賈松林 王穎 薛蕾 王博

（國家氣象信息中心，北京 100081）

0　引言

數(shù)據(jù)元是通過標識、定義、表示以及允許值等一系列屬性描述的數(shù)據(jù)單元，在特定的語義環(huán)境中被認為是不可再分的最小數(shù)據(jù)單元[1]。針對數(shù)據(jù)元的注冊管理維護問題，國內部分行業(yè)已經開展了數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的研究和設計實現(xiàn)。交通運輸部針對交通信息基礎數(shù)據(jù)元已建成了交通信息基礎數(shù)據(jù)元管理與服務系統(tǒng)。方文亮[2]以陜西省交通信息基礎數(shù)據(jù)元字典編制項目為背景開展了對數(shù)據(jù)元的結構研究，開發(fā)了基于Web的數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)。姚遠等[3]介紹了基于網絡的衛(wèi)生信息數(shù)據(jù)元管理平臺設計、管理流程。文必龍等[4]給出了基于語義的石油勘探開發(fā)數(shù)據(jù)元管理架構，提出了數(shù)據(jù)元質量控制模型、數(shù)據(jù)元分類模式、數(shù)據(jù)元搜索服務等管理技術。

氣象數(shù)據(jù)元是氣象數(shù)據(jù)中不可再分的最小數(shù)據(jù)單元，可分為33個大類，每類包含幾十到數(shù)百個數(shù)據(jù)元，每個數(shù)據(jù)元包含16個屬性。建設一套管理系統(tǒng)對這些氣象數(shù)據(jù)元進行有效規(guī)范的管理具有重要的業(yè)務現(xiàn)實意義：該系統(tǒng)的建設將為實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)元在氣象業(yè)務全流程環(huán)節(jié)共享、確保數(shù)據(jù)元“全局”一致提供支撐平臺，為業(yè)務管理人員提供高效便捷的氣象數(shù)據(jù)元管理和維護工具，并為業(yè)務用戶和公眾呈現(xiàn)出直觀的數(shù)據(jù)元查閱和使用窗口。本文簡要介紹了氣象數(shù)據(jù)元的標準與分類，重點闡述了氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的功能結構、技術框架和一些關鍵技術的實現(xiàn)。

1　氣象數(shù)據(jù)元標準與分類

我國部分行業(yè)陸續(xù)對本行業(yè)的數(shù)據(jù)元進行了標準化研究工作，發(fā)布了一系列行業(yè)范圍內的相關標準[5-8]，建立了各自領域范圍內的標準化數(shù)據(jù)元目錄，對于本行業(yè)的數(shù)據(jù)標準化及國家的數(shù)據(jù)元標準化工作發(fā)展都起到積極的推動作用。

在氣象領域，氣象數(shù)據(jù)元標準系列是氣象信息化標準體系中的基礎數(shù)據(jù)標準，由34個部分組成，包括總則部分和33類數(shù)據(jù)元各自對應的部分。氣象數(shù)據(jù)元標準用于規(guī)范相關數(shù)據(jù)元在元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式中的統(tǒng)一標識和表示，填補了氣象信息化業(yè)務流程中對于數(shù)據(jù)規(guī)范表示標準的缺失，可支撐氣象數(shù)據(jù)在氣象信息化系統(tǒng)中的高效流通和應用。氣象數(shù)據(jù)元標準適用于氣象數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析、加工、存儲、發(fā)布、以及應用（天氣、氣候等業(yè)務應用、政務管理應用）和服務（公共氣象服務等）等各業(yè)務環(huán)節(jié)，以解決目前相同數(shù)據(jù)元在不同業(yè)務環(huán)節(jié)中代碼、特征值等表示規(guī)則不統(tǒng)一的問題。

