胡爭光 鄭衛(wèi)江 高 嵩 羅 兵 李月安

（國家氣象中心，北京100081）

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)

胡爭光＊鄭衛(wèi)江 高 嵩 羅 兵 李月安

（國家氣象中心，北京100081）

針對WebGIS在氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的現(xiàn)狀和存在問題，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺。該文介紹了平臺開發(fā)的背景、目標(biāo)、功能結(jié)構(gòu)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)特點和業(yè)務(wù)需求分析，對系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討，包括智能緩存技術(shù)，基于RIA（Rich Internet Application，富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序）的渲染繪制技術(shù)，氣象數(shù)據(jù)監(jiān)視機制以及地圖服務(wù)聚合技術(shù)?；跉庀驡IS網(wǎng)絡(luò)平臺搭建了國家級和省級氣象應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了海量氣象數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)高效發(fā)布、快速渲染繪制、數(shù)據(jù)自動監(jiān)視更新以及地圖服務(wù)定制等功能，對氣象信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)具有重要意義和應(yīng)用價值。

氣象GIS；智能緩存技術(shù)；RIA；服務(wù)聚合；災(zāi)害性天氣監(jiān)視

引 言

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的快速發(fā)展和深入應(yīng)用，GIS技術(shù)已成為氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)信息化建設(shè)的重要支撐平臺，在氣象數(shù)據(jù)管理、氣象預(yù)報預(yù)測預(yù)警、氣象公共服務(wù)、氣象資源共享、氣象決策分析應(yīng)用等方面都發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)外一些氣象業(yè)務(wù)機構(gòu)基于商業(yè)GIS平臺或者開源GIS，先后建成了一批支撐氣象業(yè)務(wù)的信息系統(tǒng)。例如中國氣象局研發(fā)的基于ArcGIS的氣象服務(wù)決策信息系統(tǒng)（MESIS）［12］；中國氣象局研發(fā)的氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)（MICAPS）采用開源 GIS－SharpMap［3－4］，在一定程度上較好地支持了GIS數(shù)據(jù)的顯示，一些業(yè)務(wù)單位基于商業(yè)網(wǎng)絡(luò)地理信息平臺開發(fā)了一些氣象網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺［5－7］，德國的 NINJO預(yù)報平臺通過網(wǎng)站門戶網(wǎng)絡(luò)集成了 WMS，WMF等地圖服務(wù)［8］，ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報中心）聯(lián)合巴西INPE／CPTEC開發(fā)的 Metview 4［9－10］，采用 Terralib開源軟件包，也集成了WMS等OGC標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)，美國研發(fā)的AWIPS提供了多種氣象資料與地理信息疊加分析功能［11］。同時，國內(nèi)外一些研究機構(gòu)也對GIS在氣象行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行研究和嘗試，如美國NCAR與ESRI合作研究氣象專用數(shù)據(jù)模型來擴展ArcGIS［12］，國內(nèi)一些學(xué)者也對GIS與氣象結(jié)合進(jìn)行了積極的研究［13－17］。

但上述業(yè)務(wù)系統(tǒng)和研究在不同程度上存在一定的局限性：①系統(tǒng)建設(shè)大都建立在商業(yè)GIS軟件（例如ArcGIS，SuperMap等）的二次開發(fā)之上，這樣就造成了費用高，擴展性能較差，在氣象行業(yè)的多級應(yīng)用推廣不便，如基于ArcGIS開發(fā)的MESIS平臺在省市級推廣存在成本過高的問題。②系統(tǒng)基于開源GIS開發(fā)，功能有限，且難度較大，不能很好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如基于MapServer，QGIS等開源GIS軟件二次開發(fā)的底層接口比較復(fù)雜［18－19］，開發(fā)人員不容易入手。③對氣象數(shù)據(jù)顯示的支持不夠。現(xiàn)有的通用GIS軟件平臺還沒有專門的氣象專用符號庫、氣象專用顏色集、氣象產(chǎn)品制作模板等［18－19］。④基于目前WebGIS技術(shù)的氣象系統(tǒng)僅限于氣象數(shù)據(jù)簡單顯示，對氣象數(shù)據(jù)、算法分析網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力支持有限［5］。目前全國氣象部門缺少一個開發(fā)成本較低、簡潔易懂、開發(fā)難度小、擴展性能強、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)集成能力強、內(nèi)嵌氣象符號表達(dá)、分析算法模型等功能于一體的WebGIS通用平臺。

