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摘 要：为加强县级气象业务信息化与自动化建设，本文研究基于开源Web GIS技术构建宁夏县级综合气象业务服务系统。系统面向基层气象行业用户使用，采用B/S框架，集成GIS技术、PostGIS/PostgreSQL、OpenLayers、RIA等技术，实现气象要素实况监测信息和区域观测资料的显示、分析和处理。应用结果表明该系统能够满足县级气象用户预报预测业务需求。
关键词：气象业务；开源；Web GIS
中国分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-2163（2015）06-
Abstract： In order to improving the construction of Ningxia county meteorological business informatization and automation， enhancing the level of meteorological services， this paper studies the construction of Ningxia county comprehensive meteorological service platform which is based on Open Source Web GIS technology. The system is oriented to the meteorological business users， using GIS， PostGIS/PostgreSQL， OpenLayers， RIA techniques， etc. This system realizes the real time monitoring information and regional meteorological observation data display， analysis and processing. The application results show that the system can meet the needs of the county-level meteorological forecast business requirements.
Key words： Meteorological Service； Open Source； Web GIS
0引 言
随着社会经济的快速发展，农业、交通、水利、旅游等各个行业对天气预报产品的时效、准确率和精细化程度的要求越来越高。县级气象部门制作及时、准确和精细化的天气预报产品，为农业生产、防灾减灾、公共服务提供优质的气象服务已成为县级气象工作者的首要任务之一[1]。目前，宁夏各县级气象部门预报预测仍处于传统阶段，对气象资料的处理、加工手段单一，无法满足行业用户需求。因此，迫切需要一套以信息化、集约化、标准化为主导的县级综合气象业务服务系统。
Web GIS是将Internet技术和GIS技术相结合的产物[2]，客户端应用软件采用WWW协议运行在Web上的地理信息系统，其核心是在地理信息系统中嵌入HTTP和TCP/IP标准的应用体系，实现基于互联网环境下的空间信息管理等GIS功能[3]。气象资料种类繁多，其中地面观测、气象卫星遥感、天气雷达和数值预报占气象数据总量的90%以上[4]，其数据特征表现为格式复杂、形式多样、数据量大等，但气象数据究其本质来说是一种空间数据[5]，通过将气象数据与Web GIS技术紧密结合是一条切实可行的技术途径，从而增强气象信息服务系统的数据分析、处理和显示功能。
目前将GIS技术应用在气象公共服务中已有较多案例，如陆晓静等[6]利用ArcGIS的Arctolbox和MSPGS工具组件对气象数据进行处理，提升公共气象服务产品制作和服务水平，李志鹏等[7]采用基于RIA的WebGIS实现自动气象站数据服务系统，刘安麟等[8]采用ArcMIS技术实现陕西气象信息共享系统，刘旭林等[9]采用基于开源MapServer技术和PostgreSQL研发实时气象数据的显示和查询系统，均取得了一定的成果。但是面向县级综合气象服务方面的建设仍然比较滞后，需要将Web GIS技术、CIMISS （China Integrated Meteorological Information Service System，全国综合气象信息共享平台） MUSIC（Meteorological Unified Service Interface Community，数据服务接口）技术和数据库技术相结合，建立一套面向基层行业用户的实时、快速、统一的气象资料服务系统，满足基层台站在公共服务中对气象资料应用、处理和加工的需求。
基于开源Web GIS技术构建宁夏县级综合气象业务服务系统，整合目前应用的实时监测、预报预测、预警发布、公共服务等各类业务系统，以CIMISS数据库和本地数据库为支撑，实现各种气象资料的实时显示、处理和加工。借助于Web GIS的空间分析和地理数据显示能力，实现对气象数据的查询、显示、统计分析、数据共享，辅助决策等，提高预报准确率，为气象防灾减灾、公共服务、专业服务等领域发挥更好、更优的应用价值。
