地面氣候資料查詢與分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王滿意，劉朝順＋

（1.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點實驗室，上海200241；2.華東師范大學(xué)中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心環(huán)境遙感與數(shù)據(jù)同化聯(lián)合實驗室，上海200241）

0 引 言

為了趨利避害地應(yīng)對氣候變化，需要對長期的氣候資料進(jìn)行定性和定量地分析研究。然而，傳統(tǒng)的檔案式的地面站氣候資料的存儲不利于快速高效和可視化地查詢與統(tǒng)計分析，尤其是空間上的差異分析很難進(jìn)行。同時，單純地將地理信息系統(tǒng) （geographic information system，GIS）技術(shù)應(yīng)用于氣象業(yè)務(wù)不但部署困難、客戶端軟件更新頻繁，而且無法滿足當(dāng)今信息化社會的跨平臺和多終端的訪問需求［1－5］。

隨著Web技術(shù)和GIS技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng) （WebGIS）技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生［6－8］。近年來，氣象領(lǐng)域逐漸開始使用WebGIS技術(shù)來開發(fā)一些業(yè)務(wù)平臺，主要應(yīng)用于氣象資料管理［9］、氣象災(zāi)害評估［10］、氣象資料建模分析評價［11］以及輔助決策［12］等方面。但是其中的部分系統(tǒng)在交互性、安全性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、運(yùn)行效率和跨平臺上有些不足。針對這些不足，本文在Java Web中整合了開源框架Struts、Spring 和Hibernate （SSH）［13］，使用功能完善和效率較高的ArcGIS for Server 10.2作為Web－GIS服務(wù)器［14］，并使用Oracle 11gR2作為普通數(shù)據(jù)庫和地理數(shù)據(jù)庫［15］，設(shè)計并開發(fā)了以上海及其周邊的江蘇和浙江為研究區(qū)域的地面氣候資料查詢與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了長時間序列分析、空間可視化、產(chǎn)品形式多元化等應(yīng)用需求，為應(yīng)對氣候變化提供了輔助決策功能。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計

1.1 需求分析

通過調(diào)查分析地面氣候資料和地理空間數(shù)據(jù)的存儲特征以及處理流程，結(jié)合地面氣候要素與地理空間信息之間的緊密關(guān)系，提出系統(tǒng)的需求如下：

（1）用戶角色需求：為了對地面氣候資料施行一定的保密措施，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)計為授權(quán)訪問。即只有被授權(quán)的科研人員和氣象工作者才能登錄系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計分析。另外，網(wǎng)站需要管理員的管理和維護(hù)，所以系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置有普通用戶、管理員和超級管理員。其中，普通用戶可以進(jìn)行一般的查詢和分析功能，管理員進(jìn)行數(shù)據(jù)更新、普通用戶管理和系統(tǒng)基本維護(hù)，超級管理員擁有系統(tǒng)的全部功能并可以對管理員賬戶進(jìn)行管理。

（2）功能需求：為了對長期的氣候資料進(jìn)行定性和定量地分析研究，系統(tǒng)需要提供對檢索和分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行表格、柱狀圖、趨勢線圖、餅圖和空間地圖等方式的顯示功能。因為氣候資料是地面站點的數(shù)據(jù)，所以不僅需要對單站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，還需要對多站點的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析和插值分析。另外，對行政區(qū)域或者用戶指定的區(qū)域內(nèi)應(yīng)當(dāng)提供區(qū)域統(tǒng)計分析功能。

（3）性能需求：系統(tǒng)界面設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合簡潔美觀、層次清晰、操作方便和人性化等要求。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)應(yīng)該是先進(jìn)的、成熟的并且符合未來的發(fā)展方向。在并發(fā)數(shù)為100的情況下，系統(tǒng)的普通事務(wù)響應(yīng)需在5s以內(nèi)，空間數(shù)據(jù)的事務(wù)響應(yīng)需在30s以內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)可靠并且穩(wěn)定，在高負(fù)荷情況下能夠正常運(yùn)行。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計，在有新業(yè)務(wù)要求時，業(yè)務(wù)功能易擴(kuò)展。此外，系統(tǒng)代碼要編寫規(guī)范，達(dá)到易維護(hù)的目的。