因此，為了解決以上問題，在中國氣象局“十一五”氣象災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警工程重大項目“氣象地理信息系統(tǒng)（MeteoGIS）建設(shè)”中，國家氣象中心于2009年9月啟動了氣象GIS平臺的研發(fā)工作，2012年4月，項目組向全國氣象業(yè)務(wù)部門免費發(fā)布了氣象GIS正式版本V1.0。項目研究成果包括氣象GIS數(shù)據(jù)引擎、氣象GIS組件、氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺和氣象GIS桌面平臺4部分。氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺作為氣象GIS重要組成部分，其無縫集成了氣象GIS平臺核心組件，采用JAVA組件開發(fā)，不僅提供方便快捷的氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，而且提供專業(yè)的分析算法和氣象數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。該平臺有效契合了當(dāng)前先進(jìn)的WebGIS技術(shù)和氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用特點，可以由軟件開發(fā)人員開發(fā)各種氣象專業(yè)的WebGIS應(yīng)用，支持OGC的 WFS，WMS，WCS地圖服務(wù)規(guī)范，支持Silverlight，AJAX和Flex客戶端等RIA富客戶端技術(shù)?？梢赃m應(yīng)國家、省、地和縣各級氣象部門專業(yè)化應(yīng)用服務(wù)需要，提供一個標(biāo)準(zhǔn)化的、簡單易用、擴展性強、專業(yè)性強的GIS網(wǎng)絡(luò)平臺，進(jìn)而起到集約化開發(fā)作用。

1 氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺總體上劃分為兩個端，即氣象GIS服務(wù)端和客戶端，服務(wù)端又劃分為3個層，分別為數(shù)據(jù)層、氣象GIS服務(wù)層和 Web服務(wù)層（如圖1所示）。

圖1 氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺分層結(jié)構(gòu)Fig.1 The framework of MeteoGIS Internet platform

1.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要儲存系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，包括空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及氣象業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常存儲到各種類型的數(shù)據(jù)庫或者文件系統(tǒng)中，包括Oracle，SQL Server數(shù)據(jù)庫等。氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺使用空間數(shù)據(jù)引擎技術(shù)（MG DBE），可以順利實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)中一體化存儲，保證氣象GIS服務(wù)層能夠準(zhǔn)確、快速地獲取氣象數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析。

1.1.2 氣象 GIS服務(wù)層

氣象GIS服務(wù)層提供一套或多套對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、分析、顯示、傳輸?shù)姆?wù)。基于氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建的系統(tǒng)的客戶端所提出的關(guān)于氣象數(shù)據(jù)和GIS空間數(shù)據(jù)的操作請求，如常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)填圖顯示和分析、云圖雷達(dá)瀏覽、地圖瀏覽、地圖放大、空間分析等，均由氣象GIS服務(wù)層進(jìn)行處理，并將最終的處理結(jié)果返回給客戶端顯示。氣象GIS服務(wù)層是一個可獨立運行的服務(wù)包，由氣象GIS服務(wù)、氣象GIS組件、地圖容器、氣象GIS服務(wù)器、氣象GIS服務(wù)管理器、氣象GIS集群服務(wù)器以及數(shù)據(jù)傳輸對象構(gòu)成。

1.1.3 Web服務(wù)層

Web服務(wù)層主要包括基于Web的應(yīng)用程序，其介于客戶端和氣象GIS服務(wù)層之間，是實現(xiàn)氣象GIS功能的一個媒介層。該層將Web應(yīng)用程序通過 Web服務(wù)器（Apache，IIS，Tomcat等）發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中供客戶端調(diào)用，Web服務(wù)層傳遞客戶端請求到氣象GIS服務(wù)層，調(diào)用氣象GIS服務(wù)并獲取服務(wù)端的結(jié)果，并將結(jié)果返回給客戶端。Web服務(wù)層提供了服務(wù)訪問組件，提供對氣象GIS服務(wù)的訪問以及對OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)［19］和第三方服務(wù)的訪問；Web服務(wù)層提供OGC服務(wù)、REST服務(wù)以及Web服務(wù)3個部分的Web發(fā)布功能，即支持將服務(wù)在Web服務(wù)層發(fā)布為OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)、REST服務(wù)以及標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)。

1.1.4 客戶端

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺客戶端具有開放性服務(wù)聚合應(yīng)用架構(gòu)，支持REST和SOAP空間信息服務(wù)，并且可通過規(guī)范化接口進(jìn)行服務(wù)協(xié)議的擴展；支持WMS，WFS，KML等標(biāo)準(zhǔn)空間信息服務(wù)?？蛻舳税?個Ajax客戶端、Silverlight客戶端和Flex客戶端3個部分［20－22］。3個客戶端工程采取一致的流程和客戶端模塊結(jié)構(gòu)，每個客戶端工程均包含如下模塊：基礎(chǔ)類型對象模塊、操作提供者對象模塊、圖層類對象模塊、操作類對象模塊、工具類對象模塊、客戶端控件模塊、氣象數(shù)據(jù)繪制模塊（地面、高空、自動站、雷達(dá)、衛(wèi)星、數(shù)值模式等）、客觀分析處理模塊。

