寧夏氣象觀測(cè)站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李新慶 陳海波 樊寬

摘要：針對(duì)寧夏氣象觀測(cè)站建設(shè)管理不足的問(wèn)題，本文研究基于LAMP技術(shù)構(gòu)建寧夏氣象站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)面向氣象行業(yè)用戶(hù)使用，采用B/S框架，集成Web GIS、PostgreSQL/PostGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)站的顯示、統(tǒng)計(jì)、審批和管理。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠提升自動(dòng)站管理的自動(dòng)化和信息化水平。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；氣象業(yè)務(wù)；LAMP；Web GIS

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Aiming at the deficiency of management Ningxia automatic weather station， this paper studies the construction of Ningxia Meteorological Station Management Information System based on LAMP technology. Mainly provided for the meteorological business users， the system applies B/S framework and integrated uses Web GIS， PostgreSQL， PostGIS techniques， etc， which comprehensively realizes the AWS distribution display， statistics， approval and management. The application results show that the system can improve automation and informationization level of AWS management .

Key words： automatic weather station； meteorological service； LAMP； Web GIS

0 引言

寧夏全區(qū)已經(jīng)建成各類(lèi)氣象觀測(cè)站（AWS，Automatic Weather Station）共計(jì)893個(gè)，站網(wǎng)平均密度達(dá)7公里以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)全覆蓋，行政村覆蓋率25.6%。已建成并投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的區(qū)域自動(dòng)氣象站在氣象服務(wù)工作中發(fā)揮了一定作用，為地方防災(zāi)減災(zāi)提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)、高效的決策依據(jù)，進(jìn)一步提高了災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力和服務(wù)水平[1]。

然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)和社會(huì)公眾對(duì)氣象探測(cè)數(shù)據(jù)的需求越來(lái)越高。全區(qū)氣象部門(mén)和其它行業(yè)、單位委托或自主建設(shè)的各類(lèi)氣象探測(cè)站點(diǎn)、設(shè)施的種類(lèi)和數(shù)量逐年增加。但是氣象探測(cè)站點(diǎn)和設(shè)施的布設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，氣象探測(cè)行為缺乏監(jiān)管，氣象資料的使用、發(fā)布較為混亂，造成了資源的浪費(fèi)，給氣象信息安全帶來(lái)了隱患[2-3]。

因此，為了切實(shí)規(guī)范全區(qū)氣象探測(cè)設(shè)施建設(shè)，提高觀測(cè)站管理效率，迫切需要采用Web技術(shù)、Web GIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等建立寧夏氣象觀測(cè)站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，規(guī)范寧夏氣象觀測(cè)站的管理和審批流程，為授權(quán)用戶(hù)提供查詢(xún)、檢索、統(tǒng)計(jì)、臺(tái)站環(huán)境顯示和GIS地圖展示等功能。該系統(tǒng)能夠提高業(yè)務(wù)部門(mén)對(duì)觀測(cè)站站管理的規(guī)范性，對(duì)于寧夏氣象管理信息化具有一定的促進(jìn)作用[4]。

1 需求分析

目前，寧夏氣象部門(mén)對(duì)氣象觀測(cè)站點(diǎn)信息的管理，還停留在傳統(tǒng)的、人工的、零散數(shù)據(jù)的層面上，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的自動(dòng)化、信息化和規(guī)范化的信息管理，一些統(tǒng)計(jì)工作需要靠手工來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果不夠快速準(zhǔn)確，影響了氣象決策需求。另外，氣象預(yù)報(bào)、公共服務(wù)等業(yè)務(wù)工作人員對(duì)站點(diǎn)信息缺乏直觀了解，影響了站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用和服務(wù)。為此，需要構(gòu)建一個(gè)服務(wù)于區(qū)、市、縣三級(jí)氣象部門(mén)業(yè)務(wù)銜接的觀測(cè)站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域自動(dòng)站審批、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)的服務(wù)功能，并且系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下特征：

1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、方便擴(kuò)充

對(duì)所管理的氣象信息在管理方式、格式及質(zhì)量等方面制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中認(rèn)真遵循，使本系統(tǒng)能夠隨著業(yè)務(wù)、和政策法規(guī)的變化方便地?cái)U(kuò)展和升級(jí)，保證系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

