基于Silverlight的海島預報服務系統(tǒng)研究

曾悠 楊明 朱旻翔

摘要：針對桌面客戶端版和傳統(tǒng)B/S架構的海島預報服務系統(tǒng)存在移植性差、響應速度慢等問題，利用Silverlight框架的富網(wǎng)絡應用特性，結合WebGIS技術，設計了基于B/S結構的海島預報服務系統(tǒng)實現(xiàn)方案。通過對Silverlight框架、氣象數(shù)據(jù)組織結構、氣象數(shù)據(jù)服務和基于WebGIS的Silverlight實現(xiàn)等關鍵技術的研究，實現(xiàn)了海島預報服務的氣象要素可視化和具有高擴展性的海島氣象數(shù)據(jù)服務。應用結果表明，基于Silverlight技術的海島預報服務系統(tǒng)具有更快的響應速度和更優(yōu)良的應用效果，為海島預報服務提供了一種科學高效的實現(xiàn)方式。

關鍵詞：Silverlight技術；海島預報；預報服務；WebGIS

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）14-55-4

0引言

海島天氣預報一直與海上航運、漁業(yè)生產、近海養(yǎng)殖和海島旅游等息息相關[1]。因中國東南沿海與太平洋相鄰，海域寬廣橫跨東亞季風區(qū)，實測的海洋氣象資料則相對較少[2]，沿海建立的海島氣象站、海洋站和浮標站可以為海上運輸及作業(yè)提供及時準確的氣象信息[3]，在沿海防風抗臺、防災減災等方面具有決定性作用。

目前，海島預報服務系統(tǒng)一般采用基于C/S結構的客戶端或基于B/S架構的傳統(tǒng)Web模式，然而前者往往缺乏地理信息數(shù)據(jù)支撐且兼容性較差，后者數(shù)據(jù)傳輸速率低、響應速度慢。

本文旨在建立一個基于Silverlight框架、結合WebGIS技術、具有良好展示功能的浙江省海島預報服務系統(tǒng)，為政府單位、氣象業(yè)務人員做好防災減災和決策服務提供科學有效的技術支撐。

1Silverlight框架

Silverlight是一種既跨平臺又跨瀏覽器的富互聯(lián)網(wǎng)應用程序（RIA）實現(xiàn)技術[4-5]，是基于.Net Framework的交互式Web呈現(xiàn)技術。其特性主要表現(xiàn)在：

①Silverlight可跨瀏覽器、跨平臺、支持RIA且基于瀏覽器插件。類似Flash動畫的創(chuàng)建方法，RIA能在通用瀏覽器上創(chuàng)建并運行。另外，開發(fā)和設計不受限于用戶使用的瀏覽器或平臺，由Silverlight創(chuàng)造的應用程序可以運行在所有流行的瀏覽器中，并且所提供的用戶體驗都是一致的[6]，包括Web平臺、Windows桌面版和移動設備（如Windows Phone7）等。

②客戶端具備處理和緩存數(shù)據(jù)的功能。在客戶端，Silverlight能同時計算處理和緩存大量數(shù)據(jù)，因此客戶端與服務端之間的交互壓力也能有效減少。

③頁面交互美觀豐富。Silverlight不僅能創(chuàng)建UI元素，且支持第三方控件，在瀏覽器中現(xiàn)實的內容和效果比僅使用HTML更豐富、更優(yōu)良。能夠融合圖片、視頻、動畫和其他交互內容，在Web頁面上為用戶展現(xiàn)桌面應用一樣豐富的可視效果。Silverlight使用可擴展應用程序標記語言（XAML）來創(chuàng)建元素和UI界面設計。

④Silverlight支持瀏覽器UI的修改且兼容常見標準和技術，可靈活地集成諸如ASP.NET，AJAX代碼來增添功能、增強可視化效果。

⑤Silverlight占用空間小，在瀏覽器中安裝快速便捷，幾乎不會對用戶體驗造成負面影響。

2系統(tǒng)整體設計

2.1系統(tǒng)總體架構

層次化設計是系統(tǒng)總體框架的設計思想，以保證海島預報服務系統(tǒng)的低耦合和高擴展性?？傮w框架結構由數(shù)據(jù)支撐層、應用服務層、業(yè)務邏輯層和信息表現(xiàn)層4部分組成。