1.2 總體功能設(shè)計

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)顯示

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺支持實況數(shù)據(jù)、模式產(chǎn)品、云圖數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等的顯示，支持產(chǎn)品的動畫播放。其內(nèi)置了強大的空間數(shù)據(jù)引擎，可以直接讀取和發(fā)布13種通用GIS數(shù)據(jù)格式和9大類氣象專業(yè)數(shù)據(jù)格式，并能通過服務(wù)聚合集成發(fā)布其他GIS系統(tǒng)所發(fā)布的WMS和WFS服務(wù)。系統(tǒng)支持的9大類氣象專業(yè)數(shù)據(jù)格式包括：MICAPS，GRIB，HDF，NetCDF，AWX，BUFR，GrADS，Radar，SWAN。13種通用的GIS數(shù)據(jù)格式包括：AutoCAD DXF（＊.dxf），AutoCAD Drawing（＊.dwg），ArcInfo GRID（＊.grd），ArcView Shape（＊.shp），MapInfo TAB文件（＊.tab），位圖（＊.bmp），JPG （＊.jpg，＊.jpeg），PNG（＊.png），GIF （＊.gif），Erdas Image（＊.img），RAW （＊.raw），SIT （＊.sit），TIFF（＊.tif，＊.tiff）。系統(tǒng)支持文件型數(shù)據(jù)源、Oracle數(shù)據(jù)源和SQL Server數(shù)據(jù)源。

1.2.2 高效的海量氣象數(shù)據(jù)發(fā)布

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺完全支持TB級的海量空間數(shù)據(jù)（高分辨率衛(wèi)星云圖產(chǎn)品）的快速發(fā)布能力。創(chuàng)新的多級緩存技術(shù)和服務(wù)器冗余集群技術(shù)，與動態(tài)氣象數(shù)據(jù)多級疊加，能夠使用戶獲得良好的客戶端數(shù)據(jù)瀏覽體驗。

1.2.3 即時的數(shù)據(jù)更新響應(yīng)

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺集成了數(shù)據(jù)推送技術(shù)。氣象數(shù)據(jù)若有新增或變化，服務(wù)器端便會立即向客戶端推送數(shù)據(jù)變化的消息，借助于強大的客戶端繪圖技術(shù)，可對數(shù)據(jù)變化作出快速響應(yīng)。

1.2.4 快速的氣象數(shù)據(jù)分析

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺改進(jìn)了傳統(tǒng)GIS在線分析的架構(gòu)體系，在服務(wù)器端和客戶端進(jìn)行了合理的負(fù)載分配，充分利用了客戶端的計算和繪圖能力，提高了數(shù)據(jù)在線分析的效率和并發(fā)能力。目前，氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺集成了離散點插值、等值線和等值面生成、緩沖區(qū)分析等功能。

1.2.5 地圖服務(wù)定制與集成原則

當(dāng)前氣象網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)開發(fā)平臺差異較大，例如，有些業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于SuperMap的IServer開發(fā)，有些基于ArcGIS的ArcServer開發(fā)等，如何集成其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的資源和服務(wù)功能，是當(dāng)前氣象服務(wù)共享中的重要內(nèi)容。因此，在氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺研發(fā)中，需要支持標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)和氣象數(shù)據(jù)服務(wù)，從而可以快速集成共享其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)提供的服務(wù)。氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺利用地圖服務(wù)器，可為用戶提供自定義地圖服務(wù)功能，同時，可以通過服務(wù)聚合方式，集成發(fā)布其他GIS系統(tǒng)所發(fā)布的WMS服務(wù)等第三方標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)，如支持加載Google矢量圖、地形圖和衛(wèi)星影像圖。

2 氣象數(shù)據(jù)特征及應(yīng)用需求

2.1 氣象數(shù)據(jù)特征

氣象數(shù)據(jù)具有多源化特點，包括各類常規(guī)觀測資料、雷達(dá)產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等，主要分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)是以點、線、面為表現(xiàn)形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并附帶屬性數(shù)據(jù)，其主要以文件的形式存儲。柵格氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對簡單，空間疊置和空間分析能力強，但它有著存儲量大、空間位置精度低的不足。柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)是氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它的高效組織和處理決定了網(wǎng)絡(luò)平臺的運行效率；同時，氣象數(shù)據(jù)還具有海量性的特點，以衛(wèi)星影像為代表的空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)不斷成熟，數(shù)據(jù)呈級數(shù)增加，大型氣象空間數(shù)據(jù)庫包含GB甚至TB數(shù)量級的矢量和柵格數(shù)據(jù)。此外，氣象數(shù)據(jù)具有高時效性特點，數(shù)據(jù)更新頻繁，如分鐘級自動氣象站、秒級L波段探空、分鐘級雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)等。表1給出了典型氣象數(shù)據(jù)類型及其特征。