（4）安全性需求：系統(tǒng)應(yīng)對用戶密碼采用加密方式存儲，并采用成熟的技術(shù)架構(gòu)防止服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫遭到病毒侵害和惡意攻擊。系統(tǒng)應(yīng)防止超越用戶權(quán)限的操作。系統(tǒng)應(yīng)具有較高的容錯性，防止誤操作，并且要有完善的數(shù)據(jù)備份機(jī)制。

1.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的客戶端/服務(wù)器 （client/server，C/S）模式難以滿足目前信息化社會的需求。一方面，C/S模式難以在多用戶、多終端的訪問模式下共享應(yīng)用服務(wù)。另一方面，每個客戶端都需要對系統(tǒng)進(jìn)行安裝、設(shè)置、升級和故障處理等操作，導(dǎo)致巨大的系統(tǒng)維護(hù)成本。而基于瀏覽器/服務(wù)器（browser/server，B/S）模式開發(fā)的系統(tǒng)正好可以滿足這兩方面的需求。因此，本系統(tǒng)采用基于B/S模式的體系結(jié)構(gòu)。并將其劃分為4個層次，自下而上依次是數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、Web層和表現(xiàn)層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

接入互聯(lián)網(wǎng)的臺式機(jī)、筆記本、平板電腦和手機(jī)等終端可以通過瀏覽器來訪問系統(tǒng)提供的地面氣候資料的查詢和統(tǒng)計分析功能。瀏覽器向服務(wù)器發(fā)出的業(yè)務(wù)請求包括普通事務(wù)處理和空間事務(wù)處理。其中，普通事務(wù)處理的請求由Web服務(wù)器自行處理，而空間事務(wù)處理的請求則轉(zhuǎn)發(fā)到GIS服務(wù)器進(jìn)行處理。服務(wù)器在進(jìn)行事務(wù)處理時會對數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、增加、修改和刪除等操作。其中的網(wǎng)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及普通的地面氣候資料存儲在常規(guī)數(shù)據(jù)庫中，而帶有空間信息的監(jiān)測站點、行政邊界線、氣候要素等值線和插值分析生成的柵格數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)存儲在地理數(shù)據(jù)庫中。服務(wù)器將瀏覽器的業(yè)務(wù)請求處理完成后，通過互聯(lián)網(wǎng)將結(jié)果返回到瀏覽器。

1.3 功能模塊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析以及系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的特征，將系統(tǒng)分為6個功能模塊，如圖2所示。

（1）地圖基本操作：用戶所查詢和分析的結(jié)果主要以地圖形式在瀏覽器上顯示，該模塊提供基本的地圖縮放、漫游和鷹眼視圖功能，提供精確的坐標(biāo)定位、距離量算和面積量算功能。此外，對查詢和分析生成的圖層和基本底圖提供顯示、隱藏和移除功能，并提供空間屬性的快速顯示等功能。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

（2）數(shù)據(jù)查詢：系統(tǒng)使用的地面氣候資料為上海、江蘇和浙江的47個基準(zhǔn)、基本氣象站的日值數(shù)據(jù)集。其來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng) （http：//cdc.cma.gov.cn）的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集 （V3.0）”，包括自1951年1月以來各監(jiān)測站點的本站氣壓、氣溫、降水量、蒸發(fā)量、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速、日照時數(shù)和0cm 地溫八大類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢的結(jié)果以空間地圖、趨勢線圖、柱狀圖、餅圖和表格等形式進(jìn)行多元化展示，并提供下載和報表打印功能。同時提供單站和多站對比的查詢結(jié)果顯示功能。

（3）數(shù)據(jù)分析：提供空間插值、生成等值線以及將風(fēng)速、風(fēng)向用矢量圖進(jìn)行渲染的功能，對各氣候要素進(jìn)行均值分析和閾值分析等來判別出發(fā)生的自然災(zāi)害程度。其中，均值分析主要包括：月均、年均、逐日平均和逐月平均分析等，閾值分析主要包括高閾值和低閾值分析。

