气象预警信息综合发布平台的设计与实现

王, 段燕楠, 姚 愚, 何 俊, 甄廷忠, 张秀年

(1.昆明市气象局,云南昆明650034;2.云南省气象局,云南昆明650034)

1 引言

近年来,随着中国极端天气事件增多,突发性、局地性气象灾害呈现多发、频发、重发态势,气象灾害监测预警及信息发布工作面临着严峻挑战,传统、单一、低效率的信息发布方式已难以满足日益提高的气象服务需求,各地气象部门非常重视气象监测预警信息发布系统的建设,从提高气象预警信息准确率及制作发布的实效性和针对性出发,利用GIS、数据库、WAP Push、SMS、GPRS等多种信息技术或手段,以C/S、B/S等多种结构在气象监测预警以及信息发布工作方面做了大量研究。其中吴孟春等利用无线通信网络GPRS实现了预警终端的数据传输以及建立了气象信息管理平台,实现了气象灾害预警信息的发布;罗保华等[1]从提高气象预警信息准确率及制作发布的实效性和针对性出发,应用电子地图和雷达产品、区域自动站等资料的叠加,研发了地市级气象灾害短信预警系统;深圳市关于气象灾害分区预警系统研究实现了分区预警信号自动提示、编辑、制作和各传播渠道的自动分发[2];此外福建省、河北省也分别以全球地理信息系统(GIS)为基本模式和针对山区地质灾害预警方面做了大量研发工作[3-4],全国各地其他气象部门在气象监测预警信息发布方面也做了大量研究[5-6];针对GIS技术的应用,段英杰等就基于Mapx控件的GIS系统建设进行了探讨与实践,王斌贝等[7]也基于delphi和MapObjects论述了桌面GIS系统在气象自动站方面的应用。

结合各地气象部门在预警信息制作发布上的经验及现代信息技术的发展,昆明市气象局为集成电子显示屏、气象预警机、手机短信等多种气象服务信息的发布手段,提高对外服务的信息化水平,组织开发了基于GIS的气象监测预警信息综合发布系统。

2 系统设计

2.1 系统功能设计

图1 气象预警综合发布平台实体关系图

系统在功能上以实现电子显示屏、气象预警大喇叭、决策手机短信以及WEB网站等各类信息终端基于GIS平台的信息综合发布主要目标,利用当前主流的信息技术将观测产品获取及显示、确定预警范围、信息综合发布有机的统一在一起,简化工作流程,提高对外服务的信息化和自动化水平。主要功能分为以下5个方面：无锡、华创两类自动气象站的数据整合读取;获取雷达回波产品并在GIS平台上的叠加显示;以图形、矩形、多边形(圈、框、勾)选的方式在发布平台界面上确定气象预警信息发布的地理范围并自动对地理范围内所属的信息终端进行查询;将多类终端的信息发布整合到本系统;其他相关辅助功能。

2.2 系统开发环境

系统开发的编程语言使用CodeGear Delphi 2007,在网络数据库MS-SQLSERVER的支持下,采用C/S(客户/服务器)模式,嵌入Arc MapObjects地理信息控件,使用本地Shape矢量文件支持系统GIS资料访问,内置独立数据库访问模块,是一个集信息综合发布、数据库、GIS和雷达图形产品为一体的综合系统。系统使用的资料有：存放在网络数据库中的两要素气象观测资料(包括逐小时降水量、气温);GIS本地Shape矢量文件(雷达探测范围的区域边界、作为点对象存储的气象电子屏、气象预警机、决策服务手机终端的图层文件);1000*1000分辨率、GIF格式的基本反射率(Base Reflectivity)、组合反射率(Composite Reflectivity)的雷达回波图形产品。

2.3 系统架构设计

系统设计了具有4层逻辑结构的框架体系：数据层、操作层、应用层以及用户层。除了最高层次用户层直接实现终端服务以外,低层3个层级结构业务逻辑分离,在实现中可以分布内部局域网、外部联网的信息设备中,层次基于不同的功能明确划分,为系统的有效运行创造了条件。数据层主要包括由区域自动站资料服务器、国家级气象站资料服务器获取自动气象站实时数据,由多普勒雷达资料服务器获取GIF格式图形数据,支持地理信息系统的本地Shape矢量文件。操作层通过采用delphi开发或使用具有独立功能的通用组件,包括地理信息组件(Arc MapObjects组件),数据库访问组件(ADO)等。应用层主要实现获取操作层传递的数据并将写定的气象预警信息发布到手机、电子显示屏、气象预警机等终端。