2.2 應(yīng)用需求

2.2.1 海量、多源氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)需求

當(dāng)前，針對常規(guī)觀測資料（高空、地面、自動氣象站等）、雷達(dá)產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品等氣象數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，在氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、氣象預(yù)報預(yù)測預(yù)警、氣象公共服務(wù)、氣象應(yīng)急決策分析應(yīng)用等方面具有重要作用；同時，隨著氣象預(yù)報預(yù)警對氣象數(shù)據(jù)時空精細(xì)化程度要求提高，稠密自動站、高分辨率衛(wèi)星云圖和細(xì)網(wǎng)格數(shù)值預(yù)報在氣象預(yù)報預(yù)警中應(yīng)用越來越廣泛。如何對多源、海量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、顯示分析，本研究對海量氣象數(shù)據(jù)采用智能緩存切片設(shè)計，緩存切片采用金字塔分級索引的方式存儲，實現(xiàn)不同級別切片的快速調(diào)用，從而顯著提升數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布性能。同時，采用RIA技術(shù)來提高氣象數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)客戶端的高效繪制（如氣象要素填圖顯示、等值線和色斑圖分析顯示）。

表1 氣象數(shù)據(jù)類型及特征Table 1 Meteorological data types and characters

2.2.2 氣象地理信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定制需求

氣象業(yè)務(wù)人員對氣象網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)系統(tǒng)的需求越來越大，特別是基于WebGIS的氣象網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)系統(tǒng)，一方面，氣象業(yè)務(wù)人員可以方便在線獲取氣象信息，同時，可以在線高效獲取地圖服務(wù)，包括地圖顯示與管理功能、數(shù)據(jù)空間分析功能等。隨著氣象專業(yè)化發(fā)展和服務(wù)需求的增長，平臺需要具備集成多種GIS底圖的能力，如地形DEM圖、矢量圖、遙感影像圖等，還需要定制應(yīng)急情況下氣象服務(wù)GIS數(shù)據(jù)，例如山洪、泥石流、中小河流流域地理信息數(shù)據(jù)等。結(jié)合數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀以及用戶的應(yīng)用需求，提出基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息服務(wù)方式來組織發(fā)布空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的快速發(fā)布與共享。為了給用戶提供可定制的地理信息服務(wù)，本研究也采用了地圖服務(wù)聚合的技術(shù)來定制用戶需要的地圖。

2.2.3 高時效氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用需求

針對高時效、高頻次的氣象數(shù)據(jù)，如分鐘級自動氣象站、秒級L波段探空、分鐘級雷達(dá)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)，如何發(fā)揮這些數(shù)據(jù)及其加工產(chǎn)品在重要天氣和氣象災(zāi)害監(jiān)視和報警功能，尤其是臺風(fēng)監(jiān)視、強對流天氣監(jiān)視等。本研究采用數(shù)據(jù)監(jiān)視機制保證自動監(jiān)視更新。

因此，本文將從柵格數(shù)據(jù)的智能緩存技術(shù)、基于RIA的客戶端渲染技術(shù)、氣象數(shù)據(jù)實時監(jiān)控機制、地圖服務(wù)聚合等方面深入研究，實現(xiàn)符合氣象應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)體系。

3 氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1 柵格數(shù)據(jù)的智能緩存技術(shù)

隨著WebGIS在氣象行業(yè)應(yīng)用的不斷深入，系統(tǒng)發(fā)布的數(shù)據(jù)量不斷增加，多比例尺地圖、海量地形數(shù)據(jù)、高時空分辨率的雷達(dá)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星等柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，對系統(tǒng)的性能（包括動態(tài)的地圖呈現(xiàn)、快速的地圖響應(yīng)時間、高并發(fā)量訪問能力等）提出了更高的要求。面對這些問題，氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺針對海量柵格數(shù)據(jù)提出了智能緩存的技術(shù)架構(gòu)。

所謂智能緩存技術(shù)，是指為提高對柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布效率，采用服務(wù)器端主動預(yù)緩存技術(shù)和動態(tài)緩存技術(shù)兩種相結(jié)合的方式，這兩種方式均基于金字塔模型（圖2）來處理、組織、管理柵格數(shù)據(jù)。

