基于CMS理念的氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析

龔勛 邵宇 魏文華 馬慶巖 趙小舟 徐年平 邱盼

摘要：本文主要針對海量的氣象數(shù)據(jù)模型和分析相對滯后等實(shí)際問題，利用CMS（Content Management System）的理念，對氣象數(shù)據(jù)的輸入和輸出等諸多環(huán)節(jié)進(jìn)行分類匯總，將氣象信息內(nèi)網(wǎng)的內(nèi)容管理系統(tǒng)從邏輯層面劃分為3個(gè)層次，重點(diǎn)設(shè)計(jì)和開發(fā)了管理器的功能，建成了以CMS技術(shù)為主導(dǎo)的氣象部門綜合數(shù)據(jù)交互平臺(tái)。該系統(tǒng)涉及到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)和系統(tǒng)搭建等完整的數(shù)據(jù)分析處理應(yīng)用過程所包含的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)的實(shí)施，有效提高了常規(guī)氣象信息的管理效率，同時(shí)為用戶提供了新的數(shù)據(jù)分析和展示方式用戶可以通過Web瀏覽器進(jìn)行各種復(fù)雜的查詢和分析，查詢分析的結(jié)果可以以多種直觀的、可視化的方式進(jìn)行展示，從而提高了數(shù)據(jù)利用效率，進(jìn)一步為氣象決策服務(wù)。

前言

CMS是Content Management System的縮寫，即內(nèi)容管理系統(tǒng)。采用CMS技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)站是因?yàn)樗旧砭哂性S多基于模板的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，可以加快網(wǎng)站開發(fā)的速度及減少開發(fā)的成本。氣象信息內(nèi)網(wǎng)采用CMS技術(shù)建成氣象部門綜合信息交互平臺(tái)，加快氣象數(shù)據(jù)系統(tǒng)的電子政務(wù)進(jìn)程。本文主要針對以上這些問題，進(jìn)行了氣象信息聯(lián)機(jī)分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)。旨在為各類不同用戶提供個(gè)性化的氣象分析服務(wù)，依據(jù)不同的用戶權(quán)限，用戶可以根據(jù)自己的需求定制數(shù)據(jù)、瀏覽數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，為氣象人員在指揮生產(chǎn)，組織防災(zāi)減災(zāi)、資源開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)等方面科學(xué)決策提供氣象信息服務(wù)。它是一項(xiàng)涉及社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的全局性、綜合性和高層次的氣象服務(wù)平臺(tái)。

1氣象預(yù)報(bào)體系現(xiàn)狀分析

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展以及自動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的日漸成熟和廣泛應(yīng)用，在各個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，如人類對太空的探索，銀行每天的巨額交易數(shù)據(jù)等等。數(shù)據(jù)量增加同時(shí)給人們帶來的煩惱是：如何從海量的數(shù)據(jù)中找到自己想要的信息變得越來越困難？在數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，就出現(xiàn)了如下情形：豐富的數(shù)據(jù)，貧乏的知識(shí)。

由于數(shù)據(jù)的快速增長導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們數(shù)據(jù)處理和分析的需求，從而提出了更深層次的問題：如何以一種新的方式來組織數(shù)據(jù)，使得人們更加方便的從大量的數(shù)據(jù)中找到有用的信息和知識(shí)，從而為決策服務(wù)？在這種情況下，數(shù)據(jù)倉庫和聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，并得到了廣泛的應(yīng)用。氣象資料是我國歷史年代最長、保存最完整、最系統(tǒng)的地球信息資源之一。氣象資料來源復(fù)雜、種類繁多、格式多樣、表現(xiàn)形式各異、數(shù)據(jù)量巨大。隨著氣象部門各種氣象觀測工具的不斷使用，積累了大量的數(shù)據(jù)信息，以甘肅省氣象局的一個(gè)雷達(dá)觀測站為例，每六分鐘采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量就高達(dá)20M，那么一個(gè)觀測站點(diǎn)一天所采集的數(shù)據(jù)就有4G之多。并且不同觀測工具所觀測到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，都以各自原始的格式存儲(chǔ)著，如：數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)集合等，這樣一來就無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和共享，無法使大量的氣象數(shù)據(jù)得到有效的利用。

