基于WebGIS的气象信息服务系统的设计和实现.doc

中 国 矿 业 大 学级 硕 士研究生选题报告 选题名称： 基于WebGIS气象信息服务系统设计与实现 学 院： 环境与测绘学院 学科专业： 地图制图学与地理信息工程 研究生姓名： 刘 茜 茜 导师 姓名： 孙 亚 琴 中华人民共和国矿业大学学位管理办公室制 5月 23 日目 录1 研究背景及意义12 气象WebGIS研究现状22.1 GIS在气象应用中研究现状22.2 WebGIS研究现状及局限性43 研究内容、技术路线53.1研究内容53.2技术路线64 核心问题与难点分析74.1核心问题74.2难点分析75 工作筹划85.1论文选题阶段85.2论文完毕阶段86 经费预算87 论文提纲91 研究背景及意义随着科技不断进步，一方面，人们生活水平不断提高，对生活质量规定也越来越高，对天气气象条件关注也越来越多1-3；另一方面，以气象条件为基本工农业生产，她们关注不但仅是天气，而是将来一段时间甚至半年气象分布，并且规定相对精确4，5；尚有，对科研工作者，气象学家来说，气象分布是她们研究重点6-8，如何及时精确检查她们研究办法、手段对的性也是非常重要问题。气象预测不精确不但严重影响人们生活，也会对工业特别是农业生产导致极大破坏。然而，虽然能精确预测气象分布状况，但没有适当方式展示，或不能以 Web方式展示，同样不能满足当前生活需求。相反，如果可以精确预测气象分布，并能以直观可视化方式展示在互联网（Internet）上9-12，将完全是另一幅景象：有了精确天气预报和以便浏览、查询方式，顾客就能依照实际状况做出相应筹划或调节；有了直观、可靠、实时气象分布，工农业生产会有充分准备13-19。如果预测有什么劫难性天气，农学家或农业方面决策者将做出有关防止办法以减少损失，那么由减产带来一系列社会影响（物件上涨，通货膨胀甚至经济危机等）也会随之缓和甚至避免；有了实时、动态气象分布图，气象学家就能及时掌握将来气象分布状况，进而给出合理气象预报，并将此作为进一步研究根据20-22。这种动态分布也能及时反映出科研办法或手段对的与否，不但为科研提供参照根据，并且能提高科研效率。当前，国内对气象研究更多是关注如何收集气象数据，如温度、水分等，以及如何存储这些海量数据，但是并没有较好运用这些数据；已有研究大多是基于桌面。如今，互联网已进入了咱们生活23-29，咱们每天都通过网络来获取信息，足不出户便能知晓天下，便能生活自如。随着基于 Web 地理信息系统（WebGIS）发展30-33，将气象资源和地理资源紧密结合起来，可以使这些静态气象数据变成栩栩如生图画，为人们生产生活提供以便34。如何将这些海量气象数据以气象分布图形式展示在地图中，并实时发布到互联网上，将这些重要信息为人们所用？将是核心所在。针对徐州当前地质灾害预警服务系统反映出来问题和薄弱环节，徐州气象信息服务系统重点解决如下几种方面问题：（1）多源信息源各自独立，未形成统一多源信息集成模式；（2）服务系统自动化限度低，功能决策重要根据人为分析、判断为主，新技术、新办法应用欠缺，大大影响服务时效；（3）定性预报预警占主导，定量化预警缺少技术支撑，精确率有待提高；（4）服务产品形式单一，重要以手工输入文字方式为主，信息发送方式单一、零散，致使效率低下；（5）老式服务气象信息区域空间差别难以体现，且可视化限度低，服务效果亟待优化。开发徐州可视化气象服务新平台，开发及时、可视、决策、自动特色服务系统，建立一种及时、精确、高效，开放式具备互动功能集基本信息、气象预报服务和综合探测为一体综合显示平台，将获得多源信息集成在一种系统内，提供直观、可视服务功能35-44，顺应气象事业发展规定,更好地向全社会提供丰富生动、科学精细服务产品。2 气象WebGIS研究现状2.1 GIS在气象应用中研究现状近几年来,国际上许多国家和地区普遍开展了将GIS技术应用于气象研究和尝试,收到了一定成效45-47。GIS对于气象学和气候学研究重要性已经被普遍接受,美国大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCA助为了将GIS技术引入到大气科学,于成立了由某些交叉学科人员构成GIS研究组织48,并于和两次召开“地理信息系统在天气、气候及其影响研究中应用”研讨会。