（4）數(shù)據(jù)更新與管理：中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)對該數(shù)據(jù)集進(jìn)行逐月更新并提供文本格式的數(shù)據(jù)下載服務(wù)，所以該模塊提供管理員上傳最新的文本格式的氣候資料到數(shù)據(jù)庫的功能。同時管理員還可以通過該模塊對監(jiān)測站點信息、行政邊界線和數(shù)字高程模型 （digital elevation model，DEM）等基礎(chǔ)底圖以及系統(tǒng)的其它各模塊信息進(jìn)行更新和維護(hù)。

（5）數(shù)據(jù)說明與幫助：由于該氣候資料嚴(yán)格按照國家統(tǒng)一的氣象資料記錄標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄，因此系統(tǒng)提供該記錄標(biāo)準(zhǔn)說明以便用戶準(zhǔn)確地分析數(shù)據(jù)。同時，該模塊介紹系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源以及各功能模塊的操作方式。

（6）用戶管理：系統(tǒng)設(shè)置有普通用戶、管理員和超級管理員3種權(quán)限級別的用戶?？蒲腥藛T和氣象工作者通過該模塊可以進(jìn)行用戶注冊。注冊后，系統(tǒng)會自動發(fā)送站內(nèi)消息和郵件來提醒管理員進(jìn)行信息的審核。管理員對注冊信息審核無誤之后便可在該模塊中授權(quán)注冊者成為正式用戶，然后該用戶可以正常登錄系統(tǒng)和使用應(yīng)用服務(wù)。該模塊還提供用戶對個人信息的查詢和修改功能、管理員對普通用戶信息的管理功能和超級管理員對管理員信息和普通用戶信息的管理功能等。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

依據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及對比分析目前流行并且成熟的網(wǎng)站建設(shè)技術(shù)，我們采用如圖3 所示的技術(shù)架構(gòu)。系統(tǒng)以整合了SSH 框架結(jié)構(gòu)的Java Web為基礎(chǔ)，使用功能完善和效率高的ArcGIS for Server 10.2作為WebGIS服務(wù)器，并使用Oracle 11gR2 存儲非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，在MyEclipse 2014GA 平臺上開發(fā)實現(xiàn)。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）表現(xiàn)層：采用JSP （Java server pages）技術(shù)動態(tài)生成瀏覽器上的響應(yīng)頁面。其中整合了HTML5 （hypertext markup language 5）和CSS3 （cascading style sheets 3）技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)頁面的布局和頁面組件樣式的渲染，并結(jié)合JavaScript技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)頁動態(tài)效果的實現(xiàn)。在該層通過Arc－GIS API for JavaScript實現(xiàn)讀取GIS服務(wù)器提供的空間數(shù)據(jù)和空間分析服務(wù)并提供空間制圖功能。并且通過JavaScript和CSS3識別瀏覽器的分辨率，根據(jù)不同的分辨率范圍進(jìn)行不同的網(wǎng)頁布局，實現(xiàn)多終端的個性化訪問。

（2）Web 層：使用基于模型－視圖－控制器 （modelview－controller，MVC）設(shè)計模式的Struts 2.3框架中的控制器 （filter dispatcher），對瀏覽器的請求進(jìn)行過濾和攔截，然后根據(jù)Struts的配置信息將請求傳遞到業(yè)務(wù)邏輯層的相關(guān)Action進(jìn)行處理。當(dāng)瀏覽器請求被處理完成后，Web層又將請求結(jié)果返回到瀏覽器。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層：Struts中的Action執(zhí)行控制器發(fā)來的事務(wù)請求，并調(diào)用Web服務(wù)器Apache Tomcat 8中的相關(guān)的業(yè)務(wù)模型JavaBean進(jìn)行事務(wù)處理。Web服務(wù)器對非空間數(shù)據(jù)的事務(wù)處理請求進(jìn)行處理，并將包括空間信息的事務(wù)處理請求發(fā)送到GIS服務(wù)器ArcGIS for Server 10.2進(jìn)行處理。查詢和分析的結(jié)果數(shù)據(jù)主要以JSON （JavaScript object notation）格式和地圖服務(wù)形式返回到瀏覽器。對于長時間序列大數(shù)據(jù)量的查詢和分析，通過Hibernate的分頁查詢功能可以讓瀏覽器快速地接收和顯示響應(yīng)結(jié)果。對于GIS服務(wù)器響應(yīng)生成的地圖服務(wù)，通過ArcGIS for Server的切片功能可以快速地傳遞到瀏覽器供用戶瀏覽。

