基于Meteoinfo氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS平臺設(shè)計與研究

高 鵬，劉 洋，付 杰，許竹霞

（甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，甘肅蘭州 730000）

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展及氣象數(shù)據(jù)的海量增長，對氣象大數(shù)據(jù)分析平臺提出了新的需求和挑戰(zhàn)，需要提供的功能涵蓋數(shù)據(jù)采集、檢索到處理、分析、預(yù)測等全方位的服務(wù)，包括預(yù)報員對計算機天氣產(chǎn)品的理解、決策及預(yù)報結(jié)論的可視化提交等，形成完整的系統(tǒng)工作流程[1]。目前引起了一些學(xué)者對氣象大數(shù)據(jù)分析平臺的關(guān)注。

在國內(nèi)，李濤等利用Hadoop的分布式計算和存儲框架研究了氣象大數(shù)據(jù)分析GIS平臺[2]，但是缺乏對三維雷達數(shù)據(jù)的分析。曾樂等在基于Spark Streaming 流式計算平臺上研究了氣象業(yè)務(wù)監(jiān)視數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了實時監(jiān)控和快速數(shù)據(jù)觀測的定位[3]，并沒有考慮時空分析等功能。雷鳴研究了氣象大數(shù)據(jù)分布式存儲設(shè)計與實現(xiàn)，優(yōu)化了存儲結(jié)果，提升了數(shù)據(jù)查詢的速度[4]，但是對氣象大數(shù)據(jù)分析方面的內(nèi)容研究較少。

WebGIS 平臺三維技術(shù)也受到了較多學(xué)者的關(guān)注，如：王星捷等研究了WebGL技術(shù)的三維WebGIS平臺研究與應(yīng)用[5]，離線三維數(shù)字城市系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[6]；劉新平等研究了三維GIS 支持下的實景融合系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[7]。對三維技術(shù)OpenGL 的研究有田明銀等研究的基于分形算法的三維地形可視化應(yīng)用[8]；宋佳音等基于過程模型的虛擬視景仿真系統(tǒng)研究[9]。

綜上所述，以上三維研究都在各自框架技術(shù)和功能上取得了較好的成果，但是模塊相對獨立，沒有綜合應(yīng)用在氣象大數(shù)據(jù)分析平臺。該文結(jié)合上述氣象GIS平臺研究的功能、三維WebGIS框架和OpenGL的優(yōu)點，設(shè)計研究了基于Meteoinfo氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS平臺。

1 系統(tǒng)框架

目前，在氣象數(shù)據(jù)分析方面Meteoinfo 平臺非常具有代表性，集成了GIS 平臺功能和大數(shù)據(jù)分析功能。MeteoInfo 底層采用Java，上層是Jython 技術(shù)，這樣MeteoInfo 既有Python 語法的簡單便捷，又有Java的運行速度。該文結(jié)合Meteoinfo、Spring Boot 和OpenGL 三維渲染技術(shù)，構(gòu)建了一種集多種氣象GIS時空分析功能于一體且能實現(xiàn)三維雷達氣象數(shù)據(jù)分析的氣象大數(shù)據(jù)分析平臺。

對平臺系統(tǒng)進行了分層設(shè)計，系統(tǒng)框架共分為五層，包括了資源層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用層、接口層和前端用戶界面層。具體的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架

資源層主要用于數(shù)據(jù)的存儲，包括空間數(shù)據(jù)庫、文件數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫主要用于存放氣象時空數(shù)據(jù)和污染時空分析數(shù)據(jù)等；文件數(shù)據(jù)庫用來存放地圖文件、時空分析專題圖文件以及管理文件等；關(guān)系數(shù)據(jù)庫主要用來存放用戶管理、日志文件、各種信息錄入和輸出的數(shù)據(jù)等。

