基于WebGIS的全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)設計

薛勝軍，王 鑫，鄭衛(wèi)江，鄭金偉

(1.武漢理工大學計算機科學與技術(shù)學院，湖北武漢430063;2.南京信息工程大學計算機與軟件學院，江蘇南京210044;3.國家氣象中心系統(tǒng)開放實驗室，北京100081)

隨著信息技術(shù)與氣象行業(yè)的融合日新月異，利用先進的技術(shù)手段來獲取、分析、處理和展現(xiàn)氣象信息是我國氣象事業(yè)發(fā)展的必由之路。GIS技術(shù)，即地理信息系統(tǒng)也正逐漸應用在氣象領域，給氣象業(yè)務帶來了極大的便利［1］。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，以Web的方式來獲取氣象信息也是一種必然趨勢。

在中央氣象臺的業(yè)務需求中，對全國自動站降水量進行實況監(jiān)測的需求一直存在。該項業(yè)務可以使相關(guān)業(yè)務人員對全國的降水信息進行實時監(jiān)測，直觀了解當前及歷史的氣象自動站降水信息，但是目前還沒有一個完好的系統(tǒng)或平臺來完成這項任務。針對中央氣象臺實際的業(yè)務需求，闡述了如何依托先進的WebGIS技術(shù)，建立全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)的過程，可為氣象監(jiān)測和預測工作提供輔助與參考。

1 WebGIS與RIA技術(shù)

WebGIS(網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng))是基于Internet平臺，客戶端應用軟件采用網(wǎng)絡協(xié)議，運用在Internet上的地理信息系統(tǒng)［2］。它是為適應當前計算機網(wǎng)絡技術(shù)演進而來的一種新興GIS應用方式［3－4］。

由于Internet帶寬的增加、速度的大幅提升，使得Web表現(xiàn)層技術(shù)由傳統(tǒng)的HTML頁面方式正逐漸發(fā)展為更注重用戶體驗，更具有互動性的富互聯(lián)網(wǎng)應 用(rich internet applications，RIA) 方 式［5］。RIA客戶端開發(fā)技術(shù)包括Adobe公司的Flash/Flex、微軟公司的SilverLight和SUN公司的JavaFX等。在GIS領域，美國環(huán)境系統(tǒng)研究公司(environmental systems research institute，inc.簡稱 ESRI公司)所發(fā)布的ArcGISAPI for Flex就是將RIA技術(shù)運用在WebGIS系統(tǒng)中的一門新興技術(shù)［6］。

使用ArcGIS API for Flex能夠開發(fā)出具有ArcGISServer服務的WebGIS應用程序。該項技術(shù)運用在氣象軟件領域中，可以使用戶獲得的氣象信息更加直觀，更具有互動性。全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)中央氣象臺業(yè)務相關(guān)人員的需求，以ArcGISAPI for Flex開發(fā)出的具有實時監(jiān)測全國自動站實況降水功能的氣象業(yè)務系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計思想與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)技術(shù)路線

全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)，采用B/S(瀏覽器/服務器)的架構(gòu)方式。系統(tǒng)開發(fā)所用語言是Java和Flex，瀏覽器端程序采用Flex語言進行開發(fā)，服務器端程序采用Java進行開發(fā)。開發(fā)工具使用Eclipse 3.6，F(xiàn)lash Builder 4插件。Web服務器使用Tomcat 5.5與Blaze DS，地理信息GIS服務器使用ArcGISServer 9.3，數(shù)據(jù)庫服務器使用My SQL 5.1。系統(tǒng)技術(shù)路線如表1所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)路線

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S系統(tǒng)的架構(gòu)模式，可有效地將客戶瀏覽器端、Web服務器端、數(shù)據(jù)庫服務器端和GIS服務器端整合在一起，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(1)瀏覽器端。瀏覽器端程序的開發(fā)主要使用了 ArcGIS Server API for Flex技術(shù)。通過該API可創(chuàng)建用戶界面直觀、視覺效果豐富且易響應的富互聯(lián)網(wǎng) GIS 應用程序［7－8］。

