论文面向气象应用的空间数据库建设与应用.doc

面向气象应用的空间数据库建设与应用何延波 李 轩国家气象中心 北京 100081摘要：作为国家气象中心基础能力建设的一部分，空间数据库建设的目的是为气象业务、科研提供基础地理信息平台，同时也将为气象信息对外服务提供基础地理信息支持。本文从系统的设计思路，数据库建设、应用系统开发等方面介绍正在建设中的国家气象中心空间数据库，并对空间数据库将来在气象业务科研中的综合应用进行了初步讨论。关键词：空间数据库 气象 基础地理信息1. 引言国家气象中心（中央气象台）是全国天气预报的国家级中心，也是世界气象组织亚洲区域气象中心、核污染扩散紧急响应中心。其主要承担全国和世界主要区域范围的天气预报、灾害性天气警报以及农业气象、环境气象等业务并为党中央、国务院和相关政府部门提供决策气象服务，同时开展相应的科研工作和相应的业务系统建设。随着地理信息系统（GIS）在气象领域应用的不断深入，国家气象中心越来越多的业务和科研工作中也逐步引入了GIS的空间分析和制图等功能，以提高服务质量和效益。为此，对基础地理信息的需求量也越来越大，并且对数据格式的要求也越来越高：不仅需要提供通用的Shape格式地理数据，同时也要提供特定格式的地理数据，以满足现有业务系统的升级和相关科研工作的需要。基于这种考虑，在国家气象中心建立一个空间数据库，实现基础地理数据的集中管理与维护，并通过对空间数据库的开发，依托内部局域网实现空间数据库的定制分发，就成为了国家气象中心基础能力建设的重要内容之一。2. 系统目标与设计思路 2.1. 系统目标 2.1.1. 系统总体目标与实施步骤 国家气象中心空间数据库建设是新形势下国家气象中心基础能力建设重要内容之一，其总体目标是：在国家地理信息中心1:25基础地理信息数据库的支持下，集成气象领域涉及的各种基础地理信息，实现地理信息的统一管理与维护；在高性能数据库系统及空间数据引擎的支持下，建立中心内部空间数据库，并依托国家气象中心高速局域网，实现空间数据的定制分发，以满足现有业务、科研工作对空间数据的需求。在通过调研和对中心内部各个业务科研部门对空间数据的需求分析的基础上，初步将空间数据库建设分为两个阶段，并按照边建设边发挥效益、逐步完善的原则安排建设进度：第一阶段是空间数据库的本身的建库工作，实现中心内部空间数据的集中、统一管理与维护，并在GIS专业技术人员支持下，实现空间数据的分发与应用；第二阶段是在已经建立的空间数据库支持下，利用WEBGIS相关功能和GIS中间件技术，建立中心内部的空间数据使用平台，以服务器/浏览器或服务器/客户端模式实现空间数据的自动定制分发。目前，第一阶段的工作已经基本完成，正进行第二阶段的开发工作。 2.2. 设计思路 2.2.1. B/S结构的空间数据分发平台B/S方式的WEBGIS平台可以非常直观地提供空间数据的检索，但其定制的地图发布使其应用于空间数据分发有很大的局限性。为充分利用C/S结构所提供的较高的安全性，在GIS中间件技术支持下，通过服务器端编程，将由用户提交的WEB页面的空间数据定制信息传递给服务器后台进程并由其实现空间数据的定制操作，以满足那些对GIS不是十分了解的业务、科研人员对空间数据的需求。2.2.1. C/S结构的空间数据分发工具对于具有一定GIS背景知识的业务科研人员，可以通过所提供的空间数据库分发工具，以C/S方式快速检索、提取空间数据库的基础地理信息。C/S结构的空间数据库分发的工具主要是利用GIS的中间件技术，通过编程来实现的。同时，利用空间数据分发工具，也可以完成一定的空间数据库管理与维护任务。2.2.2. 空间数据库建设 从系统的总体目标来看，具有空间数据库引擎的高性能数据库系统可以实现系统建设目标，但考虑到与空间数据分发所需要的GIS中间件的兼容性和数据格式的一致性，采用与所利用的GIS中间件一致的独立的空间数据库引擎，会对系统建设提供最大的便利性。基于同样的原因，采用的空间数据维护工具也是要考虑的因素之一。因此，在考虑平台兼容性和数据格式一致性的前提下，空间数据库建设中有关平台选型、数据库设计和应用工具开发需要进行综合考虑，以使系统具有灵活的扩充性能以满足未来空间数据库的综合应用，如与现有现有的气象信息数据库整合等。3. 