寧夏氣象觀測站網信息管理系統的設計與實現

李新慶 陳海波 樊寬

摘要：針對寧夏氣象觀測站建設管理不足的問題，本文研究基于LAMP技術構建寧夏氣象站網信息管理系統。系統面向氣象行業用戶使用，采用B/S框架，集成Web GIS、PostgreSQL/PostGIS技術，實現氣象觀測站的顯示、統計、審批和管理。應用結果表明該系統能夠提升自動站管理的自動化和信息化水平。

關鍵詞：自動氣象站；氣象業務；LAMP；Web GIS

中國分類號：TP391 文獻標識碼：A

Abstract： Aiming at the deficiency of management Ningxia automatic weather station， this paper studies the construction of Ningxia Meteorological Station Management Information System based on LAMP technology. Mainly provided for the meteorological business users， the system applies B/S framework and integrated uses Web GIS， PostgreSQL， PostGIS techniques， etc， which comprehensively realizes the AWS distribution display， statistics， approval and management. The application results show that the system can improve automation and informationization level of AWS management .

Key words： automatic weather station； meteorological service； LAMP； Web GIS

0 引言

寧夏全區已經建成各類氣象觀測站（AWS，Automatic Weather Station）共計893個，站網平均密度達7公里以內，實現鄉鎮全覆蓋，行政村覆蓋率25.6%。已建成并投入業務運行的區域自動氣象站在氣象服務工作中發揮了一定作用，為地方防災減災提供實時、準確、科學、高效的決策依據，進一步提高了災害性天氣的監測預警能力和服務水平[1]。

然而，隨著經濟社會的快速發展，各行各業和社會公眾對氣象探測數據的需求越來越高。全區氣象部門和其它行業、單位委托或自主建設的各類氣象探測站點、設施的種類和數量逐年增加。但是氣象探測站點和設施的布設缺乏統一規劃，氣象探測行為缺乏監管，氣象資料的使用、發布較為混亂，造成了資源的浪費，給氣象信息安全帶來了隱患[2-3]。

因此，為了切實規范全區氣象探測設施建設，提高觀測站管理效率，迫切需要采用Web技術、Web GIS技術和數據庫技術等建立寧夏氣象觀測站網信息管理系統，規范寧夏氣象觀測站的管理和審批流程，為授權用戶提供查詢、檢索、統計、臺站環境顯示和GIS地圖展示等功能。該系統能夠提高業務部門對觀測站站管理的規范性，對于寧夏氣象管理信息化具有一定的促進作用[4]。

1 需求分析

目前，寧夏氣象部門對氣象觀測站點信息的管理，還停留在傳統的、人工的、零散數據的層面上，還沒有實現氣象觀測站點的自動化、信息化和規范化的信息管理，一些統計工作需要靠手工來進行統計，統計結果不夠快速準確，影響了氣象決策需求。另外，氣象預報、公共服務等業務工作人員對站點信息缺乏直觀了解，影響了站點觀測數據的應用和服務。為此，需要構建一個服務于區、市、縣三級氣象部門業務銜接的觀測站網信息管理系統，實現區域自動站審批、查詢、統計的服務功能，并且系統應當具備以下特征：

1）標準規范、方便擴充

對所管理的氣象信息在管理方式、格式及質量等方面制定標準規范并在項目建設過程中認真遵循，使本系統能夠隨著業務、和政策法規的變化方便地擴展和升級，保證系統的可持續發展。

（1） 注重部門間業務系統兼容

觀測站網審批涉及到多個職能部門之間的合作[5]，因此，在設計時必須考慮各部門的業務系統兼容性和互操作，根據實際需求確定系統各項功能，以滿足實際需求為最終目的。

2）系統穩定、安全可靠

系統要做到性能穩定、安全可靠，并保證氣象觀測站基礎數據的安全性。系統應滿足區、市、縣三級用戶在線訪問和審批工作，并做到24小時不間斷業務運行要求。

2 系統設計

2.1 系統總體框架

按照氣象部門氣象探測設施建設的管理和審批流程，依托寧夏氣象信息基礎設施虛擬化平臺建設，按照分層設計、集中部署原則，并遵循氣象探測設施安全管理規范和氣象設施運維保障體系，構建寧夏氣象觀測站信息網管理系統。系統的架構圖如1所示。

