李博

摘要：臺風是破壞力極強的自然災害之一，中國是受臺風影響較嚴重的國家。加強臺風的檢測和預報是防災減災的有效手段。該文基于WebGIS和ArcServer平臺，采用Flex框架，依據(jù)臺風自身特點和數(shù)據(jù)特點，結合臺風路徑的相似性算法模型，設計了臺風預警信息系統(tǒng)。其中實現(xiàn)的功能主要包括臺風路徑信息與衛(wèi)星云圖、信息查詢、瀏覽統(tǒng)計、實時繪圖；多功能歷史臺風路徑信息查詢。該平臺的構建和實現(xiàn)不僅可為廣大用戶提供內(nèi)容豐富、通俗易懂的臺風氣象信息，而且可為行業(yè)用戶和決策部門提供具有一定參考價值的氣象服務產(chǎn)品，從而進一步拓寬和完善了臺風氣象信息產(chǎn)品在網(wǎng)絡服務領域應用的廣度和深度。

關鍵詞：臺風；WebGIS；路徑預測；ArcServer

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0106-04

1 背景

臺風的破壞性巨大，同時也是最嚴重的自然災害之一[1]。在全球臺風生成區(qū)中，最頻繁的臺風發(fā)生在太平洋西北地區(qū)，達到1/3的全球總和，另外臺風強度最強也是在太平洋西北地區(qū)。中國是世界上遭受臺風影響最嚴重和最頻繁的國家之一。自1949年以來，受西北太平洋的臺風影響，我國每年所遭受的經(jīng)濟損失為20-100億元，死亡人數(shù)在100-1000人。近年來，隨著氣候被遭到嚴重破壞、沿海經(jīng)濟區(qū)的社會經(jīng)濟快速發(fā)展，因臺風而造成的損失也在明顯增加。

臺風災害給社會財產(chǎn)，人身生命安全等造成巨大的危害，人們就需要通過一定的技術手段去獲取臺風的相關信息，從而減少甚至避免臺風的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和科學的進步，人類所能收集關于臺風的數(shù)據(jù)信息也豐富起來。人類獲取臺風數(shù)據(jù)更加快速、便捷、精確，使得臺風的信息維度更加多樣、豐富，內(nèi)容也更加充實，為決策帶來充分的參考和依據(jù)。研究表明過去人們對于空間信息的獲取與分析，采用的技術手段相對比較落后，因而就需要一種更加高效和方便的手段或技術，更加注重信息的空間性，加強臺風信息的檢索效率，實現(xiàn)空間信息的共享，提供更加全面的決策信息。

近年來，隨著GIS在各個領域得到廣泛的應用，人們對于GIS科學的理解也隨之深入，使得GIS在氣象領域的應用也越來越寬泛，越來越多的氣象工作者意識到地理信息技術在該領域的應用價值。無論是在在歷史氣象資料的查詢、保存、檢索、統(tǒng)計分析，還是在基于空間數(shù)據(jù)的三維建模和數(shù)學建模及數(shù)據(jù)的空間分析方面，GIS技術都體現(xiàn)出卓越的空間信息的管理和分析能力。同時，GIS技術的飛速進步，為臺風數(shù)據(jù)的管理和共享提供強有力的技術保障。同時，地理信息系統(tǒng)在氣象領域的廣泛應用也為臺風預報預測系統(tǒng)與GIS的有機結合提供了寶貴的經(jīng)驗。隨著網(wǎng)絡的發(fā)達，信息共享將成為迫切的需求，這促使Internet和GIS的結合。WebGIS應運而生，它不僅擁有Internet信息的數(shù)據(jù)共享特點和信息發(fā)布功能，同時也具有GIS技術在數(shù)據(jù)的管理和空間分析方面的功能，這為GIS技術的普及和共享GIS技術的成果提供一個廣闊的平臺。

目前一些臺風信息系統(tǒng)主要存在以下不足：1）臺風信息服務產(chǎn)品種類較少，且表現(xiàn)方式比較單一；2）多種氣象信息產(chǎn)品無法綜合顯示，致使用戶無法直觀了解臺風及相關信息；3）近海海區(qū)氣象服務產(chǎn)品目前在網(wǎng)站上都是以文字形式呈現(xiàn)，不利于查詢海區(qū)天氣情況；4）地理底圖疊加信息單一，無法疊加公路、鐵路等地理信息。

