面向气象业务湖南省级WEBGIS平台的设计与实现

朱宏武 罗丹 贺炜 刘晓波

摘要 根据省级气象业务和服务工作所需，省局搭建一套面向气象业务高效、稳定、省内多业务单位能共用的专业WEBGIS平台。在此针对平台多源异构数据的高效管理，多种类、多时次、多维度气象专题产品定制生成以及平台服务器集群的高可用性等关键技术做了相关研究，这些研究对于气象数据和产品的空间分析、可视化发布及跨行业实现信息共享具有非常积极的意义。

关键词 WEBGIS;气象服务;系统平台;信息共享

中图分类号 S165  文献标识码 A  文章编号 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

气象信息本质上是一种空间信息，与地理信息联系紧密。湖南地形复杂，有高温干旱、台风、暴雨、强对流、低温雨雪冰冻等多种灾害性天气侵害，将气象信息与该省空间信息进行融合是一项有意义研究。气象信息在结合该省详细的地形、地势、河流湖泊信息的情况下能積极辅助提高省内中小尺度预报质量，气象信息再结合该省交通、水利、电力等跨行业相关信息能有效提高气象的服务能力，增强防灾减灾的水平，通过将气象信息与GIS技术紧密融合是一条可行的途径。随着现代气象技术的飞速发展，气象部门对GIS研究越来越多[1-4]。GIS是一项基于点、线、面等要素组成的、较为复杂的空间技术研究，不同单位研究往往基于不同GIS平台、不同底层数据、不同规范，进行平台研究需花费较多的时间，研究成果也较为孤立，且单位购买一套较为精细的且影像、地形支撑较好的数据价格不菲。针对这些不足，遵循集约化原则，利用网络技术，搭建一套面向气象业务高效、稳定、省内多业务单位能共用的专业WEBGIS平台非常有必要。笔者在此针对平台多元异构数据的高效管理、气象专题产品定制及平台服务器集群的高可用性等关键技术进行了相关研究。

1 省级气象业务WEBGIS平台的搭建

省级WEBGIS平台建设是一项面向气象业务、服务的系统工程，有几方面难点需解决：

①基于省级气象业务及服务实际应用需求搭建WEBGIS平台数据中心，实现对多源异构数据的高效管理，管理的数据包括地面观测、高空观测、雷达、卫星等海量气象数据，矢量、影像、DEM等空间数据及交通、水利等行业用户数据。数据中心以需求为引导对数据进行清洗、整理，并按时间、空间、主题等不同维度实现各类数据的集成。

②基于省级气象业务用户、行业用户应用需求搭建气象信息与GIS空间数据灵活的，功能易于扩展的平台。通过数据中心，业务人员能按需定制多项空间数据服务及空间数据处理服务，实现对多种气象资料与平台基础数据的多种时空维度进行耦合，整合气象分析模型、插值计算、叠加处理，并对其进行可视化、空间查询、统计分析，为所需部门提供辅助依据。对于需要生成逐时、逐期的产品能够配置相关辅助数据库，形成工作流，做到主题产品的定时生成，自动动态发布。

③搭建高效、稳定的省级WEBGIS平台支撑环境。气象数据处理、与GIS空间融合等时空分析操作一般具有消耗资源多、运算时间长等特征，加上平台面向省级业务又具有并发量多、吞吐量大等因素，应合理分配计算资源，引入集群、负载均衡等技术优化系统性能，做到平台快速、高效，无障碍运行。针对相关需求参考国内外多处WEBGIS平台组建方案[5-8]，基于MAPGIS K9平台搭建了面向省级气象业务WEBGIS平台。

1.1 WEBGIS平台数据中心的搭建

WEBGIS平台涉及省级大部分重要气象业务和服务，所需管理的数据种类繁多、来源广泛、结构差异化很大。基于MapGIS K9数据中心，在详细分析多类气象数据、空间数据结构情况下，根据该省需求建立起了面向气象业务的数据仓库，实现对多源异构数据高效、统一管理。

