面向氣象業務湖南省級WEBGIS平臺的設計與實現

朱宏武 羅丹 賀煒 劉曉波

摘要 根據省級氣象業務和服務工作所需，省局搭建一套面向氣象業務高效、穩定、省內多業務單位能共用的專業WEBGIS平臺。在此針對平臺多源異構數據的高效管理，多種類、多時次、多維度氣象專題產品定制生成以及平臺服務器集群的高可用性等關鍵技術做了相關研究，這些研究對于氣象數據和產品的空間分析、可視化發布及跨行業實現信息共享具有非常積極的意義。

關鍵詞 WEBGIS;氣象服務;系統平臺;信息共享

中圖分類號 S165 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12184-03

The Design and Implementation of Hunan Provincial Meteorological BusinessOriented WEBGIS Platform

ZHU Hongwu1， LUO Dan2， HE Wei1 et al

（1. Hunan Meteorological Information Centre， Changsha， Hunan 410118; 2. Hunan Meteorological Service Center， Changsha， Hunan 410118）

Abstract According to the requirement for provincial meteorological business and service units， provincial meteorological bureau built a set of meteorological businessoriented， efficient， stable and professional WEBGIS platform shared by multiprovince business units. The efficient management of multisource heterogeneous data， the customized generation of the multitypes， multitemporal， multidimensional meteorological products and the high availability of the platform cluster servers were studied， which could be valuable for the spatial analysis and visualization of meteorological data and products and crossindustry information sharing.

Key words WEBGIS; Meteorological services; System platform; Information sharing

氣象信息本質上是一種空間信息，與地理信息聯系緊密。湖南地形復雜，有高溫干旱、臺風、暴雨、強對流、低溫雨雪冰凍等多種災害性天氣侵害，將氣象信息與該省空間信息進行融合是一項有意義研究。氣象信息在結合該省詳細的地形、地勢、河流湖泊信息的情況下能積極輔助提高省內中小尺度預報質量，氣象信息再結合該省交通、水利、電力等跨行業相關信息能有效提高氣象的服務能力，增強防災減災的水平，通過將氣象信息與GIS技術緊密融合是一條可行的途徑。隨著現代氣象技術的飛速發展，氣象部門對GIS研究越來越多[1-4]。GIS是一項基于點、線、面等要素組成的、較為復雜的空間技術研究，不同單位研究往往基于不同GIS平臺、不同底層數據、不同規范，進行平臺研究需花費較多的時間，研究成果也較為孤立，且單位購買一套較為精細的且影像、地形支撐較好的數據價格不菲。針對這些不足，遵循集約化原則，利用網絡技術，搭建一套面向氣象業務高效、穩定、省內多業務單位能共用的專業WEBGIS平臺非常有必要。筆者在此針對平臺多元異構數據的高效管理、氣象專題產品定制及平臺服務器集群的高可用性等關鍵技術進行了相關研究。

1 省級氣象業務WEBGIS平臺的搭建

省級WEBGIS平臺建設是一項面向氣象業務、服務的系統工程，有幾方面難點需解決：

①基于省級氣象業務及服務實際應用需求搭建WEBGIS平臺數據中心，實現對多源異構數據的高效管理，管理的數據包括地面觀測、高空觀測、雷達、衛星等海量氣象數據，矢量、影像、DEM等空間數據及交通、水利等行業用戶數據。數據中心以需求為引導對數據進行清洗、整理，并按時間、空間、主題等不同維度實現各類數據的集成。

②基于省級氣象業務用戶、行業用戶應用需求搭建氣象信息與GIS空間數據靈活的，功能易于擴展的平臺。通過數據中心，業務人員能按需定制多項空間數據服務及空間數據處理服務，實現對多種氣象資料與平臺基礎數據的多種時空維度進行耦合，整合氣象分析模型、插值計算、疊加處理，并對其進行可視化、空間查詢、統計分析，為所需部門提供輔助依據。對于需要生成逐時、逐期的產品能夠配置相關輔助數據庫，形成工作流，做到主題產品的定時生成，自動動態發布。

