基于Meteoinfo氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS平臺(tái)設(shè)計(jì)與研究

高 鵬，劉 洋，付 杰，許竹霞

（甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，甘肅蘭州 730000）

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展及氣象數(shù)據(jù)的海量增長(zhǎng)，對(duì)氣象大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)提出了新的需求和挑戰(zhàn)，需要提供的功能涵蓋數(shù)據(jù)采集、檢索到處理、分析、預(yù)測(cè)等全方位的服務(wù)，包括預(yù)報(bào)員對(duì)計(jì)算機(jī)天氣產(chǎn)品的理解、決策及預(yù)報(bào)結(jié)論的可視化提交等，形成完整的系統(tǒng)工作流程[1]。目前引起了一些學(xué)者對(duì)氣象大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的關(guān)注。

在國(guó)內(nèi)，李濤等利用Hadoop的分布式計(jì)算和存儲(chǔ)框架研究了氣象大數(shù)據(jù)分析GIS平臺(tái)[2]，但是缺乏對(duì)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析。曾樂(lè)等在基于Spark Streaming 流式計(jì)算平臺(tái)上研究了氣象業(yè)務(wù)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速數(shù)據(jù)觀測(cè)的定位[3]，并沒(méi)有考慮時(shí)空分析等功能。雷鳴研究了氣象大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化了存儲(chǔ)結(jié)果，提升了數(shù)據(jù)查詢的速度[4]，但是對(duì)氣象大數(shù)據(jù)分析方面的內(nèi)容研究較少。

WebGIS 平臺(tái)三維技術(shù)也受到了較多學(xué)者的關(guān)注，如：王星捷等研究了WebGL技術(shù)的三維WebGIS平臺(tái)研究與應(yīng)用[5]，離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[6]；劉新平等研究了三維GIS 支持下的實(shí)景融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[7]。對(duì)三維技術(shù)OpenGL 的研究有田明銀等研究的基于分形算法的三維地形可視化應(yīng)用[8]；宋佳音等基于過(guò)程模型的虛擬視景仿真系統(tǒng)研究[9]。

綜上所述，以上三維研究都在各自框架技術(shù)和功能上取得了較好的成果，但是模塊相對(duì)獨(dú)立，沒(méi)有綜合應(yīng)用在氣象大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。該文結(jié)合上述氣象GIS平臺(tái)研究的功能、三維WebGIS框架和OpenGL的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)研究了基于Meteoinfo氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS平臺(tái)。

1 系統(tǒng)框架

目前，在氣象數(shù)據(jù)分析方面Meteoinfo 平臺(tái)非常具有代表性，集成了GIS 平臺(tái)功能和大數(shù)據(jù)分析功能。MeteoInfo 底層采用Java，上層是Jython 技術(shù)，這樣MeteoInfo 既有Python 語(yǔ)法的簡(jiǎn)單便捷，又有Java的運(yùn)行速度。該文結(jié)合Meteoinfo、Spring Boot 和OpenGL 三維渲染技術(shù)，構(gòu)建了一種集多種氣象GIS時(shí)空分析功能于一體且能實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)分析的氣象大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。

對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框架共分為五層，包括了資源層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用層、接口層和前端用戶界面層。具體的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

資源層主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)、文件數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存放氣象時(shí)空數(shù)據(jù)和污染時(shí)空分析數(shù)據(jù)等；文件數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存放地圖文件、時(shí)空分析專題圖文件以及管理文件等；關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)主要用來(lái)存放用戶管理、日志文件、各種信息錄入和輸出的數(shù)據(jù)等。

基礎(chǔ)服務(wù)層是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理層。包括Meteoinfo 繪圖核心開(kāi)發(fā)庫(kù)、Redis 緩存、ArcGIS for JS API和OpenGL。Meteoinfo繪圖核心開(kāi)發(fā)庫(kù)主要用于氣象時(shí)空大數(shù)據(jù)的處理和分析，包括數(shù)據(jù)時(shí)空插值分析處理、氣象數(shù)據(jù)分析以及多種時(shí)空分析專題圖的生成等。Redis 緩存主要用于緩存處理，提高圖形和圖像的顯示效果。ArcGIS for JS API主要用于實(shí)現(xiàn)WebGIS平臺(tái)的基礎(chǔ)地圖查詢、地圖操作和地圖分析功能。OpenGL 技術(shù)用于氣象三維雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析處理，通過(guò)讀取三維雷達(dá)數(shù)據(jù)，利用OpenGL 進(jìn)行三維渲染和時(shí)空數(shù)據(jù)處理，完美地展現(xiàn)了氣象三維雷達(dá)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層主要進(jìn)行功能業(yè)務(wù)的應(yīng)用處理庫(kù)和Web結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。包括了多種業(yè)務(wù)庫(kù)，如靜態(tài)化、數(shù)據(jù)緩存、公用庫(kù)、邏輯業(yè)務(wù)以及Spring Boot 框架結(jié)構(gòu)的MVC 模式等。