系統架構采用成熟的三層體系架構[6]：表示層（Browser）、服務層（Web Service）和數據層（Data Service）。表示層屏蔽技術細節、應用軟件的差異性，面向用戶提供基于Web和Web GIS的氣象觀測站點信息的展示、查詢服務。服務層針對用戶的具體操作，采用AJAX的異步交互模式，為表示層返回用戶所需的JSON封裝數據，從而減輕服務端負擔，提高系統工作效率。數據層包括GIS空間地理數據庫和氣象觀測站網管理數據庫，為系統提供區域自動氣象站站點基礎數據、觀測站網審批管理數據。

2.2 功能設計

本系統主要解決寧夏氣象部門各級業務用戶對氣象，全區氣象觀測站的查詢、統計、Web GIS展示的應用實現[7]，并提供觀測站的網上申請、審核、批準功能。系統以氣象探測設施構建中依循的各類法律法規為依據，并結合寧夏氣象部門自動站審批工作中的實際情況對內部業務，系統功能做出適當的調整。

基于區級站網信息數據庫，獲取本縣范圍內所有站網類型的標志信息，并以GIS圖形化與表格化相結合的方式向用戶進行可視化展示。在此，給出系統功能設計概述如下。

1）站點的審批管理。實現區域自動觀測站站點信息、自動站設備信息、設備廠家信息等審批過程的自動化管理，提供所有業務流程的數據錄入、處理功能。同時，更進一步用戶對申報站點處理過程和申報結果的查詢和追蹤，并可查看申請辦理每個環節的具體情況。

2）站點查詢。通過站號、站名、所屬地市、縣區、觀測站類型等條件進行查詢，并以表格和Web GIS的方式為用戶實現有效展示。

3）站點統計。通過觀測站設備類型、觀測要素、所屬地市等條件進行統計，并以表格和圖形的方式為用戶提供有效展示。

4）系統管理。主要包括對用戶的登錄權限、審批權限進行修改、刪除和增加。并設計建立用戶登錄日志，另外，根據業務需求，可做審批流程的動態調整。

3 系統實現

3.1 氣象觀測站基礎數據庫設計

系統包含審批管理流程，且涉及多個部門的聯合審批，審批過程中隨時需要查詢各自部門原有的數據[8]，因此，系統基礎數據庫表結構與區級原有的站網信息數據庫保持一致，為系統提供了自動氣象觀測站基礎數據支持。

以觀測站點設施表為例，需要存儲建設單位、上級主管部門、建設地址、站點類型、站點用途、項目來源、經緯度、海拔高度、探測要素、設備型號、生產廠家、氣象裝備許可證號、站點8個方位照片等信息，其數據庫表結構如表1所示。

3.2 地理信息數據庫

系統采用PostGIS存儲寧夏空間地理信息，PostGIS在對象關系型數據庫PostgreSQL上增加了存儲管理空間數據的能力[9]，該數據庫能夠將空間地理信息存儲為WKT（Well Known Text、熟知文本）格式，并對圖片和多媒體等以BLOB方式存儲[10]。另外，PostGIS支持使用C++、.NET、PHP、Python以及其他各類開源數據引擎的調用，方便數據管理和系統調用。

系統中所使用的GIS數據主要包括寧夏全區、地市、縣區、鄉鎮、行政村的點、多邊形等矢量數據，數據描述統一設定為Shapefile文件格式，本文使用PostGIS自帶的shapefile Loader工具將各類數據導入寧夏氣象空間地理數據庫[10]，并使用pgAdmin圖形化的工具來對數據進行管理。另外，還可以使用uDig直接連接該數據庫，對GIS數據進行修改。