ArcGISServer是一個基于Web的企業(yè)級GIS解決方案，ArcGISServer為創(chuàng)建和管理基于服務器的GIS應用提供了一個高效的框架平臺。它充分利用了ArcGIS的核心組件庫ArcObjects，并且基于工業(yè)標準提供 WebGIS 服務［9］。ArcGIS Server為開發(fā)WebGIS應用提供了不同開發(fā)平臺使用的WebAPI，其中包括:ArcGIS API for JavaScript、Arc-GIS API for Flex、ArcGIS API for Microsoft Silverlight/WPF、.NETWeb ADF、JavaWeb ADF［10］。

(2)服務器端。該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源于國家氣象中心Micaps服務器中的實況降水數(shù)據(jù)。該服務器中存放了來自于全國自動站的每個小時的降水信息，均以文件形式進行保存，文件名以時間進行命名。

后臺服務器Java程序包括兩個基本模塊:數(shù)據(jù)定時導入模塊，數(shù)據(jù)庫查詢模塊。

數(shù)據(jù)定時導入模塊是按一定的時間間隔定時訪問Micaps服務器，遍歷每小時自動站降水文件，將最新的降水信息導入到My SQL數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫查詢模塊部署在JavaEE服務器Tomcat中，用來處理瀏覽器端Flex應用程序的數(shù)據(jù)查詢請求。在技術(shù)上使用了Blaze DS，它是一個基于服務器的Java遠程調(diào)用和Web消息傳遞技術(shù)，能夠讓后臺的Java應用程序和運行在瀏覽器上的Flex應用程序相互通信。

3 數(shù)據(jù)庫設計

全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源是Micaps文件服務器中的實況降水文件。文件是以每小時降水的時間來命名的，例如(10120513)。某一時次的文件內(nèi)容為:氣象自動站站號、經(jīng)度、緯度、降水值。例如(724611 131.13 45.34 3.2)。

數(shù)據(jù)庫采用輕量級的My SQL。根據(jù)Micaps文件信息，建立兩個基本表(降水值表和站點表)如表2和表3所示。

表2 降水值表

表3 站點表

在站點表中存儲全國氣象自動站信息，包括143個基準站，1 591個一般站，29 341個區(qū)域站的基本信息。

在表2中，數(shù)據(jù)包括記錄id、降水時間、站點id、緯度、經(jīng)度和降水值等，該表提供了查詢自動站降水的基本信息。

在表3中，數(shù)據(jù)包括全國自動站的站號、站名、緯度、經(jīng)度、站類及所屬省、市、縣等信息，可以結(jié)合表2提供完整的全國某一時次的降水信息。

數(shù)據(jù)定時導入模塊中的降水值表數(shù)據(jù)維護程序是指在Tomcat中，部署有定時讀取MICAPS文件，并導入到數(shù)據(jù)庫降水值表的Java程序。該程序使用Java Web開發(fā)中的listener監(jiān)聽器，該監(jiān)聽器在服務啟動之前初始化一個Timer定時器實例，即每隔一段時間(該時間可由服務器管理員自己設定)執(zhí)行數(shù)據(jù)導入程序?？紤]到數(shù)據(jù)庫查詢效率問題，在數(shù)據(jù)庫中只存放48小時以內(nèi)的全國氣象自動站降水數(shù)據(jù)，超出時間范圍的數(shù)據(jù)由程序自動刪除。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 總體功能

全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是對全國氣象自動站的降水信息進行直觀的監(jiān)測。

用戶可以自己設定查詢條件，來查詢截至當前時間全國1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 氣象自動站的降水值，并且可以按照降水值的范圍對站點進行不同顏色的區(qū)分。系統(tǒng)總體界面圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體界面圖