接口層是用戶前端與應(yīng)用層的直接橋梁。通過(guò)接口可以降低各層之間的耦合度，減少絕對(duì)的依賴，利于系統(tǒng)代碼的擴(kuò)展。主要包括了Nginx 反向代理、Swagger 和Sgin 驗(yàn)證。

前端用戶界面層是實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)交互的界面，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示模塊。分別用于氣象數(shù)據(jù)采集、氣象時(shí)空數(shù)據(jù)分析、污染分析、專題分析圖展示以及三維氣象雷達(dá)分析展示等。

綜上所述，該文設(shè)置的系統(tǒng)框架層次邏輯性強(qiáng)、靈活性好、擴(kuò)展性強(qiáng)、易于維護(hù)、不受運(yùn)行環(huán)境的限制。

2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是采用五層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的WebGIS 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了氣象時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化，三維雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)的管理與分析；實(shí)現(xiàn)了WebGIS 系統(tǒng)所包含的GIS 基礎(chǔ)操作功能，能夠?qū)庀髸r(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理、專題圖生成和時(shí)空數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)污染分析、空氣質(zhì)量分析、氣象數(shù)據(jù)分析、空間數(shù)據(jù)的多種查詢功能和系統(tǒng)管理設(shè)置等功能。具體的系統(tǒng)功能如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的基本功能主要是GIS 的基本功能，是基于ArcGIS for JS API 的二次開(kāi)發(fā)，用于圖層的展示及空間數(shù)據(jù)的可視化分析，包含了地圖服務(wù)加載、圖層管理、地圖操作控制、鷹眼功能、等基本功能。通過(guò)這些功能可以方便地操作地圖服務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化。

數(shù)據(jù)查詢功能主要包括屬性篩選、屬性查詢、空間查詢及圖層屬性。

時(shí)空分析功能是該文的核心功能，主要用于實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)空分析。時(shí)空分析包括了多種空間和時(shí)間的插值分析，例如：克里金插值、IDW 插值、三次樣條時(shí)間插值，最近鄰時(shí)間插值等。通過(guò)時(shí)空插值分析可以詳細(xì)地分析出氣象、污染和空氣質(zhì)量的精細(xì)化區(qū)域變化過(guò)程。氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的時(shí)空分析主要是實(shí)現(xiàn)氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維分析展示效果，可以詳細(xì)地分析時(shí)空和三維的變化過(guò)程。

系統(tǒng)設(shè)置包括了地圖編輯、用戶管理、日志文件管理、圖表分析和權(quán)限管理。地圖編輯包括對(duì)地圖數(shù)據(jù)中屬性信息的修改和查詢。用戶管理是對(duì)用戶進(jìn)行系統(tǒng)管理，用于管理驗(yàn)證信息、權(quán)限信息等。日志文件管理記錄用戶的每一個(gè)操作，保證了系統(tǒng)操作的可追溯性。圖表分析可以設(shè)置不同的參數(shù)來(lái)查看圖表記錄，如用戶登錄時(shí)間、維護(hù)信息等。

3 雷達(dá)數(shù)據(jù)三維顯示算法

雷達(dá)數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于短時(shí)臨近預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警、人工天氣預(yù)報(bào)、數(shù)值預(yù)報(bào)模擬等多個(gè)領(lǐng)域。在我國(guó)，雷達(dá)數(shù)據(jù)運(yùn)行通常采用VCP21D 的降雨體掃模式。VCP21D 指的是6 min 內(nèi)完成9 個(gè)具體仰角的掃描。通常的雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示方式：1）PPI 為平面位置顯示，是雷達(dá)在某個(gè)仰角上掃描一圈得到的數(shù)據(jù)；2）CAPPI 為等高平面位置顯示，是在某一相等高度上的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用通過(guò)PPI 數(shù)據(jù)插值得到。雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維顯示就是CAPPI 模型的顯示。

