嚴(yán)源，王煒祺

（1.南京愛(ài)立信熊貓通信有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇衛(wèi)生健康職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 211800）

0 引言

氣象信息是人們最為關(guān)注的信息之一，它對(duì)正常的生產(chǎn)生活有著直接的影響。盡管在互聯(lián)網(wǎng)高度發(fā)達(dá)的今天，人們已經(jīng)可以較為方便地獲取到天氣預(yù)報(bào)信息，但獲取的渠道并不統(tǒng)一，獲取的信息也不夠完整，這對(duì)于生產(chǎn)、科研、防災(zāi)等領(lǐng)域的應(yīng)用而言是不充分的。因此，如何高效、準(zhǔn)確地查詢顯示氣象信息，是一個(gè)值得深入探討的課題。本文將基于GIS技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)氣象要素信息綜合顯示系統(tǒng)，充分利用了GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 GIS系統(tǒng)概述

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System,GIS）最初用于解決地理方面的應(yīng)用問(wèn)題，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，GIS的應(yīng)用已經(jīng)與測(cè)繪學(xué)、環(huán)境學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門學(xué)科結(jié)合起來(lái)，在農(nóng)業(yè)氣候資源分析、城市大氣污染源分析、軍事地理信息系統(tǒng)分析及應(yīng)用、科學(xué)調(diào)查、資源管理、財(cái)產(chǎn)管理、發(fā)展規(guī)劃、繪圖和路線規(guī)劃等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)代GIS系統(tǒng)已經(jīng)具備強(qiáng)大的空間信息集成管理、預(yù)測(cè)評(píng)估和模擬反演等能力，可以將地圖的視覺(jué)化效果與地理分析功能共同集成到數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)管理和綜合分析應(yīng)用[1]。

2 GIS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用分析

2.1 氣象信息的特點(diǎn)

人們?cè)谌粘Ｉ钪薪佑|最多的氣象信息是溫度和濕度，因?yàn)檫@兩個(gè)氣象要素 對(duì)人體的感官體驗(yàn)影響最為明顯。實(shí)際上，在氣象領(lǐng)域，除了溫度和濕度兩個(gè)常見(jiàn)的氣象要素之外，還包括許多氣象信息，包括壓強(qiáng)、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、云量等。從地理的角度上看，氣象信息的本質(zhì)是一種時(shí)間和空間的混合型數(shù)據(jù), 它既發(fā)生在一起的空間范圍內(nèi)，也會(huì)隨時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化，因此氣象信息是一種動(dòng)態(tài)信息，它的展示和分析也應(yīng)該是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的。另外，氣象信息是相互影響的，一項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化，往往會(huì)對(duì)其他參數(shù)產(chǎn)生影響，共同導(dǎo)致空間氣象條件的改變?；诖耍⒁粋€(gè)氣象綜合顯示系統(tǒng)是非常有必要的。

2.2 氣象領(lǐng)域中的GIS

氣象學(xué)主要研究大氣現(xiàn)象的演變規(guī)律，涉及面較廣，是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，一直伴隨著各門技術(shù)學(xué)科而發(fā)展。GIS技術(shù)與氣象領(lǐng)域的結(jié)合仍是一個(gè)較新的應(yīng)用領(lǐng)域[2]，這不僅是因?yàn)镚IS本身的發(fā)展歷程只有幾十年，而且氣象領(lǐng)域本身也過(guò)于復(fù)雜，通過(guò)GIS技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用也仍有很長(zhǎng)的路要走。

GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，最主要是得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理、決策支持、多媒體演示等方面的優(yōu)勢(shì)，更是成為氣象學(xué)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。近年雖然已經(jīng)有了利用GIS系統(tǒng)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)處理的案例，但其應(yīng)用還不夠成熟，在氣象數(shù)據(jù)查詢、分析和預(yù)報(bào)等方面的技術(shù)還較少涉及。當(dāng)前人們所熟知的天氣預(yù)報(bào)一般是通過(guò)圖表、文字、數(shù)字、符號(hào)等信息傳遞天氣信息的，但更主要還是依賴于主持人的講解，其可視化程度還有很大的改進(jìn)空間。具體而言，目前GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用涉及氣象資源信息圖形處理、氣象資源數(shù)據(jù)管理、氣象分析與氣候數(shù)據(jù)模型建立、災(zāi)害預(yù)防與農(nóng)作物種植解決方案、三維數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的疊加顯示、氣象現(xiàn)象的模擬等等。未來(lái)的天氣預(yù)報(bào)可能會(huì)朝著虛擬現(xiàn)實(shí)、三維可視化、人工智能等領(lǐng)域發(fā)展[3]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

