基于World Wind的交通氣象信息共享系統(tǒng)

焦圣明，朱承瑛，包云軒，朱毓穎，祖 繁

（1.江蘇省氣象科學(xué)研究所，江蘇 南京210008；2.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

國際上開展了將地理信息系統(tǒng) （geographic information system，GIS）技術(shù)應(yīng)用于氣象的研究和嘗試［1－5］，收到了一定的成效；我國將GIS與氣象結(jié)合起步稍晚，但也進(jìn)行了積極的探索［6－8］。然而，目前GIS在國內(nèi)外氣象行業(yè)的應(yīng)用設(shè)計(jì)大部分基于二維傳統(tǒng)GIS，二維形態(tài)的GIS難以滿足現(xiàn)實(shí)多維氣象環(huán)境的需求，其表現(xiàn)力顯得十分不足，在實(shí)際應(yīng)用中存在很大的局限性。

“數(shù)字地球”對建立三維地理信息系統(tǒng)提出了更高的要求，三維GIS研究的發(fā)展必然會(huì)帶動(dòng)GIS 在氣象、城市、海洋、地質(zhì)等相關(guān)行業(yè)的廣泛應(yīng)用［9］。孫愷等［10］利用三維GIS實(shí)現(xiàn)了氣象衛(wèi)星云圖三維模擬，姜仁貴等［11］開展了基于數(shù)字地球的洪水淹沒分析及仿真研究，盧海濱等［12］基于NASA World Wind Java SDK研發(fā)了應(yīng)用系統(tǒng)。隨著Google Earth、Skyline、World Wind等一些數(shù)字地球軟件的興起和計(jì)算機(jī)硬件速度的提升，利用三維GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象行業(yè)應(yīng)用已成為一個(gè)發(fā)展趨勢。

本文利用三維地理信息基礎(chǔ)平臺(tái)WWJ （world wind JDK）的組件和應(yīng)用接口進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)了交通氣象信息共享系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫框架以及系統(tǒng)功能模塊，使用空間數(shù)據(jù)信息管理工具將傳統(tǒng)的交通氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，結(jié)合三維地形地貌特征和重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物的模型對交通氣象服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，實(shí)現(xiàn)了交通氣象信息直觀的環(huán)境展示。目前，該系統(tǒng)在交通、氣象等相關(guān)部門中投入使用，能夠滿足多元化用戶的業(yè)務(wù)需求，取得了較好的三維表現(xiàn)效果，為交通運(yùn)營決策提供了有力的支持和保障。

1 基于World Wind的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和原則

基于World Wind的交通氣象信息共享系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)：利用最新的技術(shù)研發(fā)手段，融合交通氣象共享數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建具有氣象行業(yè)特色、適合交通氣象服務(wù)應(yīng)用的專業(yè)GIS系統(tǒng)，以滿足交通氣象服務(wù)對三維地理信息的業(yè)務(wù)需求，從而最終提高交通氣象災(zāi)害預(yù)警的科學(xué)輔助決策能力。

該系統(tǒng)的開發(fā)必須堅(jiān)持先進(jìn)性、通用性、可擴(kuò)展性、模塊化和節(jié)約化相結(jié)合的原則，World Wind是一個(gè)可以修改源代碼的開放平臺(tái)，其開發(fā)的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它任何一款商業(yè)三維GIS平臺(tái)。系統(tǒng)開發(fā)擺脫了商業(yè)GIS平臺(tái)軟件的束縛，這正是筆者選擇此平臺(tái)開發(fā)的一個(gè)重要原因，擁有完全的主動(dòng)權(quán)，有利于開發(fā)者最大限度地滿足自身行業(yè)服務(wù)的需求。