國家氣象信息中心發(fā)布的“氣象數(shù)據(jù)元—第1部分：總則”（以下簡稱為“總則”）根據(jù)世界氣象組織（WMO）基本系統(tǒng)委員會發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)通用二進制表示格式（BUFR編碼格式）和氣象要素分類與編碼[9]將氣象數(shù)據(jù)元分為33類，其中28個類型碼與BUFR表B一致，4個是本地擴展的類型碼。具體包括測站/平臺標識、儀器、時間、緯向水平位置、經向水平位置、垂直位置、意義限定符、高度與氣壓、風和湍流、溫度、濕度/降水/蒸發(fā)、輻射、大氣成分、天氣系統(tǒng)特征、天氣現(xiàn)象、雷達氣象、海洋氣象、釋放與輸送、放射性輻射、處理信息、時間（非坐標位置）、緯向水平位置（非坐標位置）、經向水平位置（非坐標位置）、地圖數(shù)據(jù)、圖像、質量信息、數(shù)據(jù)監(jiān)測信息、衛(wèi)星氣象、空間天氣、災害、農業(yè)與生態(tài)氣象、大氣診斷物理量和其他。每個氣象數(shù)據(jù)元有16個屬性，包括中文名稱、代碼、英文名稱、簡稱、定義、數(shù)據(jù)類型、提交機構、狀態(tài)、版本、計量單位、數(shù)據(jù)精度、特征值、學科種類、參數(shù)種類、參數(shù)編號和備注。上述16個氣象數(shù)據(jù)元屬性中，前9個（中文名稱等）必選，后7個（計量單位等）可選。

2　系統(tǒng)功能設計

根據(jù)總則，氣象數(shù)據(jù)元的維護工作應包括數(shù)據(jù)元生命周期管理、數(shù)據(jù)元的添加、刪除、更新等工作，這些工作應由數(shù)據(jù)元注冊機構負責。另外數(shù)據(jù)元編制完成并發(fā)布后應能被行業(yè)用戶和公眾用戶方便地檢索發(fā)現(xiàn)和使用。據(jù)此確定了氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的功能模塊由數(shù)據(jù)元查詢、提交、管理和用戶管理四部分組成，具體功能劃分如系統(tǒng)功能結構圖1所示；而用戶角色則由普通用戶、業(yè)務維護人員和系統(tǒng)管理人員三類用戶組成。

圖1　氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)功能結構Fig. 1 Functional structure of meteorological data element administration system

數(shù)據(jù)元查詢功能為用戶提供了多種發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)元的查詢方式，并可導出所需數(shù)據(jù)元到Excel數(shù)據(jù)文件中，包括數(shù)據(jù)元目錄導航、關鍵詞查詢、條件查詢、詳細信息查看、導出數(shù)據(jù)元到Excel文件。數(shù)據(jù)元提交功能主要為業(yè)務人員向系統(tǒng)中新增與修改氣象數(shù)據(jù)元提供方便，包括數(shù)據(jù)元新增、導入、更新、校驗。數(shù)據(jù)元管理功能主要供業(yè)務維護人員決定是否發(fā)布、刪除提交的數(shù)據(jù)元，并對數(shù)據(jù)元的類型和特征值進行管理，包括數(shù)據(jù)元發(fā)布、刪除、類型管理、特征值管理。用戶管理主要用于所有用戶的注冊與登錄，并可供系統(tǒng)管理員對注冊用戶進行審核授權，包括用戶注冊、登錄與退出、用戶信息查看與修改、用戶審核與刪改。

氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的三類用戶根據(jù)角色權限的不同可使用的系統(tǒng)功能也不同。普通用戶是指公眾用戶和行業(yè)內用戶，這些用戶僅能使用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)元查詢功能，可以查詢系統(tǒng)中已發(fā)布數(shù)據(jù)元的信息，導出選定的數(shù)據(jù)元。業(yè)務維護人員是指氣象數(shù)據(jù)元的編制和管理人員，主要對系統(tǒng)中的氣象數(shù)據(jù)元進行相關的提交維護工作，能夠使用系統(tǒng)中與數(shù)據(jù)元業(yè)務維護相關的查詢、提交、管理功能。系統(tǒng)管理人員負責系統(tǒng)用戶的審核管理和整個系統(tǒng)網站的運行維護，能夠使用系統(tǒng)所有的功能。

3　技術框架

氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)采用B/S架構，后臺主要用Java語言開發(fā)，前端主要使用jsp+js+css技術，系統(tǒng)的開發(fā)框架采用Spring MVC與MyBatis的整合，數(shù)據(jù)庫根據(jù)業(yè)務需求與其他業(yè)務系統(tǒng)共用Oracle數(shù)據(jù)庫。