3.3 MapGIS地圖服務器

MapGIS IGServer基于MapGIS微內核為基礎，是新一代的互聯網地理信息服務平臺[11]，采用面向服務的分布式多層體系架構，提供跨平臺的開放式的Web GIS服務體系和二次開發框架，具有GIS服務發布共享與行業應用的功能。因此，系統采用MapGIS作為地圖服務器，為系統提供Web GIS地圖服務。

MapGIS IGServer采用面向服務的體系架構，構建整套Web GIS服務體系（IG Server服務層），提供SOAP、REST服務訪問方式，基于OGC標準的MapGISOGCWebService服務，遵循WMS、WFS、WCS服務規范，支持XML、GML和GeoRSS JSON數據格式。

基于IG Server的Web服務體系，融合主流的RIA（Rich Internet Applications，豐富互聯網程序）技術，Web GIS功能模塊采用基于IGServer API for JavaScript二次開發庫架構設計實現，通過對OpenLayers框架進行了封裝和優化，使系統具有良好的兼容性和擴展性。IG Server主要分為3個部分，即數據層、GIS服務和客戶端。其中，對應于MapGIS IGServer平臺的體系架構，GIS服務層可分為IGServer基礎內核服務與IGServer Web服務，該結構將數據的存儲管理、GIS服務與應用分開，可方便地實現數據庫系統對各類數據的管理、應用和發布，從而保證了數據的安全性，并能及時響應用戶的服務請求。

3.4 站點申請及審批流程

根據氣象行業探測設施建設規范流程，系統采用縣、市、區局三級部門審批和管理。當申請和審批一個流程時，系統需要通過表單接收各級用戶填寫的自動氣象站信息和上級審批意見[12]。

承建單位上報觀測站點的建設申請，按照縣、市、區三級業務主管部門進行審核，最終由區級批準，并使各用戶能夠查看審批流程節點信息[13]。觀測站點申請錄入界面如圖所示。

3.5 系統框架實現

系統框架采用jQuery EasyUI設計實現，該框架為用戶封裝了AJAX（Asynchronous Javascript And XML，異步JavaScript和XML）異步請求，將業務邏輯和用戶界面設計劃分開來，較好地解決如事務處理、Web安全、數據流控制等問題[14]，同時因其具有開發簡單、開源免費、容易擴展等特點，非常適合中小型項目的快速開發。

AJAX使用異步客戶端/服務器通信模型，連接后端應用服務器，接收服務器處理后的結果，并返回JSON格式數據，進行屬性數據和地圖數據的顯示和疊加，最終以GIS圖形化與表格化相結合的方式為用戶生成視圖展示。設計實現的關鍵代碼如下所示。

3.6 Web GIS模塊

Web GIS顯示模塊采用IGServer API for JavaScript客戶端呈現， Web GIS服務器采用MapGIS地圖服務器，為用戶提供基于Web GIS的全區氣象觀測站網分布功能。

IGServer API for JavaScript客戶端是對OpenLayers進行了封裝和優化，OpenLayers是一個功能強大的開源WebGIS的客戶端JavaScript框架，能夠實現在瀏覽器中瀏覽、漫游與縮放地圖等基本功能[15]。Web GIS系統界面如圖3所示。

3.7 統計展示模塊

為滿足氣象業務人員對氣象觀測站的統計需求，系統采用HighCharts實現觀測站的統計繪圖功能，HighCharts是一個運用Javascript腳本編寫構建的繪圖庫，可以制作折線圖、柱狀圖、餅圖等多種圖表類型，具有界

面美觀、兼容性強、不受開發語言約束等特點[16]，而且能為用戶提供較好的可視化效果，系統統計展示模塊如圖4所示。

4 結束語

本文結合寧夏氣象行業特點，提出采用LAMP架構實現氣象觀測站網信息管理系統，并對系統實現中所涉及的關鍵技術進行了闡述。目前，該系統已經在寧夏氣象部門投入業務試運行，面向寧夏區、市、縣三級業務人員提供可視化的自動氣象站查詢、統計服務。系統運行穩定、功能完整、界面友好、操作簡便，能夠滿足氣象行業用戶對觀測站網的管理需求。

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