基于WebGIS技术谈谈气象地理信息服务平台

第一章引言

由于气象业务的空间特性，地理信息系统在气象行业内广泛应用，涉及气象业务的各个环节，例如气象资料的管理、查询、自动制图、统计分析，以及气象建模分析评价及提供辅助决策方面、气象信息的实时发布、气象数据与地理信息数据结合，分析水掩没和洪水模型，对未来潜在的突发事件进行预测，计算灾害危及到的人群等等。在近年来的业务建设中，气象行业对于地理信息系统相关技术的应用也不断走向深入，产生了不少地理信息系统应用的优秀案例，提升了气象业务服务能力。

随着公共气象服务精细化，面向互联网的信息发布需求越来越多。这类需求面对的是一般公众，气象信息要以通俗的方式进行表述，而地图应用是互联网中被广泛接受的信息发布形式，所以诞生了大量的基于地理信息系统的气象信息发布应用。

1.1课题背景

地理信息服务平台是气象信息服务重要的基础性平台，目前气象业务中，应急响应、预测预报、防灾减灾、内部管理等环节都需要不同程度的结合空间信息，这些环节相关的业务系统建设自然也需要集成地理信息服务平台，建立这样一个能够为内部多个业务系统提供支撑的公共信息平台是该课题提出的重要背景。过去一段时间，气象业务系统的建设中，地理信息这个功能模块存在重复建设的问题，每套系统都会做这部分的建设，但由于缺乏权威数据以及技术上的欠缺，功能性、可靠性都不能满足设计要求。气象领域地理信息使用规范的缺失也导致各业务系统中的地理信息的呈现各不相同，对业务人员的使用造成了不便，形成的业务产品（如各类专题图）中的基础地图信息各不相同，形式缺乏规范。通过建立统一的地理信息服务平台，有利于规范各业务系统中地理信息的使用和发布。

近年来，气象部门开始使用国家测绘局提供的1：5万地理信息数据，结合高分辨率的卫星监测数据，成为平台建设重要的数据基础。1：5万地形图是我国国民经济各部门和国防建设的基本用图。这种比例尺地形图主要用于一定范围内较详细研究和评价地形，供工业、农业、林业、水利、气象等等多个行业使用；也是军队的战术用图，可供军队现地勘察、训练、图上作业、编写兵要、国防工程的规划和设计等军事活动使用；同时也是编写更小比例尺地形图或专题图的基础资料。

1.2研究意义

地理信息系统在气象行业的应用存在着巨大的发展空间，其一体化的空间数据管理与集成能力、丰富的空间分析能力以及高质量的可视化能力能够为气象业务系统建设提供重要的支撑，所以拓展地理信息系统在气象领域应用的广度和深度对提升气象信息系统建设水平有重要的意义。

开放式的基础信息平台是项目形成的重要成果之一，平台提供的一系列接口有助于降低了内部系统建设的成本，同时也规范了服务产品中地理信息基础信息的发布形式。

项目在设计中尝试建立一个满足多个业务系统实时调用的业务系统，在期间重点探索并解决了如何满足高并发访问、如何有效的设计缓存等关键问题，这些成果或经验都具有一定的应用推广价值。

第二章系统平台与架构设计

2.1系统逻辑架构

图2-1为气象地理信息服务平台系统结构体系，它反映了该系统的内部逻辑结构，从数据层到表示层各个层次之间的关系以及内部结构。常见各种系统的体系结构一般是划分为三个层次：数据层、业务层和表示层，业务层的内容相对较多，包含了业务处理逻辑和应用中间件两部分，但这两部分是相对親合度较高的，这里一并看待和分析。以下逐层进行介绍。

数据层主要包括地理信息类数据和气象观测数据两类，气象观测数据都是包含观测地点的空间信息的，所以从这个角度上说，气象数据也是地理信息数据。根据数据的特性，数据的载体各不相同。对于1：5万地理信息，矢量数据主要是以ArcGIS软件支持的shp文件存储，栅格数据主要是以DEM数据库的形式存储；对于一些静态的底图资源，主要以MBTiles的方式存放；对于气象数据的存储方式，雷达、卫星云图、气象遥感图采取文件的方式，其他常规的观测数据存放在数据库中。

数据层中的各类数据又可以划分为静态数据和动态数据，做这个划分的目的是为了缓存设计。缓存部分是系统设计的重点之一，满足大并发、快速响应是系统的设计目标，而数据层是整个响应流程中第一个瓶颈。这个设计的过程将在第三章单独阐述。