1系统总体构建
1.1系统总体框架
宁夏县级综合气象业务服务系统以信息处理、数据共享为基础，集中各类软件和硬件环境，统一各类数据库资料产品，以CIMISS数据为重要支撑，通过Web和GIS技术实现实时气象信息监测、产品制作、统一信息发布、综合查询与统计功能[10]。并根据各县级气象局的具体情况，实现人影指挥、防灾减灾、综合查询功能，全面支撑县级气象部门的各项业务管理，提升气象公共服务能力。
系统总体架构采用3层结构技术：表示层、应用逻辑层和数据层，系统结构如图1所示。
如图1所示，表示层为标准的RIA Web客户端，负责与用户交互，并将各类系统所产生的数据以Web GIS和图形的方式显示出来。应用逻辑层是由应用层和逻辑层两个部分组成，应用层实现数据加工、处理、质控、发布，是各业务系统功能的集成，应用层还包括数据的抽取和同步，实现上层的数据透明访问；逻辑层提供用户管理、文件服务、Web GIS地图数据发布管理等服务。数据层实现元数据、结构化数据、非结构化数据、地理空间数据的存储管理，并提供气象行业标准化的数据访问接口。
1.2开源Web GIS构建研究
本文采用基于开源Web GIS技术、基于面向服务（SOA）体系构建宁夏县级综合气象业务服务系统，分别概括为用户界面层、用户服务层和数据存储层[11]，将表示逻辑、业务逻辑、数据逻辑分开，基于Web GIS构建功能如图2所示。
由图2可见，表示层采用AJAX，jQuery、Flash和Openlayers技术实现，AJAX技术实现气象数据和Web界面的异步数据更新，OpenLayers框架为用户提供了GIS地图数据的可视化访问，RIA技术将桌面应用和传统的Web应用融合为一体，并借助于jQuery良好的用户界面交互，开发简单，代码简洁，结构清晰等优点[12]，增强用户页面显示和操作的灵活性，提升Web用户体验效果；地图服务器是Web GIS的核心，采用功能齐全的GeoServer服务器，允许用户对要素数据进行更新、删除、插入操作，支持空间数据源PostGIS、Shapefile、Oracle、SQLServer等；数据存储层主要采用PostgreSQL/PostGIS和Oracle实现，由于PostGIS在存储和管理空间数据上的优良特性，采用该数据库存储和管理地图数据，Oracle在性能上和安全性上较为优异，因此采用该数据库存储区域站实时业务数据。
1.3功能设计
县级综合气象业务服务系统主要分为综合观测、天气预报、气候预测、农业气象、人工影响天气、专业气象、信息发布和系统管理八个模块，功能框图如图3所示。
由图3可见，现对各个系统组成模块给出如下的功能实现阐述与分析。
（1）综合观测
综合观测模块为业务用户提供综合观测数据资料访问服务，通过GIS、Flash、图形、表格方式为用户提供实时数据和历史数据的查询、统计和分析功能。同时，为满足不同用户的业务需要，用户可根据使用需求选择查询的地域范围（如邻近市县），并为授权用户提供数据下载功能。
（2）天气预报
天气预报模块为用户提供交互式的气象观测资料和产品专业分析工具，以实现各种气象观测资料和产品在气象监测预报预警中的应用。同时，也提供有对上级指导产品同步显示、灾害性天气和气象灾害监测预警、强对流天气和突发气象灾害临近预报预警，以及各类预警预报产品的订正制作等功能。
（3）气候预测
气候预测模块以提高县级气象公共服务的能力、质量和效益为核心，实现对公共服务产品制作、审核、发布和初步效能评估。
（4）农业气象
农业气象模块包括提供农业气象情报、农业气象预报、农业气象灾害监测评估、设施/特色农业气象专题四类功能的数据图层与空间地理信息图层叠加，便于依据区域特征和不同服务对象开展有针对性的农业气象分析和科学研究[13]。
（5）人影指挥
人影指挥模块借助于地理信息空间数据和人工影响天气专题数据，通过Web GIS直观地展现作业点分布、增雨区域分布、弹药库房分布等信息，从而实现人工影响天气基本信息（人员、台站、作业车辆等信息），预警预报信息和其他决策信息的管理[14]。
（6）专业气象
专业气象模块实现县级可定制的服务和专业气象产品编辑制作、产品生成实时监控、产品浏览、产品发布审核和用户权限管理[15]。同时，为其他模块提供统一程序接口，方便其他系统扩展和接入。
（7）信息发布
信息发布模块提供预报预警信息发布，发布途径主要包括互联网、短信、邮件、微信、专用显示终端等方式，实时发布预警预报信息给各县级相关部门，保证预报预警信息的及时分发。
（8）系统管理
系统管理模块提供系统菜单管理、用户管理、角色管理、部门管理和系统日志功能。
2系统设计与实现
2.1气象业务数据结构及预处理
CIMISS实时数据库和本地历史数据库为县级综合气象业务服务系统提供气象业务数据支持，本地历史库表结构和CIMISS系统保持一致。
CIMISS实时数据库存储了地面、高空、海洋、辐射、服务产品等14大类气象数据，能够满足实时业务对气象市局的检索需求。为了更加高效地检索数据，CIMISS分别对资料按照时效进行分表存储，以地面数据为例，该类资料分为逐分钟、逐小时、逐日、月资料、旬值资料、年值资料。