雷達(dá)數(shù)據(jù)三維顯示的過(guò)程：1）將原始的雷達(dá)數(shù)據(jù)插值成PPI；2）通過(guò)PPI 合成為CAPPI 數(shù)據(jù)；3）采用OpenGL 三維技術(shù)進(jìn)行渲染處理成三維雷達(dá)數(shù)據(jù)。

插值的處理方法主要是線性插值，根據(jù)一維數(shù)據(jù)序列中需要插值的點(diǎn)左右臨近的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值估計(jì)[11-12]，具體計(jì)算如式（1）所示：

旋轉(zhuǎn)處理以z軸為中心根據(jù)雷達(dá)的各個(gè)仰角進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，具體的選擇計(jì)算過(guò)程如式（2）所示[12]：

其中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ為各層的仰角。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：在每一個(gè)方位角(azimuth)上進(jìn)行線性插值。各層仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)都進(jìn)行0°到360°旋轉(zhuǎn)處理，在同一個(gè)方向角上做一個(gè)垂直于地面的切平面，就可以看到若干條射線，這些射線是由不同仰角、相同方向角的雷達(dá)掃描獲得的，它們構(gòu)成了一個(gè)二維平面。利用線性插值法，生成一條和這些同原點(diǎn)的射線相切的、平行于地面的直線，再將各個(gè)方位角上的線組合成一個(gè)CAPP（I每層PPI方位角不超過(guò)360°）[13-14]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境為Java 11 和Spring Boot[15-16]、開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Intellij IDEA、服務(wù)器為CentOS 7.6，服務(wù)器用于打包并進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，用于存儲(chǔ)天氣數(shù)據(jù)和相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)。具體的系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

根據(jù)時(shí)空大數(shù)據(jù)、多種空間數(shù)據(jù)插值算法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的污染分析功能包括了霾預(yù)報(bào)分析、霧預(yù)報(bào)分析、沙塵預(yù)報(bào)分析、24 小時(shí)空氣污染預(yù)報(bào)分析、48 小時(shí)空氣污染預(yù)報(bào)分析和72 小時(shí)空氣污染預(yù)報(bào)分析，具體分析效果如圖4 所示。

圖4 空氣污染分析效果

氣象分析實(shí)現(xiàn)了多種類型的數(shù)據(jù)分析，該文主要展示了氣壓分析，氣壓分析能顯示不同高度大氣的狀態(tài)，系統(tǒng)中展示了100 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa 和地面氣壓的分析效果，也展示了能見(jiàn)度的分析效果，具體如圖5 所示。

圖5 氣象分析效果

該文采用多普勒C 段波氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)三維分析功能，提取了雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)中的大氣雨滴的反射率因子，進(jìn)行三維成像分析。具體的顯示效果如圖6 所示。圖中反映出了不同反射因子的三維分布情況，分析結(jié)果表明，反射率越大，雨越大，證明了雷達(dá)三維分析的正確性。

圖6 雷達(dá)氣象數(shù)據(jù)三維分析顯示效果

5 結(jié)論

該文結(jié)合了Meteoinfo 氣象大數(shù)據(jù)處理、Spring Boot 的MVC 框架、Java 的跨平臺(tái)處理，以及ArcGIS API for JS 在WebGIS 易于開(kāi)發(fā)和OpenGL 三維渲染等優(yōu)點(diǎn)，探討了一種基于Meteoinfo 氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS 平臺(tái)的技術(shù)。該系統(tǒng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)多種氣象大數(shù)據(jù)分析以及GIS 數(shù)據(jù)在Web 中的可視化效果，同時(shí)能便捷地實(shí)現(xiàn)三維氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理。采用實(shí)際的氣象數(shù)據(jù)和氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了較好的效果。系統(tǒng)具有框架模塊的可擴(kuò)展性、系統(tǒng)功能的易維護(hù)性、氣象時(shí)空大數(shù)據(jù)分析多樣性以及可以跨平臺(tái)發(fā)布等多種優(yōu)越性，為氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS 平臺(tái)提供了新的實(shí)現(xiàn)方案和技術(shù)參考。