软件平台选型 根据空间数据的存贮特性与管理需求、数据库系统开发应用等综合考虑，在数据库系统软件方面选择了Oracle9i，主要是考虑了目前气象信息的数据库管理系统是Oracle，采用相同的数据库系统便于以后空间数据库与气象信息管理系统的整合，真正实现气象信息与空间信息的综合应用；在GIS软件方面，ESRI公司的ARCGIS9.0相关产品被选择作为空间数据库建设的主要软件平台和开发环境，包括ArcSDE9.0、ARCIMS9.0、Arcinfo Desktop 9.0和ARC ENGINE9.0。这其中的空间数据库引擎ARCSDE与ORACLE一起实现空间数据管理，ArcIMS实现WEB模式的空间数据查询、显示与分析，并与中间件ARC ENGINE一起构建基于B/S结构的空间数据分发平台，同时ARC ENGINE还同时用于开发C/S结构的空间数据分发工具，桌面应用ARCINFO用于数据管理与维护并直接用于业务产品制作或作为科研工作的空间分析工具。软件配置方案见图1所示：4. 空间数据库建设 空间数据库的设计采用面向对象的数据库设计方法，空间对象采用 GeoDatabase 的空间特征类来构造，并建立元数据和数据字典。目前空间数据库中主要管理的是基础地理数据，将来可扩展用于管理遥感影像数据（专题图）和属性数据，实现与目前气象信息管理系统的整合。基础地理数据主要以国土资源国家基础地理信息中心提供的1:25万基础地理信息数据库为基础，收集整理分散在各个应用部门已有的基础地理信息，并进行格式转换和投影转换，形成格式统一和投影方式一致的空间数据库，以避免信息重复存储，方便数据管理与维护。同时在空间数据库分发平台和分发工具的支持下，以多种数据格式和投影方式，为全中心各业务科研部门提供包括数字高程模型（DEM）、行政区划、居民点、交通、水系、土地利用类型、植被信息、土壤类型与特性等多种精度（多比例尺）的空间信息服务。Oracle9iArcSDEArcIMSHTTPTCP/IPArc EngineARCIMS9.0ArcInfo DesktopB/S分发平台C/S分发工具HTTP空间数据服务器空间数据管理维护空间数据分发图 1 软件配置方案Arc EngineArcIMS5. 系统开发与维护5.1. 系统开发 整个系统构建于Windows操作系统上，即B/S结构的空间数据分发平台由Windows IIS 6.0 ArcIMS 9.0 Arc Engine 9.0构成，并采用 Visual Studio.NET在Microsoft .NET平台上开发，编程语言为C#； C/S结构的空间数据分发工具则利用Visual Studio.NET调用Arc Engine 9.0相关功能控件实现，采用的编程语言为VC+.NET。 5.2. 系统管理与维护在ArcInfo Desktop 9.0的支持下，实现空间数据的管理与维护，包括空间数据的入库（质量控制、格式转换、投影变换等）；空间数据更新（增、删、改）及数据版本维护；空间数据库备份与恢复；安全管理（用户权限管理、身份鉴别、访问控制、数据加密、审计监听等）等。6. 总结与探讨 作为国家气象中心基础能力建设重要内容之一的国家气象中心空间数据库建设，其主要目标是要在国家气象中心内部建立一个空间信息的共享平台，以满足中心内部各科研、业务部门对空间信息的需求。为此，选用ESRI公司的ArcGIS系列产品并配合Oracle数据库管理系统来构建基于Windows环境的空间数据发布平台，并开发相应的前端使用工具，是完全可以到达设计目标的。因此，整个系统的设计思路是合理的，技术上也是可行的。当然，相对于GIS的深层次应用来说，空间数据的管理与应用是GIS初步的应用。下一步的工作重点将主要围绕GIS所提供的强大空间分析能力，在已经建立的空间数据库基础上，结合成熟的气象模型和气象灾害预测模型，开发具备GIS空间分析功能的业务系统，在气象灾害（洪涝、台风、沙尘暴、污染物）监测与预报、灾害损失评估以及气候资源评价等方面提供翔实的空间分析信息，制作内容更加丰富、翔实的业务产品，提高服务质量和效益以满足当前决策服务的需要。因此，GIS在气象领域的应用还有待于需要进一步推进。参考文献 1 龚健雅等. 当代地理信息技术. 北京：科技出版社，2004 2 邬伦，刘瑜，张晶等. 地理信息系统原理、方法和应用. 北京：科学出版社，2001 3 刘光. 地理信息系统二次开发教程组件篇. 北京：清华大学出版社，2003 4 孔去峰. GIS分析.设计与项目管理. 北京：科学出版社，2005 5 黄河等. Oracle9i数据库系统培训教程（基础篇）. 北京：清华大学出版社，2002