宁夏气象观测站网信息管理系统的设计与实现

2016-09-26李新庆陈海波樊宽

智能计算机与应用 2016年4期

李新庆陈海波樊宽

摘要：针对宁夏气象观测站建设管理不足的问题，本文研究基于LAMP技术构建宁夏气象站网信息管理系统。系统面向气象行业用户使用，采用B/S框架，集成Web GIS、PostgreSQL/PostGIS技术，实现气象观测站的显示、统计、审批和管理。应用结果表明该系统能够提升自动站管理的自动化和信息化水平。

关键词：自动气象站；气象业务；LAMP；Web GIS

中国分类号：TP391 文献标识码：A

Abstract： Aiming at the deficiency of management Ningxia automatic weather station， this paper studies the construction of Ningxia Meteorological Station Management Information System based on LAMP technology. Mainly provided for the meteorological business users， the system applies B/S framework and integrated uses Web GIS， PostgreSQL， PostGIS techniques， etc， which comprehensively realizes the AWS distribution display， statistics， approval and management. The application results show that the system can improve automation and informationization level of AWS management .

Key words： automatic weather station； meteorological service； LAMP； Web GIS

0 引言

宁夏全区已经建成各类气象观测站（AWS，Automatic Weather Station）共计893个，站网平均密度达7公里以内，实现乡镇全覆盖，行政村覆盖率25.6%。已建成并投入业务运行的区域自动气象站在气象服务工作中发挥了一定作用，为地方防灾减灾提供实时、准确、科学、高效的决策依据，进一步提高了灾害性天气的监测预警能力和服务水平[1]。

然而，随着经济社会的快速发展，各行各业和社会公众对气象探测数据的需求越来越高。全区气象部门和其它行业、单位委托或自主建设的各类气象探测站点、设施的种类和数量逐年增加。但是气象探测站点和设施的布设缺乏统一规划，气象探测行为缺乏监管，气象资料的使用、发布较为混乱，造成了资源的浪费，给气象信息安全带来了隐患[2-3]。

因此，为了切实规范全区气象探测设施建设，提高观测站管理效率，迫切需要采用Web技术、Web GIS技术和数据库技术等建立宁夏气象观测站网信息管理系统，规范宁夏气象观测站的管理和审批流程，为授权用户提供查询、检索、统计、台站环境显示和GIS地图展示等功能。该系统能够提高业务部门对观测站站管理的规范性，对于宁夏气象管理信息化具有一定的促进作用[4]。

1 需求分析

目前，宁夏气象部门对气象观测站点信息的管理，还停留在传统的、人工的、零散数据的层面上，还没有实现气象观测站点的自动化、信息化和规范化的信息管理，一些统计工作需要靠手工来进行统计，统计结果不够快速准确，影响了气象决策需求。另外，气象预报、公共服务等业务工作人员对站点信息缺乏直观了解，影响了站点观测数据的应用和服务。为此，需要构建一个服务于区、市、县三级气象部门业务衔接的观测站网信息管理系统，实现区域自动站审批、查询、统计的服务功能，并且系统应当具备以下特征：

1）标准规范、方便扩充

对所管理的气象信息在管理方式、格式及质量等方面制定标准规范并在项目建设过程中认真遵循，使本系统能够随着业务、和政策法规的变化方便地扩展和升级，保证系统的可持续发展。

（1）注重部门间业务系统兼容

观测站网审批涉及到多个职能部门之间的合作[5]，因此，在设计时必须考虑各部门的业务系统兼容性和互操作，根据实际需求确定系统各项功能，以满足实际需求为最终目的。

2）系统稳定、安全可靠

系统要做到性能稳定、安全可靠，并保证气象观测站基础数据的安全性。系统应满足区、市、县三级用户在线访问和审批工作，并做到24小时不间断业务运行要求。

2 系统设计

2.1 系统总体框架

按照气象部门气象探测设施建设的管理和审批流程，依托宁夏气象信息基础设施虚拟化平台建设，按照分层设计、集中部署原则，并遵循气象探测设施安全管理规范和气象设施运维保障体系，构建宁夏气象观测站信息网管理系统。系统的架构图如1所示。