1.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

交通氣象信息共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和客戶層4個(gè)部分組成。基于WWJ的交通氣象信息共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)層是交通氣象信息共享系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，它為系統(tǒng)提供最基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、交通氣象共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)和WW 數(shù)據(jù)。其中基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要有基于WMS地圖、Shape文件等數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)方式與傳統(tǒng)的二維GIS 系統(tǒng)相似；交通氣象共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)有高速公路沿線氣象站監(jiān)測信息、雷達(dá)信息、氣象衛(wèi)星信息、臺(tái)風(fēng)信息、氣象災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)信息等其它相關(guān)數(shù)據(jù)，它是最關(guān)鍵的核心數(shù)據(jù)；WW數(shù)據(jù)主要包括有Landsat7全球范圍30～120m 分辨率的衛(wèi)星影像，SRTM 的全球重點(diǎn)城市精細(xì)影像數(shù)據(jù)，Bing Imagey微軟的高清晰影像地圖，Open Street Map 開源地圖，全球的行政區(qū)界、地名及標(biāo)注數(shù)據(jù)。WW 的數(shù)據(jù)是按照金字塔模型來對高程數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行切片處理的，通過服務(wù)器訪問接口建立了高分辨率的三維地形［11］，利用開源地圖服務(wù)軟件包GeoServer搭建了基于WMS的地圖服務(wù)，綜合運(yùn)用Java技術(shù)實(shí)現(xiàn)了交通氣象數(shù)據(jù)服務(wù)和WW 數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。服務(wù)層是建立在數(shù)據(jù)層之上，從數(shù)據(jù)層中獲取需要的數(shù)據(jù)并提交給應(yīng)用層進(jìn)行處理，系統(tǒng)運(yùn)用地圖服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器，根據(jù)WWJ提供的組件開發(fā)接口以及對交通氣象信息共享數(shù)據(jù)的規(guī)約，實(shí)現(xiàn)了交通氣象信息共享數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的無縫融合。應(yīng)用層由地圖服務(wù)、圖層管理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢、氣象要素道路反演分析和預(yù)報(bào)文檔服務(wù)六大功能模塊組成。客戶層就是為用戶提供了一個(gè)人機(jī)交互的功能，本文采用WW 的客戶瀏覽器作為三維GIS的客戶層，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)集成和三維展示等功能。

圖1 基于World Wind的交通氣象信息共享系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。GIS 設(shè)計(jì)得再完美，如果數(shù)據(jù)響應(yīng)表現(xiàn)乏力，也是一個(gè)不成功的應(yīng)用。由于氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有顯著的時(shí)間特征，所以常用的空間數(shù)據(jù)模型難以勝任氣象信息的處理應(yīng)用。因此，在實(shí)際開發(fā)過程中，為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、交通氣象共享數(shù)據(jù)和WW 數(shù)據(jù)的無縫融合，我們研究了一種適用于建立氣象信息數(shù)據(jù)庫的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。交通氣象信息共享系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制如圖2所示。

圖2 交通氣象的數(shù)據(jù)庫訪問機(jī)制

交通氣象信息共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)種類繁多，實(shí)際應(yīng)用的方式多樣，為了能適應(yīng)數(shù)據(jù)的變化，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)上采用元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式，產(chǎn)品數(shù)據(jù)均納入元數(shù)據(jù)管理范疇，應(yīng)用組件通過訪問元數(shù)據(jù)來控制對具體數(shù)據(jù)庫的訪問，屏蔽應(yīng)用組件對氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，尤其是文件型數(shù)據(jù)的直接訪問。交通氣象信息數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 World Wind Java SDK 組件開發(fā)

World Wind是一款虛擬地球的開源三維地理信息系統(tǒng)，由NASA （美國）國家航空和宇宙航行局聯(lián)合出品［12］。它是唯一真正開放資源的3D 引擎，它的全部代碼都是可獲得的，允許無限制的用戶化定制。海量的數(shù)據(jù)集成和超強(qiáng)的功能設(shè)計(jì)使得它成為一個(gè)十分理想的二次開發(fā)工具，用戶可以充分、深入地使用這些數(shù)據(jù)和功能開發(fā)自己需要的功能。World Wind有基于.NET 語言和Java語言的2種開發(fā)包，基于Java語言的SDK （WWJ SDK）既能支持本地運(yùn)行也能支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，且具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性，目前是NASA 官方仍在更新的重要版本，因此本文采用WWJ SDK 作為交通氣象信息共享系統(tǒng)的二次開發(fā)組件。圖4為基于WWJ SDK 的系統(tǒng)開發(fā)組件架構(gòu)。