對于基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)以及小比例尺下的實時氣象柵格數(shù)據(jù)（雷達(dá)、衛(wèi)星產(chǎn)品等）的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，本文采用服務(wù)器端主動預(yù)緩存技術(shù)，即預(yù)先在服務(wù)器上切割出金字塔結(jié)構(gòu)的緩存切片，按一定規(guī)則存儲在服務(wù)器硬盤目錄下，每級地圖切片均有相應(yīng)的坐標(biāo)值與索引值。訪問時，客戶端根據(jù)當(dāng)前縮放級別下的比例尺、當(dāng)前顯示范圍進(jìn)行計算，得出請求范圍覆蓋到的瓦片數(shù)據(jù)的層次號和行列號，并向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器通過索引進(jìn)行檢索，得出所需瓦片數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍，以鏈接圖片的方式快速顯示。這種方式的優(yōu)勢是對于變化較小的地圖數(shù)據(jù)以及小比例尺下的實時氣象數(shù)據(jù)可以快速、高效響應(yīng)，但對于實時的大比例尺下的氣象柵格數(shù)據(jù)，將會出現(xiàn)數(shù)據(jù)更新繁瑣、執(zhí)行效率降低、組織管理不便的弊端。顯然，針對海量氣象數(shù)據(jù)以及氣象要素需要高精度顯示的特性，這種方式不能滿足需求。

圖2 金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Pyramid data structure

為此，對于大比例尺下的云圖、雷達(dá)等實時數(shù)據(jù)，則采用實時動態(tài)緩存技術(shù)，當(dāng)用戶需要時，客戶端便會對該請求進(jìn)行解析，計算出當(dāng)前比例尺下、當(dāng)前視圖窗口中對應(yīng)的圖片數(shù)量和大小，服務(wù)器端根據(jù)瓦片大小值動態(tài)切割原始數(shù)據(jù)，從而動態(tài)獲得切片文件。該方式不需要提前生成大量的地圖切片，也不會頻繁調(diào)用緩存文件，不但有效地節(jié)省了存儲空間和內(nèi)存使用量，還具有較高的安全性。

3.2 基于RIA的客戶端氣象數(shù)據(jù)高效渲染技術(shù)

RIA（Rich Internet Application，富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序）［23］具有高度的互動性和豐富的用戶體驗，它將桌面應(yīng)用程序的交互用戶體驗與傳統(tǒng)的Web應(yīng)用部署靈活地結(jié)合起來，綜合了B／S架構(gòu)和C／S架構(gòu)的優(yōu)勢，成為一種全新的 Web應(yīng)用解決方案。RIA技術(shù)提供了一套在客戶端進(jìn)行渲染繪制的解決方案［24］，F(xiàn)lex技術(shù)是現(xiàn)有的幾種RIA客戶端開發(fā)技術(shù)之一［25］，且較為成熟，因此本研究將選擇Flex技術(shù)作為客戶端顯示手段來實現(xiàn)氣象信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

結(jié)合Flex技術(shù)與氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺需求，系統(tǒng)對基于Web的氣象觀測站點數(shù)據(jù)填圖顯示（包括地面、高空、自動氣象站等）、基于Web的數(shù)值模式數(shù)據(jù)繪制顯示、基于Web的客觀分析數(shù)據(jù)集繪制等模塊提供了一系列的解決方案。

對于地面氣象要素填圖、高空填圖、自動氣象站等站點的顯示，平臺提供了豐富的氣象填圖符號和自動分級顯示機制，在富客戶端實現(xiàn)了在不同比例尺下的氣象數(shù)據(jù)填圖的渲染繪制；對于在線的數(shù)值模式數(shù)據(jù)繪制顯示，為了減小客戶端壓力，提高格點場繪制效率，在服務(wù)器端對格點數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線分析，然后在客戶端向服務(wù)端發(fā)送請求后保存在客戶端內(nèi)存，最終采用RIA的客戶端渲染技術(shù)實現(xiàn)數(shù)值模式的格點分析，填色顯示等。同時，平臺能根據(jù)格點場的格點密度自動分級顯示不同尺度下的數(shù)值模式，如ECMWF細(xì)網(wǎng)格資料的顯示等。

對于Web的站點插值分析，平臺在服務(wù)器端實現(xiàn)Cressman和IDW兩種插值分析算法，當(dāng)客戶端發(fā)送一個請求時，GIS服務(wù)器會解析需要的站點數(shù)據(jù)，根據(jù)請求發(fā)送過來的空間范圍的大小以及網(wǎng)格點間隔，調(diào)用插值方法，生成一個結(jié)果集，然后將結(jié)果集傳返回客戶端，保存在客戶端內(nèi)存中進(jìn)行繪制。

