馬娟娟，孫海燕

（1.中國(guó)地震局 地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

基于GIS的臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬娟娟1，孫海燕2

（1.中國(guó)地震局 地震研究所 地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

根據(jù)臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)及所造成的災(zāi)害，基于ArcGIS Server平臺(tái)，結(jié)合Flex技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有豐富的表現(xiàn)力、交互性及較強(qiáng)的實(shí)用性；實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)歷史信息的查詢及管理，臺(tái)風(fēng)路徑的展示及影響區(qū)域分析，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的評(píng)估等功能，為相關(guān)部門實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支撐及決策依據(jù)。

ArcGIS Server；Flex；臺(tái)風(fēng)預(yù)警

我國(guó)是世界上遭受臺(tái)風(fēng)影響最頻繁和最嚴(yán)重的國(guó)家之一，每年臺(tái)風(fēng)都會(huì)給我國(guó)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。因此，準(zhǔn)確、及時(shí)地對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息可視化以及數(shù)學(xué)建模功能，在臺(tái)風(fēng)預(yù)警中得到了廣泛應(yīng)用[2]。本文基于ArcGIS Server平臺(tái)，采用Flex技術(shù)，根據(jù)臺(tái)風(fēng)的形成過程、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)據(jù)特征，結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)模型[3]和臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)性評(píng)估的模糊綜合評(píng)價(jià)模型[4]，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于GIS的臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)，通過對(duì)歷史臺(tái)風(fēng)信息的了解以及實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)的分析，為政府及相關(guān)部門提供決策依據(jù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ArcGIS Server平臺(tái)

ArcGIS Server 是ESRI 公司推出的最新空間信息發(fā)布平臺(tái)，在保持傳統(tǒng)GIS功能基礎(chǔ)上，大幅度提升了地圖的訪問速度和并發(fā)處理能力，同時(shí)發(fā)布了Flex API、Silverlight API和JavaScript API 3種客戶端開發(fā)包[5]。作為功能強(qiáng)大的基于服務(wù)器的GIS產(chǎn)品，ArcGIS Server主要用于構(gòu)建集中管理的、支持多用戶的、具備高級(jí)GIS功能的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用與服務(wù)，具有空間數(shù)據(jù)管理、地圖可視化、數(shù)據(jù)編輯、空間分析等功能，并且基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供WebGIS服務(wù)，為創(chuàng)建和管理基于服務(wù)器的GIS應(yīng)用提供了一個(gè)高效的框架平臺(tái)[6]。

1.2 Flex技術(shù)

Flex是Adobe公司開發(fā)的一種語言編譯器。Flex技術(shù)的主要框架為：描述應(yīng)用程序界面的XML語言，即MXML；符合ECMA規(guī)范的腳本語言ActionScrip，處理用戶和系統(tǒng)的事件，構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型；一個(gè)基礎(chǔ)類庫；運(yùn)行時(shí)的即時(shí)服務(wù)；由MXML與ActionScrip文件生成swf文件的編譯器[7]。其優(yōu)勢(shì)在于：瀏覽器可移植、無需進(jìn)行瀏覽器兼容測(cè)試、界面布局簡(jiǎn)單、豐富的媒體支持和豐富的框架。用Flex開發(fā)的應(yīng)用程序可運(yùn)行于所有主流桌面操作系統(tǒng)與客戶端瀏覽器之中，真正實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)。

1.3 ArcGIS API for Flex

ArcGIS API for Flex 是ArcGIS新推出的進(jìn)行RIA開發(fā)的Flex組件庫，可基于ArcGIS Server建立富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。其優(yōu)點(diǎn)在于可使ArcGIS提供的各種資源（Map、GP模型）與Flex提供的組件（Grid、Chart）相結(jié)合，構(gòu)建出表現(xiàn)出色、交互性良好的Web應(yīng)用[8]。

ArcGIS API for Flex基于ArcGIS Server的REST接口，所有的功能都可在REST SDK中找到影子。使用ArcGIS Flex API開發(fā)的Flex應(yīng)用可非常便捷地使用地圖功能和REST接口提供的GIS查詢及分析功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則