圖3 交通氣象信息數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計(jì)

WWJ SDK 主要由模型、視圖、事件監(jiān)聽及數(shù)據(jù)等組成［13］，模型由球體、圖層等組成，視圖是在模型的基礎(chǔ)上用來控制用戶視角，系統(tǒng)是通過視圖控制器來實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的交互，事件監(jiān)聽是指對用戶界面操作事件進(jìn)行監(jiān)聽和處理。WWJ的GIS組件群是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)GIS功能的核心，交通氣象服務(wù)系統(tǒng)需要的是在GIS組件之上的交通氣象數(shù)據(jù)集成、封裝與展示。本文利用WWJ SDK 以類文件形式構(gòu)建了一系列交通氣象系統(tǒng)服務(wù)組件，完成交通氣象數(shù)據(jù)的存取和應(yīng)用模型的展示等功能，同時(shí)還為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了接口。

圖4 交通氣象信息共享系統(tǒng)開發(fā)組件架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)緩存機(jī)制

World Wind使用多分辨率分層技術(shù)為用戶提供了海量的影像和DEM 數(shù)據(jù)服務(wù)，當(dāng)用戶縮放到不同區(qū)域時(shí)逐漸加載更多的細(xì)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)分層分塊的結(jié)構(gòu)，通過瓦片金字塔對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，并以一定的形式緩存在本地目錄。當(dāng)用戶瀏覽某一區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)從本地緩存中提取該區(qū)域的數(shù)據(jù)，如果文件存在就直接加載渲染；若本地緩存不存在，就從服務(wù)器下載需要此區(qū)域的數(shù)據(jù)再進(jìn)行渲染。自構(gòu)建的WMS服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)系統(tǒng)也是按此數(shù)據(jù)緩存機(jī)制處理。

系統(tǒng)在訪問交通氣象服務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)也建立了相應(yīng)的緩存機(jī)制。交通氣象服務(wù)數(shù)據(jù)的緩存有兩級，一級在服務(wù)器端，一級在客戶端。當(dāng)用戶訪問某類服務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)自動(dòng)搜索客戶端查看要查詢的數(shù)據(jù)緩存是否存在，若存在就直接解析加載，不存在則通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠(yuǎn)程應(yīng)用服務(wù)器；如果服務(wù)器本地端存在此時(shí)次數(shù)據(jù)的緩存則由Http協(xié)議傳輸給客戶端后加載，不存在就需要通過數(shù)據(jù)庫訪問得到要查詢的數(shù)據(jù)后再返還給用戶處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入緩存區(qū)。該數(shù)據(jù)緩存機(jī)制具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①大大提高了訪問效率和服務(wù)性能；②減輕了應(yīng)用服務(wù)器端的負(fù)擔(dān)；③使在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的脫機(jī)訪問成為可能。雖然這種緩存機(jī)制在較短時(shí)間片下訪問能發(fā)揮優(yōu)勢，但針對某些需要不斷更新的交通氣象服務(wù)數(shù)據(jù)來說可能會(huì)存在數(shù)據(jù)更新不及時(shí)的問題，因此系統(tǒng)也提供了直接從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)的機(jī)制，但訪問效率受到一定的影響。至于采用哪種數(shù)據(jù)訪問機(jī)制由用戶根據(jù)實(shí)際情況去選擇。

2.3 氣象要素道路反演算法

相對于空間分布而言，交通氣象服務(wù)的用戶更關(guān)注氣象信息的沿線分布狀況，這就要求氣象觀測與預(yù)報(bào)信息均需反演到道路干線上，反演的定義請參見文獻(xiàn) ［14］。本文算法最終目的是采用不同的顏色來反演交通道路沿線氣象要素的等級劃分，從而表明該段道路所受的天氣現(xiàn)象影響。