（1） 注重部門(mén)間業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容

觀測(cè)站網(wǎng)審批涉及到多個(gè)職能部門(mén)之間的合作[5]，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮各部門(mén)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)兼容性和互操作，根據(jù)實(shí)際需求確定系統(tǒng)各項(xiàng)功能，以滿(mǎn)足實(shí)際需求為最終目的。

2）系統(tǒng)穩(wěn)定、安全可靠

系統(tǒng)要做到性能穩(wěn)定、安全可靠，并保證氣象觀測(cè)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足區(qū)、市、縣三級(jí)用戶(hù)在線訪問(wèn)和審批工作，并做到24小時(shí)不間斷業(yè)務(wù)運(yùn)行要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

按照氣象部門(mén)氣象探測(cè)設(shè)施建設(shè)的管理和審批流程，依托寧夏氣象信息基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化平臺(tái)建設(shè)，按照分層設(shè)計(jì)、集中部署原則，并遵循氣象探測(cè)設(shè)施安全管理規(guī)范和氣象設(shè)施運(yùn)維保障體系，構(gòu)建寧夏氣象觀測(cè)站信息網(wǎng)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如1所示。

系統(tǒng)架構(gòu)采用成熟的三層體系架構(gòu)[6]：表示層（Browser）、服務(wù)層（Web Service）和數(shù)據(jù)層（Data Service）。表示層屏蔽技術(shù)細(xì)節(jié)、應(yīng)用軟件的差異性，面向用戶(hù)提供基于Web和Web GIS的氣象觀測(cè)站點(diǎn)信息的展示、查詢(xún)服務(wù)。服務(wù)層針對(duì)用戶(hù)的具體操作，采用AJAX的異步交互模式，為表示層返回用戶(hù)所需的JSON封裝數(shù)據(jù)，從而減輕服務(wù)端負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)工作效率。數(shù)據(jù)層包括GIS空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象觀測(cè)站網(wǎng)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，為系統(tǒng)提供區(qū)域自動(dòng)氣象站站點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、觀測(cè)站網(wǎng)審批管理數(shù)據(jù)。

2.2 功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要解決寧夏氣象部門(mén)各級(jí)業(yè)務(wù)用戶(hù)對(duì)氣象，全區(qū)氣象觀測(cè)站的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、Web GIS展示的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)[7]，并提供觀測(cè)站的網(wǎng)上申請(qǐng)、審核、批準(zhǔn)功能。系統(tǒng)以氣象探測(cè)設(shè)施構(gòu)建中依循的各類(lèi)法律法規(guī)為依據(jù)，并結(jié)合寧夏氣象部門(mén)自動(dòng)站審批工作中的實(shí)際情況對(duì)內(nèi)部業(yè)務(wù)，系統(tǒng)功能做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

基于區(qū)級(jí)站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取本縣范圍內(nèi)所有站網(wǎng)類(lèi)型的標(biāo)志信息，并以GIS圖形化與表格化相結(jié)合的方式向用戶(hù)進(jìn)行可視化展示。在此，給出系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)概述如下。

1）站點(diǎn)的審批管理。實(shí)現(xiàn)區(qū)域自動(dòng)觀測(cè)站站點(diǎn)信息、自動(dòng)站設(shè)備信息、設(shè)備廠家信息等審批過(guò)程的自動(dòng)化管理，提供所有業(yè)務(wù)流程的數(shù)據(jù)錄入、處理功能。同時(shí)，更進(jìn)一步用戶(hù)對(duì)申報(bào)站點(diǎn)處理過(guò)程和申報(bào)結(jié)果的查詢(xún)和追蹤，并可查看申請(qǐng)辦理每個(gè)環(huán)節(jié)的具體情況。

2）站點(diǎn)查詢(xún)。通過(guò)站號(hào)、站名、所屬地市、縣區(qū)、觀測(cè)站類(lèi)型等條件進(jìn)行查詢(xún)，并以表格和Web GIS的方式為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)有效展示。

3）站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)觀測(cè)站設(shè)備類(lèi)型、觀測(cè)要素、所屬地市等條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以表格和圖形的方式為用戶(hù)提供有效展示。