總體技術框架基于Spring MVC采用數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務服務層、控制層和視圖層分層開發(fā)的模式，具體如圖2所示。該框架縱向上采用分層的設計，橫向上則按系統(tǒng)的業(yè)務功能劃分相應頁面、接口和類。控制層對服務層的調用以及服務層對數(shù)據(jù)訪問層的調用一方面采用了面向接口的方式而不關心具體的接口實現(xiàn)，另一方面采用Spring注解注入的方式來獲取實現(xiàn)接口的實體類對象。

圖2　氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)技術框架Fig. 2 Technical framework of meteorological data element administration system

數(shù)據(jù)訪問層基于MyBatis的DAO 接口組件和SQL Mapper組件實現(xiàn)：DAO接口是數(shù)據(jù)訪問接口的一系列聲明，數(shù)據(jù)服務層對數(shù)據(jù)庫的操作只是面向這些接口進行，而不用關心這些接口的具體實現(xiàn)；SQL Mapper則是DAO數(shù)據(jù)訪問接口的具體實現(xiàn)，并將具體的SQL操作語句配置在XML格式的配置文件中，便于以后的維護。

4　關鍵技術實現(xiàn)

4.1　氣象數(shù)據(jù)元目錄

如第1節(jié)所述，氣象數(shù)據(jù)元共包括33類，每個類別中包含的數(shù)據(jù)元數(shù)少則幾十多則數(shù)百，對這些數(shù)據(jù)元進行分類管理對于數(shù)據(jù)元的存儲管理和查找發(fā)現(xiàn)都至關重要。

氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)使用了目錄導航的形式對數(shù)據(jù)元進行分類管理和檢索發(fā)現(xiàn)。系統(tǒng)使用了EasyUI的Tree組件以實現(xiàn)數(shù)據(jù)元目錄樹結構，使用Datagrid組件以實現(xiàn)數(shù)據(jù)元查詢結果列表展示和翻頁，實現(xiàn)效果如圖3所示。

具體的實現(xiàn)邏輯是：當點擊目錄樹的非葉子節(jié)點時，后臺控制器從數(shù)據(jù)元類型表中檢索出數(shù)據(jù)元的所有類型信息，如類型標識、名稱等，每個類型封裝成Tree組件的節(jié)點對象并轉換為JSON格式，之后由后臺控制器返回給前端Tree組件加以顯示；當點擊目錄樹的葉子節(jié)點時，后臺控制器從氣象數(shù)據(jù)元信息表中查詢出屬于該節(jié)點類型的數(shù)據(jù)元記錄，使用MyBatis分頁插件PageHelper對查詢結果進行分頁后封裝成JSON格式，之后由后臺控制器返回給前端Datagrid組件展示。

圖3　氣象數(shù)據(jù)元目錄Fig. 3 Catalog of meteorological data elements

4.2　氣象數(shù)據(jù)元校驗

根據(jù)第1節(jié)所述，氣象數(shù)據(jù)元屬性共16個，總則對這些屬性的編制規(guī)則做了具體規(guī)定，通過管理系統(tǒng)的導入和增加功能提交的數(shù)據(jù)元應確保符合這些規(guī)定。為此，對這些屬性編制規(guī)則進行總結并確定出便于程序校驗實現(xiàn)的正則表達式如表1所示，并針對導入和增加兩種不同的提交方式，相應采用了兩種不同的屬性校驗方法。

表1　氣象數(shù)據(jù)元屬性編制規(guī)則及對應正則表達式Table 1 Rules and regular expressions of attributes of meteorological data elements

由于導入功能是基于數(shù)據(jù)元Excel數(shù)據(jù)文件的上傳和解析，所以其檢驗方式是通過java后臺代碼實現(xiàn)。具體主要是通過實現(xiàn)Spring的Validator接口進行的，首先實現(xiàn)了該接口的函數(shù)public boolean supports（Class clazz）以支持要校驗的數(shù)據(jù)元類DataElement，然后實現(xiàn)該接口的函數(shù)public void validate（Object target,Errors errors）以利用表 1總結的正則表達式依次校驗數(shù)據(jù)元類對象各個屬性的格式。