基于以上不足，本系統(tǒng)將依托豐富的氣象服務產(chǎn)品，綜合應用 GIS 服務器的空間數(shù)據(jù)處理能力，分析多種與臺風相關的氣象業(yè)務產(chǎn)品的時空要素特征，構建基于 WebGIS 的臺風預警信息系統(tǒng)，著力從多功能臺風路徑查詢、多種氣象信息集成發(fā)布、地理信息功能等功能方面進一步拓寬和加強臺風氣象信息產(chǎn)品在服務領域應用的廣度和深度，從而通過網(wǎng)絡為公眾和行業(yè)用戶提供更豐富，更優(yōu)質、更專業(yè)的臺風氣象服務[2-3]。

2 臺風路徑預測的基本理論

臺風的預報方式有兩種，一種是數(shù)值預報，另一種是客觀預報[4]。數(shù)值預報是根據(jù)測量到的數(shù)值計算，預測出臺風運動軌跡的趨勢和運動特點；客觀預報把臺風的歷史數(shù)據(jù)作為基礎，通過計算概率、相似性、回歸分析等方法進行預測[5][6]。

兩種方法各有自己的優(yōu)勢和不足，目前較多偏向于客觀預報中的相似性的方法[7]。

本平臺使用SrcServer中自帶的空間分析功能，以歷史臺風信息為基礎，利用臺風路徑的相似性原理，預測出臺風路徑。

2.1 路徑相似度算法

路徑相似法是從歷史記錄中篩選出相似時間，相似氣象特征，相似運動軌跡的臺風路徑，是臺風路徑預測的常用方法[8]。相似的臺風路徑是眾多影響因子共同作用的結果，也就說明諸多因子合力的等效性。中國氣象的相似性標準是地理、季節(jié)和移向移速相似。

在臺風路徑預報中，采用相似度方法去模擬計算，關鍵點在尋求相似度的衡量標準。從以往的經(jīng)驗中可以得知，相似度通常確定在0和1之間。臺風路徑之間的距離越接近，也就表明在空間上，兩條臺風路徑越相似；在此基礎上，陸濤等通過緩沖區(qū)的大小，確定搜索的范圍，這有效減少了臺風路徑計算的工作量[9]。

利用臺風路徑之間的距離來表示臺風路徑的相似度的方法，在計算過程上是比較復雜的，需要計算現(xiàn)有的臺風路徑到歷史臺風路徑上每一點的最短距離之和與歷史臺風路徑的相似度。鄒亮等在基于臺風路徑相似度方法計算的基礎上，改進此算法，本文采用此優(yōu)化算法。

2.2 基于路徑相似度的臺風路徑預測

根據(jù)路徑相似度的方法，計算出不同的歷史臺風路徑與實時臺風路徑之間的相似度，然后按照相似度大小進行排序。首先選取相似度最大的臺風路徑作為實時路徑的預測路徑點。這種處理方式有缺陷，相似度最高的臺風路徑有可能只是一部分非常吻合，而其他部分就會出現(xiàn)很大的偏差。因為不可能所有的作用因子都十分相似，畢竟存在眾多因素的差異。所以不能簡單的依照歷史臺風路徑整體的相似度，而根據(jù)每一個關鍵點的緩沖圓范圍之內(nèi)，計算出一個局部的相似度，在每一緩沖范圍之內(nèi)，選取一個最優(yōu)解。該方法示意圖如下：

S1，S2，S3代表不同時刻，也就表示臺風的不同時刻的路徑。D1，D2，D3代表不同歷史臺風路徑經(jīng)過局部最大相似度的計算而得到的關鍵點。該方法使用局部最大相似度有效的解決了兩條臺風路徑不可能完全一致的問題，在預測中，不斷選取一個最優(yōu)解作為預測點。

2.3 本文實現(xiàn)方法

1） 通過讀取圖層的屬性表文件，獲取當前臺風的坐標信息。用ArcMap的Model Bulider制作緩沖工具，并在ArcCatalog中發(fā)布服務，獲取工具的地址。通過FlashBulider調用工具的REST地址，通過響應的數(shù)據(jù)在客戶端繪制緩沖區(qū)。

2） 在服務器后臺加載已有的歷史臺風信息，通過GIS的緩沖區(qū)分析，最終是的圖層屬性的疊加合并。這樣也就獲得了關鍵的數(shù)據(jù)。接下來就要在FlashBulider中通過對圖層的屬性文件相關操作，讀取并保存疊加分析后的數(shù)據(jù)。