4）系統(tǒng)管理。主要包括對(duì)用戶(hù)的登錄權(quán)限、審批權(quán)限進(jìn)行修改、刪除和增加。并設(shè)計(jì)建立用戶(hù)登錄日志，另外，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，可做審批流程的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 氣象觀測(cè)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含審批管理流程，且涉及多個(gè)部門(mén)的聯(lián)合審批，審批過(guò)程中隨時(shí)需要查詢(xún)各自部門(mén)原有的數(shù)據(jù)[8]，因此，系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與區(qū)級(jí)原有的站網(wǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)保持一致，為系統(tǒng)提供了自動(dòng)氣象觀測(cè)站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

以觀測(cè)站點(diǎn)設(shè)施表為例，需要存儲(chǔ)建設(shè)單位、上級(jí)主管部門(mén)、建設(shè)地址、站點(diǎn)類(lèi)型、站點(diǎn)用途、項(xiàng)目來(lái)源、經(jīng)緯度、海拔高度、探測(cè)要素、設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)廠家、氣象裝備許可證號(hào)、站點(diǎn)8個(gè)方位照片等信息，其數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)如表1所示。

3.2 地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)采用PostGIS存儲(chǔ)寧夏空間地理信息，PostGIS在對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL上增加了存儲(chǔ)管理空間數(shù)據(jù)的能力[9]，該數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)⒖臻g地理信息存儲(chǔ)為WKT（Well Known Text、熟知文本）格式，并對(duì)圖片和多媒體等以BLOB方式存儲(chǔ)[10]。另外，PostGIS支持使用C++、.NET、PHP、Python以及其他各類(lèi)開(kāi)源數(shù)據(jù)引擎的調(diào)用，方便數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)調(diào)用。

系統(tǒng)中所使用的GIS數(shù)據(jù)主要包括寧夏全區(qū)、地市、縣區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、行政村的點(diǎn)、多邊形等矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)描述統(tǒng)一設(shè)定為Shapefile文件格式，本文使用PostGIS自帶的shapefile Loader工具將各類(lèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)入寧夏氣象空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)[10]，并使用pgAdmin圖形化的工具來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。另外，還可以使用uDig直接連接該數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

3.3 MapGIS地圖服務(wù)器

MapGIS IGServer基于MapGIS微內(nèi)核為基礎(chǔ)，是新一代的互聯(lián)網(wǎng)地理信息服務(wù)平臺(tái)[11]，采用面向服務(wù)的分布式多層體系架構(gòu)，提供跨平臺(tái)的開(kāi)放式的Web GIS服務(wù)體系和二次開(kāi)發(fā)框架，具有GIS服務(wù)發(fā)布共享與行業(yè)應(yīng)用的功能。因此，系統(tǒng)采用MapGIS作為地圖服務(wù)器，為系統(tǒng)提供Web GIS地圖服務(wù)。

MapGIS IGServer采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，構(gòu)建整套Web GIS服務(wù)體系（IG Server服務(wù)層），提供SOAP、REST服務(wù)訪問(wèn)方式，基于OGC標(biāo)準(zhǔn)的MapGISOGCWebService服務(wù)，遵循WMS、WFS、WCS服務(wù)規(guī)范，支持XML、GML和GeoRSS JSON數(shù)據(jù)格式。

基于IG Server的Web服務(wù)體系，融合主流的RIA（Rich Internet Applications，豐富互聯(lián)網(wǎng)程序）技術(shù)，Web GIS功能模塊采用基于IGServer API for JavaScript二次開(kāi)發(fā)庫(kù)架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)OpenLayers框架進(jìn)行了封裝和優(yōu)化，使系統(tǒng)具有良好的兼容性和擴(kuò)展性。IG Server主要分為3個(gè)部分，即數(shù)據(jù)層、GIS服務(wù)和客戶(hù)端。其中，對(duì)應(yīng)于MapGIS IGServer平臺(tái)的體系架構(gòu)，GIS服務(wù)層可分為IGServer基礎(chǔ)內(nèi)核服務(wù)與IGServer Web服務(wù)，該結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、GIS服務(wù)與應(yīng)用分開(kāi)，可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的管理、應(yīng)用和發(fā)布，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性，并能及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的服務(wù)請(qǐng)求。

