基于WebGIS的气象探测数据可视化系统

论文总字数：17709字

目 录

1.引言 1

2.研究现状 1

3.研究目标、内容及方案 3

3.1 研究目标 3

3.2 研究内容 3

3.3 研究方案 3

4.系统设计 4

4.1 服务端设计 4

4.1.1 功能需求 4

4.1.2 性能需求 4

4.1.3 数据需求 4

4.1.4 架构设计 4

4.1.5 功能模块设计 5

4.2 客户端设计 6

4.2.1 功能需求 6

4.2.2 界面设计 6

4.3 技术介绍 7

5.系统功能实现 8

5.1 服务端功能实现 8

5.1.1 框架搭建 8

5.1.2 数据解析 9

5.1.3 数据绘图 10

5.1.4 数据文件筛选 13

5.2 客户端功能实现 13

5.2.1 网络地图获取与显示 13

5.2.2 地图工具 13

5.2.3 数据图像的显示 15

5.2.4 数据图像的轮播 15

5.2.5 数值信息显示 16

5.2.6 数据搜索功能 16

6.总结 19

参考文献 19

致谢 22

1.引言

气象数据为科学研究、气象预报提供真实、客观的一手资料，是气象应用与科研的基础。随着大气遥感、自动观测等气象遥感技术的发展和进步，地面气象资料、高空气象资料、卫星探测资料、天气雷达探测资料等气象数据资料的数量和种类与日俱增，国家气象信息中心存档的历史气象资料已达PB量级，每日实时收集量近TB量级^[1]，我国2017年发射的新一代静止气象卫星“风云4号”兼顾高时空与高时间分辨率，可同时监测台风、强对流天气、雾霾、火灾、积雪等多种气象灾害，对暴雨、大风、寒潮、冰雹和龙卷等天气系统的监测和预报，以及提高对水环境、湖泊蓝藻、冰凌、海藻、海冰等的监测水平^[2]。同时，Web已成为全国各级气象部门实施气象信息监测、处理与发布的重要形式和途径^[3]，气象资料信息化、云化不断推进，各种类气象资料通过文件库或数据库实现数据共享；GIS发挥其在数据存储、数据查询、空间统计分析和辅助决策等功能的优势，为气象数据服务提供有力支持。

但是气象数据资料和产品的种类丰富、格式复杂、存储和访问方式多样，缺乏统一的数据访问接口^[4]，这对气象应用和科研时的数据资料使用形成了一定阻碍，受制于数据平台，存在着数据不能便捷预览、无法统一读取、访问方式复杂等问题。在这些气象数据中，来自卫星、雷达等遥感技术的气象探测数据尤为重要，与防灾减灾、应对气候变化、精确气象预报、大气科学研究等方面密切相关。特别在应对突发的自然或事故灾害时，气象遥感手段可以及时提供高时效性的信息，例如：2008年第14号台风“黑格比”在9月19号晚于菲律宾东部西北太平洋海岸面生成，22 日下午14 时加强为强台风，迅速向我国广东西部侵袭。24日上午6 时45 分在我国广东、海南一带沿海登陆。而在此之前的9月21日，国家气象部门运用新一代多普勒雷达技术区域拼图清晰的显示出了台风移动过程，相关部门得以提前安排部署，做好抵御强台风的防范措施，大大降低了此次强台风带来的损失。以便捷、统一、规范的方式，将气象探测数据准确、合理地展示出来，对加强气象研究和公共服务的科技支撑，具有现实意义。

2.研究现状

国内近年在WebGIS方面主要在新兴网络技术与WebGIS的结合、WebGIS系统框架研究以及WebGIS在实际场景的应用研究上。栾绍鹏^[5]等以Google Map为例研究了Ajax在WebGIS中的应用新模式。王耀武^[6]等对WebGIS的可视化交互进行了研究，提出了结合Ajax的WebGIS 的可视化交互模型。赵铁松^[7]等建立了基于B/S架构的气象观测站网可视化系统，对本文的系统整体架构起到了指导性作用。袁煜锋^[8]在研究中探讨到如何在WebGIS中引入REST风格架构以降低开发复杂度，提升系统伸缩性。李久刚^[9]等深入分析了REST架构的WebGIS技术模型，并进行了设计与实现。陈谦^[10]等比较了各种RIA技术下WebGIS构建方法，提出基于JavaScript/AJAX、Flex等客户端技术的WebGIS RIAs解决方案。王天宝^[11]等提出了SilverLight框架支持下WebGIS，验证了相比Flex技术在性能上的提升。陆亚刚^[12]等基于SilverLight和REST提出一种MVVM模式下的富网络地理信息系统框架，能够有效降低系统开发难度、丰富用户体验和提升系统性能。陈维崧^[13]等探讨了基于云计算的GIS的优势与进一步发展的难点；王凤领^[14]将云计算与WebGIS结合，提出基于云计算的WebGIS构架，提升了WebGIS系统稳定性和效率。吴磊^[15]等探讨了HTML canvas技术在WebGIS客户端的应用，并为此可视化方法设计了一种地理信息数据传输格式。黄佛辉^[16]使用最新的JavaScript框架Vue.js和GeoJSON、NPM等技术提出了基于Vue.js的轻量级WebGIS框架。张铎^[17]在研究中专为瓦片数据设计了检索和缓存机制，根据WebGL可视化标准，利用顶点缓存简化了可视化数据的调度过程，在纹理上采用MipMap纹理映射机制，针对大量三维模型设计了适用于虚拟地球的切面剔除方法。郑逢斌^[18]等分析整合多种开源WebGIS技术，提出一种遥感数据共享服务系统结构，在此基础上针对遥感数据特点，设计了可将遥感数据以缩略图形式叠加于网络地图进行缩放交互在线预览的方法，使海量遥感数据可以直观有效得可视化检索。彭仪普^[19]等基于ArcGIS Server平台建立了富有交互性的变形监测WebGIS系统，应用于宁波站改建，实现了对变形监测数据的可视化管理、实时分析和安全预警。赵文芳^[20]等MapServer开源应用框架构建了WebGIS气象综合显示系统，改进了系统效率，并提供了一种WebGIS快速开发路线。