这里以中国地面逐小时资料为例，其表结构如表1所示。
由于各类数据具有奇异值、空缺数据和不一致现象，如果直接显示在平台上，会对系统造成错误分析。因此，对于空值、缺测和异常数据进行质量控制，消除该类数据，保证系统显示的可靠性。
2.2 OpenLayers客户端
系统采用开源地图框架OpenLayers实现浏览器客户端的Web GIS展示功能，OpenLayers是一个轻量级的开源Web GIS客户端JavaScript框架，能够实现在浏览器中浏览地图等基本功能[16]，同时OpenLayers还借用了Prototype框架和Rico库的一些组件，因此有效地解决了客户端对浏览器依赖性的问题[17]。
OpenLayers为用户提供基本的地图操作，如地图放大、缩小、平移、鹰眼、比例尺标注等功能，并能够解析多种数据格式，包括WMS（Web Map Services，网页地图服务）、WFS（Web Feature Service，网页要素服务）、WMTS（Web Map Tile Service，切片地图Web服务）等。另外，用户还可以根据扩展OpenLayers方法，实现其他自定义功能。基于OpenLayers客户端实现系统Web GIS界面如图4所示。
2.3地图服务器构建及优化
地图服务器在县级综合气象业务服务系统中承担为OpenLayers客户端提供地图服务的功能。因此，地图服务器实现地图数据源配置，图层显示样式配置、提供各类地图服务配置等[18]。
地图服务器封装了对地理空间数据的获取和返回操作，为用户提供了统一规范的接口方法，如GetMap，GetFeatureInfo，GetFeature等，通过接收WMS、WFS等请求，返回栅格或者矢量格式数据。因此，用户只需要遵守这些规范，而无需关心地图服务器内部的实现过程，便可基于地图样式规范来获取地图数据并进行可视化显示。
GeoServer是 OpenGIS Web 服务器规范的 J2EE 实现，利用 GeoServer 可以方便地发布和管理地图数据，允许用户对特征数据进行更新、删除、插入操作[19]，通过 GeoServer 可以比较容易地在用户之间迅速共享空间地理信息。
为了优化用户对地理信息数据的访问效果，采用GeoWebCache优化GeoServer地图服务器，GeoWebCache是一个采用Java实现用于缓存WMS（Web Map Service）Tile的开源项目，可为WMS-C（Web Mapping Service-Cached），WMTS等服务接口提供加速和优化地图图像访问。当地图客户端请求一张新地图和Tile时，GeoWebCache将拦截这些调用然后返回缓存过的Tiles，如果找不到缓存再调用服务器上的Tiles，从而提高地图展示的速度[20]。
2.4空间数据库构建
系统中除了依赖于气象数据外，还需要地理信息数据的支持，提高Web GIS的展示效果。因此，本文采用PostgreSQL/PostGIS为系统提供空间地理数据支撑。
PostgreSQL 是一种对象─关系型数据库管理系统（ORDBMS），也是目前功能最强大、特性最丰富和最复杂的自由软件数据库系统[21]。PostGIS是对象关系型数据库PostgreSQL的一个空间扩展组件，为PostgreSQL提供了空间数据对象、空间索引、空间操作函数和空间操作符等空间信息服务功能。
PostgreSQL采用WKT（熟知文本，Well Known Text）描述几何对象数据格式[22]，支持点（POINT）、线（LINE）、多边形（POLYGON）、多点（MULTIPOINT）、多面（MULTIPOLYGON）、几何集合对象（GEOMETRYCOLLECTION）等空间数据类型，这些不同类型的空间实体记录描述了复杂的空间信息数据。
shp2pgsql和pgsql2shp是PostgreSQL /PostGIS为用户提供的一对在shapefile文件和PostGIS数据库之间进行转换的工具[23]，其中shp2pgsql为用户提供了将shp文件直接导入数据库的命令：
shp2pgsql –c路径＼shp数据文件名 新的数据表名 " psql –d 数据库名
使用上述命令，将Web GIS中所用的shp格式地图导入到空间数据库中。系统中所导入的地图数据如表2所示。
以县级行政区面为例，数据库表结构设计如表3所示。
如表3所示，县级行政区域AREA数据类型为geometry，其所对应的空间信息在geometry_column表中定义，如type定义了类型为POLYGON，srid定义了空间参考系为4326，与之所对应的空间参考系在spatial_ref_sys中有详细定义[24]。
3结束语
根据现代化气象业务体系发展需求，本文采用开源Web GIS技术构建宁夏县级综合气象业务服务系统，为基层台站行业用户提供公共气象服务支撑。该方案具有成本较低、性能稳定、可扩展性强，并具备本地化二次开发的潜力，能够满足气象业务、公共服务和项目科研需求，对气象数据共享服务具有指导意义。
参考文献：
[1]孙宝利，朝柯，李亚廷等. 县级气象综合业务工作平台本地化[J]. 气象与环境学报，2008，24（3）：46-50.