數(shù)據(jù)支撐層：用于存儲數(shù)據(jù)的基礎數(shù)據(jù)庫。其中，地理信息相關的數(shù)據(jù)存儲于空間數(shù)據(jù)庫，天氣現(xiàn)象、最低和最高溫度、風向和風力等級等實時和預報數(shù)據(jù)存儲在氣象要素數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)的調用是應用服務層通過數(shù)據(jù)庫引擎完成的。

應用服務層：系統(tǒng)的主要功能在該層實現(xiàn)，包括空間信息服務、系統(tǒng)集成接口和接口組件管理系統(tǒng)3類主要功能?？臻g信息服務功能主要包含地理信息數(shù)據(jù)獲取、查看瀏覽地圖、地圖圖層編輯及地理信息維護，還有與空間數(shù)據(jù)相關的數(shù)據(jù)處理方法等；系統(tǒng)集成接口負責依據(jù)氣象業(yè)務需求構造相應的接口組件，完成業(yè)務邏輯層和其他數(shù)據(jù)的集成等功能，本平臺需求得到滿足的同時，其他外部應用系統(tǒng)也能調用公開提供的功能服務；接口應用管理系統(tǒng)服務是對接口應用范圍管理，應用系統(tǒng)能在服務層對其自由調用。

業(yè)務邏輯層：是系統(tǒng)的核心層，在此對系統(tǒng)的所有功能進行封裝和發(fā)布。根據(jù)業(yè)務邏輯設計，響應表現(xiàn)層請求，按用戶要求對應用服務層功能進行調用，完成系統(tǒng)流程，并且能實現(xiàn)服務與服務的相互調用，完成系統(tǒng)任務。此外，業(yè)務邏輯層還包括了與空間地理信息和接口管理相關的服務。

信息表現(xiàn)層：用戶與應用程序在此交互，是整個系統(tǒng)的可視層，當信息表現(xiàn)層接收到用戶的輸入后，發(fā)送指令給服務器端，隨后服務器端接收并處理請求，返回的數(shù)據(jù)以文字、表格等方式在表現(xiàn)層可視化地展示給用戶，完成系統(tǒng)流程。

2.2系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)的主要功能設計包括氣象信息展示、查詢與獲取、站點信息展示、圖表展示和地圖操作5類，以滿足海島預報服務系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。

①氣象要素信息數(shù)據(jù)：通過讀取實時和預報氣象要素數(shù)據(jù)庫，在地理信息上顯示各站點的當天實況或未來預報數(shù)據(jù)（共5天）。

②查詢與獲?。航y(tǒng)計不同類別的氣象要素，在空間地圖上顯示相應站點的實時或預報數(shù)據(jù)。

③站點信息展示：結合氣象要素信息數(shù)據(jù)庫中氣象自動站、海洋站、浮標站表信息和海島地理位置，將代表各海島站點的站名和經緯度等信息可視化地展示出來。

④圖表展示：通過讀取氣象信息數(shù)據(jù)庫中近24 h的實時數(shù)據(jù)和未來4天的預報數(shù)據(jù)，以圖表的方式展示各海島5天內的氣象信息變化。

⑤地圖操作：從空間信息數(shù)據(jù)庫中獲得地理信息并顯示地圖，可對地圖進行包括放大、縮小等基礎操作，也能進行漫游、地圖類別選擇、圖層選擇、測距、清除屏幕等高一級的操作，且能通過放大和縮小來分層展示各海島的氣象監(jiān)測和預報信息。

3系統(tǒng)關鍵技術

海島預報服務系統(tǒng)的核心主要由氣象數(shù)據(jù)組織、氣象數(shù)據(jù)服務和WebGIS與Silverlight相結合的方案3部分構成。