在氣象信息的查詢和統(tǒng)計(jì)分析方面，傳統(tǒng)的方法只能進(jìn)行簡單的查詢和統(tǒng)計(jì)，涉及到比較復(fù)雜的查詢、統(tǒng)計(jì)，由于氣象數(shù)據(jù)的海量性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)方法就無法在有效的時(shí)間內(nèi)及時(shí)響應(yīng)，甚至無法實(shí)現(xiàn)[1]。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通常是實(shí)體對象的最低級別的細(xì)節(jié)信息。例如：西北地區(qū)常規(guī)氣象信息包含每個(gè)氣象觀測站點(diǎn)、每天的氣溫、降水、氣壓、濕度等等。但是對于氣象決策人員來說，他們往往更加關(guān)注氣象要素的統(tǒng)計(jì)信息及變化規(guī)律，所以經(jīng)常需要對細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，并且在更高的概念級別上表示。在OLAP出現(xiàn)之前，數(shù)據(jù)分析經(jīng)常使用的技術(shù)是關(guān)系數(shù)據(jù)庫、電子數(shù)據(jù)表、各種統(tǒng)計(jì)方法。數(shù)據(jù)庫通常由專業(yè)人員建立和維護(hù)，最終用戶則直接使用電子數(shù)據(jù)表（如Microsoft Excel）。由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是針對事務(wù)處理而設(shè)計(jì)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫操作語言SQL中，僅定義了Max，Min，Sum，Count和Avg五個(gè)聚合函數(shù)和一個(gè)Group By分組語句，因此對于在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析過程中經(jīng)常使用的操作需要編寫大量的、復(fù)雜的SQL查詢語句。對于最終用戶來說，使用數(shù)據(jù)庫，只能在數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員提供的集成查詢環(huán)境中按照程序設(shè)計(jì)人員定制好的查詢模板進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，對于程序設(shè)計(jì)中沒有定義的查詢操作幾乎無能為力。然而分析的需求通常是經(jīng)常變化的，傳統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)庫技術(shù)很難適應(yīng)用戶對數(shù)據(jù)的復(fù)雜查詢應(yīng)用。盡管目前使用的商業(yè)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中增加了部分OLAP功能，但是對于非數(shù)據(jù)庫專業(yè)人員來說難于使用。通常在一個(gè)簡單的多維模型上定義聚合操作需要熟練人員數(shù)天或者更長的時(shí)間來完成，數(shù)據(jù)處理已經(jīng)成為科研人員日常工作中費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作[2]。由于使用的方法不同，不同的科研人員往往可能得到不同的查詢結(jié)果。

顯然，受關(guān)系數(shù)據(jù)庫和電子數(shù)據(jù)表的局限，直接在關(guān)系數(shù)據(jù)庫和電子數(shù)據(jù)表上進(jìn)行復(fù)雜的氣象數(shù)據(jù)分析是不現(xiàn)實(shí)的，大量的氣象信息也無法得到有效的利用。聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)通過建立原始數(shù)據(jù)的多維模型（數(shù)據(jù)立方體） 能夠很好地解決這類復(fù)雜的數(shù)據(jù)查詢和匯總工作，減少數(shù)據(jù)分析人員的勞動(dòng)，從而提高氣象數(shù)據(jù)分析的效率，使大量氣象數(shù)據(jù)得到充分利用。

2氣象信息內(nèi)網(wǎng)的CMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)容管理系統(tǒng)（CMS）的一個(gè)基本思想就是將內(nèi)容管理與內(nèi)容設(shè)計(jì)徹底分離。頁面美工設(shè)計(jì)存儲(chǔ)在頁面模板中，內(nèi)容存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫或獨(dú)立的文件中（又稱為數(shù)據(jù)倉庫），當(dāng)一個(gè)用戶請求頁面時(shí)，各部分聯(lián)合生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的html頁面，這個(gè)合成的Web頁面中可包含多個(gè)數(shù)據(jù)源。

