面向氣象業(yè)務(wù)湖南省級WEBGIS平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱宏武 羅丹 賀煒 劉曉波

摘要 根據(jù)省級氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)工作所需，省局搭建一套面向氣象業(yè)務(wù)高效、穩(wěn)定、省內(nèi)多業(yè)務(wù)單位能共用的專業(yè)WEBGIS平臺。在此針對平臺多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理，多種類、多時(shí)次、多維度氣象專題產(chǎn)品定制生成以及平臺服務(wù)器集群的高可用性等關(guān)鍵技術(shù)做了相關(guān)研究，這些研究對于氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的空間分析、可視化發(fā)布及跨行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息共享具有非常積極的意義。

關(guān)鍵詞 WEBGIS;氣象服務(wù);系統(tǒng)平臺;信息共享

中圖分類號 S165 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12184-03

The Design and Implementation of Hunan Provincial Meteorological BusinessOriented WEBGIS Platform

ZHU Hongwu1， LUO Dan2， HE Wei1 et al

（1. Hunan Meteorological Information Centre， Changsha， Hunan 410118; 2. Hunan Meteorological Service Center， Changsha， Hunan 410118）

Abstract According to the requirement for provincial meteorological business and service units， provincial meteorological bureau built a set of meteorological businessoriented， efficient， stable and professional WEBGIS platform shared by multiprovince business units. The efficient management of multisource heterogeneous data， the customized generation of the multitypes， multitemporal， multidimensional meteorological products and the high availability of the platform cluster servers were studied， which could be valuable for the spatial analysis and visualization of meteorological data and products and crossindustry information sharing.

Key words WEBGIS; Meteorological services; System platform; Information sharing

氣象信息本質(zhì)上是一種空間信息，與地理信息聯(lián)系緊密。湖南地形復(fù)雜，有高溫干旱、臺風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流、低溫雨雪冰凍等多種災(zāi)害性天氣侵害，將氣象信息與該省空間信息進(jìn)行融合是一項(xiàng)有意義研究。氣象信息在結(jié)合該省詳細(xì)的地形、地勢、河流湖泊信息的情況下能積極輔助提高省內(nèi)中小尺度預(yù)報(bào)質(zhì)量，氣象信息再結(jié)合該省交通、水利、電力等跨行業(yè)相關(guān)信息能有效提高氣象的服務(wù)能力，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)的水平，通過將氣象信息與GIS技術(shù)緊密融合是一條可行的途徑。隨著現(xiàn)代氣象技術(shù)的飛速發(fā)展，氣象部門對GIS研究越來越多[1-4]。GIS是一項(xiàng)基于點(diǎn)、線、面等要素組成的、較為復(fù)雜的空間技術(shù)研究，不同單位研究往往基于不同GIS平臺、不同底層數(shù)據(jù)、不同規(guī)范，進(jìn)行平臺研究需花費(fèi)較多的時(shí)間，研究成果也較為孤立，且單位購買一套較為精細(xì)的且影像、地形支撐較好的數(shù)據(jù)價(jià)格不菲。針對這些不足，遵循集約化原則，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建一套面向氣象業(yè)務(wù)高效、穩(wěn)定、省內(nèi)多業(yè)務(wù)單位能共用的專業(yè)WEBGIS平臺非常有必要。筆者在此針對平臺多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理、氣象專題產(chǎn)品定制及平臺服務(wù)器集群的高可用性等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 省級氣象業(yè)務(wù)WEBGIS平臺的搭建

省級WEBGIS平臺建設(shè)是一項(xiàng)面向氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)的系統(tǒng)工程，有幾方面難點(diǎn)需解決：

①基于省級氣象業(yè)務(wù)及服務(wù)實(shí)際應(yīng)用需求搭建WEBGIS平臺數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理，管理的數(shù)據(jù)包括地面觀測、高空觀測、雷達(dá)、衛(wèi)星等海量氣象數(shù)據(jù)，矢量、影像、DEM等空間數(shù)據(jù)及交通、水利等行業(yè)用戶數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心以需求為引導(dǎo)對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理，并按時(shí)間、空間、主題等不同維度實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的集成。

