基于WebGIS的气象信息服务系统的设计与实现

中 国 矿 业 大 学2011级 硕 士研究生选题报告 选题名称： 基于WebGIS的气象信息服务系统的设计与实现 学 院： 环境与测绘学院 学科专业： 地图制图学与地理信息工程 研究生姓名： 刘 茜 茜 导师 姓名： 孙 亚 琴 中国矿业大学学位管理办公室制2013年 5月 23 日目 录1 研究背景及意义12 气象WebGIS研究现状22.1 GIS在气象应用中的研究现状22.2 WebGIS研究现状及局限性43 研究内容、技术路线53.1研究内容53.2技术路线64 关键问题与难点分析74.1关键问题74.2难点分析75 工作计划85.1论文选题阶段85.2论文完成阶段86 经费预算87 论文提纲91 研究背景及意义随着科技的不断进步，一方面，人们的生活水平不断提高，对生活质量要求也越来越高，对天气气象条件的关注也越来越多1-3；另一方面，以气象条件为基础的工农业生产，他们关注的不仅仅是天气，而是未来一段时间甚至半年的气象分布，并且要求相对准确4, 5；还有，对科研工作者，气象学家来说，气象分布是他们研究的重点6-8，如何及时准确的检验他们研究方法、手段的正确性也是非常重要的问题。气象预测不准确不但严重影响人们的生活，也会对工业特别是农业生产造成极大的破坏。然而，即使能准确预测气象分布情况，但没有合适的方式展示，或不能以 Web方式展示，同样不能满足现在的生活需求。相反，如果能够准确预测气象分布，并能以直观可视化的方式展示在互联网（Internet）上9-12，将完全是另一幅景象：有了准确的天气预报和方便的浏览、查询方式，用户就能根据实际情况做出相应的计划或调整；有了直观、可靠、实时的气象分布，工农业生产会有充分的准备13-19。如果预测有什么灾难性的天气，农学家或农业方面的决策者将做出相关的预防措施以减少损失，那么由减产带来的一系列社会影响（物件上涨，通货膨胀甚至经济危机等）也会随之缓和甚至避免；有了实时、动态的气象分布图，气象学家就能及时掌握未来的气象分布情况，进而给出合理的气象预报，并将此作为进一步研究的依据20-22。这种动态分布也能及时反映出科研方法或手段的正确与否，不但为科研提供参考依据，而且能提高科研效率。目前，国内对气象的研究更多的是关注如何收集气象数据，如温度、水分等，以及如何存储这些海量数据，但是并没有很好的利用这些数据；已有的研究大多是基于桌面的。如今，互联网已进入了我们的生活23-29，我们每天都通过网络来获取信息，足不出户便能知晓天下，便能生活自如。随着基于 Web 的地理信息系统（WebGIS）的发展30-33，将气象资源和地理资源紧密的结合起来，可以使这些静态的气象数据变成栩栩如生的图画，为人们的生产生活提供方便34。如何将这些海量的气象数据以气象分布图的形式展示在地图中，并实时的发布到互联网上，将这些重要的信息为人们所用？将是关键所在。针对徐州目前的地质灾害预警服务系统反映出来的问题和薄弱环节，徐州气象信息服务系统重点解决以下几个方面问题：（1）多源信息源各自独立，未形成统一的多源信息集成模式；（2）服务系统自动化程度低，功能决策主要依据人为分析、判断为主，新技术、新方法的应用欠缺，大大影响服务时效；（3）定性预报预警占主导，定量化预警缺少技术支撑，准确率有待提高；（4）服务产品形式单一，主要以手工输入文字方式为主，信息发送方式单一、零散，致使效率低下；（5）传统服务气象信息区域空间差异难以体现，且可视化程度低，服务效果亟待优化。开发徐州可视化的气象服务新平台，开发及时、可视、决策、自动的特色服务系统，建立一个及时、准确、高效，开放式的具有互动功能的集基础信息、气象预报服务和综合探测为一体的综合显示平台，将获得的多源信息集成在一个系统内，提供直观、可视的服务功能35-44，顺应气象事业发展的要求,更好地向全社会提供丰富生动、科学精细的服务产品。2 气象WebGIS研究现状2.1 GIS在气象应用中的研究现状近几年来,国际上许多国家和地区普遍开展了将GIS技术应用于气象的研究和尝试,收到了一定的成效45-47。GIS对于气象学和气候学研究的重要性已经被普遍接受,美国大气研究中心（National Center for Atmospheric Research, NCA助为了将GIS技术引入到大气科学,于2001年成立了由一些交叉学科人员组成的GIS研究组织48,并于2002年和2005年两次召开“地理信息系统在天气、气候及其影响研究中应用”的研讨会。