系统架构采用成熟的三层体系架构[6]：表示层（Browser）、服务层（Web Service）和数据层（Data Service）。表示层屏蔽技术细节、应用软件的差异性，面向用户提供基于Web和Web GIS的气象观测站点信息的展示、查询服务。服务层针对用户的具体操作，采用AJAX的异步交互模式，为表示层返回用户所需的JSON封装数据，从而减轻服务端负担，提高系统工作效率。数据层包括GIS空间地理数据库和气象观测站网管理数据库，为系统提供区域自动气象站站点基础数据、观测站网审批管理数据。

2.2 功能设计

本系统主要解决宁夏气象部门各级业务用户对气象，全区气象观测站的查询、统计、Web GIS展示的应用实现[7]，并提供观测站的网上申请、审核、批准功能。系统以气象探测设施构建中依循的各类法律法规为依据，并结合宁夏气象部门自动站审批工作中的实际情况对内部业务，系统功能做出适当的调整。

基于区级站网信息数据库，获取本县范围内所有站网类型的标志信息，并以GIS图形化与表格化相结合的方式向用户进行可视化展示。在此，给出系统功能设计概述如下。

1）站点的审批管理。实现区域自动观测站站点信息、自动站设备信息、设备厂家信息等审批过程的自动化管理，提供所有业务流程的数据录入、处理功能。同时，更进一步用户对申报站点处理过程和申报结果的查询和追踪，并可查看申请办理每个环节的具体情况。

2）站点查询。通过站号、站名、所属地市、县区、观测站类型等条件进行查询，并以表格和Web GIS的方式为用户实现有效展示。

3）站点统计。通过观测站设备类型、观测要素、所属地市等条件进行统计，并以表格和图形的方式为用户提供有效展示。

4）系统管理。主要包括对用户的登录权限、审批权限进行修改、删除和增加。并设计建立用户登录日志，另外，根据业务需求，可做审批流程的动态调整。

3 系统实现

3.1 气象观测站基础数据库设计

系统包含审批管理流程，且涉及多个部门的联合审批，审批过程中随时需要查询各自部门原有的数据[8]，因此，系统基础数据库表结构与区级原有的站网信息数据库保持一致，为系统提供了自动气象观测站基础数据支持。

以观测站点设施表为例，需要存储建设单位、上级主管部门、建设地址、站点类型、站点用途、项目来源、经纬度、海拔高度、探测要素、设备型号、生产厂家、气象装备许可证号、站点8个方位照片等信息，其数据库表结构如表1所示。

3.2 地理信息数据库

系统采用PostGIS存储宁夏空间地理信息，PostGIS在对象关系型数据库PostgreSQL上增加了存储管理空间数据的能力[9]，该数据库能够将空间地理信息存储为WKT（Well Known Text、熟知文本）格式，并对图片和多媒体等以BLOB方式存储[10]。另外，PostGIS支持使用C++、.NET、PHP、Python以及其他各类开源数据引擎的调用，方便数据管理和系统调用。

系统中所使用的GIS数据主要包括宁夏全区、地市、县区、乡镇、行政村的点、多边形等矢量数据，数据描述统一设定为Shapefile文件格式，本文使用PostGIS自带的shapefile Loader工具将各类数据导入宁夏气象空间地理数据库[10]，并使用pgAdmin图形化的工具来对数据进行管理。另外，还可以使用uDig直接连接该数据库，对GIS数据进行修改。

3.3 MapGIS地图服务器

MapGIS IGServer基于MapGIS微内核为基础，是新一代的互联网地理信息服务平台[11]，采用面向服务的分布式多层体系架构，提供跨平台的开放式的Web GIS服务体系和二次开发框架，具有GIS服务发布共享与行业应用的功能。因此，系统采用MapGIS作为地图服务器，为系统提供Web GIS地图服务。

MapGIS IGServer采用面向服务的体系架构，构建整套Web GIS服务体系（IG Server服务层），提供SOAP、REST服务访问方式，基于OGC标准的MapGISOGCWebService服务，遵循WMS、WFS、WCS服务规范，支持XML、GML和GeoRSS JSON数据格式。

基于IG Server的Web服务体系，融合主流的RIA（Rich Internet Applications，丰富互联网程序）技术，Web GIS功能模块采用基于IGServer API for JavaScript二次开发库架构设计实现，通过对OpenLayers框架进行了封装和优化，使系统具有良好的兼容性和扩展性。IG Server主要分为3个部分，即数据层、GIS服务和客户端。其中，对应于MapGIS IGServer平台的体系架构，GIS服务层可分为IGServer基础内核服务与IGServer Web服务，该结构将数据的存储管理、GIS服务与应用分开，可方便地实现数据库系统对各类数据的管理、应用和发布，从而保证了数据的安全性，并能及时响应用户的服务请求。

