基于RIA的WebGIS在天氣預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

華韻子 林紅

摘 要：以上海市氣象局分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)為例，探討基于富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（RIA）的WebGIS在氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過對WebGIS的架構(gòu)模式在氣象行業(yè)中的典型應(yīng)用的分析，重點(diǎn)闡述了在分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)中如何利用RIA技術(shù)以解決海量氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示分析的問題，并提出了一種基于RIA的通用氣象WebGIS架構(gòu)，研發(fā)基于RIA的上海市氣象局分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)；利用該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大容量氣象數(shù)據(jù)在GIS上的顯示分析，交互性強(qiáng)，更加適合氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

關(guān)鍵詞：WebGIS；RIA；預(yù)警信號

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

GIS（地理信息系統(tǒng)）近年來在氣象行業(yè)中得到越來越多的應(yīng)用，為氣象信息的展示、分析與發(fā)布發(fā)揮了極大的作用。其從桌面GIS軟件發(fā)展到如今的WebGIS[1，2] ，雖然經(jīng)過不斷的發(fā)展，仍不能完全滿足氣象業(yè)務(wù)對于高度互動性、豐富用戶體驗(yàn)以及復(fù)雜計(jì)算功能等方面的需求，因此基于RIA（Rich Internet Applications富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用）的氣象GIS技術(shù)是當(dāng)前的發(fā)展方向。本文通過對WebGIS的架構(gòu)模式在氣象行業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)的研究，探討了在分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)中如何應(yīng)用RIA技術(shù)；設(shè)計(jì)了基于RIA的通用氣象WebGIS架構(gòu)，并研發(fā)基于RIA的上海市氣象局分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀（Application status）

根據(jù)WebGIS的架構(gòu)種類以及數(shù)據(jù)傳輸形式，WebGIS在當(dāng)前氣象行業(yè)中的應(yīng)用主要存在三種模式：瘦客戶端模式、胖客戶端模式和混合模式。

瘦客戶端模式，也稱為服務(wù)器模式。該模式是以柵格數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)返回對象，工作流程如圖1所示。使用該模式開發(fā)的系統(tǒng)如：中國氣象科學(xué)研究院研發(fā)的中尺度災(zāi)害天氣分析與預(yù)報(bào)系統(tǒng)（MWAFS）[3]。使用瘦客戶端模式的優(yōu)點(diǎn)是瀏覽便捷，利用服務(wù)器的性能可以完成大量的復(fù)雜分析，但其缺點(diǎn)是所有計(jì)算匯聚在服務(wù)器端，計(jì)算壓力過大。

第二種模式為胖客戶端模式，也稱為客戶端模式。該模式是以矢量格式的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)返回對象。其工作流程如圖2所示。其典型應(yīng)用是國家氣象中心開發(fā)的決策氣象服務(wù)系統(tǒng)（MESIS）[4]。胖客戶端模式可以利用客戶端完成多種氣象要素的檢索與分析，響應(yīng)速度較快、圖形繪制功能強(qiáng)大，但是其數(shù)據(jù)交換量比瘦客戶端大，且復(fù)雜計(jì)算均需在客戶端完成，對客戶機(jī)性能要求較高。

混合模式是指利用以上兩種模式的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合，取長補(bǔ)短的一種結(jié)構(gòu)模式。當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜空間分析，例如繪制等值線圖時(shí)則采用瘦客戶端模式；而當(dāng)需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析生成圖表且對響應(yīng)時(shí)效要求較高時(shí)可采用胖客戶端模式。這種混合組織模式既能充分利用服務(wù)器強(qiáng)大的計(jì)算能力，又能避免客戶端資源浪費(fèi)，其工作流程如圖3所示。

當(dāng)前混合模式的發(fā)展趨勢是利用RIA技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。RIA是新一代的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序[5，6]?；谠摷夹g(shù)的WebGIS具有許多傳統(tǒng)WebGIS所不具備的特點(diǎn)：（1）擁有豐富的數(shù)據(jù)模型，可以將部分原本需要在后臺程序處理的過程轉(zhuǎn)至客戶端處理，且查詢結(jié)果能夠被緩存在客戶端，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)效率。（2）擁有與桌面軟件類似的豐富控件，更符合預(yù)報(bào)人員的使用習(xí)慣。這些特質(zhì)使其能夠滿足氣象GIS對于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、高度互動性及海量數(shù)據(jù)顯示分析的需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)（Key technology）