而增加功能是基于網頁的交互式提交方法，因此其校驗方式主要是通過js前端代碼實現(xiàn)。具體主要是通過jQuery Validate校驗插件進行的，對于數(shù)據(jù)元屬性簡單規(guī)則的校驗直接使用了該校驗插件提供的檢驗規(guī)則，如required:true以校驗必選屬性、range:[0,4]以校驗狀態(tài)屬性取值、digits:true和rangelength:[5,5]以校驗代碼屬性取值等。而對于格式要求復雜的數(shù)據(jù)元屬性的校驗，如簡稱、版本，則采用js單獨編寫校驗函數(shù)并嵌入到jQuery Validate校驗插件中進行校驗。

另外對氣象數(shù)據(jù)元唯一性的校驗則主要是在入庫前根據(jù)代碼和版本判斷數(shù)據(jù)庫中是否已存在相同代碼和版本的記錄，如果已存在則不能入庫，否則正常入庫存儲。

通過以上校驗方法的實現(xiàn)確保了用戶提交到管理系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)元的格式正確性和在數(shù)據(jù)庫中的唯一性。

4.3　權限控制

如第2節(jié)所述，氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的用戶分三類：普通用戶、業(yè)務維護人員和系統(tǒng)管理人員，這三類用戶訪問系統(tǒng)的權限是不同的，因此應對不同用戶的訪問做權限控制。具體的權限控制可分為對于前端JSP頁面的顯示控制和對于URL的訪問控制。在實施這兩種權限控制方式之前，應對三類用戶分配不同的權限代碼，并在用戶登錄的時候在會話Session變量中記錄用戶名和權限代碼。

對于前端JSP頁面的顯示控制是通過JSP標準標簽庫（JSTL）的if標簽獲取Session變量存儲的用戶信息，并根據(jù)用戶信息對象是否為空及用戶的權限代碼值來決定該用戶是否能夠訪問相應內容。

對于URL訪問的控制是通過使用攔截器結合權限注解的方式進行的。具體實現(xiàn)邏輯是：創(chuàng)建一個權限注解FireAuthority，該注解包含一個整型int的屬性authorityType，該屬性的取值應分別對應系統(tǒng)三類用戶的權限代碼。在要控制訪問URL請求映射的控制器方法上進行權限注解，以確定該URL允許什么角色的用戶訪問。創(chuàng)建一個權限注解攔截器AuthorityAnnotationInterceptor以攔截該URL請求，該攔截繼承自HandlerInterceptorAdapter，并重寫其中的方法preHandle（HttpServletRequest request,HttpServletResponse response, Object handler）throws Exception，在該方法中獲取handler的權限注解對象FireAuthority和Session中的登錄用戶對象，通過判斷登錄用戶對象的角色與注解對象FireAuthority的屬性值是否相符決定是否允許用戶訪問該URL。

通過以上兩種方式的權限控制使得同一頁面被不同角色的用戶訪問時能夠顯示不同的內容，特定的URL只能被有相應權限的用戶訪問，從而對氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)的用戶訪問做了有效的權限控制。

5　小結

目前，通過氣象數(shù)據(jù)元管理系統(tǒng)提交發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)元包括溫度、緯向水平位置、經向水平位置、氣壓、降水等，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)元在氣象業(yè)務全流程環(huán)節(jié)中的共享，確保了這些數(shù)據(jù)元的“全局”一致。對于要新增的氣象數(shù)據(jù)元，可通過系統(tǒng)提供的“數(shù)據(jù)元增加”功能逐條地錄入，也可以通過“批量導入”功能快捷地批量導入數(shù)據(jù)元到系統(tǒng)中。

該系統(tǒng)的建設完成為業(yè)務管理人員提供了高效便捷的氣象數(shù)據(jù)元管理和維護工具，并為業(yè)務用戶和公眾呈現(xiàn)了直觀的數(shù)據(jù)元查閱和使用窗口。但該系統(tǒng)也有待改進之處：雖然系統(tǒng)基本功能都已開發(fā)完成，但系統(tǒng)界面設計仍有進一步美化改善的地方；另外，隨著以后各個數(shù)據(jù)元標準的編寫和發(fā)布，相應的數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)需要及時導入到系統(tǒng)中以便管理和服務。

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