3.4 站点申请及审批流程

根据气象行业探测设施建设规范流程，系统采用县、市、区局三级部门审批和管理。当申请和审批一个流程时，系统需要通过表单接收各级用户填写的自动气象站信息和上级审批意见[12]。

承建单位上报观测站点的建设申请，按照县、市、区三级业务主管部门进行审核，最终由区级批准，并使各用户能够查看审批流程节点信息[13]。观测站点申请录入界面如图所示。

3.5 系统框架实现

系统框架采用jQuery EasyUI设计实现，该框架为用户封装了AJAX（Asynchronous Javascript And XML，异步JavaScript和XML）异步请求，将业务逻辑和用户界面设计划分开来，较好地解决如事务处理、Web安全、数据流控制等问题[14]，同时因其具有开发简单、开源免费、容易扩展等特点，非常适合中小型项目的快速开发。

AJAX使用异步客户端/服务器通信模型，连接后端应用服务器，接收服务器处理后的结果，并返回JSON格式数据，进行属性数据和地图数据的显示和叠加，最终以GIS图形化与表格化相结合的方式为用户生成视图展示。设计实现的关键代码如下所示。

3.6 Web GIS模块

Web GIS显示模块采用IGServer API for JavaScript客户端呈现， Web GIS服务器采用MapGIS地图服务器，为用户提供基于Web GIS的全区气象观测站网分布功能。

IGServer API for JavaScript客户端是对OpenLayers进行了封装和优化，OpenLayers是一个功能强大的开源WebGIS的客户端JavaScript框架，能够实现在浏览器中浏览、漫游与缩放地图等基本功能[15]。Web GIS系统界面如图3所示。

3.7 统计展示模块

为满足气象业务人员对气象观测站的统计需求，系统采用HighCharts实现观测站的统计绘图功能，HighCharts是一个运用Javascript脚本编写构建的绘图库，可以制作折线图、柱状图、饼图等多种图表类型，具有界

面美观、兼容性强、不受开发语言约束等特点[16]，而且能为用户提供较好的可视化效果，系统统计展示模块如图4所示。

4 结束语

本文结合宁夏气象行业特点，提出采用LAMP架构实现气象观测站网信息管理系统，并对系统实现中所涉及的关键技术进行了阐述。目前，该系统已经在宁夏气象部门投入业务试运行，面向宁夏区、市、县三级业务人员提供可视化的自动气象站查询、统计服务。系统运行稳定、功能完整、界面友好、操作简便，能够满足气象行业用户对观测站网的管理需求。

参考文献

[1] 徐世廷. WebGIS在气象预测中的应用研究[D]. 长春：吉林大学， 2010.

[2] 郎东梅. 气象装备供应信息管理系统的研究[D]. 北京：北京邮电大学， 2011.

[3] 向晋良，王洪恺. 气象装备信息管理系统的设计及应用[J]. 气象与环境科学， 2007， 30（z1）：195-196.

[4] 杨涛，王磊，张常亮. 气象装备保障信息管理系统的设计与实现[J]. 成都信息工程学院学报， 2014， 29（6）：635-643.

[5] 潘刚. 网上行政审批系统的设计与实现[J]. 云南民族大学学报（自然科学版）， 2013， 22（2）：150-152.

[6] 董迎玺. 基于SOA架构的省级气象业务集成平台设计与实现[D]. 成都：电子科技大学， 2008.

[7] 万文慧，陈维华，刘敏. WebGIS在气象业务系统建设中的应用研究[J]. 计算机与现代化， 2013（1）：110-111.

[8] 黄建琼. 网上行政审批系统的设计与研究[J]. 安阳工学院学报， 2013，12（6）：50-52，114.

[9] 刘小飞，胡珂，关昆. 基于PostGIS的异构地理空间数据组织与应用开发[J]. 测绘与空间地理信息， 2014，37（9）：63-65，68.

[10] 钟远军，李照，林澍哲，等. 基于PostGIS的地名数据库设计与应用研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2011， 34（3）：100-103，107.

[11] 王峰，侯平. 基于MapGIS下空间数据处理的应用研究[J]. 测绘与空间地理信息， 2012， 35（5）：134-137.