（4）數(shù)據(jù)層：使用安全、穩(wěn)定和高效的Oracle 11gR2存儲空間和非空間數(shù)據(jù)。Web服務(wù)器通過SSH 框架中的數(shù)據(jù)訪問對象 （data access object，DAO）和持久化對象（persistent object，PO）以面向?qū)ο?（object oriented，OO）的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。GIS服務(wù)器可以直接對Oracle的地理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問。

2.2 功能展示

為了定性和定量地分析研究1951年至今的八大類地面氣候要素的變化特征，系統(tǒng)對查詢和統(tǒng)計分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行表格、圖形和空間地圖等方式進(jìn)行顯示。

2.2.1 表格顯示

在查詢和分析時，用戶首先要從系統(tǒng)界面的左側(cè)選擇數(shù)據(jù)種類，如圖4所示。當(dāng)選好數(shù)據(jù)種類時，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)到檢索條件選項卡，然后用戶可以選擇要檢索的站點和起止時間。圖4還展示了以表格形式顯示查詢和分析結(jié)果的系統(tǒng)界面。用戶可以設(shè)置每頁顯示的記錄數(shù)量進(jìn)行分頁顯示，可以輸入關(guān)鍵字來篩選查詢的結(jié)果，也可以將查詢結(jié)果以逗號分隔值 （comma separated value，CSV）文件格式進(jìn)行下載。

圖4 表格顯示界面

2.2.2 圖形顯示

以圖形方式顯示的系統(tǒng)界面如圖5所示。系統(tǒng)通過對結(jié)果數(shù)據(jù)的類別進(jìn)行判斷來提供合適的柱狀圖、趨勢線圖或者餅圖等顯示選項。右側(cè)的縮略圖可以看到整個查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)范圍和變化趨勢，左側(cè)的主圖可以更加細(xì)致地判讀氣候要素的變化情況。用戶可以選擇單站顯示或者多站對比顯示，可以輸入閾值查看在閾值范圍內(nèi)和范圍外的數(shù)據(jù)以便進(jìn)一步進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險分析，可以框選圖形區(qū)域進(jìn)行局部放大顯示，也可以將鼠標(biāo)指針放在數(shù)據(jù)點上來查看該數(shù)據(jù)點的詳細(xì)屬性。

對氣候要素進(jìn)行長時間序列查詢時，服務(wù)器會返回大量的數(shù)據(jù)。例如當(dāng)查詢某個站點的30年間日平均相對濕度時，將會有超過10000個數(shù)據(jù)返回到瀏覽器。當(dāng)對多站點進(jìn)行查詢時，數(shù)據(jù)量還會翻倍增長，這將對快速繪制趨勢線圖產(chǎn)生很大影響。此時，我們通過對數(shù)據(jù)的重采樣來減小數(shù)據(jù)量，即繪制左側(cè)主圖時每個站點的數(shù)據(jù)點等間距取1000個以內(nèi)，繪制右側(cè)縮略圖時每個站點的數(shù)據(jù)點等間距取300個以內(nèi)。這樣不僅減少了用戶的等待時間，又能保證繪圖的精度。

