開源輕量級GIS組件在氣象數(shù)據(jù)可視化中的應用

李曉勇 李紅玉 熊胤帆 黃忠華

（四川省瀘州市氣象局 四川省瀘州市 646000）

氣象數(shù)據(jù)是相對于具體的空間和時間而言的，具有天然地理空間屬性。面對高頻次、龐大的氣象數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的表達形式難以有效呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)背后所蘊含的信息內(nèi)容，對數(shù)據(jù)進行圖形化分析顯得尤為重要[1]。氣象數(shù)據(jù)多源、多維、多尺度等特點，且其空間尺度、時間跨度呈現(xiàn)多樣性，基于GIS 背景場的數(shù)據(jù)可視化能充分表達氣象數(shù)據(jù)的空間屬性。

1 開源GIS系統(tǒng)簡介

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術系統(tǒng)，近年來得到了廣泛關注和迅猛發(fā)展。開源GIS 基于不同的知識產(chǎn)權許可證，深入影響到許多行業(yè)的發(fā)展。過去四十年的發(fā)展，今天已演變出許多具有開創(chuàng)性和影響力的應用。其中，開源輕量級GIS 軟件系統(tǒng)具有業(yè)務數(shù)據(jù)無縫空間化、開發(fā)接口簡單、部署方便等優(yōu)點，能夠滿足除專業(yè)級GIS應用和GIS 制圖應用外的大部分應用需求，在面向服務的應用系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛應用。本文針對GMap.NET、Leaflet 在氣象數(shù)據(jù)可視化中的應用技術問題進行探討。

1.1 GMap.NET

GMap.NET 是一個免費、跨平臺、開源的.NET 控件，應用于Windows Forms 和WPF 環(huán)境中，通過地圖廠商發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)地圖展示、地理編碼、路徑查找等功能，并支持緩存和運行在Mobile 環(huán)境中。同時，GMap.NET 還實現(xiàn)了一系列底層功能，如地圖Tile 的管理、坐標轉換等。

1.2 Leaflet

Leaflet 是一個為建設移動設備友好的互動地圖而開發(fā)的開源JavaScript 庫[2]。Leaflet 整個設計簡單、高效、可用性好，在幾乎所有主要桌面和移動平臺均能高效運行，既利用了HTML5 和CSS3 的優(yōu)勢，同時也支持舊的瀏覽器訪問。擁有大多數(shù)開發(fā)者所需要的所有地圖功能，它支持直接調(diào)用OpenStreetMap、Mapbox、CartoDB 等主流地圖數(shù)據(jù)，進行地理信息數(shù)據(jù)的可視化操作。除了這些在線地圖素材外，它對于shapefile 格式和json 格式以及sp 包的空間數(shù)據(jù)格式的地圖數(shù)據(jù)都有著很好的支持，在圖層函數(shù)中涵蓋了點標記、線條和多邊形等常用地理信息可視化圖形要素。

表1：瓦片地圖服務標準

2 瓦片地圖源的擴展

GMap.NET、Leaflet 缺省MapProvider 支持的是國外開源（如OpenStreetMap）與成熟商業(yè)的（如Google、ArcGIS）瓦片地圖服務，對國內(nèi)目前主流的百度、高德、騰訊等瓦片地圖源并不直接支持。但leaflet、GMap.NET 良好的開放架構為這些地圖的應用提供了便利的接口。

2.1 瓦片地圖服務（TMS）的基本特性

開源與成熟商業(yè)的瓦片地圖服務（TMS-Tile Map Service，WMTS-Web Map Tile Service），都有共同的特性，基本成為了標準，如表1 所示。

2.2 地圖源擴展的基本思路

Leaflet、GMAP.NET 采取了良好的代碼結構，每個模塊之間的聯(lián)系也都是基于接口進行編程。地圖數(shù)據(jù)源的接口也遵循了這個原則，用戶可以派生新類，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)源的訪問邏輯。當客戶端在初始化調(diào)用MapProvider 的時候，就會根據(jù)不同地圖的不同規(guī)則進行數(shù)據(jù)加載。因此擴展的基本思路是：新增實現(xiàn)高德、百度、騰訊等地圖接口，接口中具體實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加載規(guī)則。其中高德地圖源接口無需變換加載規(guī)則；騰訊地圖僅需要在Y 方向做編碼變換；百度地圖除新增地圖接口外，需要重寫數(shù)據(jù)投影變換規(guī)則。

2.2.1 GMAP.NET 地圖源擴展示例

以C#語言擴展騰訊瓦片地圖源為例，說明地圖源的擴展思路：

2.2.2 Leaflet 地圖源擴展示例

Leaflet 地圖源擴展相對簡單，分析各種瓦片地圖源瓦片訪問規(guī)則，確定URL 模板，使用TileLayer 添加一個瓦片圖層到地圖中。創(chuàng)建地圖瓦片圖層通常涉及設置瓦片圖像的URL 模板，屬性文本和該圖層的最大縮放級別。在下面例子中，我們通過StaticAPI 調(diào)用高德瓦片地圖服務資源。