1.1.1 结构化数据管理。

气象部门随着气象现代化不断推进，资料呈海量增长，包含14大类、498个子类、1 500个细目的气象观测数据和产品。根据省级实际情况，制定相应的标准、规范，将地面观测、高空观测等结构化的气象资料引入按规则进行数据清理导入该省Oracle关系数据库，数据中心通过非空间数据管理模块与结构化数据远程适配相连。通过统一的标准，可以整合交通、水利等行业部门数据，增强数据中心的可扩展性。

1.1.2 非结构化数据管理。

对于雷达及拼图、气象卫星、地图等多源影像非结构化栅格数据，通过数据仓库按比例大小、投影变换、多层次等属性提取共性功能，按种类、时次特征组织相关数据;而对于基础地图矢量数据按照地图显示层次级别、比例尺寸、瓦片特征等多属性进行管理，从而实现多源影像数据、矢量数据等空间数据的一体化管理。

1.1.3 数据仓库的规范与调优。

基于省级业务规范，以统一的方式整合管理空间信息、文档信息、元数据信息、多媒体信息等数据，通过规范化，数据仓库无需格式转换就可以直接管理多源异构数据。为提升数据仓库管理效率，搭建了仓库目录树和数据索引，并针对业务需求对数据按年份、区域、气象要素分类等做了相应的聚合和汇总，能动态实现对数据从不同侧重点、不同视角的管理。

1.2 WEBGIS平台气象业务与服务功能的整合

利用平台数据中心，按业务与服务需求生成气象专题产品并及时动态发布是平台的核心任务，也是难点任务。省级WEBGIS平台涉及到的数据多，包括预报产品、分析产品、探测数据（包括雷达、卫星云图、自动站、风廓线、微波辐射计等），平台依靠强大的样式文件配置环境与灵活的工作流二次开发技术，能够及时、规范、大批量地完成多种类、多时效、多区域、多角度、定制气象专题产品的制作。

气象专题产品的生成一般按图1中的流程进行组织管理。

图1 专题产品管理流程

1.2.1 样式文件配置管理。

同一气象专题产品一般具有统一的规范性，颜色方案、地理范围、制图特征，以形成具有统一风格的气象专题产品。平台面向省级业务，样式文件因实际需求不同要对参数有相应的调整，如全省气温图例就不适应于市、县级区域的同产品图例，同地区因季节的变化气温图例也不同。平台样式文件一般存放在Linux服务器，操作繁琐、不直观，对点、线、面编辑相当困难。该平台修改样式文件一般离线下载Windows环境进行操作，跨平台数据以XML数据文件交换，通过处理程序解析可对地图区域、配色方案、矢量、影像图形等多属性进行可视化编辑，修改后的样式以XML方式提交给服务器后台更新同步，完成地图、图层样式文件的配置。

1.2.2 工作流配置管理。

气象专题产品生成如果直接对GIS操作并与气象资料集成是较为复杂的一个过程。为了降低平台使用复杂性，提高业务处理效率，平台引入了工作流机制，按需对业务逻辑进行不同组合形成大的功能模块，搭建完成气象专题产品。平台工作流模型采用“框架+可聚合的插件+功能库”的实现机制，针对不同的应用需求加载不同的插件模型实现“熱插拔”。气象功能仓库中提供了丰富的气象业务处理功能模块，同时包含气象业务数据处理的各种插值算法，通过方法注册、节点编辑、流程调整即可以实现对气象业务功能的组合，按流程获取配置文件，获取业务数据、插值投影变换、图层叠加合成产生所需的专题产品。生成的产品通过流程编号、产品编号等信息进行统一发布，根据产品生成时次、状态在系统中进行WEBGIS展示。如基于工作流模型生成的小时最高气温的等值线图（图2）。

图2 定制的气象产品

1.3 WEBGIS平台高可用支撑环境的搭建

WEBGIS平台面向气象业务涉及大量数据库表操作、数据处理、空间分析及图形运算，加上平台面向省内众多气象业务部门及相关行业部门，访问量高、并发性强、突发性大、平台承载负荷较大，需提供良好的支撑环境以保障平台的稳定。从以下几方面保障平台的高可用性。