[2]罗琦，韩茜，李文莉，等. 基于WEBGIS的气象科学数据查询显示系统的设计与实现[J]. 干旱气象，2010，28（4）：494-498.
[3]陈华亮. 基于开源平台下的Web GIS原理研究与应用[D]. 长安大学，2009，47-54.
[4]沈文海. 气象数据的“大数据应用”浅析--《大数据时代》思维变革的适用性探讨[J]. 中国信息化，2014， （11）：20-31.
[5]朱宏武，罗丹，贺炜，等. 面向气象业务湖南省级WEBGIS平台的设计与实现[J]. 安徽农业科学，2014，42（34）：12184—12186.
[6]陆晓静，郭善云，王建英，等. GIS技术在宁夏决策气象服务产品中的应用研究[J]. 干旱气象，2012，30（2）：283-286.
[7]李志鹏，胡佳军，张玮等. 基于RIA的WebGIS自动气象站数据服务系统[J]. 江西师范大学学报：自然科学版，2013， 37（1）：60-64.
[8]刘安麟，邓凤东，王钊. 基于WEB GIS技术的陕西省气象信息共享系统设计[J]. 陕西气象，2008，（5）：13-17.
[9]刘旭林，赵文芳，刘国宏.基于Web GIS的气象信息显示和查询系统[J]. 应用气象学报，2008，19（1）：116-120.
[10]蒋礼珍，符永兴，徐一晖. 市级区域自动站信息处理系统的开发和应用[J]. 气象研究与应用，2010，31 （1）：71-79.
[11]焦东来，张海涛，顾燕. 基于WebGIS的全景照片管理与展示方法研究[J]. 计算机应用与软件，2013， （10）：30-32.
[12]孙周军，宋远清，陈晓宇，等. 基于RIA的气象自动站异常数据分析系统模型[J]. 计算机应用与软件，2013，30（1）：96-98.
[13]陈金华，吴文玉，杨太明，等. 基于Web-GIS的市县级农业气象业务服务系统研究[J]. 气象与环境学报，2014，30（4）：100-104.
[14]张怡. 新一代3D GIS跨区域人影作业系统的应用个例分析[J]. 气象与环境科学，2013，36（1）：79-83.
[15]许沛华，傅希德，唐俊. 专业气象服务业务工作平台实现[J]. 南京信息工程大学学报：自然科学版，2014，（3）：263-267.
[16]李新庆，王凡，姜娜娜，等. 基于开源Web GIS的宁夏气象自动站要素处理系统构建研究[J]. 软件导刊，2013，12（5）：152-155.
[17]杨鹏，邹时林. 基于OpenLayers的WebGIS客户端的研发[J]. 测绘与空间地理信息，2012，35（3）：131-133
[18]商胜波. 基于OpenGIS的地图服务平台构建及应用[D].南京：河海大学，2008，25-31.
[19]梅清银. 基于开源技术的自动气象站资料Web GIS应用的研究与实现[J].科技情报开发与经济，2009，19（30）：78-80.
[20]陈德鑫. 基于OpenLayers客户端的网络地图实现技术框架[J]. 现代测绘，2010，33（3）：48-49 .
[21]刘小飞，胡珂，关昆. 基于PostGIS的异构地理空间数据组织与应用开发[J]. 测绘与空间地理信息，2014，（9）：63-65.
[22]Scott Davis. GIS for Web应用开发之道[M]. 蒋波涛，译. 北京：电子工业出版社，2008：97-122.
[23]李新庆，胡文东，王凡，等. Openlayers在宁夏区域自动气象站显示系统中的应用与研究[J]. 宁夏工程技术， 2015，（14）2：111-114.
[24]张玢. 基于PostGIS的海岸保护与利用规划空间数据库设计与实现[D]. 大连：辽宁师范大学， 2009，5-13.