氣象信息內(nèi)網(wǎng)在建設(shè)過程中充分考慮了CMS的特點(diǎn)，結(jié)合氣象部門的特點(diǎn)，將氣象信息內(nèi)網(wǎng)的CMS結(jié)構(gòu)在邏輯上設(shè)計(jì)成3個(gè)層面，即后臺(tái)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、Portal系統(tǒng)（入口系統(tǒng)）、前臺(tái)發(fā)布系統(tǒng)，功能主要由4個(gè)相對獨(dú)立的管理器（物理層面）來實(shí)現(xiàn)，即網(wǎng)站管理器、企業(yè)管理器、配置管理器和服務(wù)管理器（見圖1）。

氣象信息內(nèi)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容管理系統(tǒng)邏輯上被劃分為3個(gè)層面，主要是考慮了CMS的不同功能需求。后臺(tái)管理系統(tǒng)優(yōu)先考慮的是管理，重在對內(nèi)容的管理；Portal系統(tǒng)優(yōu)先考慮的是頁面的表現(xiàn)，重在對網(wǎng)頁所有模板的管理；而前臺(tái)發(fā)布優(yōu)先考慮的是網(wǎng)站運(yùn)行的效率，重在對站點(diǎn)發(fā)布的管理。氣象信息內(nèi)網(wǎng)的內(nèi)容管理系統(tǒng)在物理上采用網(wǎng)站管理器、企業(yè)管理器、配置管理器和服務(wù)管理器實(shí)現(xiàn)CMS的所有功能需求[2-3]。軟件設(shè)計(jì)采用基于Java和XML的瘦客戶端/服務(wù)器構(gòu)架來實(shí)Web的內(nèi)容管理，突出了內(nèi)容倉庫、內(nèi)容管理、數(shù)據(jù)庫配置、設(shè)計(jì)與內(nèi)容分離、元素控制、工作流機(jī)制、權(quán)限管理、審核與統(tǒng)計(jì)報(bào)告及個(gè)性化界面設(shè)置等功能特點(diǎn)，是一個(gè)較為完善的內(nèi)容管理系統(tǒng)。

3功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為4大模塊分別為天氣預(yù)報(bào)預(yù)警信息降水實(shí)況溫度風(fēng)能見度實(shí)況和探測信息。

3.1預(yù)警信息

該模塊為我國氣象臺(tái)及各地市氣象臺(tái)發(fā)布的大霧、霾、大風(fēng)等預(yù)警信息，并以不同圖標(biāo)做出提醒。預(yù)警信息是本系統(tǒng)的核心部分，時(shí)效要求很高。由于目前，國內(nèi)發(fā)布預(yù)警信息都發(fā)到國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，所以我們利用后臺(tái)程序與國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)有效對接，從而使預(yù)警信息統(tǒng)一、及時(shí)。

3.2降水實(shí)況

該模塊為我國過去一段時(shí)間的降水量分布實(shí)況，包括統(tǒng)計(jì)各個(gè)量級分別的站數(shù)，以及全國降水區(qū)域和降水量，點(diǎn)擊地市可以顯示相應(yīng)地市各雨量觀測站的詳細(xì)降水情況，每小時(shí)發(fā)布一次。降水實(shí)況包括1小時(shí)降水量、12小時(shí)降水量和24小時(shí)降水量，分別為過去1小時(shí)12小時(shí)、24小時(shí)內(nèi)的降水累計(jì)量圖形化顯示降水實(shí)況，通過不同顏色顯示降水區(qū)域和降水量。

3.3溫度、風(fēng)、能見度實(shí)況

該模塊包括溫度、風(fēng)、能見度3部分，分別為我國氣溫實(shí)況、極大風(fēng)速實(shí)況、能見度實(shí)況，包括統(tǒng)計(jì)各個(gè)量級分別的站數(shù)，各區(qū)域通過不同顏色標(biāo)識(shí)相應(yīng)的級別，點(diǎn)擊地市可以顯示相應(yīng)地市各觀測站的詳細(xì)情況，每小時(shí)發(fā)布一次。