3.1 RIA的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

GoogleMap是最早提出使用RIA切片技術(shù)的WebGIS系統(tǒng)。其核心技術(shù)是將空間數(shù)據(jù)事先按照不同比例尺進(jìn)行切片，并生成柵格圖片存儲在服務(wù)器端；當(dāng)瀏覽器提交地圖顯示任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)直接從服務(wù)器端下載當(dāng)前比例尺下的切片圖片，并通過瀏覽器端的腳本完成圖片排列后顯示地圖[7]。利用GoogleMap提供的API可以實(shí)現(xiàn)一些簡單的地圖顯示功能。但是這種開發(fā)方式難以滿足大容量氣象數(shù)據(jù)分析需求，而且無法進(jìn)行自定義的分析操作。近幾年ESRI公司推出ArcGIS API for Flex和ArcGIS API for Sliverlight技術(shù)不僅提供了RIA的開發(fā)方式，并且能夠開發(fā)氣象空間數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)布、查詢、分析甚至在線編輯功能，這使得基于RIA的氣象WebGIS可以個(gè)性化的進(jìn)行實(shí)時(shí)分析顯示，其功能更加強(qiáng)大，在氣象部門得到廣泛應(yīng)用[8-11]。

3.2 海量氣象數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示分析

在氣象WeGIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示一直是個(gè)難題[12]。其中最主要的問題在于顯示這些氣象數(shù)據(jù)效率太低，導(dǎo)致用戶等待時(shí)間過長。將RIA技術(shù)應(yīng)用于氣象WebGIS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，可以充分利用RIA的優(yōu)勢來解決這個(gè)問題。首先將所有的氣象數(shù)據(jù)劃分為靜態(tài)圖層和動態(tài)圖層兩個(gè)部分。通常情況下，在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)中有很大一部分?jǐn)?shù)據(jù)都是可以作為靜態(tài)圖層存在。這類氣象數(shù)據(jù)通常數(shù)據(jù)量大且生成產(chǎn)品后一般不會再需要進(jìn)行二次統(tǒng)計(jì)計(jì)算，例如雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品、數(shù)值預(yù)報(bào)6小時(shí)累積雨量產(chǎn)品等，而類似自動站這類經(jīng)常需要統(tǒng)計(jì)計(jì)算的數(shù)據(jù)則可作為動態(tài)圖層。將數(shù)據(jù)分類后，可以將靜態(tài)圖層利用切片技術(shù)在服務(wù)器端定時(shí)按比例尺生成切片；而動態(tài)圖層部分可以直接根據(jù)當(dāng)前地圖范圍請求相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳?，由瀏覽器端進(jìn)行繪制。靜態(tài)圖層和動態(tài)圖層在瀏覽器端利用RIA技術(shù)進(jìn)行疊加，靜態(tài)圖層的顯示就是將相應(yīng)范圍內(nèi)的地圖切片顯示在Web頁面中，而動態(tài)圖層的矢量數(shù)據(jù)由于在瀏覽器端還可利用RIA進(jìn)行空間數(shù)據(jù)緩存，以避免重復(fù)從數(shù)據(jù)庫調(diào)用同一數(shù)據(jù)，從而減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。具體原理如圖4所示。

4 基于RIA的氣象GIS架構(gòu)設(shè)計(jì)（Architecture

design of meteorological WebGIS based on RIA）

基于RIA設(shè)計(jì)的氣象GIS架構(gòu)適用于各類對電子地圖有需求的氣象信息系統(tǒng)，其具有一定的通用性。系統(tǒng)在邏輯上設(shè)計(jì)為三層架構(gòu)，即前臺氣象空間信息應(yīng)用層、中間件地理信息及氣象業(yè)務(wù)分析服務(wù)層和后臺氣象數(shù)據(jù)層。架構(gòu)圖如圖5所示。

4.1 應(yīng)用層

前臺氣象空間信息應(yīng)用層通過Silverlight、Flash Player等RIA客戶端在瀏覽器上顯示、查詢和分析氣象信息。簡單的系統(tǒng)功能可以利用RIA技術(shù)直接在應(yīng)用層完成，如異步刷新、空間數(shù)據(jù)緩存，圖形渲染疊加顯示等；而復(fù)雜的應(yīng)用則通過中間件應(yīng)用服務(wù)器的Web組件服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。由于客戶端采用RIA技術(shù)，保證了用戶操作得到及時(shí)響應(yīng)，確保類似桌面端的用戶體驗(yàn)。