拼圖是絕大部分交通氣象產(chǎn)品需要涉及的內(nèi)容，傳統(tǒng)意義上的拼圖是指圖與圖之間的拼接，本文制作的拼圖是基于站點(diǎn)的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)拼接后將其反演到道路上的產(chǎn)品。本文拼圖所用的算法的基本原理如下：首先獲取所有高速公路沿線交通氣象站觀測或預(yù)報(bào)信息，同時(shí)讀取出高速公路地圖上的每一個(gè)信息點(diǎn)并搜索到該點(diǎn)最近的2個(gè)沿線附近測點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用反距離權(quán)重法計(jì)算出該點(diǎn)的插入值，然后根據(jù)計(jì)算出的數(shù)值按要素等級劃分重新構(gòu)建出一個(gè)新的地圖數(shù)據(jù)，最終根據(jù)等級用相對應(yīng)的顏色在系統(tǒng)中展示出來，圖5為氣象要素拼圖反演算法的流程。

算法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：

步驟1 根據(jù)發(fā)送來的請求參數(shù)內(nèi)容，取出相對應(yīng)區(qū)域的高速公路矢量地圖的所有線段組經(jīng)緯度數(shù)據(jù)并分別存貯到各自的數(shù)組隊(duì)列中，針對每組線段的點(diǎn)建立氣象要素等級數(shù)組，數(shù)組初始值賦為缺省。

步驟2 取出區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)資料并初始化到數(shù)組隊(duì)列。

步驟3 以高速公路上的點(diǎn)為中心、10km 為搜索半徑查找離圓心最近兩站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用反距離權(quán)重法計(jì)算出該點(diǎn)的數(shù)據(jù)根據(jù)等級劃分賦值。

圖5 氣象災(zāi)害道路反演算法的流程

步驟4 根據(jù)線段點(diǎn)不同的等級值記錄拼圖的線段組。

（1）如果當(dāng)前點(diǎn)是高速公路一組線段的開始點(diǎn)則構(gòu)建一個(gè)新的隊(duì)列，并將此點(diǎn)的經(jīng)緯度信息放進(jìn)隊(duì)列中去；

（2）取下一個(gè)點(diǎn)的等級數(shù)據(jù)，如果和上一個(gè)點(diǎn)的等級值相同且不是線段最后一個(gè)點(diǎn)，則將此點(diǎn)插入到當(dāng)前隊(duì)列，如果不等就將此隊(duì)列記錄存貯下來，然后再重新構(gòu)建一個(gè)隊(duì)列把當(dāng)前點(diǎn)放進(jìn)隊(duì)列中循環(huán)本操作，直到當(dāng)前點(diǎn)是線段最后一個(gè)點(diǎn)結(jié)束；

（3）重復(fù) （1）、（2）直至高速公路所有線段組遍歷完；

步驟5 按一定格式要求輸出所有構(gòu)建的拼圖線段組；

步驟6 根據(jù)輸出等級用相對應(yīng)的顏色在系統(tǒng)中繪出這些線段組；

2.4 利用SketchUp建立三維模型

在傳統(tǒng)二維中，地理對象一般由點(diǎn)、線、面三類要素組成。針對更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，基本都是通過這三類要素組合表達(dá)出來。在交通氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)三維效果的場景，需要建立相應(yīng)的三維模型，選擇適合系統(tǒng)要求的三維數(shù)據(jù)模型－KMZ 格式。本文采用三維建模工具SketchUP創(chuàng)建系統(tǒng)中需要的三維模型，模型創(chuàng)建后使用圖片處理技術(shù)作一些渲染修飾后存成WWJ能處理的KMZ格式。系統(tǒng)三維模型的構(gòu)建為用戶提供了更直觀、更形象、更真實(shí)的環(huán)境場景。下面給出3種SketchUP建模方法：①幾何建模法，就是利用SktechUP的擴(kuò)展工具構(gòu)建出實(shí)物的粗糙框架，最后使用紋理圖片進(jìn)行渲染實(shí)現(xiàn)真實(shí)模擬；②紋理映射法，紋理映射技術(shù)能增強(qiáng)模型的逼真度，簡化模型的復(fù)雜度，對程序渲染的實(shí)時(shí)性起到關(guān)鍵作用；③坐標(biāo)系法，選擇正確坐標(biāo)系，導(dǎo)入其它一些二維矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行直接建模，能提高建模速度。圖6是高速公路橋梁模型和影像圖的疊加效果，其中橋梁模型由SketchUP 工具制作，高分辨的衛(wèi)星影像來自微軟的bing地圖服務(wù)。