②基于省級氣象業(yè)務(wù)用戶、行業(yè)用戶應(yīng)用需求搭建氣象信息與GIS空間數(shù)據(jù)靈活的，功能易于擴(kuò)展的平臺。通過數(shù)據(jù)中心，業(yè)務(wù)人員能按需定制多項(xiàng)空間數(shù)據(jù)服務(wù)及空間數(shù)據(jù)處理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對多種氣象資料與平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的多種時(shí)空維度進(jìn)行耦合，整合氣象分析模型、插值計(jì)算、疊加處理，并對其進(jìn)行可視化、空間查詢、統(tǒng)計(jì)分析，為所需部門提供輔助依據(jù)。對于需要生成逐時(shí)、逐期的產(chǎn)品能夠配置相關(guān)輔助數(shù)據(jù)庫，形成工作流，做到主題產(chǎn)品的定時(shí)生成，自動動態(tài)發(fā)布。

③搭建高效、穩(wěn)定的省級WEBGIS平臺支撐環(huán)境。氣象數(shù)據(jù)處理、與GIS空間融合等時(shí)空分析操作一般具有消耗資源多、運(yùn)算時(shí)間長等特征，加上平臺面向省級業(yè)務(wù)又具有并發(fā)量多、吞吐量大等因素，應(yīng)合理分配計(jì)算資源，引入集群、負(fù)載均衡等技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，做到平臺快速、高效，無障礙運(yùn)行。針對相關(guān)需求參考國內(nèi)外多處WEBGIS平臺組建方案[5-8]，基于MAPGIS K9平臺搭建了面向省級氣象業(yè)務(wù)WEBGIS平臺。

1.1 WEBGIS平臺數(shù)據(jù)中心的搭建

WEBGIS平臺涉及省級大部分重要?dú)庀髽I(yè)務(wù)和服務(wù)，所需管理的數(shù)據(jù)種類繁多、來源廣泛、結(jié)構(gòu)差異化很大?；贛apGIS K9數(shù)據(jù)中心，在詳細(xì)分析多類氣象數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)情況下，根據(jù)該省需求建立起了面向氣象業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高效、統(tǒng)一管理。

1.1.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理。

氣象部門隨著氣象現(xiàn)代化不斷推進(jìn)，資料呈海量增長，包含14大類、498個(gè)子類、1 500個(gè)細(xì)目的氣象觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。根據(jù)省級實(shí)際情況，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，將地面觀測、高空觀測等結(jié)構(gòu)化的氣象資料引入按規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)清理導(dǎo)入該省Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)中心通過非空間數(shù)據(jù)管理模塊與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程適配相連。通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以整合交通、水利等行業(yè)部門數(shù)據(jù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的可擴(kuò)展性。

1.1.2 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理。

對于雷達(dá)及拼圖、氣象衛(wèi)星、地圖等多源影像非結(jié)構(gòu)化柵格數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)倉庫按比例大小、投影變換、多層次等屬性提取共性功能，按種類、時(shí)次特征組織相關(guān)數(shù)據(jù);而對于基礎(chǔ)地圖矢量數(shù)據(jù)按照地圖顯示層次級別、比例尺寸、瓦片特征等多屬性進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)多源影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)的一體化管理。

1.1.3 數(shù)據(jù)倉庫的規(guī)范與調(diào)優(yōu)。

基于省級業(yè)務(wù)規(guī)范，以統(tǒng)一的方式整合管理空間信息、文檔信息、元數(shù)據(jù)信息、多媒體信息等數(shù)據(jù)，通過規(guī)范化，數(shù)據(jù)倉庫無需格式轉(zhuǎn)換就可以直接管理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。為提升數(shù)據(jù)倉庫管理效率，搭建了倉庫目錄樹和數(shù)據(jù)索引，并針對業(yè)務(wù)需求對數(shù)據(jù)按年份、區(qū)域、氣象要素分類等做了相應(yīng)的聚合和匯總，能動態(tài)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)從不同側(cè)重點(diǎn)、不同視角的管理。

