基于百度地圖API的氣象信息顯示系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 曄 暉

(民航寧夏空管分局氣象臺， 寧夏 銀川 750009)

準確判斷復雜天氣演變趨勢，及時發(fā)布氣象預報，這是民航氣象預報員工作的重要內(nèi)容。氣象預報的準確率問題尤其是復雜天氣預報的準確率問題，是氣象預報系統(tǒng)研究的熱點和難點問題。劉艷中等人對氣象自動站數(shù)據(jù)進行歸類，結(jié)合百度地圖，研究了氣象自動站系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)控問題[1-2]；白學文等人探討了百度地圖在氣象精細化預報中的作用[3]；朱劍明等人以百度地圖API為基礎(chǔ)，結(jié)合預報員需求，設(shè)計了基于百度地圖API的全國機場天氣警報系統(tǒng)[4]。他們的研究成果都具有十分重要的實用價值，但現(xiàn)有系統(tǒng)在數(shù)據(jù)顯示方面仍然存在一些不足。

為了解決民航氣象預報系統(tǒng)在數(shù)據(jù)顯示方面的問題，我們研究設(shè)計了基于百度地圖API的氣象信息顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集寧夏地區(qū)各縣市部署的區(qū)域氣象自動站數(shù)據(jù)，按經(jīng)緯度坐標[5]實時將各種氣象要素顯示到百度地圖上，同時將銀川河東機場發(fā)布的實況報文信息以圖形化方式顯示出來。通過改進傳統(tǒng)字符串搜索算法[6-7]，提高了查找效率。

1 系統(tǒng)總體框架及流程

氣象信息顯示系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括客戶端、民航氣象數(shù)據(jù)庫服務器、Web服務器、百度地圖API服務器、氣象自動站服務器和瀏覽器、路由器、防火墻、交換機。系統(tǒng)設(shè)計模式基于BS架構(gòu)，客戶端先通過Web服務器訪問民航氣象防火墻，獲得允許后訪問氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)服務器和氣象自動站服務器，獲取機場實況報文信息及寧夏地區(qū)各縣市氣象要素。通過Internet將數(shù)據(jù)發(fā)送給瀏覽器，瀏覽器訪問百度地圖API服務器，最后在瀏覽器上將機場氣象報文和寧夏地區(qū)氣象自動站數(shù)據(jù)疊加在百度地圖上。

圖1 氣象信息顯示系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2 字符串搜索算法優(yōu)化

假設(shè)有一字符串a(chǎn)為BBCABCDABABCDABCDABDE，需要搜索的字符串b為ABCDABD。按照傳統(tǒng)算法，要把需搜索字符串的每個字符拿去與已有字符串逐一進行比對。其中，存在一個位置重復比對多次的情況，效率較差，而復雜度較高。假設(shè)兩個字符串長度分別為n和m，這種算法的時間復雜度O=m*n?，F(xiàn)在對傳統(tǒng)算法稍做改進，可在搜索過程中去掉重復比較的部分，優(yōu)化搜索詞每次移動的位數(shù)。

以搜索字符串ABCDABD為例：

A的前綴和后綴均為空，共有元素長度為0；

AB的前綴{[A]}與后綴{[B]}共有元素長度為0；

ABC的前綴{[A，AB]}和后綴{[BC，C]}共有元素長度為0；

ABCD的前綴{[A，AB，ABC]}和后綴{[BCD，CD，D]}共有元素長度為0；

ABCDA的前綴{[A，AB，ABC，ABCD]}和后綴{[BCDA，CDA，DA，A]}共有元素長度為1[A]；

ABCDAB的前綴{[A，AB，ABC，ABCD，ABCDA]和后綴{[BCDAB，CDAB，DAB，AB，B]}共有元素最大長度為2[AB]；

ABCDABD的前綴{[A，AB，ABC，ABCD，ABCDA，ABCDAB]和后綴{[BCDABD，CDABD，DABD，ABD，BD，D]}共有元素最大長度為0。

于是，ABCDABD的前綴和后綴最長公共元素如表1所示。

表1 字符串最長公共元素

按照新的匹配算法，搜索字符串移動位數(shù)為已經(jīng)匹配的字符數(shù)減去對應的部分匹配值。要在字符串a(chǎn)中，搜索字符串b，算法流程(見圖2)如下。

(1) 比對字符串a(chǎn)與b的第一個字符。

(2) 比對結(jié)果，B與A不匹配，字符串b后移一位。

(3) b的第一個字符A與a的第二個字符B不匹配，字符串b后移一位。

(4) 重復第一、第二步，直到發(fā)現(xiàn)字符串a(chǎn)有一個字符與搜索字符串b的第一個字符相同。

(5) 比對結(jié)果相同，則比較a和b的下一個字符。

(6) 重復前面的步驟，直到比對完字符串b的所有字符。

搜索詞后移位數(shù)為已經(jīng)匹配的字符減去部分匹配值。如果兩個字符串的長度分別為n和m，經(jīng)過優(yōu)化后，算法的時間復雜度降低，O=m+n，提高了搜索效率。