根據(jù)臺(tái)風(fēng)信息特點(diǎn)及臺(tái)風(fēng)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀，臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要有：①系統(tǒng)操作方面：簡(jiǎn)單實(shí)用，界面美觀、交互性好，運(yùn)行效率高；②系統(tǒng)功能方面：具備地圖操作的基本功能，實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)信息的可視化表達(dá)以及空間分析，實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)測(cè)及災(zāi)害評(píng)估等。

臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)要滿足以下要求。

1）穩(wěn)定性：系統(tǒng)能保持長(zhǎng)期安全運(yùn)行，軟硬件發(fā)生故障時(shí)，能很好處理和及時(shí)恢復(fù)；

2）經(jīng)濟(jì)性：充分考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，使軟硬件的配置達(dá)到最優(yōu)資源匹配效果；

3）可擴(kuò)展性：易于擴(kuò)充和維護(hù)，設(shè)計(jì)留有足夠擴(kuò)充空間，便于軟硬件升級(jí)與維護(hù)；

4）實(shí)用性：臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的建立，基于實(shí)際預(yù)警的需要，要有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值；

5）界面友好性：注重人機(jī)交互界面友好，充分考慮使用者的使用習(xí)慣，便于使用和推廣。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用3層B/S體系架構(gòu)，分為表現(xiàn)層、中間層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

1）表現(xiàn)層通過Web瀏覽器提供友好的用戶交互界面，包括地圖的基本功能、臺(tái)風(fēng)信息的查詢顯示等。

2）中間層是服務(wù)層，包括Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。Web服務(wù)器主要處理客戶端的請(qǐng)求，調(diào)用位于應(yīng)用服務(wù)器上的業(yè)務(wù)邏輯，完成對(duì)信息的各種操作，將結(jié)果以頁面形式返回給用戶。應(yīng)用服務(wù)器提供GIS功能的實(shí)現(xiàn)，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為前臺(tái)可展示的形式，傳給Web服務(wù)器。

3）數(shù)據(jù)層包括空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)各種矢量、柵格地理數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)和各種模型所需數(shù)據(jù)等；非空間數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的基本信息和災(zāi)害統(tǒng)計(jì)信息等，所采用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server2005和ArcSDE。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與目標(biāo)，臺(tái)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)見圖2。

地圖的基本功能包括地圖的放大、縮小、全圖顯示和地圖漫游等。

臺(tái)風(fēng)信息查詢和顯示：臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)庫中包含大量歷史臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，根據(jù)需要按照臺(tái)風(fēng)發(fā)生的時(shí)間查詢臺(tái)風(fēng)信息，并以列表形式顯示出來。

臺(tái)風(fēng)路徑的分析包括臺(tái)風(fēng)路徑緩沖區(qū)分析、臺(tái)風(fēng)路徑的量算、風(fēng)圈范圍等。臺(tái)風(fēng)路徑的緩沖區(qū)分析表示臺(tái)風(fēng)路徑的影響范圍，為臺(tái)風(fēng)預(yù)警提供數(shù)據(jù)和手段；距離量算是計(jì)算任意2個(gè)位置點(diǎn)的距離，并把測(cè)量結(jié)果顯示出來；風(fēng)圈是以臺(tái)風(fēng)記錄點(diǎn)為圓心，表示大風(fēng)影響范圍的圓。

臺(tái)風(fēng)模型包括路徑預(yù)報(bào)模型和危險(xiǎn)性評(píng)估模型。路徑預(yù)報(bào)模型是根據(jù)實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)路徑計(jì)算出未來時(shí)段內(nèi)臺(tái)風(fēng)位置的經(jīng)緯度值，為路徑展示提供數(shù)據(jù)；危險(xiǎn)性評(píng)估模型是計(jì)算被評(píng)估地區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)的各個(gè)數(shù)值，為制作危險(xiǎn)性分布圖提供數(shù)據(jù)。