3） 計算相似度。把現(xiàn)在的臺風路徑數(shù)據(jù)和的疊加分析后的歷史臺風路徑數(shù)據(jù)進行相似的計算，在緩沖區(qū)范圍之內(nèi)，計算距離的加權平均和，選出最優(yōu)解。

3 系統(tǒng)技術架構

3.1 總體結構設計

臺風預警信息平臺是基于服務器端的IIS和ArcServer，客戶端就是瀏覽器，開發(fā)平臺是Flex，輔助工具有ArcCatalog和ArcMap?？蛻舳酥饕墙邮苡脩舻恼埱蠹帮@示服務器響應的結果。大部分的業(yè)務邏輯都是在GIS服務端，其負責數(shù)據(jù)的處理及響應的傳送。

3.2 邏輯模型設計

表現(xiàn)層是平臺的訪問入口，主要負責請求的發(fā)送和響應結果的呈現(xiàn)[10]。本系統(tǒng)的表現(xiàn)層就是瀏覽器，它只是把用戶的請求封裝打包，然后轉交給Web層，最終交給業(yè)務邏輯層處理。它更不會與數(shù)據(jù)層進行交互，中間是通過Web層進行隔離的。它主要用來為用戶提供與服務器交互的平臺，隱藏業(yè)務邏輯層的復雜。

Web層就相當于一個中間件，主要用于接受用戶的請求和封裝服務器的響應結果，接受用戶的請求之后調用業(yè)務邏輯層的響應功能進行處理，然后把處理結果打包發(fā)給表現(xiàn)層。Web層也相當于一個隔離層，把表現(xiàn)層和業(yè)務邏輯層分開，避免表現(xiàn)層和業(yè)務邏輯層過于耦合，使軟件更易擴展和維護。

業(yè)務邏輯層是整個邏輯設計的核心，負責所有的業(yè)務處理。它是Web層和持久層通信的中間者，對兩者之間起承接作用，這就使得Web層和持久層處于一種松耦合的關系，使得設計更加靈活。

持久層也稱數(shù)據(jù)層，是整個設計的信息中心。直接與業(yè)務邏輯層通信，主要滿足業(yè)務邏輯層的請求，然后給予必要的響應。

這種B/S的多層結構，削弱表現(xiàn)層的責任和減少表現(xiàn)層的壓力，避免各層之間的過度依賴，處于低耦合的關系[11]。業(yè)務邏輯的變化，不會影響表現(xiàn)層、Web層因為表現(xiàn)層只負責顯示，不牽扯業(yè)務邏輯，而Web層通過接口調用，與具體的實現(xiàn)無關。整個構建易于擴展和維護。

4 系統(tǒng)的功能設計與開發(fā)

4.1 系統(tǒng)功能設計

基于本平臺的設計目標，軟件在功能上主要分為兩類，分別是地圖基本操作和臺風模塊。

地圖基本模塊主要實現(xiàn)搜索、測量、繪圖、書簽、截圖、打印等功能。

臺風模塊是本軟件的核心模塊。包括信息查詢、瀏覽統(tǒng)計、實時繪圖小模塊。信息查詢能夠對臺風的分布情況及臺風路線的預測；瀏覽統(tǒng)計能夠對臺風的基本信息進行瀏覽，并統(tǒng)計臺風的分布和屬性的變化情況；實時繪圖能夠實現(xiàn)客戶端的動態(tài)繪圖功能。

空間要素的存儲是由系統(tǒng)完成的，只需要輸入臺風基本信息，包含中心氣壓，風速等字段。其實空間數(shù)據(jù)也是由二維表存儲的，本文中ArcSDE就相當預拆解與組裝的工人，把空間要素拆分成二維信息，然后存放在數(shù)據(jù)庫中。

本文的數(shù)據(jù)主要存放在Shapefile文件和數(shù)據(jù)庫中。要發(fā)布要素服務的圖層，屬性必須通過ArcSDE存放于SQL Server中，因為要素服務關系到數(shù)據(jù)的讀取。把Shapefile文件通過ArcSDE映射到SQL Server數(shù)據(jù)庫中，提高空間要素的查詢效率，并能有效的管理空間要素，是存儲空間數(shù)據(jù)的主要方式。臺風預警信息平臺是由表現(xiàn)層、Web層、業(yè)務邏輯層和持久層四層架構組成。設計結構上把所有的業(yè)務邏輯處理都放在后臺服務器中，即各功能模塊的運行環(huán)境是在服務器端，客戶端僅是系統(tǒng)的入口，負責處理結果的呈現(xiàn)。