圖2 字符串搜索算法流程

3 系統(tǒng)功能及其實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括氣象自動站數(shù)據(jù)顯示、機場氣象數(shù)據(jù)監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置三大部分(見圖3)。

(1) 顯示地方氣象自動站數(shù)據(jù)。讀取寧夏各縣區(qū)氣象自動站數(shù)據(jù)，在Web頁面上進行實時監(jiān)控顯示，每10 min自動刷新一次數(shù)據(jù)。地圖顯示等級為7級，用戶雙擊鼠標，對百度地圖進行縮放。鼠標點擊相關(guān)縣區(qū)氣象站，會顯示溫度、濕度、風向、風速、氣壓、云高、雨量等詳細氣象要素。設(shè)有檢索按鈕，用戶輸入地點，點擊檢索，地圖會自動定位到該地點，并顯示相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。為有效監(jiān)控自動站數(shù)據(jù)，地圖上有數(shù)據(jù)的氣象站添加紅色覆蓋物，無數(shù)據(jù)的則不添加。通過紅色覆蓋物，可判斷站點資料是否完整。

(2) 監(jiān)控機場氣象數(shù)據(jù)。管理顯示從機場獲取的數(shù)據(jù)，讀取機場氣象自動站數(shù)據(jù)和發(fā)布的實況報文，顯示在百度地圖上。為方便預報員進行天氣趨勢判斷，網(wǎng)頁上顯示最近3 h內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)。

(3) 系統(tǒng)設(shè)置。對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置，管理本地自動氣象站數(shù)據(jù)?？蓪Ρ镜刈詣託庀笳菊军c進行增加、刪除；可設(shè)置報表默認輸出目錄，方便預報員對以往數(shù)據(jù)進行查看復盤；可設(shè)置復雜天氣告警條件，如風速大于8 ms，能見度小于1 000 m等，達到預警閾值時，頁面出現(xiàn)告警信息。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用Windows 7自帶的IIS(Internet 信息服務器)作為Web服務器，結(jié)合相關(guān)技術(shù)如Web Service、ASP.NET、SQL SERVER Agent等進行軟件開發(fā)。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)分為3層，分別為表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層，在邏輯上相互獨立，有利于后期系統(tǒng)的擴展(見圖4)。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 表示層。由氣象信息監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置2個部分組成，采用瀏覽器服務器模式(BS)進行設(shè)計，在網(wǎng)頁上對氣象信息進行監(jiān)控顯示。當站點某個要素超過所設(shè)閾值時系統(tǒng)顯示告警，同時將告警信息記錄在后臺，用戶可對近期一段時間內(nèi)的告警信息進行查詢分析。通過參數(shù)設(shè)置，用戶對系統(tǒng)進行控制，如設(shè)置站點數(shù)量、告警閾值、氣象要素、文檔默認輸出目錄等。用戶可根據(jù)不同天氣狀況，靈活設(shè)置各項參數(shù)。

(2) 業(yè)務邏輯層。采用Java Script定時器和JQuery AJAX異步刷新技術(shù)。定時器每10 min循環(huán)啟動一次，后臺進程讀取地方自動站氣象資料和機場氣象資料，并對資料進行解析，抽取所需氣象要素和相關(guān)經(jīng)緯度坐標。設(shè)置一進程，讀取解析后的氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)緯度坐標將數(shù)據(jù)在百度地圖上進行加載顯示。百度地圖比較大，每次只需更新相關(guān)站點資料，無需重新加載全部地圖。采用JQuery AJAX異步刷新技術(shù)，在不重新加載地圖的情況下，更新站點數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)訪問層。由數(shù)據(jù)訪問模塊、圖表配置訪問模塊和服務訪問模塊組成。數(shù)據(jù)訪問模塊，采用基于ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，創(chuàng)建訪問SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的程序接口。圖表配置模塊，讀取氣象資料，寫入數(shù)據(jù)到XML文件進行配置。Fusionchart插件通過讀取配置后的.XML文件，圖形化顯示近期復雜天氣。

3.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.3.1 JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

JSON(JavaScript Object Notation)是存儲和交換文本信息的一種語法，是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，類似于XML，但比XML更小、更快、更容易進行解析，通常用于在服務器之間進行數(shù)據(jù)交換。JSON數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括映射集合({})、并列集合([])。JSON數(shù)據(jù)格式為：名稱賦值，用“，”表示并列數(shù)據(jù)，用“：”表示映射。

系統(tǒng)包含寧夏地區(qū)部署的氣象自動站實時氣象數(shù)據(jù)、銀川河東機場自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及機場氣象數(shù)據(jù)庫報文數(shù)據(jù)，這些氣象數(shù)據(jù)信息以JSON數(shù)據(jù)格式從服務器端傳輸給瀏覽器端。處理后的氣象自動站系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表2所示，提取后的機場氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 氣象自動站系統(tǒng)數(shù)據(jù)元素

表3 氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)元素表

銀川河東機場地處靈武市與賀蘭縣之間，靈武和賀蘭的氣象自動站數(shù)據(jù)對機場具有比較高的參考價值。以靈武、賀蘭為例，其氣象自動站數(shù)據(jù)的JSON格式為：