臺(tái)風(fēng)路徑顯示：在地圖上顯示出臺(tái)風(fēng)路徑和臺(tái)風(fēng)的預(yù)測(cè)路徑，方便用戶直觀查看臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過程。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、人口分布信息、城市房屋信息、受災(zāi)統(tǒng)計(jì)信息，其中受災(zāi)統(tǒng)計(jì)信息包括受災(zāi)面積、倒塌房屋、死亡人數(shù)、受災(zāi)人數(shù)、直接經(jīng)濟(jì)損失等數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的基本信息，有臺(tái)風(fēng)編號(hào)、臺(tái)風(fēng)中心觀測(cè)日期、觀測(cè)時(shí)間、臺(tái)風(fēng)中心的經(jīng)緯度、中心氣壓、風(fēng)力、最大風(fēng)速、移動(dòng)速度、移動(dòng)方向、七級(jí)風(fēng)圈半徑、十級(jí)風(fēng)圈半徑、臺(tái)風(fēng)的影響地區(qū)、地區(qū)的日最大降雨量和中心最大風(fēng)力、模型計(jì)算數(shù)據(jù)等。所采用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server2005和ArcSDE。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用ArcGIS Server 二次開發(fā)，基于ArcGIS API for Flex技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的主體部分，進(jìn)行GIS軟件平臺(tái)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)模型的平臺(tái)展示。系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008 和Flex Builder 3；編程語言為ASP．NET、C#和Action Script，數(shù)據(jù)庫為SQL Server 2005和ArcSDE。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

1）臺(tái)風(fēng)信息查詢與顯示。臺(tái)風(fēng)信息的查詢按照年份進(jìn)行，選擇查詢的起止年份和該時(shí)間段內(nèi)的臺(tái)風(fēng)，在列表中顯示，見圖3。臺(tái)風(fēng)信息的顯示列表包括臺(tái)風(fēng)的編號(hào)、名稱、英文名稱，見圖4。

圖3 臺(tái)風(fēng)信息查詢圖

圖4 臺(tái)風(fēng)信息圖

2）臺(tái)風(fēng)信息模塊。臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈和臺(tái)風(fēng)詳細(xì)信息：臺(tái)風(fēng)的影響范圍通過風(fēng)圈來表達(dá)，一般有七級(jí)風(fēng)圈和十級(jí)風(fēng)圈2種表達(dá)方式，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)顯示臺(tái)風(fēng)的七級(jí)風(fēng)圈和十級(jí)風(fēng)圈影響范圍。在臺(tái)風(fēng)路徑上點(diǎn)擊臺(tái)風(fēng)的記錄點(diǎn)可查看臺(tái)風(fēng)在該點(diǎn)的詳細(xì)信息，見圖5。臺(tái)風(fēng)圖例：包括臺(tái)風(fēng)的風(fēng)向圖例、表示臺(tái)風(fēng)不同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)圖例以及臺(tái)風(fēng)對(duì)城市產(chǎn)生影響的不同情況的表示形式，見圖6。

圖5 臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈和臺(tái)風(fēng)信息圖

圖6 臺(tái)風(fēng)圖例

3）臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)路徑展示及緩沖區(qū)分析。臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)測(cè)選用關(guān)鍵點(diǎn)相似度法進(jìn)行建模及實(shí)現(xiàn)；臺(tái)風(fēng)路徑緩沖區(qū)分析選取臺(tái)風(fēng)路徑上的記錄點(diǎn)建立緩沖圓，進(jìn)行緩沖區(qū)分析，緩沖圓的半徑為記錄點(diǎn)的七級(jí)風(fēng)圈半徑，緩沖區(qū)分析的結(jié)果通過列表顯示出來，見圖7。

通過對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑進(jìn)行緩沖區(qū)分析，可得到所分析臺(tái)風(fēng)位置對(duì)周圍的影響范圍，以及緩沖區(qū)內(nèi)的地理、人文信息等。根據(jù)緩沖區(qū)分析數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的預(yù)警，使有關(guān)部門提前采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，盡量減少臺(tái)風(fēng)的影響。

圖7 臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)路徑及分析圖

[1] 陳聯(lián)壽,孟智勇．我國(guó)熱帶氣旋研究十年進(jìn)展[J]．大氣科學(xué),2001,25(3):420-429

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[7] 徐永龍．基于Flex和ArcGIS Server的WebGIS實(shí)現(xiàn)研究[D]．西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011

[8] 賈靜,耿襯．基于ArcGIS API for Flex的Web應(yīng)用初探[J]．地理空間信息,2012,10(3):114-118

P208

B

1672-4623（2014）01-0134-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.046

馬娟娟，從事地理信息及測(cè)繪計(jì)量檢定工作。

2013-03-25。

項(xiàng)目來源：中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金資助項(xiàng)目（IS201256109）。