1.3.1 负载均衡。省级部署GIS于8台Linux服务器、核心业务区4台（2台组成集群负责图形产品生成和工作流的配置，2台负责组成WEBGIS展现服务）用于省级内部气象业务、服务单位。按安全级别规划单向DMZ、双向DMZ行业区各2台，组成集群负责GIS的展示，用于重要行业部门和一般用户。各区域采用Apache + JK + Tomcat集群技术实现其高可用性。JK模块是Apache服务器的扩展模块，根据负载均衡算法分配Tomcat集群资源，并实施HTTP协议到与集群相关的AJP（Apache JServ Protocol）协议相互转换。

客户端以 HTTP协议发出请求，经过Apache服务器到JK模块，然后根据集群列表信息选择合适的后台服务器来进行处理，将 HTTP 协议的包组装成 AJP 协议格式的包，选取一条空闲的链接，发送给后台的 Tomcat 服务器。等到后台将数据发送过来时，接收并解析AJP协议，重新组装成 HTTP 协议，然后把结果发送给客户端（图3）。集群具有良好扩展性，可根据

图3 负载均衡流程图

省级业务负载情况灵活搭建负载均衡环境，保障WEBGIS平台高可用。

1.3.2 平台功能模块基于稳定框架开发。WEBGIS平台采用成熟的Spring MVC + Hibernate开源开发框架构建，扩展性良好，实现了各程序功能模块的耦合松散，对象/关系数据库完整映射，平台搭建以来一直运行稳定高效。

1.3.3 性能优化。对平台整体分析，合理设置系统相关参数，优化处理流程的各环节，监视相关服务进程执行情况，将处于非活动的服务进程释放资源，提高资源利用率。

2 应用

基于省级WEBGIS平台，省级气象资料有了更为广泛的应用场合。基于平台统一的数据规范，能够跨行业整合丰富的、多源的、异构的实用信息。如将气象要素温度数据融合到了洞庭湖区域的公路信息及卫星影像信息之中，通过与公路信息融合能有效提高交通气象服务的精细化程度，通过直接与复杂地形、水系特征融合能辅助提高中小尺度预报的质量（图4）。

图4 气象资料与公路交通信息（a）和卫星影像（b）融合

3 结论

根据省级气象业务和服务工作所需，搭建一套面向气象业务高效、稳定、省内多业务单位能共用的专业WEBGIS平台。笔者针对平台多源异构数据的高效管理，多种类、多时次、多维度气象专题产品定制生成及省级平台服务器高可用性等关键技术做了相关研究。通过WEBGIS平台的引入，使气象信息能够更好地满足气象业务、服务和科研工作，对于气象数据和产品的空间分析、可视化发布及跨行业实现信息共享具有非常积极的意义。

参考文献

[1] 樊文有，龚杰，李倩.MapGIS气象专题产品配色方案制作的研[J].地理信息世界，2012，10（4）：44-48.

[2] 吴焕萍.GIS 技术在气象领域中的应用[J].气象，2010，36（3）：90-100.

[3] 杨军，熊晓洪，宋启堃，等.基于三维GIS的地县级气象服务平台[J].气象科技，2013，41（1）：78-82.

[4] 董学士，毕硕本，郭文政.基于GIS气象查询服务系统的设计和实现[J].微计算机信息，2010，26（3）：146-147.

[5] 杜朝正.基于GIS的傳统插值方法比较研究——以山东省多年平均气温为例[J].安徽农业科学，2013，41（33）：12939-12941.

[6] 喻圣博，邹自力，侯磊磊，等.基于MapGIS K9平台的永久性基本农田建库研究——以南城县为例[J].安徽农业科学，2013，41（32）：12741-12742.

[7] 史彩霞，李耀先，李莉，等.基于WEB和GIS的“自然物候与气候变化关系的研究”系统平台的设计与开发[J].安徽农业科学，2012，40（1）：388-391.

[8] 王涛，刘金平，杨贺.基于MAPGIS的山体资源特殊保护区数据库的建设[J].安徽农业科学，2010，38（18）：9924-9926.