框架模型通过以下技术处理来满足实际需要：在数据层中,通过利用SQL Server数据库的作业调度、视图处理实现不同自动气象站数据的整合,基于FTP技术实现雷达回波图形产品的实时调用并在本地存储Shape矢量文件,将各类产品和相关地理信息资料也纳入统一管理。在操作层中,结合数据库访问组件(ADO)编程实现自动站资料库的数据访问,利用Arc MapObjects组件实现地理信息系统功能,基于各类信息终端提供的信息发布接口,通过结合Web Service的信息技术编程实现不同终端的信息发布。在应用层实现各种信息发布功能模块的集成,通过接口和系统将功能相对独立的不同终端的信息发布集成在一起,为用户层提供统一的气象灾害预警信息,实现系统设计的总体目标。

2.4 系统流程

由于系统涉及到的功能较多,因此需要对整个系统的业务流程进行规划,根据业务功能的需求及系统框架模型的特点,将整个系统流程划分为基础数据产品获取,数据产品的处理及GIS功能的实现、信息综合发布3个部分,系统首先须获取自动站、雷达回波等基础观测数据产品并将其集成于系统之中作为下一步预警范围确定的参考,其次是综合各类产品,结合预报,基于GIS功能实现预警内容和预警范围的确定,最终通过各类信息终端的数据接口实现预警信息在平台之上的综合发布。

图2 系统框架模型

在数据获取过程中,首先基于内部网络,读取数据库内国家级气象站及区域自动站的观测数据,同时应用ftp技术获取存放于服务器上的固定格式雷达回波图形产品,加以配准后作为图层叠加于地图之上,结合短时临近天气预报,以此作为确定预警信息范围的依据。

地理信息功能的实现主要体现在GIS本地Shape矢量文件(区域边界、信息终端图层)与雷达回波图形产品的叠加显示,基于地理信息系统的空间关系、对象查找等功能,以图形、矩形、多边形确定预警的地理范围并实现范围内信息发布终端的选择。

信息发布方面,由于多种终端分别基于GPRS、CDMA1X等通信技术实现信息的发布,如果重新编写所有终端的信息发布程序存在效率低、难度较大等问题,在设计过程中,主要考虑利用设备提供商或网络运营商预先开发的信息发布接口来编写程序,以插入电子屏数据库记录发布电子屏信息,利用电信提供的Web Service短信发布接口发布决策预警短信,利用http协议发布数据包到互联网实现插入发送记录到预警机信息发布平台的功能,最终完成各类预警信息在平台上的综合发布。

3 系统功能及实现

3.1 综合观测数据的获取

自动气象站包括国家级站点和昆明地区区域自动站,根据业务需求,国家级气象站数据通过内网光纤直接进入省级气象部门数据库,需要通过远程登录到省局的SQL数据库获取数据并将其实时同步到本地。

区域自动气象站的观测数据则基于GPRS技术发送到本地数据库,当前昆明地区主要采用无锡和华创两类站点,为了实现数据在系统上的高效查询,需要提前整合两类数据,主要是利用Microsoft Sql Server的数据同步、SQL代理、作业调度、视图等技术,在SQL服务器上部署作业,逐小时将两类站点的雨量数据同步到同一台服务器下的同一个数据库,再通过自定义SQL的SELECT语句以检索数据来创建视图,将分属两个数据表的无锡、华创自动气象站数据按照统一的字段名、统一的字段格式导入到同一个视图,实现数据的虚拟整合,便于后续软件编程工作中对数据的提取及运算。

以上的sql语句功能为创建视图ALLStation(整合数据后的视图),并将其字段统一为华创自动站的字段名称,以便在对两类自动气象站使用统一的代码对视图AllStation进行数据库操作以实现数据的统计查询,简化了数据查询部分的程序编制工作。

雷达观测产品是短时临近天气预报的重要参考依据之一,通过雷达回波所处的位置、强度及移动的方向与速度可以判断短时间内局地天气过程发展的趋势,对于预警信息地理范围的确定有着重要的参考性。

目前,由昆明市气象局开发,在全省推广使用的云南省雷达拼图软件以GIF图形格式为软件终端提供产品,这一模式已相当成熟,基于该模式,在棋盘山天气雷达站的产品生成服务器上增加功能,实现定时以固定格式、固定分辨率生成昆明雷达回波图的GIF图形格式产品并发布到指定的FTP服务器,以便预警信息综合发布平台的实时调用并将其作为确定预警地理范围参考依据的Image图层叠加到系统中的地图图层之上。