2.2.3 地圖顯示

圖6是以空間地圖的形式進(jìn)行結(jié)果顯示的系統(tǒng)界面。用戶可以用鼠標(biāo)進(jìn)行基本的地圖操作，包括放大、縮小和漫游等，可以點擊初始化按鈕來重置地圖的顯示范圍，點擊右上角的箭頭圖標(biāo)查看和隱藏鷹眼視圖，點擊監(jiān)測站點或者行政區(qū)劃的多邊形要素進(jìn)行相關(guān)地理屬性的顯示。此外，在地圖右側(cè)提供了圖層控制、顯示圖例和空間分析等選項卡。通過這些選項卡，用戶可以進(jìn)行顯示、隱藏和移除圖層等控制操作，可以查看各個圖層的圖例信息，也可以對地面氣候資料進(jìn)行進(jìn)一步的量算、插值、地理統(tǒng)計等空間分析操作。通過點擊折疊按鈕，用戶可以將選項卡全部折疊以查看地圖區(qū)域。由于矢量和柵格圖層的數(shù)據(jù)量較大，直接傳輸和加載整個圖層會耗費大量的時間，我們在ArcGIS for Server上發(fā)布地圖服務(wù)時進(jìn)行了多級瓦片圖層的生成。當(dāng)瀏覽器進(jìn)行地圖縮放時，系統(tǒng)依據(jù)顯示的空間范圍自動判斷顯示相關(guān)級別的瓦片圖層以提高響應(yīng)的速度。

圖5 圖形顯示界面

圖6 地圖顯示界面

（1）分級顏色和分級符號渲染：通過ArcGIS API for JavaScript提供的地圖渲染器，我們可以對查詢的結(jié)果進(jìn)行分級符號和分級顏色的渲染，如圖7所示。從圖7中的不同顏色和不同半徑的圓形地圖符號可以清楚地對比分析2014年2月28日各個站點的最高溫度。

（2）數(shù)據(jù)插值和等值線繪制：通過ArcGIS for Server提供的空間數(shù)據(jù)插值和等值線繪制功能，可以對查詢的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步地空間分析，如圖8所示。圖8中將所有站點2014年2月28日的最高溫度進(jìn)行插值得到上海、江蘇和浙江的整個區(qū)域范圍內(nèi)當(dāng)天的最高溫度柵格圖，并繪制了間隔為1℃的等溫線，這樣可以更加清楚地識別出區(qū)域內(nèi)溫度的“熱點”或者“冷點”分布以及溫度的空間變化特點。

圖7 分級顏色和分級符號渲染

圖8 數(shù)據(jù)插值和等值線繪制

（3）風(fēng)速風(fēng)向矢量圖：通過對各個站點的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)的矢量圖合成，可以得到風(fēng)速風(fēng)向矢量圖，如圖9所示。其中，用矢量箭頭的尺寸來表示風(fēng)速的大小，用矢量箭頭的方向來描述風(fēng)向。根據(jù)圖9中的矢量圖，可以識別出在整個區(qū)域范圍內(nèi)2014年2月28日最大風(fēng)速呈現(xiàn)出北高南低的趨勢，并且風(fēng)向以東風(fēng)為主。

圖9 風(fēng)速風(fēng)向矢量圖

3 結(jié)束語

基于Java Web和WebGIS的地面氣候資料查詢與分析系統(tǒng)，不但在瀏覽器端實現(xiàn)了跨平臺的便捷訪問，在服務(wù)器端也能夠進(jìn)行跨平臺的部署。系統(tǒng)整合了SSH 框架技術(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計，易維護(hù)且易擴(kuò)展。系統(tǒng)使用ArcGIS for Server作為GIS服務(wù)器，安全、高效且具有完善的空間分析功能。系統(tǒng)使用Oracle數(shù)據(jù)庫，能高效地存儲普通數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，并且有完善的容錯機(jī)制和備份機(jī)制。系統(tǒng)通過對服務(wù)器查詢結(jié)果的重采樣，在瀏覽器上實現(xiàn)了統(tǒng)計圖的快速繪制?？傊撓到y(tǒng)為科研人員和氣象工作者提供了從大量地面氣候數(shù)據(jù)中定性、定量和快速可視化的在線分析功能。此外，本系統(tǒng)在長時間序列分析上僅提供了均值分析和閾值分析功能，如能擴(kuò)展例如小波分析和方差分析等其它統(tǒng)計分析功能將更有助于深入地分析地面氣候要素的變化特征。

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