为了发展GIS在气象学和气候学中应用,科学技术领域欧洲协作研究筹划提出了COST719筹划,这项开始于,有18个欧洲国家参加研究项目,其重要目的为:与GIS产业密切合伙,建立GIS与气象数据接口,评估气象和气候数据实用性、内容和可获得性,勉励和哺育GIS在气象和气候研究中合伙发展,增强国家气象服务机构、研究团队和GIS产业联系。美国国家天气服务中心（NWS)将GIS用于天气服务和Internet上天气信息发布49。印度中尺度预报国家中心将中尺度预报模式与GIS结合,运用GIS可视化和空间分析功能制作天气图和天气分析50。Daly在GIS支持下,集成精细DEM模型,发展了PRISM气候分析系统,其气候分析和描述能力明显提高51。Shipley在研究GIS应用于气象学领域基本上提出了“GIS就是天气解决系统”断言46,给出了GIS气象学(METEGIS)概念52。全球知名美国环境研究所(ESRI，Environment System Research Institute)成立了专门小组研究气象专用数据模型来扩展ArcGIS47。国内在近年也开始研究GIS在气象中应用,并获得了明显成效。如赵荣研发西安市决策气象服务系统通过收集、整顿实时降水、农气情报,记录历史降水、气温等气象信息,并将这些信息进行图形化、表格化解决,可以迅速、直观、全面地提供决策气象服务所需气象信息和服务产品,该系统虽然实现了气象信息可视化表达,但是没有进一步挖掘历史信息。黄阁53等人开发辽宁省决策服务信息平台重要实现了决策气象信息记录分析、模板化编辑、规范化发布、知识库信息查询等功能,以便了气象决策服务信息地制作和发布。刘安麟24等人开发基于WEBGIS技术陕西省气象信息共享系统实现了在较高精度地理信息支持下全省800余个气象站点信息三维场景下实时显示、查询定位、时间序列图、等值线分析以及数值预报产品、遥感、雷达等有关信息地显示和叠加等功能。南京大学等单位在微软.NET 平台上采用 C#语言编程，从底层开发成功面向气象应用专项型地理信息系统一一气象地理信息系统（MeteoGIS）。该系统以满足气象防灾减灾工作对 GIS 功能迫切需求为目的，实现了一种拥有自主版权独立 GIS 内核，不依赖于任何商业 GIS 系统及其二次开发接口。香港天文台黄秋平等人，运用地理信息系统技术成功将多项地理参照信息放在闪电位置图上，以便市民清晰辨别闪电发生位置。此外，还将雷达探测雨区位置叠套于闪电位置图上，协助市民理解闪电在雨带中分布状况。是闪电定位技术和地理信息系统技术向大众普及一种重要贡献。这些系统都较好地实现了某一方面功能以满足某一业务需求,但是综合起来看,它们大都只运用了GIS最基本叠加显示功能,GIS强大空间分析功能都涉及甚少。综合以上不难发现,当前既有成熟商业GIS软件在气象领域中应用并不是很成功,因素归纳为如下几点54:l)不能较好解决气象时态数据,这是GIS在气象领域应用不多重要因素之一;2)由于气象是个专业性很强应用领域,虽然己有多方面关于GIS在气象中应用,但重要集中在图形叠加显示等简朴应用,没有较好支持气象应用模型集成;3)使用复杂,气象工作科研人员常将GIS作为可以制作美丽图片制图工具,忽视了GIS强大数据管理和分析功能,给该技术普及带来一定困难;4)既有商业GIS软件中相称一某些功能并非气象部门所必要,而气象应用部门所需要某些功能不具备或不够强大;5)软件价格昂贵,作为社会公益性事业部门气象部门难以大量引进虽然当前GIS在气象中应用还比较简朴,但是GIS解决地理信息特点以及强大软件平台,决定了GIS在气象中应用前景,随着GIS和气象科技进步,GIS将在气象领域各个方面具备更进一步应用,此后GIS应用应当着重发挥其在气象气候数据进一步探求以及多源数据融合应用上。关于 GIS 和气象结合方面研究诸多，关于于 GIS 在气象灾害方面研究55,56，关于于 GIS 用于特定数据类型分析研究57，尚关于于 GIS 技术和气象领域结合框架理论探讨58。在多源气象数据综合分析方面，国内外学者在天气现象个案分析和系统分析方面，获得了众多成就59-62。总结前人经验，可以发现多源气象数据叠加在气象研究领域巨大潜力，势必成为了气象领域和空间科学相结合一种热点方向，有着不可代替重要意义。