1.2 WEBGIS平臺氣象業(yè)務(wù)與服務(wù)功能的整合

利用平臺數(shù)據(jù)中心，按業(yè)務(wù)與服務(wù)需求生成氣象專題產(chǎn)品并及時(shí)動態(tài)發(fā)布是平臺的核心任務(wù)，也是難點(diǎn)任務(wù)。省級WEBGIS平臺涉及到的數(shù)據(jù)多，包括預(yù)報(bào)產(chǎn)品、分析產(chǎn)品、探測數(shù)據(jù)（包括雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、自動站、風(fēng)廓線、微波輻射計(jì)等），平臺依靠強(qiáng)大的樣式文件配置環(huán)境與靈活的工作流二次開發(fā)技術(shù)，能夠及時(shí)、規(guī)范、大批量地完成多種類、多時(shí)效、多區(qū)域、多角度、定制氣象專題產(chǎn)品的制作。

氣象專題產(chǎn)品的生成一般按圖1中的流程進(jìn)行組織管理。

圖1 專題產(chǎn)品管理流程

1.2.1 樣式文件配置管理。

同一氣象專題產(chǎn)品一般具有統(tǒng)一的規(guī)范性，顏色方案、地理范圍、制圖特征，以形成具有統(tǒng)一風(fēng)格的氣象專題產(chǎn)品。平臺面向省級業(yè)務(wù)，樣式文件因?qū)嶋H需求不同要對參數(shù)有相應(yīng)的調(diào)整，如全省氣溫圖例就不適應(yīng)于市、縣級區(qū)域的同產(chǎn)品圖例，同地區(qū)因季節(jié)的變化氣溫圖例也不同。平臺樣式文件一般存放在Linux服務(wù)器，操作繁瑣、不直觀，對點(diǎn)、線、面編輯相當(dāng)困難。該平臺修改樣式文件一般離線下載Windows環(huán)境進(jìn)行操作，跨平臺數(shù)據(jù)以XML數(shù)據(jù)文件交換，通過處理程序解析可對地圖區(qū)域、配色方案、矢量、影像圖形等多屬性進(jìn)行可視化編輯，修改后的樣式以XML方式提交給服務(wù)器后臺更新同步，完成地圖、圖層樣式文件的配置。

1.2.2 工作流配置管理。

氣象專題產(chǎn)品生成如果直接對GIS操作并與氣象資料集成是較為復(fù)雜的一個(gè)過程。為了降低平臺使用復(fù)雜性，提高業(yè)務(wù)處理效率，平臺引入了工作流機(jī)制，按需對業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行不同組合形成大的功能模塊，搭建完成氣象專題產(chǎn)品。平臺工作流模型采用“框架+可聚合的插件+功能庫”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，針對不同的應(yīng)用需求加載不同的插件模型實(shí)現(xiàn)“熱插拔”。氣象功能倉庫中提供了豐富的氣象業(yè)務(wù)處理功能模塊，同時(shí)包含氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理的各種插值算法，通過方法注冊、節(jié)點(diǎn)編輯、流程調(diào)整即可以實(shí)現(xiàn)對氣象業(yè)務(wù)功能的組合，按流程獲取配置文件，獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、插值投影變換、圖層疊加合成產(chǎn)生所需的專題產(chǎn)品。生成的產(chǎn)品通過流程編號、產(chǎn)品編號等信息進(jìn)行統(tǒng)一發(fā)布，根據(jù)產(chǎn)品生成時(shí)次、狀態(tài)在系統(tǒng)中進(jìn)行WEBGIS展示。如基于工作流模型生成的小時(shí)最高氣溫的等值線圖（圖2）。

圖2 定制的氣象產(chǎn)品

1.3 WEBGIS平臺高可用支撐環(huán)境的搭建

WEBGIS平臺面向氣象業(yè)務(wù)涉及大量數(shù)據(jù)庫表操作、數(shù)據(jù)處理、空間分析及圖形運(yùn)算，加上平臺面向省內(nèi)眾多氣象業(yè)務(wù)部門及相關(guān)行業(yè)部門，訪問量高、并發(fā)性強(qiáng)、突發(fā)性大、平臺承載負(fù)荷較大，需提供良好的支撐環(huán)境以保障平臺的穩(wěn)定。從以下幾方面保障平臺的高可用性。