WebGIS在实际场景中的应用涵盖诸多领域。张健^[21]使用基于Dojo的ArcGIS API for JavaScript实现了农业地理数据的可视化。杜克明^[22]等在农业监测领域将WebGIS与物联网结合，设计了将监测由点到面的区域模拟和评估方法，实现区域动态监测。郝振荣^[23]等采用Map Server、Oracle Spatial和Post GIS,Open Scales等开源WebGIS软件实现了集成显示气象观测站、雷达、闪电和卫星云图等多种气象数据。胡月^[24]等采用Spring MVC与Hibernate等开源技术以及ArcGIS Server、Oracle数据库针对气象研究人员设计了雷电监测系统，实现了对历史雷电数据的高效检索和统计，对当日雷电数据的可靠接收和实时监控，并对检索结果进行定性、快速的在线可视化。谈树成^[25]等基于ArcGIS SDE、SQL server和Silverlight等技术设计建立了WebGIS斜坡地质灾害气象预报预警系统，以云南怒江州为例实施了具体应用，为当地地质灾害防治和预警提供支持。浩庆波^[26]等将实时水文数据与数字地图结合，构建了面向服务的聊城市WebGIS水情信息平台，完成了水文数据跨平台整合，针对不同情景辅助防汛决策。刘东海^[27]等使用数字模型动态模拟风暴潮洪水演进，并实现了在网络环境下洪水演进过程的可视化，为滨海海堤规划和防灾减灾工作提供了决策支持。姜仁贵^[28]等在研究中针对海量空间数据传输和处理难的问题，构建了一种金字塔模型缓存机制，结合利用WMS和GeoServer技术，构建了基于WebGIS 的水雨情信息综合集成及洪水淹没三维仿真。赵曦^[29]等基于ArcGIS Server和FlexViewer设计建立了陕西省地震观测数据服务系统，实现了前兆、测震等地震观测数据的可视化查询下载。陈豪^[30]等收集整理了多源地震灾害空间信息，研究设计了在线地震应急减灾时空一体化数据库，并依此基于WebGIS和空间技术构建了地震减灾系信息化平台。张彦^[31]等在电力领域研究中为实现输电线路瓷质绝缘子巡检的标准化作业和信息化管理，将WebGIS技术和BP神经网络算法相结合实现零值绝缘子地图定位和智能识别。张瑞军^[32]等提出一种基于WebGIS的网络地图采集方法，应用与旅游产业数据调查，可通过地图搜索快速抓取旅游产业链信息。李红清^[33]等针对海上溢油应急管理问题，研究探讨了溢油轨迹预测模型、溢油应急资源调度模型和GIS显示技术，利用GeoServer、OpenLayers和PostgreSQL等开源软件搭建WebGIS平台为溢油应急工作提供技术支持。

在结合NetCDF的应用方面，可查找到的成果较为有限。黄晓龙^[34]等对NetCDF的数据模型进行了研究，构建了土壤水分站点资料的NetCDF数据模型。王丽颖^[35]在基于WebGIS的气象预报系统中实现了数字气象预报模式WRF的预输出结果——NetCDF格点数据的图形化显示。吴少峰^[36]在精细化气象预报在线发布平台的设计与建设中，使用到ORACLE数据库和NetCDF数据库作为存数层。黎嘉明^[37]等在区域大气环境综合管理和辅助决策系统的研发中，研究了直接解析读取NetCDF文件的方法，针对NetCDF多时段读取数据时IO花销较大的问题，引入一种新的转换格式；利用粒子系统模拟显示大气流动，突破了传统渲染技术中难以实现的大气污染物随大气漂移、滞留的动画显示。

3.研究目标、内容及方案

3.1 研究目标

本文研究目标是解读气象探测数据文件，依此建立气象探测数据的WebGIS可视化系统。该系统核心功能包括气象探测数据在地图上的显示，以及时间、空间搜索。通过本系统的研究和实现，探索建立轻量级的气象探测数据系统。

3.2 研究内容

1. NetCDF Java Library对气象探测数据文件的解读；
2. 对NetCDF所解读数据的图像绘制；
3. 数据图像结合地图的可视化表达；
4. 对数据信息的时间与空间搜索。

3.3 研究方案

图1系统技术方案图

本课题以雷达反射率、雷达风场数据和卫星气象数据三种气象探测数据为例，基于Intellij IDEA（试用版）开发平台，Tomcat中间件及Jersey的Web服务构建基础Web应用。借助NetCDF进行数据文件的解析，使用Leaflet实现地图的显示。系统以动态方式读取请求的数据文件，返回其相关信息、数据和图像（图1）。

4.系统设计

4.1 服务端设计

4.1.1 功能需求

1. 自由读取气象探测数据的自描述信息和数据阵上；
2. 根据阵列数据绘制其图像；
3. 查找特定数据文件。

4.1.2 性能需求

由于是实时读取数据文件，解析和重封装的效率不能过低。在设计和实现时注意遵循面向对象的编程原则，使代码具备重用性。

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