3.1氣象數(shù)據(jù)組織及存儲

氣象數(shù)據(jù)體量大、種類繁多且格式不統(tǒng)一，主要分為氣象站實時和歷史數(shù)據(jù)的站點數(shù)據(jù)、網(wǎng)格化的預報數(shù)據(jù)、圖片形式的柵格數(shù)據(jù)3大類。站點數(shù)據(jù)屬于結構化數(shù)據(jù)，利用分布式關系型數(shù)據(jù)庫，采用以字段為主的行存儲方式，存儲要素主要包括站號、站點名稱、經緯度和氣象要素等。預報數(shù)據(jù)是網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，屬于非結構化數(shù)據(jù)，采用分布式存儲的方式。站點數(shù)據(jù)與網(wǎng)格化數(shù)據(jù)存儲方式示意如圖3所示。

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有物理上分散而邏輯上集中的特點[7]，這些存儲在不同物理節(jié)點的邏輯單元由計算機網(wǎng)絡連接，從而形成總體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，應用程序則可通過網(wǎng)絡對各個分布的數(shù)據(jù)庫進行訪問，具有較好的可靠性、靈活性和擴展性。

3.2 Web Service技術的數(shù)據(jù)服務

為了提高氣象數(shù)據(jù)的高可用性和高擴展性，實現(xiàn)異構系統(tǒng)環(huán)境下的氣象數(shù)據(jù)高效訪問，主要采用Web Service技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務。數(shù)據(jù)服務的實現(xiàn)共分為部署、注冊和發(fā)布3個部分。在海島預報服務系統(tǒng)的業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)支撐層，Web Service響應獲取數(shù)據(jù)或計算的請求，通過訪問數(shù)據(jù)支撐層的氣象要素數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)轉換為應用服務層的接口統(tǒng)一標準格式返回給業(yè)務邏輯層。

實現(xiàn)分為2步：①建立Web服務。基于HTTP協(xié)議的簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）模式，Web Service適用于常用的編程語言，如C/C++，Java，Python等，方便外部應用程序訪問和調用Web服務的接口；②部署和發(fā)布數(shù)據(jù)服務。將Web數(shù)據(jù)服務部署到Web應用服務器上并提供對外服務，已發(fā)布的數(shù)據(jù)服務接口則通過Service程序來訪問。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務按照不同的氣象數(shù)據(jù)類型和組織方式，提供了海島預報服務所需的天氣現(xiàn)象、最低溫度、最高溫度、風向和風力等級5類實況站點及網(wǎng)格化預報等的數(shù)據(jù)服務，同時發(fā)布的數(shù)據(jù)服務可以為其他業(yè)務系統(tǒng)提供服務。

3.3 WebGIS與Silverlight的結合方案

為了滿足氣象業(yè)務人員更直觀地分析和瀏覽海島預報信息，系統(tǒng)提供了地理信息的功能?；赪ebGIS的Silverlight結合方案，主要采用了美國Esri公司發(fā)布的ArcGIS API for Silverlight組件，它用于在Silverlight框架上開發(fā)WebGIS應用的編程接口。整體結合方案主要由地圖服務、氣象數(shù)據(jù)服務和地圖Silverlight客戶端等組成。Silverlight客戶端向地圖服務請求地圖或氣象數(shù)據(jù)服務，地圖服務端或氣象數(shù)據(jù)服務端向客戶端返回地圖數(shù)據(jù)或氣象數(shù)據(jù)，客戶端根據(jù)不同的展示方式，利用Silverlight技術繪制矢量圖層、柵格圖層或多媒體圖層等，如圖4所示。

地理數(shù)據(jù)主要由瓦片文件和地理基礎數(shù)據(jù)組成；氣象數(shù)據(jù)由海洋氣象站點及序列和氣象網(wǎng)格產品組成。氣象地理數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分別存儲在不同類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里。服務數(shù)據(jù)格式采用地圖瓦片PNG格式或標準化的XML，實現(xiàn)了在Silverlight平臺上實時加載繪制基礎地理數(shù)據(jù)、海島地理信息和預報服務數(shù)據(jù)，提供了在線交互式的地圖縮放、海區(qū)選擇定位與標記、海區(qū)預報圖層生成等功能。