基礎(chǔ)服務(wù)層是系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理層。包括Meteoinfo 繪圖核心開發(fā)庫、Redis 緩存、ArcGIS for JS API和OpenGL。Meteoinfo繪圖核心開發(fā)庫主要用于氣象時空大數(shù)據(jù)的處理和分析，包括數(shù)據(jù)時空插值分析處理、氣象數(shù)據(jù)分析以及多種時空分析專題圖的生成等。Redis 緩存主要用于緩存處理，提高圖形和圖像的顯示效果。ArcGIS for JS API主要用于實現(xiàn)WebGIS平臺的基礎(chǔ)地圖查詢、地圖操作和地圖分析功能。OpenGL 技術(shù)用于氣象三維雷達數(shù)據(jù)的分析處理，通過讀取三維雷達數(shù)據(jù)，利用OpenGL 進行三維渲染和時空數(shù)據(jù)處理，完美地展現(xiàn)了氣象三維雷達數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層主要進行功能業(yè)務(wù)的應(yīng)用處理庫和Web結(jié)構(gòu)的設(shè)計。包括了多種業(yè)務(wù)庫，如靜態(tài)化、數(shù)據(jù)緩存、公用庫、邏輯業(yè)務(wù)以及Spring Boot 框架結(jié)構(gòu)的MVC 模式等。

接口層是用戶前端與應(yīng)用層的直接橋梁。通過接口可以降低各層之間的耦合度，減少絕對的依賴，利于系統(tǒng)代碼的擴展。主要包括了Nginx 反向代理、Swagger 和Sgin 驗證。

前端用戶界面層是實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)交互的界面，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示模塊。分別用于氣象數(shù)據(jù)采集、氣象時空數(shù)據(jù)分析、污染分析、專題分析圖展示以及三維氣象雷達分析展示等。

綜上所述，該文設(shè)置的系統(tǒng)框架層次邏輯性強、靈活性好、擴展性強、易于維護、不受運行環(huán)境的限制。

2 功能設(shè)計

系統(tǒng)是采用五層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)的WebGIS 平臺，實現(xiàn)了氣象時空數(shù)據(jù)的可視化，三維雷達氣象數(shù)據(jù)的管理與分析；實現(xiàn)了WebGIS 系統(tǒng)所包含的GIS 基礎(chǔ)操作功能，能夠?qū)庀髸r空大數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、分析處理、專題圖生成和時空數(shù)據(jù)的存儲，可以實現(xiàn)污染分析、空氣質(zhì)量分析、氣象數(shù)據(jù)分析、空間數(shù)據(jù)的多種查詢功能和系統(tǒng)管理設(shè)置等功能。具體的系統(tǒng)功能如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的基本功能主要是GIS 的基本功能，是基于ArcGIS for JS API 的二次開發(fā)，用于圖層的展示及空間數(shù)據(jù)的可視化分析，包含了地圖服務(wù)加載、圖層管理、地圖操作控制、鷹眼功能、等基本功能。通過這些功能可以方便地操作地圖服務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化。

數(shù)據(jù)查詢功能主要包括屬性篩選、屬性查詢、空間查詢及圖層屬性。

時空分析功能是該文的核心功能，主要用于實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)、污染數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和氣象雷達數(shù)據(jù)的時空分析。時空分析包括了多種空間和時間的插值分析，例如：克里金插值、IDW 插值、三次樣條時間插值，最近鄰時間插值等。通過時空插值分析可以詳細地分析出氣象、污染和空氣質(zhì)量的精細化區(qū)域變化過程。氣象雷達數(shù)據(jù)的時空分析主要是實現(xiàn)氣象雷達數(shù)據(jù)的三維分析展示效果，可以詳細地分析時空和三維的變化過程。

系統(tǒng)設(shè)置包括了地圖編輯、用戶管理、日志文件管理、圖表分析和權(quán)限管理。地圖編輯包括對地圖數(shù)據(jù)中屬性信息的修改和查詢。用戶管理是對用戶進行系統(tǒng)管理，用于管理驗證信息、權(quán)限信息等。日志文件管理記錄用戶的每一個操作，保證了系統(tǒng)操作的可追溯性。圖表分析可以設(shè)置不同的參數(shù)來查看圖表記錄，如用戶登錄時間、維護信息等。

3 雷達數(shù)據(jù)三維顯示算法

雷達數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于短時臨近預(yù)報、氣象災(zāi)害預(yù)警、人工天氣預(yù)報、數(shù)值預(yù)報模擬等多個領(lǐng)域。在我國，雷達數(shù)據(jù)運行通常采用VCP21D 的降雨體掃模式。VCP21D 指的是6 min 內(nèi)完成9 個具體仰角的掃描。通常的雷達數(shù)據(jù)顯示方式：1）PPI 為平面位置顯示，是雷達在某個仰角上掃描一圈得到的數(shù)據(jù)；2）CAPPI 為等高平面位置顯示，是在某一相等高度上的雷達數(shù)據(jù)，采用通過PPI 數(shù)據(jù)插值得到。雷達數(shù)據(jù)的三維顯示就是CAPPI 模型的顯示。