前已述及，GIS在氣象領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)當(dāng)前的氣象領(lǐng)域已經(jīng)很難離開(kāi)GIS技術(shù)，GIS在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于空間數(shù)據(jù)的展示，更是深入到氣象信息的實(shí)時(shí)查詢、集成管理、可視化處理和大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。

3.1 需求分析

基于GIS的氣象要素信息綜合顯示系統(tǒng)是基于現(xiàn)實(shí)需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，主要解決傳統(tǒng)氣象管理系統(tǒng)在查詢效率、展示方式、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面的問(wèn)題。因此系統(tǒng)最主要的需求是結(jié)合GIS系統(tǒng)的應(yīng)用，充分利用GIS系統(tǒng)對(duì)氣象信息進(jìn)行分析處理和顯示，為生產(chǎn)生活各領(lǐng)域提供決策支持。此外，系統(tǒng)還需要滿足基本的性能要求。

3.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)一般信息化系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合氣象領(lǐng)域的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)采用層次化設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)劃分為硬件設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)持久層、中間件和應(yīng)用層。其中硬件設(shè)施層是指支撐系統(tǒng)運(yùn)行的服務(wù)器、觀測(cè)設(shè)備等，用于產(chǎn)生氣象數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無(wú)線和有線相結(jié)合的傳輸方式，為氣象數(shù)據(jù)提供上傳通道；數(shù)據(jù)持久層由數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成，用于存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)和分析結(jié)果；中間件是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的支持組件，可提高開(kāi)發(fā)效率；應(yīng)用層為用戶提供各種業(yè)務(wù)功能，用戶通過(guò)界面功能模塊即可進(jìn)行各種應(yīng)用操作。

3.3 功能模塊設(shè)計(jì)

基于GIS的氣象要素信息綜合顯示系統(tǒng)除了氣象實(shí)時(shí)查詢顯示功能之外，還提供了數(shù)據(jù)傳輸接口、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、參數(shù)配置等功能。所有功能模塊均集成在系統(tǒng)的首頁(yè)，用戶成功登錄系統(tǒng)后可一鍵進(jìn)入所需的功能模塊。

圖1 基于GIS 的氣象要素信息綜合顯示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

氣象要素?cái)?shù)據(jù)不是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)，而是一級(jí)氣象要素的組合，體現(xiàn)在信息化系統(tǒng)中就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義[4]。氣象要素?cái)?shù)據(jù)包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、云量、降雨量等。值得注意的是，其中的每一個(gè)參數(shù)都是包含時(shí)間和經(jīng)緯度坐標(biāo)的，因此每個(gè)參數(shù)又都是一個(gè)結(jié)構(gòu)體定義。

4.2 氣象要素?cái)?shù)據(jù)收集

氣象要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于各地的氣象觀測(cè)站，由觀測(cè)站的采集設(shè)備上傳，系統(tǒng)通過(guò)服務(wù)器端口接收數(shù)據(jù)。在獲取的方式上，可以采用主動(dòng)請(qǐng)求的方式，也可以采用被動(dòng)接收的方式，通過(guò)專門設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，具體采用哪種方式需要綜合考慮數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。系統(tǒng)也提供了數(shù)據(jù)錄入界面，在必要的情況下，用戶可以手工加載或?qū)霐?shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中，對(duì)于海量的數(shù)據(jù)較多是手工導(dǎo)入的，但是由于氣象要素?cái)?shù)據(jù)具有更新頻率快及數(shù)據(jù)量較大的特性，因此需要開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。數(shù)據(jù)的導(dǎo)入是指將氣象傳感器采集并保存在文本文件中的氣象要素?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入到ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表中，首先是要對(duì)文本文檔的格式進(jìn)行規(guī)范化處理，形成固定的格式，然后按照一定的規(guī)則對(duì)文本進(jìn)行拆分處理，得到每個(gè)單獨(dú)的氣象要素?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口，逐行添加到數(shù)據(jù)表中。為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)添加的效率，在ORACLE中采用了批處理技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)的錄入效率[5]。