2.2 WebGIS研究现状及局限性WebGIS是运用交互Web技术扩展和完善地理信息系统一项技术,核心是于GIS中嵌入HTTP原则应用体系,实现空间信息管理与发布,是GIS领域重要发展方向63一66初期WebGIS重要以数据显示与简朴査询为主,与实际业务结合功能较弱,无法实现桌面GIS高档操作。随着信息技术发展,业务需求增多,顾客期待体现形式更美观、功能操作更丰富、构架方式更合理WebGIS67-72。老式WebGIS实现技术可归纳为瘦客户端和胖客户端两种方式73。瘦客户端采用原则Web技术,如HTTP、HTML和JavaScript74,75,地图信息由服务端动态绘制,生成栅格图片后发送给浏览器显示。此方案对于客户端规定较低,易于实现与布置,但受浏览器限制,生成如JPEG、PNG等格式栅格图像体现形式单一且交互能力较差,解决成果频繁地从服务端返回,导致页面不断刷新,甚至浮现白屏,顾客体验不佳76,77,并将大量计算工作分派给服务器端完毕,空置了客户端计算资源,使得系统负载不均衡,无法达到桌面版显示效果和数据解决能力。胖客户端则是通过安装插件来增强浏览器能力,代表技术有Plug-in、Server APL ActiveX控件和Java Applet等。该方案将GIS分析与数据解决工作置于客户端执行,前端体现力强,交互性较好78一84,但由于采用了非原则化Web技术,每个应用都需下载插件并布置安装环境,安全性不高,难以广泛应用,更重要是其不能基于已有GIS平台组件扩展,针对不同浏览器环境,功能需重复开发,开发过程复杂且周期长。3 研究内容、技术路线3.1研究内容（1） 气象数据转换读取与数据库建立气象资料种类繁多，数据庞大，老式气象资料都重要以文本形式存在，目录构造复杂，不便于查询和使用，专业气象要素文献有固定格式，非专业人员难以理解。因而，需要将专业气象数据转换为普通顾客易于使用数据格式存储。采用数据库技术统一规范气象数据分类，管理气象科学数据共享，建立一种高效安全易于使用数据存储模式85,86，便于迅速地获取所需气象资料，精确快捷地让公众检索查询自己所需气象资料或者是产品。（2）气象数据实时监测与数据库更新气象要素信息涉及自动站信息、短期气象信息、雷达云图等各种气象要素信息，并且这些气象要素信息具备实时动态更新特性，例如自动站报文数据10分钟就会更新一次。需要对动态更新数据进行读取和存储，系统必要设计一种实时监控模块，用于检测变化气象业务数据，将这些动态变化气象要素数据转换为系统所需格式，实时更新到相应数据库表中87一90，保证顾客及时获取所需气象信息。（3）面向气象要素空间分析与查询， 系统提供体现形式美观、功能操作丰富、构架方式合理WebGIS，告别了老式Web上发布气象服务可视化手段单一、功能简朴、分析记录功能薄弱等以静态分析产品或图形为主旧时代。良好交互性可以使顾客自主地与气象业务系统进行操作，选取感兴趣数据进行表达，而不用被动接受数据。（4）等值线专项图生成以及基于web三维可视化运用插值技术生成气温和降水量及其她气象要素等值线和等值面图91-93，可以直观概览区域气温和降水量状况，基于web三维表达，为顾客提供生动立体视觉效果，增强GIS视觉效果表达功能94。3.2技术路线研究过程中，以 WebGIS 软件工程学思想作为指引，通过数据库研究设计、系统架构研究及系统功能研究三个环节，来实现多源气象数据综合分析系统设计。数据库设计，多源气象要素数据转换和读取是系统分析基本，拟定系统应用方向；系统架构研究，通过对 GIS 组件、应用需求等合理地整合，实现对系统构造总体设计；系统功能研究，即依照系统建设目的，遵循经济实用开发原则，通过与合伙单位充分交流，设计和完善系统功能。系统开发实现技术路线图如下所示。图1 技术路线图4 核心问题与难点分析4.1核心问题（1）专业气象业务数据读取 本人非专业气象人员，对庞杂气象要素数据缺少理解，单是读懂纷繁复杂气象要素数据就需要耗费很大精力，并且如何将这些海量气象业务数据转换为系统所需格式录入到数据库中是难点所在。（2）数据库建立气象要素总类繁多，数据量庞大，特别是自动站观测数据,其数据量极大,采用常规办法效率低下,特别是在建库初期,效率更是瓶颈。