雷達數(shù)據(jù)三維顯示的過程：1）將原始的雷達數(shù)據(jù)插值成PPI；2）通過PPI 合成為CAPPI 數(shù)據(jù)；3）采用OpenGL 三維技術(shù)進行渲染處理成三維雷達數(shù)據(jù)。

插值的處理方法主要是線性插值，根據(jù)一維數(shù)據(jù)序列中需要插值的點左右臨近的兩個數(shù)據(jù)進行數(shù)值估計[11-12]，具體計算如式（1）所示：

旋轉(zhuǎn)處理以z軸為中心根據(jù)雷達的各個仰角進行旋轉(zhuǎn)，具體的選擇計算過程如式（2）所示[12]：

其中，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角θ為各層的仰角。

具體實現(xiàn)過程：在每一個方位角(azimuth)上進行線性插值。各層仰角的雷達數(shù)據(jù)都進行0°到360°旋轉(zhuǎn)處理，在同一個方向角上做一個垂直于地面的切平面，就可以看到若干條射線，這些射線是由不同仰角、相同方向角的雷達掃描獲得的，它們構(gòu)成了一個二維平面。利用線性插值法，生成一條和這些同原點的射線相切的、平行于地面的直線，再將各個方位角上的線組合成一個CAPP（I每層PPI方位角不超過360°）[13-14]。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與分析

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Java 11 和Spring Boot[15-16]、開發(fā)平臺為Intellij IDEA、服務(wù)器為CentOS 7.6，服務(wù)器用于打包并進行系統(tǒng)發(fā)布。關(guān)系數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，用于存儲天氣數(shù)據(jù)和相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)。具體的系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

根據(jù)時空大數(shù)據(jù)、多種空間數(shù)據(jù)插值算法，系統(tǒng)實現(xiàn)的污染分析功能包括了霾預(yù)報分析、霧預(yù)報分析、沙塵預(yù)報分析、24 小時空氣污染預(yù)報分析、48 小時空氣污染預(yù)報分析和72 小時空氣污染預(yù)報分析，具體分析效果如圖4 所示。

圖4 空氣污染分析效果

氣象分析實現(xiàn)了多種類型的數(shù)據(jù)分析，該文主要展示了氣壓分析，氣壓分析能顯示不同高度大氣的狀態(tài)，系統(tǒng)中展示了100 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa 和地面氣壓的分析效果，也展示了能見度的分析效果，具體如圖5 所示。

圖5 氣象分析效果

該文采用多普勒C 段波氣象雷達數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了雷達三維分析功能，提取了雷達氣象數(shù)據(jù)中的大氣雨滴的反射率因子，進行三維成像分析。具體的顯示效果如圖6 所示。圖中反映出了不同反射因子的三維分布情況，分析結(jié)果表明，反射率越大，雨越大，證明了雷達三維分析的正確性。

圖6 雷達氣象數(shù)據(jù)三維分析顯示效果

5 結(jié)論

該文結(jié)合了Meteoinfo 氣象大數(shù)據(jù)處理、Spring Boot 的MVC 框架、Java 的跨平臺處理，以及ArcGIS API for JS 在WebGIS 易于開發(fā)和OpenGL 三維渲染等優(yōu)點，探討了一種基于Meteoinfo 氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS 平臺的技術(shù)。該系統(tǒng)平臺能實現(xiàn)多種氣象大數(shù)據(jù)分析以及GIS 數(shù)據(jù)在Web 中的可視化效果，同時能便捷地實現(xiàn)三維氣象雷達數(shù)據(jù)的處理。采用實際的氣象數(shù)據(jù)和氣象雷達數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析和實現(xiàn)，達到了較好的效果。系統(tǒng)具有框架模塊的可擴展性、系統(tǒng)功能的易維護性、氣象時空大數(shù)據(jù)分析多樣性以及可以跨平臺發(fā)布等多種優(yōu)越性，為氣象大數(shù)據(jù)分析WebGIS 平臺提供了新的實現(xiàn)方案和技術(shù)參考。