風(fēng)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的遙感影像圖

（d）實(shí)時(shí)繪圖功能

5 結(jié)束語

本文通過開源的Flex框架和WebGIS的關(guān)鍵技術(shù)，分析總結(jié)了國內(nèi)臺(tái)風(fēng)信息系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合具體的、實(shí)際的需求，構(gòu)建出以臺(tái)風(fēng)信息顯示、查詢?yōu)檩o，分析管理為主的臺(tái)風(fēng)信息服務(wù)平臺(tái)。開發(fā)平臺(tái)使用Flex，Web服務(wù)器采用IIS架設(shè)，GIS服務(wù)器ArcServer提供強(qiáng)大的的業(yè)務(wù)功能，ArcSDE和SQL Server負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存取。在這樣的系統(tǒng)架構(gòu)中，用戶可以很方便通過瀏覽器和服務(wù)器進(jìn)行交互，具有良好的用戶體驗(yàn)。

該平臺(tái)將地圖和臺(tái)風(fēng)信息進(jìn)行融合，不僅內(nèi)容豐富而且通俗易懂，使用戶能夠清晰的了解臺(tái)風(fēng)信息。臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)不是對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，而是提供一種快速預(yù)測(cè)的辦法，在氣象部門給出準(zhǔn)確的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)之前預(yù)測(cè)可能的臺(tái)風(fēng)路徑和影響范圍，為城市進(jìn)行臺(tái)風(fēng)應(yīng)急救災(zāi)工作提供決策依據(jù)。

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