为了发展GIS在气象学和气候学中的应用,科学技术领域欧洲协作研究计划提出了COST719计划,这项开始于2001年,有18个欧洲国家参加的研究项目,其主要目标为:与GIS产业密切合作,建立GIS与气象数据的接口,评估气象和气候数据的实用性、内容和可获得性,鼓励和培育GIS在气象和气候研究中的合作发展,增强国家气象服务机构、研究团体和GIS产业的联系。美国国家天气服务中心（NWS)将GIS用于天气服务和Internet上的天气信息发布49。印度中尺度预报国家中心将中尺度预报模式与GIS结合,利用GIS的可视化和空间分析功能制作天气图和天气分析50。Daly在GIS的支持下,集成精细DEM模型,发展了PRISM气候分析系统,其气候分析和描述能力显著提高51。Shipley在研究GIS应用于气象学领域的基础上提出了“GIS就是天气处理系统”的断言46,给出了GIS气象学(METEGIS)的概念52。全球著名的美国环境研究所(ESRI, Environment System Research Institute)成立了专门的小组研究气象专用数据模型来扩展ArcGIS47。国内在近年也开始研究GIS在气象中的应用,并取得了显著的成效。如赵荣研发的西安市决策气象服务系统通过收集、整理实时降水、农气情报,统计历史降水、气温等气象信息,并将这些信息进行图形化、表格化处理,能够快速、直观、全面地提供决策气象服务所需的气象信息和服务产品,该系统虽然实现了气象信息的可视化表达,但是没有深入挖掘历史信息。黄阁53等人开发的辽宁省决策服务信息平台主要实现了决策气象信息的统计分析、模板化编辑、规范化发布、知识库信息查询等功能,方便了气象决策服务信息地制作和发布。刘安麟24等人开发的基于WEBGIS技术的陕西省气象信息共享系统实现了在较高精度地理信息支持下全省800余个气象站点信息三维场景下的实时显示、查询定位、时间序列图、等值线分析以及数值预报产品、遥感、雷达等相关信息地显示和叠加等功能。南京大学等单位在微软.NET 平台上采用 C#语言编程，从底层开发成功面向气象应用的专题型地理信息系统一一气象地理信息系统（MeteoGIS）。该系统以满足气象防灾减灾工作对 GIS 功能的迫切需求为目标，实现了一个拥有自主版权的独立 GIS 内核，不依赖于任何商业 GIS 系统及其二次开发接口。香港天文台黄秋平等人，利用地理信息系统技术成功将多项地理参考信息放在闪电位置图上，方便市民清楚辨别闪电发生的位置。此外，还将雷达探测的雨区位置叠套于闪电位置图上，帮助市民了解闪电在雨带中的分布情况。是闪电定位技术和地理信息系统技术向大众普及的一个重要贡献。这些系统都很好地实现了某一方面的功能以满足某一业务需求,但是综合起来看,它们大都只运用了GIS最基本的叠加显示功能,GIS强大的空间分析功能都涉及甚少。综合以上不难发现,目前现有成熟的商业GIS软件在气象领域中的应用并不是很成功,原因归纳为以下几点54:l)不能很好的处理气象时态数据,这是GIS在气象领域应用不多的主要原因之一;2)因为气象是个专业性很强的应用领域,虽然己有多方面关于GIS在气象中的应用,但主要集中在图形叠加显示等简单的应用,没有很好的支持气象应用模型的集成;3)使用复杂,气象工作科研人员常将GIS作为能够制作漂亮图片的制图工具,忽视了GIS强大的数据管理和分析功能,给该技术的普及带来一定的困难;4)现有商业GIS软件中的相当一部分功能并非气象部门所必须,而气象应用部门所需要的某些功能不具备或不够强大;5)软件价格昂贵,作为社会公益性事业部门的气象部门难以大量引进虽然目前GIS在气象中的应用还比较简单,但是GIS处理地理信息的特点以及强大的软件平台,决定了GIS在气象中的应用前景,随着GIS和气象科技的进步,GIS将在气象领域的各个方面具有更深入的应用,今后GIS的应用应该着重发挥其在气象气候数据的深入探求以及多源数据的融合应用上。关于 GIS 和气象结合方面的研究很多，有关于 GIS 在气象灾害方面的研究55,56，有关于 GIS 用于特定数据类型分析的研究57，还有关于 GIS 技术和气象领域结合框架理论的探讨58。在多源气象数据综合分析方面，国内外学者在天气现象的个案分析和系统分析方面，取得了众多的成就59-62。