4.3 氣象要素?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理

系統(tǒng)獲取到的氣象信息均為原始?xì)庀笠?，而對(duì)于具體的應(yīng)用而言，這些原始數(shù)據(jù)很難直接利用，所以要進(jìn)行氣象要素?cái)?shù)據(jù)的分析及標(biāo)準(zhǔn)化等預(yù)處理操作，經(jīng)過(guò)一系列的算法處理后得到分析結(jié)果，才能研究清楚氣象變化的規(guī)律和特點(diǎn)。系統(tǒng)提供了大量的數(shù)據(jù)分析功能，可以完成對(duì)某段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得到最大值、最小值、平均值、方差等信息。

4.4 氣象要素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)

氣象要素?cái)?shù)據(jù)在獲取之后首先會(huì)以文本文件存在計(jì)算機(jī)硬盤中，對(duì)于海量氣象要素?cái)?shù)據(jù)而言，每天的數(shù)據(jù)量都會(huì)達(dá)到幾百兆，如果長(zhǎng)期保存，不僅會(huì)占用大量硬件資源，而且也不利于快速查詢。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)選擇將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中?？紤]到氣象要素?cái)?shù)據(jù)較多，因此采用功能和性能都十分強(qiáng)大的ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)，為數(shù)據(jù)的查詢提供強(qiáng)大的平臺(tái)支撐。由于氣象信息每天都在采集，因此不可能無(wú)限地保存，根據(jù)一般應(yīng)用要求，本系統(tǒng)僅保留三天的數(shù)據(jù)在本地，超過(guò)三天的歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中做永久保存。為了進(jìn)一步提高查詢速度，在ORACLE中還進(jìn)行了分表處理，每個(gè)表存儲(chǔ)一天的數(shù)據(jù)，使氣象信息得到分割，提高查詢效率，應(yīng)用表明，這種分表技術(shù)取得了非常好的效果。

4.5 氣象信息可視化

氣象信息是一種抽象的信息，如果直接展示各組參數(shù)，很難直觀地理解數(shù)據(jù)的含義和變化規(guī)律。氣象信息可視化就是將氣象要素?cái)?shù)據(jù)以各種直觀的方式展示出來(lái)，使其數(shù)據(jù)的含義、趨勢(shì)、特點(diǎn)、相互關(guān)系都可以清晰地表現(xiàn)出來(lái)。本系統(tǒng)的可視化方式包括二維圖形展示和三維空間展示。借助GIS系統(tǒng)的強(qiáng)大三維表現(xiàn)力，構(gòu)建一個(gè)龐大的大氣空間，將大量的氣象要素?cái)?shù)據(jù)以經(jīng)緯度為索引，疊加顯示在GIS三維空間上，并對(duì)不同的數(shù)據(jù)屬性采用顏色或色塊來(lái)區(qū)分，所有數(shù)據(jù)的顯示模式、網(wǎng)格均可進(jìn)行配置，從而形成了一個(gè)二維/三維氣象模擬環(huán)境，為用戶提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。

三維可視化對(duì)計(jì)算機(jī)有較高的要求，普通PC機(jī)很難完成流暢、快速的氣象信息可視化?；诖?，本文采用了專用的圖形工作站用于GIS系統(tǒng)對(duì)氣象要素?cái)?shù)據(jù)的渲染，通過(guò)強(qiáng)大的OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)界面移動(dòng)與縮放、視點(diǎn)變換、二維三維模型變換和投影變換，允許用戶對(duì)三維空間模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從不同的角度進(jìn)行觀察，大大提高了系統(tǒng)的可用性。

4.6 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

數(shù)據(jù)導(dǎo)出是指將系統(tǒng)查詢到的氣象要素?cái)?shù)據(jù)或分析結(jié)果導(dǎo)出到文本文檔中。與數(shù)據(jù)導(dǎo)入的基本思路相反，首先用戶要按照一定的查詢條件在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)系統(tǒng)界面的導(dǎo)出功能完成一鍵導(dǎo)出。同時(shí)導(dǎo)出的氣象數(shù)據(jù)不再是采集收集來(lái)的粗?jǐn)?shù)據(jù)，而是經(jīng)過(guò)用戶查詢后的帶有定制化地理信息的氣象數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為用戶提供了EXCEL、PDF、TXT、XML、CSV等多種導(dǎo)出格式，適應(yīng)不同的用戶需求，方便拓展。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，GIS系統(tǒng)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用將更加深入。借助于GIS的強(qiáng)大功能，氣象學(xué)也將更好地開(kāi)展氣象相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的融合發(fā)展。本文研究的基于GIS的氣象實(shí)時(shí)查詢系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)生活中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。