3.2 地理信息功能的实现

3.3.1 相关功能描述

系统采用ESRI公司供开发人员使用的制图与GIS功能组件(ActiveX控件)MapObjects实现,基于MapObjects,可以实现多个图层的地图操作,选择要素特征的统计,查询和更新选择要素特征的属性数据,基于要素统计制作各种专题分析图。

图3 气象预警综合发布系统流程图

访问数据库进行各种数据统计不是Mapobjects的强项,因此在该系统设计中,访问数据库,基于时间、站点等条件对气象数据分析统计的功能部分由面向对象的程序设计语言Delphi完成,并将统计结果按指定格式导入MapObjects的图层数据存储文件(*.Dbf)文件中供系统调用。自动站站点信息及数据在GIS平台上数据的查询通过Mapobjects的SearchExpression功能实现查找点或者是点定位,再将查询到的点数据作为新的查询参数对Dbf数据库进行再次查询,从而得到查询的结果数据并在系统中显示,作为基础数据供下一步信息编辑、发布工作参考。

自动气象站、电子显示屏、气象预警机、决策服务手机均作为点对象图层在系统中逐一叠加,同时将雷达回波的图形产品通过进行地理配准,以图形分辨率、图形范围经纬度进行换算,编辑图形配准文件,确定图形的每一个像素在地理坐标上的精度,使图像数据与具有大地坐标的Shape数据精确集成在一起。此外,为了实现更加方便、准确的定位,也可以采用ArcMap提供的Georeferencing工具,在无投影、无配准的雷达回波GIF文件与雷达探测范围的区域边界之间添加多个控制点后自动生成配准文件(*.gfw),实现雷达回波在GIS平台上的精确配准、叠加显示。

MapObjects可以识别地图上被选中的元素,通过线,方框,区域,多边形,圆来拾取物体。基于 MapObjects提供的开发接口,系统的程序部分在选择圆、矩形或多边形的选择方式后,对电子显示屏、气象预警机、决策服务手机的图层逐层进行查询操作,判断各图层位于已确定地理范围内的信息终端。

3.3.2 部分功能的代码实现

限于篇幅,列举部分代码如下：

以上代码为实现鼠标在地图空间上移动时自动判断若移动到自动气象站某个站点之上则显示该站点的基本信息。

以上代码为实现查询单一图层站点是否在选定的地理范围(rect)之内,如果确定这将其与信息发送相关的站点信息保存到一个字符串以备信息发送功能模块的调用。

3.3 信息发布

考虑到重新编写较底层的Socket通信程序效率较低且存在稳定性问题,信息发布功能设计方面主要从应用角度出发,在结合地理信息系统技术确定信息发布终端的前提下,基于数据库技术、http协议、Web Service等信息技术,利用设备提供商、通信运营商提供的信息发送接口,实现预警信息到多种终端的统一发布,同时为下一步实现预警信息到本地气象网站及其他WEB服务平台的同步发送预留接口。

系统提供预警信息的人机交互编辑功能,可通过下拉列表快速选择预警信息类型、预警等级,发布单位、预警时效等预警信息相关内容,预警发布的行政区范围可通过勾选指定的县市区来确定,通过程序智能组合、在预警信息内容的文本框自动确定信息编辑时间并生成预警信息。简化了信息编辑的流程。

3.3.1 电子显示屏信息发布

昆明地区的电子显示屏信息发布目前已有成熟的发布平台,后台的发布程序经测试可支持至少4000个以上终端的信息发送,原有的发布平台是先按固定的格式将需要发布的预警信息的类型、内容、时效、影响范围、发布站点等相关数据写入SQL Server的数据库表中,供多线程的Socket通信程序调用后,基于GPRS技术,通过中国移动的通信网络将预警信息发布到终端。

系统中,通过确定预警范围可确定作为信息发布对象的电子显示屏并读取出终端硬件ID号,系统根据选择的对象,将通过人机交互编辑好的预警信息作为表记录逐条逐站点写入电子显示屏数据库,供设备厂商提供的后台发布程序查询调用以实现信息发布的功能。

3.3.2 决策手机短信发布

系统将市、县、乡三级地方政府、气象防灾减灾相关部门负责人或工作人员的手机以其所负责范围或所在地的经纬度坐标作为基础数据,制作对应的地理信息点图层,通过预警范围的选择确定是否向该手机终端发送预警信息。

