基于GIS的氣象要素信息綜合顯示系統的設計

嚴源，王煒祺

（1.南京愛立信熊貓通信有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇衛生健康職業學院，江蘇 南京 211800）

0 引言

氣象信息是人們最為關注的信息之一，它對正常的生產生活有著直接的影響。盡管在互聯網高度發達的今天，人們已經可以較為方便地獲取到天氣預報信息，但獲取的渠道并不統一，獲取的信息也不夠完整，這對于生產、科研、防災等領域的應用而言是不充分的。因此，如何高效、準確地查詢顯示氣象信息，是一個值得深入探討的課題。本文將基于GIS技術設計一個氣象要素信息綜合顯示系統，充分利用了GIS技術在氣象領域的應用優勢。

1 GIS系統概述

地理信息系統（Geographic Information System,GIS）最初用于解決地理方面的應用問題，經過半個多世紀的發展，GIS的應用已經與測繪學、環境學、計算機技術等多門學科結合起來，在農業氣候資源分析、城市大氣污染源分析、軍事地理信息系統分析及應用、科學調查、資源管理、財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃等領域得到了極為廣泛的應用。得益于計算機技術和全球定位系統的發展，現代GIS系統已經具備強大的空間信息集成管理、預測評估和模擬反演等能力，可以將地圖的視覺化效果與地理分析功能共同集成到數據庫系統中，實現對各類空間數據的基礎管理和綜合分析應用[1]。

2 GIS在氣象領域的應用分析

2.1 氣象信息的特點

人們在日常生活中接觸最多的氣象信息是溫度和濕度，因為這兩個氣象要素 對人體的感官體驗影響最為明顯。實際上，在氣象領域，除了溫度和濕度兩個常見的氣象要素之外，還包括許多氣象信息，包括壓強、風速、風向、雨量、云量等。從地理的角度上看，氣象信息的本質是一種時間和空間的混合型數據, 它既發生在一起的空間范圍內，也會隨時發生動態的變化，因此氣象信息是一種動態信息，它的展示和分析也應該是動態進行的。另外，氣象信息是相互影響的，一項參數發生變化，往往會對其他參數產生影響，共同導致空間氣象條件的改變。基于此，建立一個氣象綜合顯示系統是非常有必要的。

2.2 氣象領域中的GIS

氣象學主要研究大氣現象的演變規律，涉及面較廣，是一個典型的多學科交叉領域，一直伴隨著各門技術學科而發展。GIS技術與氣象領域的結合仍是一個較新的應用領域[2]，這不僅是因為GIS本身的發展歷程只有幾十年，而且氣象領域本身也過于復雜，通過GIS技術的結合應用也仍有很長的路要走。

GIS技術在氣象領域的應用，最主要是得益于計算機技術的發展，尤其是計算機在數據庫、數據處理、決策支持、多媒體演示等方面的優勢，更是成為氣象學發展的強大動力。近年雖然已經有了利用GIS系統進行氣象數據處理的案例，但其應用還不夠成熟，在氣象數據查詢、分析和預報等方面的技術還較少涉及。當前人們所熟知的天氣預報一般是通過圖表、文字、數字、符號等信息傳遞天氣信息的，但更主要還是依賴于主持人的講解，其可視化程度還有很大的改進空間。具體而言，目前GIS技術在氣象領域的應用涉及氣象資源信息圖形處理、氣象資源數據管理、氣象分析與氣候數據模型建立、災害預防與農作物種植解決方案、三維數據與遙感數據的疊加顯示、氣象現象的模擬等等。未來的天氣預報可能會朝著虛擬現實、三維可視化、人工智能等領域發展[3]。

3 系統總體設計

前已述及，GIS在氣象領域已有廣泛應用，可以說當前的氣象領域已經很難離開GIS技術，GIS在氣象領域的應用已經不再局限于空間數據的展示，更是深入到氣象信息的實時查詢、集成管理、可視化處理和大數據分析等領域。

3.1 需求分析

基于GIS的氣象要素信息綜合顯示系統是基于現實需求進行開發的，主要解決傳統氣象管理系統在查詢效率、展示方式、數據準確性等方面的問題。因此系統最主要的需求是結合GIS系統的應用，充分利用GIS系統對氣象信息進行分析處理和顯示，為生產生活各領域提供決策支持。此外，系統還需要滿足基本的性能要求。

3.2 總體架構設計

根據一般信息化系統的特點，結合氣象領域的應用需求，本系統采用層次化設計思路，將系統劃分為硬件設施層、網絡傳輸層、數據持久層、中間件和應用層。其中硬件設施層是指支撐系統運行的服務器、觀測設備等，用于產生氣象數據；網絡傳輸層采用無線和有線相結合的傳輸方式，為氣象數據提供上傳通道；數據持久層由數據庫系統組成，用于存儲氣象數據和分析結果；中間件是系統開發的支持組件，可提高開發效率；應用層為用戶提供各種業務功能，用戶通過界面功能模塊即可進行各種應用操作。