③搭建高效、穩定的省級WEBGIS平臺支撐環境。氣象數據處理、與GIS空間融合等時空分析操作一般具有消耗資源多、運算時間長等特征，加上平臺面向省級業務又具有并發量多、吞吐量大等因素，應合理分配計算資源，引入集群、負載均衡等技術優化系統性能，做到平臺快速、高效，無障礙運行。針對相關需求參考國內外多處WEBGIS平臺組建方案[5-8]，基于MAPGIS K9平臺搭建了面向省級氣象業務WEBGIS平臺。

1.1 WEBGIS平臺數據中心的搭建

WEBGIS平臺涉及省級大部分重要氣象業務和服務，所需管理的數據種類繁多、來源廣泛、結構差異化很大。基于MapGIS K9數據中心，在詳細分析多類氣象數據、空間數據結構情況下，根據該省需求建立起了面向氣象業務的數據倉庫，實現對多源異構數據高效、統一管理。

1.1.1 結構化數據管理。

氣象部門隨著氣象現代化不斷推進，資料呈海量增長，包含14大類、498個子類、1 500個細目的氣象觀測數據和產品。根據省級實際情況，制定相應的標準、規范，將地面觀測、高空觀測等結構化的氣象資料引入按規則進行數據清理導入該省Oracle關系數據庫，數據中心通過非空間數據管理模塊與結構化數據遠程適配相連。通過統一的標準，可以整合交通、水利等行業部門數據，增強數據中心的可擴展性。

1.1.2 非結構化數據管理。

對于雷達及拼圖、氣象衛星、地圖等多源影像非結構化柵格數據，通過數據倉庫按比例大小、投影變換、多層次等屬性提取共性功能，按種類、時次特征組織相關數據;而對于基礎地圖矢量數據按照地圖顯示層次級別、比例尺寸、瓦片特征等多屬性進行管理，從而實現多源影像數據、矢量數據等空間數據的一體化管理。

1.1.3 數據倉庫的規范與調優。

基于省級業務規范，以統一的方式整合管理空間信息、文檔信息、元數據信息、多媒體信息等數據，通過規范化，數據倉庫無需格式轉換就可以直接管理多源異構數據。為提升數據倉庫管理效率，搭建了倉庫目錄樹和數據索引，并針對業務需求對數據按年份、區域、氣象要素分類等做了相應的聚合和匯總，能動態實現對數據從不同側重點、不同視角的管理。

1.2 WEBGIS平臺氣象業務與服務功能的整合

利用平臺數據中心，按業務與服務需求生成氣象專題產品并及時動態發布是平臺的核心任務，也是難點任務。省級WEBGIS平臺涉及到的數據多，包括預報產品、分析產品、探測數據（包括雷達、衛星云圖、自動站、風廓線、微波輻射計等），平臺依靠強大的樣式文件配置環境與靈活的工作流二次開發技術，能夠及時、規范、大批量地完成多種類、多時效、多區域、多角度、定制氣象專題產品的制作。

氣象專題產品的生成一般按圖1中的流程進行組織管理。

圖1 專題產品管理流程

1.2.1 樣式文件配置管理。

同一氣象專題產品一般具有統一的規范性，顏色方案、地理范圍、制圖特征，以形成具有統一風格的氣象專題產品。平臺面向省級業務，樣式文件因實際需求不同要對參數有相應的調整，如全省氣溫圖例就不適應于市、縣級區域的同產品圖例，同地區因季節的變化氣溫圖例也不同。平臺樣式文件一般存放在Linux服務器，操作繁瑣、不直觀，對點、線、面編輯相當困難。該平臺修改樣式文件一般離線下載Windows環境進行操作，跨平臺數據以XML數據文件交換，通過處理程序解析可對地圖區域、配色方案、矢量、影像圖形等多屬性進行可視化編輯，修改后的樣式以XML方式提交給服務器后臺更新同步，完成地圖、圖層樣式文件的配置。