3.4 Silverlight技術的系統(tǒng)實現(xiàn)

海島預報服務系統(tǒng)的Silverlight技術主要在信息表示層和業(yè)務邏輯層2個層面實現(xiàn)。

在信息表示層，用XAML定義界面UI和交互方式。界面UI包括界面風格、控件大小和位置等，如地圖的選擇、海島氣象要素信息的圖表布局和海島站點信息的顯示等，使用戶在Web瀏覽器上快速直觀地獲取信息。交互方式的定義用來獲取用戶對控件的操作指令，并將指令傳達給業(yè)務邏輯層，經分析處理后再反饋結果給信息表示層。

在業(yè)務邏輯層，主要負責接收并處理信息表示層提交的指令，如獲取氣象要素信息、查詢站點信息和選擇地圖等。根據(jù)業(yè)務流程設計，當業(yè)務邏輯層接收到交互指令后，通過Web Service異步調用和業(yè)務邏輯封裝，從數(shù)據(jù)服務層請求并獲取氣象要素數(shù)據(jù)。

在服務端則部署好Silverlight應用程序，當用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)Web頁面時，會自動下載xap壓縮文件，它包含了Silverlight應用程序需要的所有文件。

海島預報服務系統(tǒng)中，Silverlight負責實現(xiàn)信息表示層的UI、控件布局以及業(yè)務邏輯層的事件、功能，而用戶只需在瀏覽器安裝Silverlight插件即可。

4應用實例

目前，采用Silverlight框架WebGIS技術，浙江省海島預報服務系統(tǒng)已經實現(xiàn)并運用在實際業(yè)務中。實踐結果顯示，系統(tǒng)可以準確地根據(jù)用戶的需求提供所選海島的實況、預報氣象要素數(shù)據(jù)及站點信息，并顯示對應的地理位置。由于是基于Silverlight的，本系統(tǒng)具有跨平臺、跨瀏覽器的特點。此外，與傳統(tǒng)方法相比，提高了系統(tǒng)的響應速度，增強了界面的美觀度和功能的豐富性。

5結束語

基于Silverlight的眾多優(yōu)點，研究并建立了海島預報服務系統(tǒng)，不僅解決了現(xiàn)有系統(tǒng)移植性差、響應慢、維護困難的問題，還提高和擴展了海島氣象數(shù)據(jù)的可用性，也豐富了系統(tǒng)的界面、功能和交互體驗。隨著氣象事業(yè)的發(fā)展和對數(shù)據(jù)要求的提高，海島氣象預報服務業(yè)務將面臨更多的挑戰(zhàn)，本系統(tǒng)也需與時俱進，不斷創(chuàng)新與更新。

參考文獻

[1]谷鐵城.溫州浮標站與海島站極大風的相關性研究[J].中低緯山地氣象，2018，42（1）：42-47.

[2]江福才，吳力川，文元橋.浙江沿海通航環(huán)境風場要素氣候變化特征分析[J].武漢理工大學學報，2010，32（7）：173-177.

[3]俞力.海島自動氣象站建設中存在的問題及處理[J].北京農業(yè)，2014（27）：171-172.

[4]孫超，鐘珞.基于Silverlight的富界面應用研究[J].武漢理工大學學報，2008，30（12）：95-97.

[5]程國雄，胡世清.基于Silverlight的RIA系統(tǒng)架構與設計模式研究[J].計算機工程與設計，2010，31（8）：1706-1709.

[6]李愛民，劉晶，馬維綱.Silverlight相關技術研究[J].計算機技術與發(fā)展，2009，19（6）：117-120.

[7]徐擁軍，何文春，劉振，等.海量氣象站點數(shù)據(jù)分布式存儲測試及其應用[J].貴州氣象，2016，40（5）：61-68.