[{“city”:“賀蘭”,“l(fā)ng”:“|38.55”,“l(fā)at”:“106.35”,“wddir”:“北風”,“wdspe”:“8.2”,“pre”:“1013.1”,“tep”:“7.5”, “hum”:“42%”, “clo”:“NCD”, “rai”:“”}……]

以機場氣象臺發(fā)布的實況報文為例，銀川河東機場氣象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)的JSON數(shù)據(jù)格式為：

[{“cccc”:“ZLIC”,“tt”:“SA”,“kk”:“37”,“cont”:“METAR ZLIC 220200Z 03002MPS 9000 NSC M06M16 Q1030 NOSIG=”, “temp”:“8.1”,“vis”:“9000”,“wddir”:“30”,“wdspd”:“02”,“pw”:“”,“hum”:“40%”}……]

3.3.2 機場近期復雜天氣統(tǒng)計顯示

為方便預報員準確分析近期天氣，提升預報準確率，系統(tǒng)使用Fusionchart插件，結(jié)合XML語言、JavaScript訪問氣象數(shù)據(jù)庫，將最近河東機場發(fā)生的復雜天氣要素如大風、沙塵、能見度等以柱狀條形圖的形式顯示在頁面上。設(shè)置一函數(shù)，將取到的數(shù)據(jù)庫值轉(zhuǎn)化成XML格式，然后將數(shù)據(jù)傳遞給后臺JavaScript；JavaScript利用獲取的數(shù)據(jù)，結(jié)合Fusionchart插件，進行繪圖顯示。

3.3.3 氣象數(shù)據(jù)的獲取與顯示

使用百度地圖地理信息定位技術(shù)，構(gòu)建基于站點定位的氣象信息顯示系統(tǒng)。為方便應用，系統(tǒng)設(shè)計分為2個部分。在系統(tǒng)界面左上角設(shè)計一個搜索對話框，在對話框中輸入站點，可快速定位到相關(guān)站點，查看其信息。系統(tǒng)界面中間為寧夏地區(qū)各縣市氣象自動站信息，在此區(qū)域移動和點擊鼠標時，會顯示當?shù)刈詣诱練庀笮畔?。界面右邊，統(tǒng)計顯示銀川河東機場自動觀測系統(tǒng)近一年來的復雜天氣要素如大風、沙塵、能見度的變化柱狀圖，鼠標經(jīng)過柱狀圖時，數(shù)據(jù)自動進行局部刷新。

4 系統(tǒng)性能測試與評估

從字符搜索效率、實時性和系統(tǒng)穩(wěn)定性3個方面，對系統(tǒng)進行分析評估。

4.1 字符搜索效率

傳統(tǒng)算法的時間復雜度O=m*n，改進后算法的時間復雜度O=m+n，搜索速度有所提高。實驗環(huán)境：Win7操作系統(tǒng)，內(nèi)存4.0 G，操作平臺是Visual studio 2012；選取的樣本容量為10 MB數(shù)據(jù)的文本文檔，匹配串為10～45字節(jié)，梯度為5。實驗目的：測試傳統(tǒng)算法和改進算法的字符搜索效率。測試結(jié)果見表4。

表4 兩種算法的字符串搜索時間

從表4可以看出，與傳統(tǒng)的搜索算法相比，改進后的算法優(yōu)勢明顯。在字符串相同的情況下，改進后算法搜索所用時間，僅為傳統(tǒng)算法用時的1.69%～1.85%。隨著匹配字符串長度的增加，搜索用時有所增加，但增加幅度較小，也就是說匹配字符串的長度對算法結(jié)果的影響很小。

4.2 實時性

系統(tǒng)設(shè)置了定時器，每10 min對數(shù)據(jù)更新一次，保證了用戶對數(shù)據(jù)的實時性要求。為加快數(shù)據(jù)響應，在鼠標移動時，實現(xiàn)局部站點氣象信息刷新。鼠標移動至某個站點時，該站點的數(shù)據(jù)立即進行更新。系統(tǒng)采用AJAX異步傳輸技術(shù)，在不重新加載百度地圖的情況下，實現(xiàn)單個站點更新氣象數(shù)據(jù)，克服了全部站點一起更新而系統(tǒng)響應慢的問題。從技術(shù)上保障了實時性功能的實現(xiàn)，頁面加載速度非常迅速，在日常業(yè)務應用中效果明顯。

4.3 穩(wěn)定性

選取2017年6月1日至8月1日為一個運行周期，測試軟件系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)在60×24 h不間斷的運行環(huán)境下，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)更新不及時、地圖無法加載、用戶無響應、運行速度慢等異?，F(xiàn)象。在自動站數(shù)量達到一定規(guī)模時，系統(tǒng)均正常工作，無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象出現(xiàn)。在這期間，用戶均可以通過客戶端進行訪問。在2017年銀川河東機場的氣象保障、報文發(fā)布、風切變預警等多次氣象服務中，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，發(fā)揮了重要作用，效果明顯。