圖3為Flex客戶端對氣象要素填圖顯示的流程圖，分氣象數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)過濾選取、氣象數(shù)據(jù)服務(wù)以及客戶端渲染這幾個關(guān)鍵點實現(xiàn)了基于Web的地面填圖與高空填圖。

圖3 客戶端填圖過程Fig.3 Meteorological data plot in client

3.3 氣象數(shù)據(jù)實時監(jiān)視機制

氣象數(shù)據(jù)更新頻繁，如在災(zāi)害性天氣監(jiān)視中，需要對分鐘級的自動氣象站數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)視，為此，氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺提供了一種氣象數(shù)據(jù)實時監(jiān)視技術(shù)，采用服務(wù)器推技術(shù)和http拉取相結(jié)合的方式。當(dāng)有新的數(shù)據(jù)到達(dá)時，將會被服務(wù)端的數(shù)據(jù)更新監(jiān)測器監(jiān)測到，服務(wù)端將采用下面的方式通知客戶端。首先，服務(wù)端監(jiān)測器將數(shù)據(jù)更新消息推送到客戶端監(jiān)視器；然后，服務(wù)端將數(shù)據(jù)更新信息存放到數(shù)據(jù)更新配置項中，客戶端監(jiān)視器定時監(jiān)視該配置文件?？蛻舳吮O(jiān)視到數(shù)據(jù)更新消息后，向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)請求來獲取最新數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析顯示給用戶。這樣，不僅能夠向用戶展示即時動態(tài)數(shù)據(jù)，氣象觀測數(shù)據(jù)的顯示速度也得到了優(yōu)化（圖4）。

圖4 氣象數(shù)據(jù)實時監(jiān)視機制Fig.4 Monitoring of meteorological data in real－time

3.4 地圖服務(wù)聚合

不同氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用對地圖的定制功能提出不同需求，因此氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺充分考慮用戶定制和集成第三方地圖服務(wù)的要求，平臺采用面向服務(wù)體系架構(gòu)設(shè)計，完全支持地圖服務(wù)聚合功能，除了體現(xiàn)在對Web Service規(guī)范和OGC，KML等規(guī)范的支持和將氣象GIS服務(wù)發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)之外，還支持對標(biāo)準(zhǔn)第三方服務(wù)的聚合。提供這種聚合能力可以方便用戶使用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，在少編程甚至不編程的情況下，方便地在氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺上使用第三方提供的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺的服務(wù)聚合能力從設(shè)計上貫穿始終，從客戶端腳本、Web服務(wù)層、氣象GIS服務(wù)層，每一個應(yīng)用的層次都具有服務(wù)聚合的能力。下面以客戶端聚合為例介紹聚合原理。在客戶端，氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺以面向?qū)ο蟮姆绞教峁┮惶淄暾腟DK，用戶可以在客戶端用面向?qū)ο蟮姆绞酵ㄟ^簡單的編程來實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)第三方服務(wù)的訪問，可以非常方便地將第三方服務(wù)提供的圖片或數(shù)據(jù)聚合到氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺的客戶端（圖5）。

圖5 氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺客戶端聚合示意圖Fig.5 Service mashup of MeteoGIS Internet client

4 應(yīng)用實例

基于氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺，采用Flex富客戶端、JAVA組件開發(fā)了國家級的網(wǎng)絡(luò)化災(zāi)害性天氣監(jiān)視預(yù)警平臺。該平臺不僅支持雷達(dá)拼圖資料、單站雷達(dá)PUP產(chǎn)品、衛(wèi)星云圖、高精度地形圖等柵格數(shù)據(jù)的高效網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，還可以實現(xiàn)自動氣象站、地面觀測等矢量數(shù)據(jù)的疊加、顯示、查詢、分析等功能，同時，支持對自動氣象站數(shù)據(jù)的客觀分析，可對氣象要素累計分析統(tǒng)計等；用戶可以自由切換地圖服務(wù)等；另外，針對各地情況，對實況數(shù)據(jù)根據(jù)不同閾值設(shè)置進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合雷達(dá)回波、臺站觀測等資料綜合分析，對災(zāi)害性天氣進(jìn)行實時分析及自動監(jiān)視報警等。圖6和圖7是系統(tǒng)的運行實例截圖。

圖6 矢柵數(shù)據(jù)在平臺客戶端渲染繪制效果及部分切片F(xiàn)ig.6 Vector－raster data rendered in platform based on MeteoGIS