1 h、3 h、6 h、12 h降水區(qū)分范圍為0 ～4 mm，4～13 mm，13～25 mm，25～60 mm，＞60 mm，其圖例如圖3所示。

圖 3 1 h、3 h、6 h、12 h 降水值圖例

24 h降水區(qū)分范圍為0～10 mm，10～25 mm，25 ～50 mm，50 ～100 mm，100 ～250 mm，＞250 mm，其圖例如圖4所示。

圖4 24 h降水值圖例

4.2 手動控制查詢功能

在降水控制查詢面板中(圖5)，用戶可以在下拉列表中選擇 1 h、3 h、6 h、12 h、24 h，相對應在地圖中顯示自動站的降水信息，例如“截至2010年12月27日21時全國24 h降水實況”。

圖5 降水控制查詢面板界面

用戶也可以使用勾選框，根據(jù)降水值范圍0～4 mm，4 ～13 mm，13 ～25 mm，25 ～60 mm，＞60 mm，來控制某個降水范圍的自動站信息是否在地圖中顯示。

4.3 自動播放功能

(1)面板單站播放(圖6)時，正在播放的站點會出現(xiàn)紅色提示符，并在屏幕底部顯示當前播放站點信息，例如“站號:864410站名:降水:1.0”。

圖6 單站播放面板界面

(2)按降水值面板(圖7)播放時，在某一個時間段內(nèi)，會將站點按照降水值范圍進行區(qū)分，播放時依次顯示當前播放中降水范圍內(nèi)的站點降水信息。

(3)面板循環(huán)播放(圖8)時，會按照1 h、3 h、6 h、12 h、24 h的順序循環(huán)播放，在某個時間段內(nèi)，首先會進行單站播放，然后進行降水值播放。進而再進行下個時間段內(nèi)的單站播放與降水值播放。

(4)面板逐小時播放(圖9)時，是從當前時間，往前推24 h，然后從過去的24 h內(nèi)，依次播放各個小時時間段內(nèi)自動站的降水信息。該功能可直觀地反映過去24 h內(nèi)全國降水變化情況。

5 結(jié)論

圖7 降水值播放面板

圖8 循環(huán)播放面板

圖9 逐小時播放面板

基于WebGIS的全國降水實況監(jiān)測系統(tǒng)，采用了WebGIS領域較新的開發(fā)技術(shù)，體現(xiàn)了富互聯(lián)網(wǎng)應用的界面美觀，用戶操作友好等新特性。系統(tǒng)結(jié)合國家氣象中心的實際業(yè)務需求，對全國自動站的降水信息進行匯總、分類，并實現(xiàn)了多種自動播放方式，有利于業(yè)務人員更直觀地監(jiān)測當前降水信息。系統(tǒng)自完成以來，能夠無間斷定時更新數(shù)據(jù)，并在無人值守的情況下，依據(jù)播放規(guī)則自動播放更新降水信息，成功地實現(xiàn)了全國降水實況監(jiān)測的功能。

［1］孫利華，吳煥萍，鄭金偉，等.Flex的氣象信息網(wǎng)絡發(fā)布平臺設計與實現(xiàn)［J］.應用氣象學報，2010，21(6):754－761.

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［3］吳濤，戚銘堯，黎勇，等.WebGIS開發(fā)中的RIA技術(shù)應用研究［J］.測繪通報，2006(6):34－37.

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［6］鄭衛(wèi)江.氣象要素可視化與臺風災害評估關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:首都師范大學圖書館，2007.

［7］劉南，劉仁義.WebGIS原理及其應用:主要WebGIS平臺開發(fā)實例［M］.北京:科學出版社，2002:253－257.

［8］高梅，張文華，接連淑.WebGIS技術(shù)在氣象科研數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中的應用嘗試［J］.應用氣象學報，2004，15(增刊):168－170.

［9］百度百科.WEBGIS［EB/OL］.［2011－03－28］.http://baike .baidu.com/view/41463.htm.

［10］ESRI.GIS服務平臺企業(yè)版［EB/OL］.［2011 －03－28］.http://resources.arcgis.com/zh － cn/content/arcgisserver/web －apis.