因考虑到决策用户所使用的手机包含了移动、联通、电信3大运营商提供的手机号码,故系统短信发送平台主要采用中国电信提供的、可指定目标号码为3大运营商移动号码的发送接口,实现跨网络、覆盖面更广的预警信息服务。

电信提供短信发送接口服务器,使用标准的Web服务描述语言(Web Services Description Language,WSDL)向外界应用客户端描述它所提供服务的内容,客户端需要以规定的标准协议来调用此服务,基于互联网提供的短信接口smssend.asmx可利用Delphi的导入工具将其转化为可用的接口单元文件,以便系统调用其中的发送信息函数SendMsg将需要发送的短信数据通过简单对象访问协议(Simple Object Access Protocol,SOAP)的方式将数据经MD5验证后发送至电信服务器。

系统将编辑好的信息基于Web Service技术通过10M光纤直接接入并发送到电信短信网关实现气象预警信息的高效发布。此外,预警信息的发布也可以通过中国移动提供的短信机,基于专线接入移动短信网关,实现对移动用户短信的发布,通过提供短信发布的备用线路,提高信息发布的可靠性。

3.3.3 气象预警机信息发布

昆明地区的气象预警机本身提供了一个基于B/S(浏览器/服务器)结构的预警信息发布平台,预警机的信息基于中国电信的CDMA1X网络发布,为了实现预警机信息发布与论述的信息发布平台的无缝对接,预警机厂商提供了一个基于http协议的发送接口(sendmsg.php),系统提交预警信息及发布对象的相关信息,实际的信息发布工作由气象预警机信息发布平台的后台程序来实现。

Http协议的POST方法可以请求服务器接收包含在请求中的实体信息,可以用于提交表单,向新闻组、BBS、邮件群组和数据库发送消息,平台中对预警机的信息发布通过http协议post方法提交,提交的请求信息中包含预警短信的内容、验证的用户名、密码、预警机终端的ID号、信息编码的方式等一系列参数,

以上代码用于向服务器提交预警机信息发送的请求,post方法包含接收请求的服务器参数以及预警机信息的相关参数,GetSendParam(参数略)为系统程序中获取预警内容、终端ID号等一系列请求信息参数的函数,具体获取各参数的过程及代码因其难度较低且通用性不高,在此不再赘述。

图4 预警短信发布流程图

图5 气象预警信息发布系统界面

4 系统应用说明

气象预警信息综合发布平台基于地理信息系统(GIS),实现了雷达回波作为Image图层、电子显示屏、气象预警机、决策服务手机终端作为点对象图层在系统上的叠加,以雷达回波作为确定预警范围的重要依据,系统采用圆形、矩形、多边形3种框选方式确定预警区域并对所选区域内的图层进行逐层查询,获取地理范围内电子显示屏、气象预警机、决策手机终端的硬件ID号以便信息发送模块的逐个读取调用后发送信息。系统界面主要分为显示控制、图层管理、数据显示、预警范围定位控制、预警信息编辑等多个功能区,系统主界面如图5所示。

5 结束语

基于GIS的气象监测预警信息综合发布系统实现了自动气象站数据、雷达回波图形产品的自动获取以及在地理信息系统上的图层叠加,利用SQL技术实时读取自动站雨量信息并写入自动气象站的图层数据,以两类综合观测数据产品作为参考依据,更加直观可视的确定预警信息发布的范围。并提供了人机对话高效编辑气象预警信息的功能,整合了气象电子显示屏、气象预警机、决策短信以及WEB网站等多种信息发布终端的发布平台,基于GPRS、CDMA1X、WebService等通信、软件技术实现了信息的同步、高效发送,提高了预警信息发布的信息化和自动化水平。

致谢：感谢昆明市科技项目(昆科计字085080002)对本文的资助

[1]罗保华,童以长,张深寿,等.地市级气象灾害短信预警系统[J].气象科技,2007,35(5)：755-758.

[2]兰红平,陈训来,孙向明,等.深圳市气象灾害分区预警系统研究[J].气象科技,2010,38(5)：629-634.

[3]杨林.基于GIS的福建省气候监测与灾害预警系统[J].气象科技,2005,33(5)：474-477.

[4]尤凤春,史印山,郭丽霞.河北省山区地质灾害气象预警系统[J].气象科技,2008,36(6)：818-821.

[5]崔劲松,张涛,杨雨春.GPRS/GIS技术在自动雨量监测网中的应用[J].气象科技,2006,34(2)：205-209.

[6]马翠平,杨荣芳,刘建文,等.气象灾害农村预警发布系统[J].气象,2008,34(9)：112-116.