4.2 服務(wù)層

中間件地理信息及氣象業(yè)務(wù)分析服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所有氣象地理信息系統(tǒng)功能在該層實(shí)現(xiàn)。該層可分為三大類服務(wù)：基礎(chǔ)服務(wù)、核心服務(wù)和接口服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、影像信息發(fā)布模塊、氣象專題信息發(fā)布模塊等；核心服務(wù)包括由目錄服務(wù)、氣象空間數(shù)據(jù)服務(wù)、電子地圖服務(wù)等模塊組成的數(shù)據(jù)服務(wù)和由查詢?yōu)g覽服務(wù)、空間分析服務(wù)組成的功能服務(wù)；接口服務(wù)則由應(yīng)用級接口和平臺及接口組成。

4.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層可分為數(shù)據(jù)存儲管理和數(shù)據(jù)處理工具兩部分，主要完成基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和氣象專題數(shù)據(jù)的存儲和管理。各種氣象信息以數(shù)據(jù)庫的形式或文件形式存儲在服務(wù)器上。數(shù)據(jù)存儲管理提供數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)存檔、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)安全等機(jī)制。數(shù)據(jù)處理工具則包括氣象數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、靜態(tài)圖層切片、符號化等模塊。

4.4 架構(gòu)應(yīng)用

根據(jù)基于RIA的氣象GIS架構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)了上海市氣象局分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用Macromedia Flash/Flex作為RIA核心開發(fā)技術(shù)；使用ArcGIS API for Flex 2.4作為WebGIS應(yīng)用開發(fā)框架。客戶端利用Flash Player實(shí)現(xiàn)氣象分區(qū)預(yù)警的分析、制作、查詢顯示等功能。系統(tǒng)采用功能模塊化開發(fā)方式，主要包括以下三大模塊，如圖6所示。

（1）實(shí)況和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)顯示模塊：實(shí)現(xiàn)自動站、雷達(dá)、閃電定位等實(shí)況數(shù)據(jù)及快速循環(huán)同化更新系統(tǒng)STI-WARR的數(shù)值預(yù)報(bào)格點(diǎn)數(shù)據(jù)在瀏覽器端利用RIA技術(shù)進(jìn)行疊加顯示分析。其中雷達(dá)及格點(diǎn)數(shù)據(jù)作為靜態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)先在服務(wù)端進(jìn)行切片，生成柵格圖像；而自動站和閃電定位數(shù)據(jù)則作為動態(tài)圖層直接將矢量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳耍蔀g覽器端進(jìn)行繪制。

（2）預(yù)警制作與發(fā)布模塊：利用RIA技術(shù)高互動性及數(shù)據(jù)易于緩存的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域的預(yù)警發(fā)布、更新、解除等功能。用戶可在地圖上繪制預(yù)警落區(qū)，系統(tǒng)利用空間分析技術(shù)計(jì)算預(yù)警落區(qū)覆蓋的行政區(qū)并生成圖像及Word文檔。

（3）系統(tǒng)管理模塊：實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中各類配置信息及權(quán)限的設(shè)置。系統(tǒng)可進(jìn)行發(fā)布單位管理、預(yù)報(bào)員管理、預(yù)報(bào)首席管理、值班臺長管理等，不同的用戶可設(shè)置不同的瀏覽及制作權(quán)限，且不同區(qū)縣的用戶預(yù)警制作范圍也有所不同。中心臺可制作全市的預(yù)警信號，而各個(gè)區(qū)縣只能制作本區(qū)縣的預(yù)警。

5 結(jié)論（Conclusion）

基于RIA技術(shù)的上海市氣象局分區(qū)預(yù)警系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)：（1）解決了系統(tǒng)跨平臺的問題，可移植性增強(qiáng)；（2）架構(gòu)簡單，可模塊化開發(fā)，代碼重復(fù)利用率高；（3）利用該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大容量氣象數(shù)據(jù)在GIS上的顯示分析，交互性強(qiáng)，更加適合氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

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作者簡介：

華韻子（1981-），女，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：氣象行業(yè)軟件

研發(fā).

林 紅（1966-），女，碩士，高級工程師.研究領(lǐng)域：氣象行業(yè)

軟件研發(fā).