3 基于輕量級GIS組件的氣象數(shù)據(jù)可視化方法

隨著科技的發(fā)展，氣象數(shù)據(jù)作為基礎的支持信息，已經(jīng)和各個行業(yè)形成緊密的聯(lián)系，對氣象數(shù)據(jù)的可視化日益重要。氣象數(shù)據(jù)可視化將主流的氣象數(shù)據(jù)類型做模塊化封裝，提供數(shù)據(jù)和可視化的對接解決方案，使海量的氣象數(shù)據(jù)以圖形化的方式呈現(xiàn)在用戶的視野之中。對于氣象數(shù)據(jù)，等值線圖、色斑圖結合GIS 系統(tǒng)是數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)可視化的有效手段。在專業(yè)氣象服務中，多以可視化平臺取代傳統(tǒng)的紙質、郵件等服務形式，用戶獲取的信息量大幅增加，服務效果得到明顯改善。

利用GMap.NET、Leaflet 可以快速進行桌面和前端服務系統(tǒng)開發(fā)?；谶@些輕量級GIS 組件的氣象數(shù)據(jù)可視化涉及氣象數(shù)據(jù)的封裝，氣象數(shù)據(jù)圖層、輔助說明圖層的疊加，數(shù)據(jù)渲染等主要問題。

3.1 氣象數(shù)據(jù)的處理與封裝

氣象數(shù)據(jù)類型繁多，需要對數(shù)據(jù)進行再加工處理以滿足本地化業(yè)務應用的實際需求。通過后臺業(yè)務數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成各類數(shù)據(jù)收集、解碼，提取數(shù)據(jù)地理信息、氣象要素信息等，應用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織管理。采用面向服務(Service-Oriented Ar-chitectare，SOA) 的 架 構 設 計， 使 用JSON(JavaScriptObject Notation) 或GeoJSON 格式封裝數(shù)據(jù)，使得氣象數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中易于傳輸和解析。通過Web Service 接口提供數(shù)據(jù)服務，為用戶提供統(tǒng)一的訪問接口，隔離用戶對數(shù)據(jù)庫的直接訪問，從而屏蔽了各類數(shù)據(jù)庫的結構、運行環(huán)境、網(wǎng)絡分布以及具體的物理位置上的差異，保障了數(shù)據(jù)訪問的規(guī)范和安全。

3.2 氣象數(shù)據(jù)圖層的構建

在開源GIS 中，業(yè)務圖層一般通過GIS 的圖層函數(shù)，以地圖元素加以構建。地圖元素包括地圖標記（Marker）、多邊形（Polygon）、圖像（Image）等，利用這些地圖元素實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)隨地理空間變化的表達。

開源GIS 基于接口進行編程的架構為氣象數(shù)據(jù)圖層疊加提供了便捷的方法，可采用如下三種實現(xiàn)路徑：

（1）通過Polygon 接口，實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品等值面的繪制。接口需要對產(chǎn)品的等值線進一步做閉合處理，形成適合于疊加顯示的等值面，最終實現(xiàn)利用Polygon 接口繪制氣象要素色斑圖。氣象數(shù)據(jù)預處理的基本流程是：氣象數(shù)據(jù)柵格化處理-＞等值線追蹤-＞等值線平滑-＞輸出等值線信息（包括地理坐標、等值線值、色標等），形成可用于繪圖的數(shù)據(jù)。用JSON 描述數(shù)據(jù)如下：

應用Polygon 進行繪圖的優(yōu)點在于可在桌面或前端系統(tǒng)中進行矢量圖渲染。

（2）通過Marker 接口，定制地圖Marker，在Marker 中呈現(xiàn)氣象要素及其它相關信息。以Gmap.NET 為例，說明如下：

（3）圖像圖層疊加。脫離于GIS 系統(tǒng)，在其它平臺或系統(tǒng)中輸出需要的氣象要素圖，同步獲取圖像的地理范圍（圖像左上角、右下角地理坐標），并對產(chǎn)品圖像進行去背景和透明度處理以適合圖層疊加顯示。在Leaflet 中其實現(xiàn)代碼如下：

3.3 輔助圖層的疊加

對于前端系統(tǒng)開發(fā)，Leaflet 提供了DOM 操作支持，實用程序可與Leaflet 內(nèi)部使用的DOM Tree 配合使用，大多數(shù)情況返回一個HTMLElement，且同樣適用于SVG 元素。唯一的區(qū)別是，類引用HTML 中的CSS 類和SVG 中的SVG 類。這給我們在地圖中添加其它輔助性圖層提供了便捷，豐富了系統(tǒng)的顯示信息。以下是在Leaflet 中添加標題圖層示例：

4 小結

開源、輕量級GIS 系統(tǒng)顯著降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本和難度，可廣泛應用于氣象行業(yè)平臺和系統(tǒng)研發(fā)。GMap.NET、Leaflet 均以在線地圖作為地圖數(shù)據(jù)源，基于接口的開發(fā)應用有明顯的相似性。GMap.NET 建立在.NET 環(huán)境，可廣泛應用于Windows 桌面系統(tǒng)開發(fā)；Leaflet 作為開源的JavaScript 庫，既可以用于Web 系統(tǒng)建設，也可以用于為建設移動設備友好的互動地圖系統(tǒng)。氣象數(shù)據(jù)天然具備的空間屬性，結合這些開源、輕量級GIS 系統(tǒng)，可以更充分表達氣象數(shù)據(jù)的空間屬性，減少開發(fā)周期，應用前景廣泛。