該網(wǎng)絡(luò)平臺在全國各級氣象業(yè)務(wù)部門進(jìn)行了推廣使用，某些省份氣象局應(yīng)用開發(fā)人員結(jié)合當(dāng)?shù)貥I(yè)務(wù)需求，使用該平臺的組件接口進(jìn)行開發(fā)，如廣西壯族自治區(qū)氣象局開發(fā)的廣西精細(xì)化預(yù)報網(wǎng)絡(luò)平臺，江蘇省氣象局開發(fā)的江蘇氣象災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急系統(tǒng)，現(xiàn)都已投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。圖8為江蘇氣象災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急系統(tǒng)界面。隨著氣象GIS的完善和推廣使用，氣象GIS在全國各級氣象部門的氣象災(zāi)害預(yù)警、天氣和氣候監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)測、評估和信息發(fā)布等信息化建設(shè)方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖7 基于氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺的災(zāi)害性天氣監(jiān)視平臺實時監(jiān)視報警效果Fig.7 Real－time monitoring in severe weather monitoring platform based on MeteoGIS Internet

圖8 基于氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺的江蘇氣象災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急系統(tǒng)Fig.8 Jiangsu weather disaster warning and emergency－response platform based on MeteoGIS Internet

5 小 結(jié)

本文對氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺的總體功能、關(guān)鍵技術(shù)及其在各級氣象業(yè)務(wù)部門應(yīng)用實例進(jìn)行了詳細(xì)闡述，氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺不僅可以高效、高質(zhì)量地網(wǎng)絡(luò)發(fā)布海量、實時氣象數(shù)據(jù)，而且可以對各類氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和監(jiān)控，增強了其在氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享、實況監(jiān)視報警、預(yù)報分析、服務(wù)出圖等方面的應(yīng)用能力；同時，該平臺具有較好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放性和擴展性，可通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式，集成其他系統(tǒng)的地圖服務(wù)和氣象數(shù)據(jù)服務(wù)等。隨著氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺逐步完善，及其在全國的推廣應(yīng)用，該平臺將在氣象信息現(xiàn)代化建設(shè)中發(fā)揮重要作用。當(dāng)然，目前該平臺在地圖服務(wù)器負(fù)載均衡方面還存在一定缺陷，未充分考慮集群服務(wù)器動態(tài)負(fù)載均衡的優(yōu)化；同時，未考慮針對html5標(biāo)準(zhǔn)的氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺客戶端設(shè)計。因此，在下一步的研發(fā)中，國家氣象中心氣象GIS研發(fā)項目組會將加大對html5網(wǎng)絡(luò)客戶端研發(fā)，優(yōu)化GIS服務(wù)器集群負(fù)載均衡方案；同時，簡化二次開發(fā)接口，為各級開發(fā)人員提供簡潔、方便的接口。

［1］ 吳煥萍，羅兵，王維國，等.GIS技術(shù)在決策氣象服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（3）：380－384.

［2］ 吳煥萍，羅兵，曹莉.地理信息服務(wù)及基于服務(wù)的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)框架探討.應(yīng)用氣象學(xué)報，2006，17（增刊）：135－140.

［3］ 李月安，曹莉，高嵩，等.MICAPS預(yù)報業(yè)務(wù)平臺現(xiàn)狀與發(fā)展.氣象，2010，26（7）：50－55.

［4］ 中國氣象局培訓(xùn)中心.MICAPS3系統(tǒng)培訓(xùn)教材.北京：氣象出版社，2009.

［5］ 孫利華，吳煥萍，鄭金偉，等.基于Flex的氣象信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺設(shè)計與實現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報，2010，21（6）：754－761.

［6］ 高梅，倪允琪，張文華，等.中尺度災(zāi)害天氣分析與預(yù)報系統(tǒng)綜合顯示平臺.應(yīng)用氣象學(xué)報，2011，22（5）：621－630.

［7］ 鄭衛(wèi)江，吳煥萍，羅兵，等.GIS技術(shù)在臺風(fēng)預(yù)報服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)中的應(yīng)用.應(yīng)用氣象學(xué)報，2010，21（2）：250－255.

［8］ Dirk H.NinJo Recent Developments.20th EGOWS，2009.

［9］ Stephan S，F(xiàn)ernando I.Metview 4 ＆ Magics＋＋：Answering New Challenges of Increasing Volumes of Data.20th EGOWS，2009.

［10］ Daabeek J.Overview of Meteorological Workstation Development in Europe∥Proceedings of 21st International Conference on Interactive Information Processing Systems（IIPS）for Meteorology，Oceanography，and hrdrology.2005.