数据层设计还遵循了OpenGIS的相关规范，在规范中，数据模型分为两种，一种是以几何实体为基本概念的要素模型（Feature，如点、线、面几何要素），一种是覆盖模型。地标信息、边界信息、温压湿风等观测信息一般以要素模型方式存取，但在一些应用场景中，为了性能，也会对这些信息进行栅格化，形成Coverage数据。高程数据、气象领域基于场的数据建模都是采用覆盖模型对业务层进行服务的。

2.2系统平台设计

2.2.1基础地理信息服务发布

平台的服务基于底层数据的组织和发布，在平台设计中，综合使用了多种技术手段将基础地理信息数据以及气象观测数据以OpenGIS规范的形式进行组织管理。这部分信息服务于客户端部分的调用，为了解决一些客户端方面的需求，在性能、交互方面做了更多有针对性的设计。

1.利用MBTiles组织静态化数据

将底图数据静态化、瓦片化之后将面临一个问题，如果地图的精度较高，生成的瓦片文件规模巨大，如果将1:5万比例尺数据充分使用，可能形成109数量级的瓦片文件，多数文件系统和传输协议都不能很好的处理这些文件。在FAT32文件系统中，最多可以存放的文件是65536个，HFS只能列出32737个文件，EXT3文件系统在处理超过20000个文件时，速度会下降。不管是通过USB设备还是通过网络，传输这么多的瓦片都困难的，增加了管理的难度。

对于瓦片文件的组织，MBTiles符合OSGeo的TMS规范，支持这一规范的客户端都可以调用MBTiles组织后的瓦片服务。在TMS规范中，瓦片基于z/x/y坐标系进行组织，如果以文件系统中文件夹方式组织后的路径时0/0/0.jpg。在MBTiles规范中，提供了一个功能一致的表，在这个表的基础上，可以快速的定位图片、管理图片。

利用数据库管理带来了一个便利重用内容相同的瓦片。在实际业务场景中，海洋、沙漠等地形在较大比例尺下，形成的瓦片只是一片蓝色或一片黄色，这些瓦片形成了存储上的冗余。在数据库设计中，可以有效的降低这种冗余，使用的方法是利用外键和视图，相同的数据只存储一份，使用这份数据的项目可以通过主键进行关联。

第三章气象数据展示与交互设计..........13

3.1基于UTFGrid的等值线图交互设计..........13

3.2气象要素响应式标记（marer）显示设计.......15

第四章系统功能设计...........18

4.1基础功能的设计.........18

4.1.1基础地理数据调取.......18

第五章系统应用情况..........24

5.1系统应用现状...................24

5.2系统开发体会心得...........26

5.3系统优化和改进.........27

第四章系统功能设计

平台的需求和设计决定了平台需要兼具功能性和开放性。首先系统需要提供目前业务应用中需要的基础地理数据调取、地图矢量标绘、业务数据叠加显示和天气专题图等功能，这些功能一部分是功能完备的基础服务，一部分是可供调用的组件，平台的基础功能就来自于这些功能结合业务的有机组合。其次，平台要提供基础的地理信息服务，包括地图（包括地形、交通等）展示和常用地理信息查询分析接口，各业务系统可以快速的基于此构建自己的业务系统的地图展示模块，并按照需要调用接口进行业务分析，如计算某区域的面积及居住人口的数量等。

4.1基础功能的设计

4.1.1基础地理数据调取

在客户端，Openlayes和Leafle以avascript组件的形式封装了地图的基础操作。首先基于WMS或TMS协议定义图层，继而调取相关服务获得瓦片数据在视野内进行遣染。之后添加缩放、鹰眼、比例尺等交互控件，完成地图的初始化。

第五章系统应用情况

5.1系统应用现状

利用地理信息系统的优势，项目在基础地理信息资源建设、气象数据可视化和气象业务操作的交互设计等方面做了大量的工作，满足了部门内部在业务系统建设中一些通用性的需求，取得了一定的业务效益。

在《内蒙古森林草原防扑火业务系统》中，调取了平台提供的行政边界、公路水系和卫星影像等基础地理信息作为系统作业界面的底图，并结合了温度、降水、湿度、风向风速等气象数据和火情预防、火情发生、火情蔓延等林业部门提供的火情数据。在几次的森林火灾发生时，本系统给业务人员提供了准确直观的相关数据信息，使其能够快速精确的分析判断灾情的持续和发展态势，从而对领导的远程决策起到了很好的辅助作用。

参考文献（略）