4.2 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

根據(jù)總體設計，應該細化系統(tǒng)的功能設計，經(jīng)過詳細設計的步驟之后，應該能夠精準地確定臺風預警信息系統(tǒng)具體要怎么做，怎么設計實現(xiàn)功能模塊[12]。確定功能模塊，選擇編程語言來實現(xiàn)，本文采用的是Flex，完成各個功能模塊代碼的編寫。

臺風預警信息系統(tǒng)是由表現(xiàn)層、Web層、業(yè)務邏輯層和持久層四層架構組成。在設計結構上把所有的業(yè)務邏輯處理都放在后臺服務器中，即各功能模塊的運行環(huán)境是在服務器端，客戶端是系統(tǒng)的入口，負責處理結果的呈現(xiàn)。

（a）系統(tǒng)主界面

（b）臺風關鍵點的屬性查詢

（c）臺風關鍵點對應的遙感影像圖

（d）實時繪圖功能

5 結束語

本文通過開源的Flex框架和WebGIS的關鍵技術，分析總結了國內(nèi)臺風信息系統(tǒng)及技術的發(fā)展狀況，結合具體的、實際的需求，構建出以臺風信息顯示、查詢?yōu)檩o，分析管理為主的臺風信息服務平臺。開發(fā)平臺使用Flex，Web服務器采用IIS架設，GIS服務器ArcServer提供強大的的業(yè)務功能，ArcSDE和SQL Server負責數(shù)據(jù)的存取。在這樣的系統(tǒng)架構中，用戶可以很方便通過瀏覽器和服務器進行交互，具有良好的用戶體驗。

該平臺將地圖和臺風信息進行融合，不僅內(nèi)容豐富而且通俗易懂，使用戶能夠清晰的了解臺風信息。臺風路徑預測不是對臺風進行預報，而是提供一種快速預測的辦法，在氣象部門給出準確的臺風預報之前預測可能的臺風路徑和影響范圍，為城市進行臺風應急救災工作提供決策依據(jù)。

參考文獻：

[1] 鄭曉陽， 高芳琴. 基于WebGIS的臺風信息服務系統(tǒng)研究及應用[J]. 城市道橋與防洪， 2007， 4： 38-41

[2] 吳煥萍， 羅兵， 王維國， 等. GIS 技術在決策氣象服務系統(tǒng)建設中的應用[J]. 應用氣象學報， 2008， 19（3）：380-384.

[3] 周秉榮， 李鳳霞， 申雙和， 等. 青海高原雪災預警模型與GIS空間分析技術應用[J].

應用氣象學報， 2007， 18（3）：373-379.

[4] 梁偉. 臺風災害損失預測方法研究及決策支持系統(tǒng)開發(fā)[D]. 南京： 南京信息工程大學.

[5] 黃小燕， 金龍. 條件數(shù)在臺風移動路徑預報中的應用[J]. 自然災害學報， 2007， 16（3）：35-40.

[6] 陳鉆， 薛冰， 柳晶. 基于 WebGIS 的臺風海洋氣象信息綜合服務平臺設計[C]// 第七屆全國優(yōu)秀青年氣象工作者學術研討論文集， 2010.

[7] 陸濤. GIS支持下的西北太平洋熱帶氣旋研究[D]. 上海： 華東師范大學， 2004.

[8] 陳聯(lián)壽， 丁一匯. 西太平洋臺風概論[M]. 北京： 科學出版社， 1979.

[9] 鄒亮， 任愛珠， 徐峰. 基于GIS空間分析的臺風路徑預測[J]. 清華大學學報：自然科學版， 2008， 48（12）：2047-2040

[10] 袁媛. 基于WebGIS的臺風信息系統(tǒng)研究[D]. 武漢： 武漢理工大學， 2009.

[11] Hsu M H， Chen A S， Chen L C， et al. A GIS-based decision support system for typhoon emergency response in Taiwan[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2011， 29（1）：7-12.

[12] Bin Z， Haiyan C， Junqiang G. Development of Typhoon Disaster Evaluation System Based on GIS[J]. Journal of Catastrophology， 2008（1）：10.