［11］ Grifith F.AWIPS－ⅡInto the Future∥Proceedings of 27th IIPS for Meteorology，Oceanography，and hydrology.2011.

［12］ Wilhelmi O，Boehnert J.GIS Initiative：Developing an Atmospheric Data Model for GIS.Unidata Seminar，2004.

［13］ 董晨娥，王孝卿，肖清華，等.基于GIS的氣象災(zāi)害評估系統(tǒng)的研究與應(yīng)用.自然災(zāi)害學(xué)報，2010，19（6）：107－111.

［14］ 劉品高，江南，譚萍，等.氣象地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報，2005，16（4）：547－552.

［15］ 黃中艷.基于GIS的云南烤煙種植氣候動態(tài)分區(qū)評估.地理研究，2011，30（8）：1441－1447.

［16］ 張洪亮，鄧自旺.基于DEM的山區(qū)氣溫空間模擬方法.山地學(xué)報，2002，20（3）：360－364.

［17］ 朱浩，樊彥國，武騰騰.開源GIS支持下的氣象災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分析.氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35（3）：33－40.

［18］ 劉旭林，趙文芳，劉國宏.基于WebGIS的氣象信息顯示和查詢系統(tǒng).應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（1）：116－121.

［19］ Open GIS Consortium Inc.OpenGIS Specifications：Web Coverage Service（WCS），Version 1.1.2.http：∥portal.opengeospatial.org／files／index.php？artifact＿id＝27297，2008.

［20］ 程國雄，胡世清.基于Silverlight的RIA系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計模式研究.計算機工程與設(shè)計，2010，31（8）：1706－1713.

［21］ 戴侃，楊小虎.基于J2EE和FLEX技術(shù)構(gòu)建RIA系統(tǒng)的探索與實現(xiàn).微電子學(xué)與計算機，2003，23（5）：22－27.

［22］ 楊仁和.AJAX設(shè)計模式.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［23］ Robert R，Simon A.Macromedia MX：Building Rich Internet Applications.Macromedia Press，2003.

［24］ George L.New ways to build rich internet applications.IEEE Computer，2008，41（8）：10－12.

［25］ 蘭天，曲鵬東.Flex企業(yè)應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn).北京：機械工業(yè)出版社，2010：139－177.

Research and Implementation of Key Technology in MeteoGIS Web Platform

Hu Zhengguang Zheng Weijiang Gao Song Luo Bing Li Yuean
（National Meteorological Center，Beijing100081）

In recent years，WebGIS plays an important role in meteorological data sharing，weather forecast and early－warning，public weather service and meteorological decision－making application.For instance，MICAPS integrated open source package SharpMap to display Web map services，and some branches develop meteorological Web service system based on commercial software such as ArcGIS and SuperMap.NINJO and MetView adopt Web Portal to integrate the WMS，WMF map services.However，there are some problems with the WebGIS application in current meteorology operational system.Generally，it is expensive and inconvenient to develop the WebGIS applications based on commercial GIS software.Open source GIS packages is also difficult for the developers to use and to ensure robustness.Besides，current WebGIS software hasn’t taken meteorological data and meteorological analysis application characteristics into account.

To solve the above problems，a new system named meteorology GIS（MeteoGIS）Web platform is developed with JAVA language by National Meteorological Center（NMC）for the developers and researchers.It could not only deliver kinds of heterogeneous meteorological data sources through Web efficiently，but also integrate meteorological analysis algorithms and models.The platform combines the WebGIS with meteorological operation characteristics，which could be used to develop kinds of meteorological applications systems.Besides，some current key technologies are used，such as intelligent cache，RIA，meteorological data monitoring and web map service mashup.This standard，flexible，easy and convenient meteorological WebGIS platform could be used by kinds of developers at national and in different province－level or county－level administrative regions.

Based on MeteoGIS Web platform，NMC develops the national weather monitoring and warning system and some provinces develop weather forecast system and meteorological disaster response systems.These systems run stably in real－time weather operation，illustrating the key technique strong practicability and expansibility in massive data Web publishing，Web client rendering，data monitoring，and Web map service.There are still some problems to solve further，such as developing a html5client and optimizing the load balance of the GIS server.

MeteoGIS；intelligent cache technology；RIA；service mashup；disastrous weather monitoring

胡爭光，鄭衛(wèi)江，高嵩，等.氣象GIS網(wǎng)絡(luò)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn).應(yīng)用氣象學(xué)報，2014，25（3）：365－374.

2013－06－28收到，2014－02－26收到再改稿。

中國氣象局“十一五”氣象災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警工程項目“氣象地理信息系統(tǒng)（MeteoGIS）建設(shè)”

＊email：westlifehu＠126.com