3.3 功能模塊設計

基于GIS的氣象要素信息綜合顯示系統除了氣象實時查詢顯示功能之外，還提供了數據傳輸接口、數據分析、數據導入導出、參數配置等功能。所有功能模塊均集成在系統的首頁，用戶成功登錄系統后可一鍵進入所需的功能模塊。

圖1 基于GIS 的氣象要素信息綜合顯示系統組成結構圖

4 系統關鍵技術研究

4.1 數據結構定義

氣象要素數據不是一個單獨的數據，而是一級氣象要素的組合，體現在信息化系統中就是數據結構的定義[4]。氣象要素數據包括溫度、濕度、氣壓、風向、風速、云量、降雨量等。值得注意的是，其中的每一個參數都是包含時間和經緯度坐標的，因此每個參數又都是一個結構體定義。

4.2 氣象要素數據收集

氣象要素數據來源于各地的氣象觀測站，由觀測站的采集設備上傳，系統通過服務器端口接收數據。在獲取的方式上，可以采用主動請求的方式，也可以采用被動接收的方式，通過專門設計的數據接口對數據進行收集，具體采用哪種方式需要綜合考慮數據的應用需求。系統也提供了數據錄入界面，在必要的情況下，用戶可以手工加載或導入數據。

在傳統的數據庫應用中，對于海量的數據較多是手工導入的，但是由于氣象要素數據具有更新頻率快及數據量較大的特性，因此需要開發數據導入功能。數據的導入是指將氣象傳感器采集并保存在文本文件中的氣象要素數據導入到ORACLE數據庫的數據表中，首先是要對文本文檔的格式進行規范化處理，形成固定的格式，然后按照一定的規則對文本進行拆分處理，得到每個單獨的氣象要素數據。每個數據通過數據庫接口，逐行添加到數據表中。為進一步提高數據添加的效率，在ORACLE中采用了批處理技術，大大提高了數據的錄入效率[5]。

4.3 氣象要素數據預處理

系統獲取到的氣象信息均為原始氣象要素 ，而對于具體的應用而言，這些原始數據很難直接利用，所以要進行氣象要素數據的分析及標準化等預處理操作，經過一系列的算法處理后得到分析結果，才能研究清楚氣象變化的規律和特點。系統提供了大量的數據分析功能，可以完成對某段數據的統計，得到最大值、最小值、平均值、方差等信息。

4.4 氣象要素數據存儲

氣象要素數據在獲取之后首先會以文本文件存在計算機硬盤中，對于海量氣象要素數據而言，每天的數據量都會達到幾百兆，如果長期保存，不僅會占用大量硬件資源，而且也不利于快速查詢。為了解決這個問題，本系統選擇將數據轉存到數據庫中。考慮到氣象要素數據較多，因此采用功能和性能都十分強大的ORACLE數據庫，為數據的查詢提供強大的平臺支撐。由于氣象信息每天都在采集，因此不可能無限地保存，根據一般應用要求，本系統僅保留三天的數據在本地，超過三天的歷史數據轉存到遠程的數據倉庫中做永久保存。為了進一步提高查詢速度，在ORACLE中還進行了分表處理，每個表存儲一天的數據，使氣象信息得到分割，提高查詢效率，應用表明，這種分表技術取得了非常好的效果。

4.5 氣象信息可視化

氣象信息是一種抽象的信息，如果直接展示各組參數，很難直觀地理解數據的含義和變化規律。氣象信息可視化就是將氣象要素數據以各種直觀的方式展示出來，使其數據的含義、趨勢、特點、相互關系都可以清晰地表現出來。本系統的可視化方式包括二維圖形展示和三維空間展示。借助GIS系統的強大三維表現力，構建一個龐大的大氣空間，將大量的氣象要素數據以經緯度為索引，疊加顯示在GIS三維空間上，并對不同的數據屬性采用顏色或色塊來區分，所有數據的顯示模式、網格均可進行配置，從而形成了一個二維/三維氣象模擬環境，為用戶提供了強大的數據支持。

三維可視化對計算機有較高的要求，普通PC機很難完成流暢、快速的氣象信息可視化。基于此，本文采用了專用的圖形工作站用于GIS系統對氣象要素數據的渲染，通過強大的OpenGL技術實現界面移動與縮放、視點變換、二維三維模型變換和投影變換，允許用戶對三維空間模型進行旋轉，從不同的角度進行觀察，大大提高了系統的可用性。

4.6 數據導出

數據導出是指將系統查詢到的氣象要素數據或分析結果導出到文本文檔中。與數據導入的基本思路相反，首先用戶要按照一定的查詢條件在數據庫中查詢出相應的數據，然后通過系統界面的導出功能完成一鍵導出。同時導出的氣象數據不再是采集收集來的粗數據，而是經過用戶查詢后的帶有定制化地理信息的氣象數據。系統為用戶提供了EXCEL、PDF、TXT、XML、CSV等多種導出格式，適應不同的用戶需求，方便拓展。

5 結語

隨著技術的發展，GIS系統在氣象領域的應用將更加深入。借助于GIS的強大功能，氣象學也將更好地開展氣象相關研究，實現技術的融合發展。本文研究的基于GIS的氣象實時查詢系統，在實際生產生活中具有一定的應用價值。