总结前人的经验，可以发现多源气象数据叠加在气象研究领域的巨大潜力，势必成为了气象领域和空间科学相结合的一个热点方向，有着不可替代的重要意义。2.2 WebGIS研究现状及局限性WebGIS是利用交互Web技术扩展和完善地理信息系统的一项技术,核心是于GIS中嵌入HTTP标准的应用体系,实现空间信息的管理与发布,是GIS领域的重要发展方向63一66早期WebGIS主要以数据显示与简单査询为主,与实际业务结合的功能较弱,无法实现桌面GIS的高级操作。随着信息技术的发展,业务需求的增多,用户期待表现形式更美观、功能操作更丰富、构架方式更合理的WebGIS67-72。传统WebGIS的实现技术可归纳为瘦客户端和胖客户端两种方式73。瘦客户端采用标准的Web技术,如HTTP、 HTML和JavaScript74,75,地图信息由服务端动态绘制,生成栅格图片后发送给浏览器显示。此方案对于客户端要求较低,易于实现与部署,但受浏览器的限制,生成如JPEG、 PNG等格式的栅格图像表现形式单一且交互能力较差,处理结果频繁地从服务端返回,造成页面不断刷新,甚至出现白屏,用户体验不佳76,77,并将大量计算工作分配给服务器端完成,空置了客户端的计算资源,使得系统负载不均衡,无法达到桌面版的显示效果和数据处理能力。胖客户端则是通过安装插件来增强浏览器的能力,代表技术有Plug-in、 Server APL ActiveX控件和Java Applet等。该方案将GIS分析与数据处理工作置于客户端执行,前端表现力强,交互性较好78一84,但由于采用了非标准化的Web技术,每个应用都需下载插件并部署安装环境,安全性不高,难以广泛应用,更主要的是其不能基于已有的GIS平台组件扩展,针对不同的浏览器环境,功能需重复开发,开发过程复杂且周期长。3 研究内容、技术路线3.1研究内容（1） 气象数据的转换读取与数据库的建立气象资料的种类繁多，数据庞大，传统气象资料都主要以文本形式存在，目录结构复杂，不便于查询和使用，专业的气象要素文件有固定的格式，非专业人员难以理解。因此，需要将专业的气象数据转换为一般用户易于使用的数据格式存储。采用数据库技术统一规范气象数据分类，管理气象科学数据共享，建立一种高效安全易于使用的数据存储模式85,86，便于快速地获取所需的气象资料，准确快捷地让公众检索查询自己所需的气象资料或者是产品。（2）气象数据的实时监测与数据库的更新气象要素信息包括自动站信息、短期气象信息、雷达云图等多种气象要素信息，并且这些气象要素信息具有实时动态更新的特性，例如自动站的报文数据10分钟就会更新一次。需要对动态更新的数据进行读取和存储，系统必须设计一个实时监控的模块，用于检测变化的气象业务数据，将这些动态变化的气象要素数据转换为系统所需的格式，实时更新到相应的数据库表中87一90，保证用户及时获取所需的气象信息。（3）面向气象要素的空间分析与查询， 系统提供表现形式美观、功能操作丰富、构架方式合理的WebGIS，告别了传统Web上发布的气象服务可视化手段单一、功能简单、分析统计功能薄弱等以静态分析产品或图形为主的旧时代。良好的的交互性可以使用户自主地与气象业务系统进行操作，选择感兴趣的数据进行表达，而不用被动的接受数据。（4）等值线专题图的生成以及基于web的三维可视化利用插值技术生成气温和降水量及其他气象要素的等值线和等值面图91-93，可以直观的概览区域气温和降水量状况，基于web的三维表达，为用户提供生动的立体视觉效果，增强GIS的视觉效果表达功能94。3.2技术路线研究过程中，以 WebGIS 软件工程学的思想作为指导，通过数据库的研究设计、系统架构研究及系统功能研究三个步骤，来实现多源气象数据综合分析系统的设计。数据库的设计，多源气象要素数据的转换和读取是系统分析的基础，确定系统的应用方向；系统的架构研究，通过对 GIS 组件、应用需求等合理地整合，实现对系统结构的总体设计；系统的功能研究，即根据系统建设的目标，遵循经济实用的开发原则，通过与合作单位的充分交流，设计和完善系统的功能。系统开发实现的技术路线图如下所示。图1 技术路线图4 关键问题与难点分析4.1关键问题（1）专业气象业务数据的读取 本人非专业气象人员，对庞杂的气象要素数据缺乏了解，单是读懂纷繁复杂的气象要素数据就需要花费很大的精力，并且如何将这些海量气象业务数据转换为系统所需的格式录入到数据库中是难点所在。