3.4 站點(diǎn)申請(qǐng)及審批流程

根據(jù)氣象行業(yè)探測(cè)設(shè)施建設(shè)規(guī)范流程，系統(tǒng)采用縣、市、區(qū)局三級(jí)部門(mén)審批和管理。當(dāng)申請(qǐng)和審批一個(gè)流程時(shí)，系統(tǒng)需要通過(guò)表單接收各級(jí)用戶(hù)填寫(xiě)的自動(dòng)氣象站信息和上級(jí)審批意見(jiàn)[12]。

承建單位上報(bào)觀測(cè)站點(diǎn)的建設(shè)申請(qǐng)，按照縣、市、區(qū)三級(jí)業(yè)務(wù)主管部門(mén)進(jìn)行審核，最終由區(qū)級(jí)批準(zhǔn)，并使各用戶(hù)能夠查看審批流程節(jié)點(diǎn)信息[13]。觀測(cè)站點(diǎn)申請(qǐng)錄入界面如圖所示。

3.5 系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)框架采用jQuery EasyUI設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該框架為用戶(hù)封裝了AJAX（Asynchronous Javascript And XML，異步JavaScript和XML）異步請(qǐng)求，將業(yè)務(wù)邏輯和用戶(hù)界面設(shè)計(jì)劃分開(kāi)來(lái)，較好地解決如事務(wù)處理、Web安全、數(shù)據(jù)流控制等問(wèn)題[14]，同時(shí)因其具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、開(kāi)源免費(fèi)、容易擴(kuò)展等特點(diǎn)，非常適合中小型項(xiàng)目的快速開(kāi)發(fā)。

AJAX使用異步客戶(hù)端/服務(wù)器通信模型，連接后端應(yīng)用服務(wù)器，接收服務(wù)器處理后的結(jié)果，并返回JSON格式數(shù)據(jù)，進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的顯示和疊加，最終以GIS圖形化與表格化相結(jié)合的方式為用戶(hù)生成視圖展示。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼如下所示。

3.6 Web GIS模塊

Web GIS顯示模塊采用IGServer API for JavaScript客戶(hù)端呈現(xiàn)， Web GIS服務(wù)器采用MapGIS地圖服務(wù)器，為用戶(hù)提供基于Web GIS的全區(qū)氣象觀測(cè)站網(wǎng)分布功能。

IGServer API for JavaScript客戶(hù)端是對(duì)OpenLayers進(jìn)行了封裝和優(yōu)化，OpenLayers是一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)源WebGIS的客戶(hù)端JavaScript框架，能夠?qū)崿F(xiàn)在瀏覽器中瀏覽、漫游與縮放地圖等基本功能[15]。Web GIS系統(tǒng)界面如圖3所示。

3.7 統(tǒng)計(jì)展示模塊

為滿(mǎn)足氣象業(yè)務(wù)人員對(duì)氣象觀測(cè)站的統(tǒng)計(jì)需求，系統(tǒng)采用HighCharts實(shí)現(xiàn)觀測(cè)站的統(tǒng)計(jì)繪圖功能，HighCharts是一個(gè)運(yùn)用Javascript腳本編寫(xiě)構(gòu)建的繪圖庫(kù)，可以制作折線圖、柱狀圖、餅圖等多種圖表類(lèi)型，具有界

面美觀、兼容性強(qiáng)、不受開(kāi)發(fā)語(yǔ)言約束等特點(diǎn)[16]，而且能為用戶(hù)提供較好的可視化效果，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)展示模塊如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合寧夏氣象行業(yè)特點(diǎn)，提出采用LAMP架構(gòu)實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)站網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在寧夏氣象部門(mén)投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，面向?qū)幭膮^(qū)、市、縣三級(jí)業(yè)務(wù)人員提供可視化的自動(dòng)氣象站查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)服務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、功能完整、界面友好、操作簡(jiǎn)便，能夠滿(mǎn)足氣象行業(yè)用戶(hù)對(duì)觀測(cè)站網(wǎng)的管理需求。

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