3.4探測信息

該模塊包括衛(wèi)星監(jiān)測熱點(diǎn)及霧霾、環(huán)境氣象、雷達(dá)回波強(qiáng)度和衛(wèi)星云圖。

環(huán)境氣象為我國的當(dāng)前空氣質(zhì)量情況，包括實(shí)況監(jiān)測分析環(huán)境氣象日報(bào)、環(huán)境氣象周報(bào)環(huán)境氣象評估實(shí)況監(jiān)測分析主要為當(dāng)前時(shí)刻AQ實(shí)況及分布圖城市信息等級統(tǒng)計(jì)其中，當(dāng)前時(shí)刻Q實(shí)況及分布圖為全國各城市空氣污染等級 AQ指數(shù)、首要污染物和全國的AQ實(shí)況分布圖；城市信息為全國各城市的過去24小時(shí)AQ指數(shù)變化情況空氣質(zhì)量等級統(tǒng)計(jì)為全國各城市的空氣質(zhì)量、出現(xiàn)站數(shù)、AQ均值，AQ極值、首要污染物和相應(yīng)的觀測站信息環(huán)境氣象日報(bào)為空氣質(zhì)量的實(shí)況分析和未來三天空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，環(huán)境氣象周報(bào)為空氣質(zhì)量的上周空氣質(zhì)量回顧和本周空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)、環(huán)境氣象評估為對上月環(huán)境氣象的評估等。

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)采用完全免費(fèi)的Limux+ Apache+Mysql+ Php（LAMP）

搭建Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等，LAMP具有Web資源豐富、輕量、快速開發(fā)、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因此無論是性能、質(zhì)量還是價(jià)格都是本系統(tǒng)的首先平臺(tái)間。

4.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)收集與處理

數(shù)據(jù)處理采用目錄監(jiān)控和定時(shí)作業(yè)相結(jié)合的方式，以滿足不同資料的時(shí)效要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用Mysql數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)相結(jié)合的方式，便于使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)采用Mysql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，而對于文件較大且不適合于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)將采用文件庫進(jìn)行管理。并且，本系統(tǒng)與“國家突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)”等多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了有效的對接，使數(shù)據(jù)更加便捷、統(tǒng)一。本系統(tǒng)采用了開源WebGIS平臺(tái)，可以訪問到WebGIS站點(diǎn)中的空間數(shù)據(jù)和進(jìn)行相關(guān)的空間分析和數(shù)據(jù)管理，避免了只能在本地電腦上瀏覽自己的空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行專題圖的制作的局限，實(shí)現(xiàn)基本的地圖操作功能，包括地圖放縮、拖動(dòng)等[3]。

5結(jié)語

CMS氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)創(chuàng)新了氣象大數(shù)據(jù)共享應(yīng)用的開發(fā)模式，提升了氣象大數(shù)據(jù)的服務(wù)效率和質(zhì)量，對推動(dòng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展、支撐氣象防災(zāi)減災(zāi)、服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)、促進(jìn)農(nóng)村改革發(fā)展發(fā)揮了重要的作用[4-6]。該系統(tǒng)有效的解決了傳統(tǒng)氣象信息管理和共享服務(wù)系統(tǒng)在可復(fù)用資源、系統(tǒng)集約化程度、信息管理能力、加工處理能力、共享服務(wù)能力等方面的局限性。

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基金項(xiàng)目：中國科協(xié)高端科技創(chuàng)新智庫青年項(xiàng)目資助（DXB-ZKQN-2017-043）；中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院《國外材料領(lǐng)域國防實(shí)驗(yàn)室軍民融合發(fā)展策略研究》項(xiàng)目

（作者單位：龔勛、邵宇、魏文華、馬慶巖、趙小舟，葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心；徐年平、邱盼，武漢超碟科技有限公司）