（2）数据库的建立气象要素总类繁多，数据量庞大，尤其是自动站观测数据,其数据量极大,采用常规方法效率低下,尤其是在建库初期,效率更是瓶颈。如何建立合理的数据库系统便于用户便捷高效的查询气象信息是一个至关重要的问题(3)气象要素数据的实时更新气象台站观测资料具有极强的实时性,例如自动站数据、雷达云图数据,实际业务通常需要快速生成多种图形、报表等进行信息发布, 怎样将这些最新的数据进行实时转换并且录入到数据库95，96，供专业的气象人员和用户使用是气象信息服务系统建设的另外一个关键问题。4.2难点分析（1）插值技术的难点利用徐州气象信息中心提供的气象数据，通过插值技术，生成的气象要素等值线和等值面图会超出行政区的界线，需要做处理，将格点式的气象要素数据与底图数据进行统一。如何使用高效的插值技术是一个难点问题，会直接影响到系统的运行效率。（2）系统的运行效率如何有效的编写代码，合理的组织程序的架构，提高系统的运行效率建设高直观、便捷、内容丰富的气象信息服务系统97-99，并且保证多用户同时访问可以高效的处理用户提出的请求是系统设计的另一个难点问题。5 工作计划5.1论文选题阶段2013年2月一2013年3月 论文选题收集论文部分相关资料、数据、阅读大量相关论文和理论，整理思路，明确论文大纲，形成整体思路。2013年4月一2013年5月 完成开题导师组织完成开题、修改、完善研究方法及路线，充实研究内容。5.2论文完成阶段2013年4月一2013年8月 气象要素数据的整理对理论研究进行进一步地完善，整理收集到的多源气象资料、数据，分析气象要素数据，设计数据库，并将气象要素数据入库。2013年8月一2013年11月 系统整体架构的设计与实现 根据需求设计系统架构，并进行相应的开发工作，继续收集气象要素数据资料，以便对理论研究进行更好的证明。2013年11月一2013年1月 完成论文初稿2014年1月一2014年3月 完善修改论文2014年3月一2014年5月 准备论文答辩6 经费预算项目经费预算（元）书籍购买1000资料调查、搜集5500版面费2000论文打印及装裱500送审及答辩1000总计100007 论文提纲1绪论1.1 研究背景及研究意义1.2 国内外研究现状1.3 研究目的、内容和技术路线1.4 本章小结2系统设计122.1 系统体系结构设计2.2 系统功能模块的设计3系统的实现33.1 数据库的设计3.2 数据的组织与管理3.3 系统开发技术介绍3.4 系统开发实例简介4系统运行效率分析12344.1 性能测试工具介绍4.2 测试结果分析5结论与展望1234565.1 论文结论5.2 展望参考文献1何险峰等, GIS在公共气象服务网站的应用. 计算机应用与软件, 2012(02):227-230+27.2李建等, WebGIS技术在浙江公共气象服务平台中的应用. 浙江气象, 2009(S1):33-36.3王京丽等, 大城市气象服务信息系统数据存储体系框架设计与实现. 气象技,2003(06): 409-412.4袁进军等, WebGIS的测绘信息管理系统设计与实现. 测绘科学, 2010(06): 200-202.5史彩霞等, 地理信息系统及其在广西气象业务服务中的应用. 气象研究与应用, 2008(01): 41-43+46.6李兴宝与侯方, 基于C/S模式的气象资料自动下载系统. 气象科技, 2010(05): 609-612.7王建国, 气象服务面临的新形势及应对策略. 山东气象, 2000(03): 21-23.8张红杰等, 气象降水分布图制作中的插值算法研究. 气象, 2009(11): 131-136.9朱敏与叶田, Internet上气象信息网站的建立方法. 山东气象, 2001(04): 35-36. 10刘翼君与胡湘云, XML在WebGIS中的应用. 科学技术与工程, 2007(06): 1095-1097+1106.11向南平与彭海波, 基于JAVA/XML的WEBGIS研究. 河北理工学院学报, 2004(03): 46-48+52.12武发新, 药明与晏晓英, 利用ASP技术实现Internet上气象信息的动态访问. 吉林气象, 2005(01): 27-28.13李青春等, 短临交互预报系统在奥运会气象服务中的应用. 气候与环境研究, 2010(05): 560-570.14周峥嵘, 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