1.3.1 負(fù)載均衡。省級部署GIS于8臺Linux服務(wù)器、核心業(yè)務(wù)區(qū)4臺（2臺組成集群負(fù)責(zé)圖形產(chǎn)品生成和工作流的配置，2臺負(fù)責(zé)組成WEBGIS展現(xiàn)服務(wù)）用于省級內(nèi)部氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)單位。按安全級別規(guī)劃單向DMZ、雙向DMZ行業(yè)區(qū)各2臺，組成集群負(fù)責(zé)GIS的展示，用于重要行業(yè)部門和一般用戶。各區(qū)域采用Apache + JK + Tomcat集群技術(shù)實(shí)現(xiàn)其高可用性。JK模塊是Apache服務(wù)器的擴(kuò)展模塊，根據(jù)負(fù)載均衡算法分配Tomcat集群資源，并實(shí)施HTTP協(xié)議到與集群相關(guān)的AJP（Apache JServ Protocol）協(xié)議相互轉(zhuǎn)換。

客戶端以 HTTP協(xié)議發(fā)出請求，經(jīng)過Apache服務(wù)器到JK模塊，然后根據(jù)集群列表信息選擇合適的后臺服務(wù)器來進(jìn)行處理，將 HTTP 協(xié)議的包組裝成 AJP 協(xié)議格式的包，選取一條空閑的鏈接，發(fā)送給后臺的 Tomcat 服務(wù)器。等到后臺將數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，接收并解析AJP協(xié)議，重新組裝成 HTTP 協(xié)議，然后把結(jié)果發(fā)送給客戶端（圖3）。集群具有良好擴(kuò)展性，可根據(jù)

圖3 負(fù)載均衡流程圖

省級業(yè)務(wù)負(fù)載情況靈活搭建負(fù)載均衡環(huán)境，保障WEBGIS平臺高可用。

1.3.2 平臺功能模塊基于穩(wěn)定框架開發(fā)。WEBGIS平臺采用成熟的Spring MVC + Hibernate開源開發(fā)框架構(gòu)建，擴(kuò)展性良好，實(shí)現(xiàn)了各程序功能模塊的耦合松散，對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫完整映射，平臺搭建以來一直運(yùn)行穩(wěn)定高效。

1.3.3 性能優(yōu)化。對平臺整體分析，合理設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化處理流程的各環(huán)節(jié)，監(jiān)視相關(guān)服務(wù)進(jìn)程執(zhí)行情況，將處于非活動的服務(wù)進(jìn)程釋放資源，提高資源利用率。

2 應(yīng)用

基于省級WEBGIS平臺，省級氣象資料有了更為廣泛的應(yīng)用場合?；谄脚_統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，能夠跨行業(yè)整合豐富的、多源的、異構(gòu)的實(shí)用信息。如將氣象要素溫度數(shù)據(jù)融合到了洞庭湖區(qū)域的公路信息及衛(wèi)星影像信息之中，通過與公路信息融合能有效提高交通氣象服務(wù)的精細(xì)化程度，通過直接與復(fù)雜地形、水系特征融合能輔助提高中小尺度預(yù)報(bào)的質(zhì)量（圖4）。

圖4 氣象資料與公路交通信息（a）和衛(wèi)星影像（b）融合

3 結(jié)論

根據(jù)省級氣象業(yè)務(wù)和服務(wù)工作所需，搭建一套面向氣象業(yè)務(wù)高效、穩(wěn)定、省內(nèi)多業(yè)務(wù)單位能共用的專業(yè)WEBGIS平臺。筆者針對平臺多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效管理，多種類、多時(shí)次、多維度氣象專題產(chǎn)品定制生成及省級平臺服務(wù)器高可用性等關(guān)鍵技術(shù)做了相關(guān)研究。通過WEBGIS平臺的引入，使氣象信息能夠更好地滿足氣象業(yè)務(wù)、服務(wù)和科研工作，對于氣象數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的空間分析、可視化發(fā)布及跨行業(yè)實(shí)現(xiàn)信息共享具有非常積極的意義。

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