如何建立合理数据库系统便于顾客便捷高效查询气象信息是一种至关重要问题(3)气象要素数据实时更新气象台站观测资料具备极强实时性,例如自动站数据、雷达云图数据,实际业务普通需要迅速生成各种图形、报表等进行信息发布，如何将这些最新数据进行实时转换并且录入到数据库95，96，供专业气象人员和顾客使用是气象信息服务系统建设此外一种核心问题。4.2难点分析（1）插值技术难点运用徐州气象信息中心提供气象数据，通过插值技术，生成气象要素等值线和等值面图会超过行政区界线，需要做解决，将格点式气象要素数据与底图数据进行统一。如何使用高效插值技术是一种难点问题，会直接影响到系统运营效率。（2）系统运营效率如何有效编写代码，合理组织程序架构，提高系统运营效率建设高直观、便捷、内容丰富气象信息服务系统97-99，并且保证多顾客同步访问可以高效解决顾客提出祈求是系统设计另一种难点问题。5 工作筹划5.1论文选题阶段2月一3月 论文选题收集论文某些有关资料、数据、阅读大量有关论文和理论，整顿思路，明确论文大纲，形成整体思路。4月一5月 完毕开题导师组织完毕开题、修改、完善研究办法及路线，充实研究内容。5.2论文完毕阶段4月一8月 气象要素数据整顿对理论研究进行进一步地完善，整顿收集到多源气象资料、数据，分析气象要素数据，设计数据库，并将气象要素数据入库。8月一11月 系统整体架构设计与实现 依照需求设计系统架构，并进行相应开发工作，继续收集气象要素数据资料，以便对理论研究进行更好证明。11月一1月 完毕论文草稿1月一3月 完善修改论文3月一5月 准备论文答辩6 经费预算项目经费预算（元）书籍购买1000资料调查、收集5500版面费论文打印及装裱500送审及答辩1000总计100007 论文提纲1绪论1.1 研究背景及研究意义1.2 国内外研究现状1.3 研究目、内容和技术路线1.4 本章小结2系统设计122.1 系统体系构造设计2.2 系统功能模块设计3系统实现33.1 数据库设计3.2 数据组织与管理3.3 系统开发技术简介3.4 系统开发实例简介4系统运营效率分析12344.1 性能测试工具简介4.2 测试成果分析5结论与展望1234565.1 论文结论5.2 展望参照文献1何险峰等，GIS在公共气象服务网站应用. 计算机应用与软件，(02):227-230+27.2李建等，WebGIS技术在浙江公共气象服务平台中应用. 浙江气象，(S1):33-36.3王京丽等，大都市气象服务信息系统数据存储体系框架设计与实现. 气象技,(06)：409-412.4袁进军等，WebGIS测绘信息管理系统设计与实现. 测绘科学，(06)：200-202.5史彩霞等，地理信息系统及其在广西气象业务服务中应用. 气象研究与应用，(01)：41-43+46.6李兴宝与侯方，基于C/S模式气象资料自动下载系统. 气象科技，(05)：609-612.7王建国，气象服务面临新形势及应对方略. 山东气象，(03)：21-23.8张红杰等，气象降水分布图制作中插值算法研究. 气象，(11)：131-136.9朱敏与叶田，Internet上气象信息网站建立办法. 山东气象，(04)：35-36. 10刘翼君与胡湘云，XML在WebGIS中应用. 科学技术与工程，(06)：1095-1097+1106.11向南平与彭海波，基于JAVA/XMLWEBGIS研究. 河北理工学院学报，(03)：46-48+52.12武发新，药明与晏晓英，运用ASP技术实现Internet上气象信息动态访问. 吉林气象，(01)：27-28.13李青春等，短临交互预报系统在奥运会气象服务中应用. 气候与环境研究，(05)：560-570.14周峥嵘，王琤与何文春，分布式气象元数据同步系统摸索研究. 应用气象学报，(01)：121-128.15唐卫等，基于GIS气象服务产品后台制作系统. 计算机工程，(17)：232-234.16傅希德等，基于WebGIS技术专业气象服务网站业务系统. 水电能源科学，(08)：128-130+198.17庞晓琼，陈立潮与陈文俊，基于Web服务气象信息发布服务系统. 计算机应用与软件，(09)：88-90.18卫建国，王建林与庄立伟，气象软件设计模式研究与实现. 计算机工程，(09)：59-61+64.19明德廷，基于Web农业气象信息系统开发及应用. 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