1.2.2 工作流配置管理。

氣象專題產品生成如果直接對GIS操作并與氣象資料集成是較為復雜的一個過程。為了降低平臺使用復雜性，提高業務處理效率，平臺引入了工作流機制，按需對業務邏輯進行不同組合形成大的功能模塊，搭建完成氣象專題產品。平臺工作流模型采用“框架+可聚合的插件+功能庫”的實現機制，針對不同的應用需求加載不同的插件模型實現“熱插拔”。氣象功能倉庫中提供了豐富的氣象業務處理功能模塊，同時包含氣象業務數據處理的各種插值算法，通過方法注冊、節點編輯、流程調整即可以實現對氣象業務功能的組合，按流程獲取配置文件，獲取業務數據、插值投影變換、圖層疊加合成產生所需的專題產品。生成的產品通過流程編號、產品編號等信息進行統一發布，根據產品生成時次、狀態在系統中進行WEBGIS展示。如基于工作流模型生成的小時最高氣溫的等值線圖（圖2）。

圖2 定制的氣象產品

1.3 WEBGIS平臺高可用支撐環境的搭建

WEBGIS平臺面向氣象業務涉及大量數據庫表操作、數據處理、空間分析及圖形運算，加上平臺面向省內眾多氣象業務部門及相關行業部門，訪問量高、并發性強、突發性大、平臺承載負荷較大，需提供良好的支撐環境以保障平臺的穩定。從以下幾方面保障平臺的高可用性。

1.3.1 負載均衡。省級部署GIS于8臺Linux服務器、核心業務區4臺（2臺組成集群負責圖形產品生成和工作流的配置，2臺負責組成WEBGIS展現服務）用于省級內部氣象業務、服務單位。按安全級別規劃單向DMZ、雙向DMZ行業區各2臺，組成集群負責GIS的展示，用于重要行業部門和一般用戶。各區域采用Apache + JK + Tomcat集群技術實現其高可用性。JK模塊是Apache服務器的擴展模塊，根據負載均衡算法分配Tomcat集群資源，并實施HTTP協議到與集群相關的AJP（Apache JServ Protocol）協議相互轉換。

客戶端以 HTTP協議發出請求，經過Apache服務器到JK模塊，然后根據集群列表信息選擇合適的后臺服務器來進行處理，將 HTTP 協議的包組裝成 AJP 協議格式的包，選取一條空閑的鏈接，發送給后臺的 Tomcat 服務器。等到后臺將數據發送過來時，接收并解析AJP協議，重新組裝成 HTTP 協議，然后把結果發送給客戶端（圖3）。集群具有良好擴展性，可根據

圖3 負載均衡流程圖

省級業務負載情況靈活搭建負載均衡環境，保障WEBGIS平臺高可用。

1.3.2 平臺功能模塊基于穩定框架開發。WEBGIS平臺采用成熟的Spring MVC + Hibernate開源開發框架構建，擴展性良好，實現了各程序功能模塊的耦合松散，對象/關系數據庫完整映射，平臺搭建以來一直運行穩定高效。

1.3.3 性能優化。對平臺整體分析，合理設置系統相關參數，優化處理流程的各環節，監視相關服務進程執行情況，將處于非活動的服務進程釋放資源，提高資源利用率。

2 應用

基于省級WEBGIS平臺，省級氣象資料有了更為廣泛的應用場合。基于平臺統一的數據規范，能夠跨行業整合豐富的、多源的、異構的實用信息。如將氣象要素溫度數據融合到了洞庭湖區域的公路信息及衛星影像信息之中，通過與公路信息融合能有效提高交通氣象服務的精細化程度，通過直接與復雜地形、水系特征融合能輔助提高中小尺度預報的質量（圖4）。

圖4 氣象資料與公路交通信息（a）和衛星影像（b）融合

3 結論

根據省級氣象業務和服務工作所需，搭建一套面向氣象業務高效、穩定、省內多業務單位能共用的專業WEBGIS平臺。筆者針對平臺多源異構數據的高效管理，多種類、多時次、多維度氣象專題產品定制生成及省級平臺服務器高可用性等關鍵技術做了相關研究。通過WEBGIS平臺的引入，使氣象信息能夠更好地滿足氣象業務、服務和科研工作，對于氣象數據和產品的空間分析、可視化發布及跨行業實現信息共享具有非常積極的意義。

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