圖6 SketchUP構(gòu)建的高速公路橋梁和bing影像圖的疊加效果

3 應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的基于World Wind數(shù)字地球模型的系統(tǒng)在華東區(qū)域交通氣象信息共享業(yè)務(wù)示范性項(xiàng)目中得到了具體應(yīng)用。該業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了地球三維瀏覽、定位飛行、圖層控制、氣象信息實(shí)時(shí)預(yù)警及預(yù)報(bào)產(chǎn)品動(dòng)畫顯示等功能。通過交通氣象自定義地圖服務(wù)，將道路反演生成的XML數(shù)據(jù)以GIS圖層的方式組織，在此基礎(chǔ)上集成交通氣象站信息，完成了實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警、數(shù)值預(yù)報(bào)以及衛(wèi)星云圖的三維模擬等氣象應(yīng)用。通過數(shù)字地球組件和交通氣象服務(wù)中間件仿真建模，為交通、氣象等相關(guān)部門提供高速公路實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報(bào)、服務(wù)等形象化的氣象信息，給用戶提供了人機(jī)交互的便利和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要功能模塊如圖7所示。

圖8是華東區(qū)域高速公路交通氣象信息共享系統(tǒng)中的沿線氣象監(jiān)測站信息預(yù)警展示，圖中的圓圈代表分布在華東區(qū)域高速沿線的交通氣象監(jiān)測站，圓圈顏色為綠色表示此站點(diǎn)的能見度觀測數(shù)據(jù)大于1000 m，淺藍(lán)色表示500～1000m，藍(lán)色為200～500m，黃色為50～200 m，紅色為小于50m，并且在站站之間的道路也用以上顏色進(jìn)行反演繪制，用戶移動(dòng)鼠標(biāo)至站點(diǎn)點(diǎn)擊圓圈時(shí)系統(tǒng)會(huì)瀏覽到該站的所有監(jiān)測信息。系統(tǒng)采用線程方式實(shí)現(xiàn)每分鐘對不同氣象要素的實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測，當(dāng)檢測到監(jiān)測要素低于設(shè)定閾值時(shí)，圖8右下角會(huì)出現(xiàn)一個(gè)預(yù)警圖標(biāo)，圖標(biāo)右上方動(dòng)態(tài)顯示出小于閾值的站點(diǎn)個(gè)數(shù)。點(diǎn)擊圖標(biāo)系統(tǒng)彈出小于閾值站點(diǎn)的詳細(xì)信息的對話框，選擇某個(gè)站后數(shù)字地球自動(dòng)飛行到當(dāng)前站點(diǎn)的位置，并以紅色光圈進(jìn)行閃爍預(yù)警。實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有較好的響應(yīng)速度和三維表現(xiàn)能力，能夠滿足用戶進(jìn)行交通氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警、營運(yùn)決策和交通事故災(zāi)害評估的要求。

圖7 交通氣象信息共享主要功能模塊

4 結(jié)束語

本文在World Wind Java SDK 的組件基礎(chǔ)上進(jìn)行了的二次開發(fā)，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，分析了系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，最終構(gòu)建了基于三維GIS的交通氣象信息共享系統(tǒng)，系統(tǒng)集交通氣象信息的報(bào)警、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析等功能于一體，在交通、氣象等部門得到了實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用，為交通營運(yùn)管理、決策提供直觀化數(shù)據(jù)，大大提高了交通氣象服務(wù)的水平和效果。隨著系統(tǒng)功能模塊的不斷完善，將會(huì)具有較好的應(yīng)用前景。文中對重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物三維模型的設(shè)計(jì)和植入進(jìn)行了一些探索，對于要用World Wind 進(jìn)行三維模型開發(fā)的相關(guān)人員有一定的借鑒意義。后續(xù)工作將深入探討交通氣象災(zāi)害的內(nèi)在機(jī)理，并嘗試通過高性能網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理實(shí)現(xiàn)高影響天氣災(zāi)害的動(dòng)態(tài)仿真建模。

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