气象观测装备布点系统的设计

陈 昊 章 焕 王 晗

(浙江省大气探测技术保障中心，浙江 杭州 310018)

0 引 言

随着国民经济建设的高速发展和人民生活水平的快速提高,气象灾害给国民经济建设和人民生命财产安全带来的威胁愈显突出[1]。为进一步提升气象监测预警能力,近年来气象观测体系得到快速发展,观测仪器的研发和新的观测方法不断取得突破[2]。浙江省根据自身特点已初步建立了综合气象观测体系。但是，目前浙江的观测站点布局还欠合理，关键区域站网密度不足，大气综合立体廓线监测网等比较薄弱[3]，需要加密相关气象观测装备来提升自然灾害综合防治的气象数据支撑能力,提高全社会抵御气象灾害的综合防范水平,建立气象观测装备布点系统具有十分重要的意义。

当前，各级气象部门对气象雷达的规划等，通常以文字描述为主,少数部门提供了在线查询功能,但只侧重于专题图层展示，而没有提供联动操作[4]。基于WebGIS的气象雷达管理和查询服务，在规划设计实践中有较强的应用需求,利用GIS空间分析技术进行站点划分、气象雷达规划、资源配置优化是气象站网管理的重要研究内容。本文基于B/S模式网络架构的气象观测装备布点系统,能实现相关信息的录入、导出和查询,能动态掌握全省雷达、自动站等装备网格化监测设施布局和配置情况,为规划和优化全省气象监测站网布局、发挥气象观测装备效益、减少重复建设、增强气象灾害防御能力等提供技术支撑。通过分析现阶段气象观测装备站网规划存在的不足和问题,以及气象部门对气象观测装备站网规划的要求和相关规范,对不同的需求分别设计独立的模块,同时结合网格化元素,将气象观测装备分类进行网格化、区域化规划,以满足气象资料多样化的需求。

1 系统整体设计

气象观测装备布点系统基于在线地图API的Web地图服务技术框架,采用MVC设计模式,有效地实现了各层间的松散耦合和各层内部的紧密内聚,便于代码重用和系统维护,提高了系统的灵活性、可重用性和可维护性。借助地图API服务框架构建自己的服务系统,克服了网络地图服务应用的数据源瓶颈。图1为系统整体设计框图。

图1 系统整体设计框图

2 分系统设计

2.1 数据来源

本文设计了两种方式进行数据导入。一种是系统后端直接进行数据编辑并存入数据库;另一种是通过Excel表格,将编辑好的文本文件直接导入系统,再通过系统自动对数据进行梳理,并存入数据库中。

2.2 数据分析模块

系统以计算服务、存储服务和备份服务为主的基础设施平台,通过基础的数据处理、中间服务和数据库服务,实现资源的集中化、规模化、可视化,能够实现对各类异构软硬件基础资源的兼容和资源的动态流转,同时将静态、固定的资源进行汇聚,形成数据资源池，支撑服务平台的信息汇集、资源共享、应用集成和业务协同。具体分为:离线分析、在线分析和配置管理。

(1)离线分析。随时调用存储于数据库中的气象设备站点资料,可以查看气象观测装备站点的具体信息,包括经纬度、海拔高度、建站时间、设备厂商等一系列信息。

(2)在线分析。在线任意添加各类气象观测装备,可以利用数据库中存储的气象观测装备位置信息进行距离定位,设计了新一代天气雷达故障显示,当某一台站新一代天气雷达发生故障时,在站网规划图中以红色图标提醒。

(3)配置管理。配置管理包括管理人员设置、设备信息设置、站点管理设置等。

2.3 应用模块

通过WebGIS、Echarts等相关组件,对数据进行可视化呈现。图2为应用平台核心特征。

图2 应用平台核心特征

3 功能设计

3.1 网格设计

通过图层叠加的方式,调用高德地图自定义接口CanvasLayer,实现二维网格化图层。CanvasLayer是一个为其所有子项添加单独的2D渲染层的节点。Viewport的子项默认在图层“0”处绘制,而CanvasLayer会在任何图层号的图层绘制。数字较大的图层将被绘制在数字较小的图层之上。CanvasLayer也有自己的变换,它不依赖于其他层的变换。将Canvas作为图层添加在地图上,Canvas图层会随缩放级别而自适应缩放,使其成为间距可调整的网格,更加便于针对不同类型设备进行网格化布点规划。图3为网格绘制原理流程图。

图3 网格绘制原理流程图

Canvas绘制网格过程如下:首先获取Canvas元素,创建Canvas绘图环境;然后分别创建垂直格网线路径和水平格网线路径,再依次设置绘制颜色、绘制线段的宽度、网格距离等元素,最终形成网格图层。其中网格距离设置为数值输入模式,方便网格距离的选择。

3.2 设备管理

系统通过动态维护设备的类型和设备基础信息,进行在线编辑。

3.2.1 设备类型管理和维护

图4为设备类型管理界面。设备类型的管理和维护主要包括设备类型名称、图标是否新建,通过动态绑定图标,可以在地图上,分别呈现设备类型、站点、是否新建站点、经纬度、设备型号、厂家及备注等信息,通过对设备的经纬度的维护,可以在地图上显示设备的位置。

图4 设备类型管理界面

3.2.2 站点管理

系统通过动态维护站点基础信息,对站点的经纬度、名称进行在线编辑。支持站点信息手工录入和Excel导入。导入时通过下载Excel模板,按照模板格式,复制站点信息,然后把数据一键导入系统中。图5为站点管理Excel导入界面。

图5 站点管理Excel导入界面

3.3 动态绘制点标记

系统通过动态维护气象观测装备的经纬度和站点的经纬度,调用地图相关接口,实现动态呈现点标记。分别有:点标记(Marker)、圆形标记(CircleMarker)和文本标记(Text)。同时系统还支持设备类型多条件查询,可以选择多种设备同时显示对比。

3.4 数据库系统设计

该系统数据库设计采用MySQL数据库,MySQL是最流行的开源关系型数据库管理系统,具有体积小、稳定性好、成本低等特点,被广泛用于各类Web应用中[5]。本文设计的数据库主要包含以下几个功能表:管理人员表(管理员的相关信息、登录密码等);设备维护信息表(设备型号、设备厂家等);设备类型信息表(设备类型、设备图标等);站点信息表(站点信息、经纬度等);系统管理表(系统日志、角色管理等)。图6为数据库表结构。

图6 数据库表结构

4 应用情况

该系统开发完成后得到了广泛应用,浙江省气象局观测与网络处在编写《浙江省网格化气象监测系统建设方案》《长江三角洲区域一体化发展气象保障方案》《浙江省“十四五”气象发展规划——气象监测预报能力提升工程》等过程中，均使用该系统对全省将要建设的气象观测装备站点位置进行了设计和规划。

5 小 结

本文阐述了气象观测装备布点系统的设计方法,该系统具备很强的可扩展性和可移植性。应用服务器及数据库服务器之间的交互分配合理,使得整个系统易于维护。系统以高德地图中GIS平台为基础,集成多种空间数据组织存储管理,实现基于空间数据的台站信息处理、操作、数据交换、查询、分析等功能。通过地图整合全部台站信息数据,使其可在行政区划、地形、气象专题等多层地理信息数据基础上进行叠加显示,提供良好的可视化,并可根据空间进行查询分析,提供各类统计分析结果。该系统目前已在浙江省气象局推广应用,为气象观测装备布点规划提供了切实有效的理论基础保障。