基于GIS的臺風預警系統設計與實現

馬娟娟，孫海燕

（1.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

基于GIS的臺風預警系統設計與實現

馬娟娟1，孫海燕2

（1.中國地震局 地震研究所 地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079）

根據臺風特點及所造成的災害，基于ArcGIS Server平臺，結合Flex技術，設計并實現了臺風預警系統。該系統具有豐富的表現力、交互性及較強的實用性；實現了臺風歷史信息的查詢及管理，臺風路徑的展示及影響區域分析，臺風災害的評估等功能，為相關部門實現臺風預警提供了數據支撐及決策依據。

ArcGIS Server；Flex；臺風預警

我國是世界上遭受臺風影響最頻繁和最嚴重的國家之一，每年臺風都會給我國造成巨大的經濟損失和人員傷亡[1]。因此，準確、及時地對臺風進行預測預警對防災減災和保障國民經濟建設具有重要意義。GIS強大的數據管理、空間分析、空間信息可視化以及數學建模功能，在臺風預警中得到了廣泛應用[2]。本文基于ArcGIS Server平臺，采用Flex技術，根據臺風的形成過程、結構特點和數據特征，結合臺風路徑預測關鍵點模型[3]和臺風危險性評估的模糊綜合評價模型[4]，設計和實現了基于GIS的臺風預警系統，通過對歷史臺風信息的了解以及實時臺風的分析，為政府及相關部門提供決策依據。

1 關鍵技術

1.1 ArcGIS Server平臺

ArcGIS Server 是ESRI 公司推出的最新空間信息發布平臺，在保持傳統GIS功能基礎上，大幅度提升了地圖的訪問速度和并發處理能力，同時發布了Flex API、Silverlight API和JavaScript API 3種客戶端開發包[5]。作為功能強大的基于服務器的GIS產品，ArcGIS Server主要用于構建集中管理的、支持多用戶的、具備高級GIS功能的企業級GIS應用與服務，具有空間數據管理、地圖可視化、數據編輯、空間分析等功能，并且基于工業標準提供WebGIS服務，為創建和管理基于服務器的GIS應用提供了一個高效的框架平臺[6]。

1.2 Flex技術

Flex是Adobe公司開發的一種語言編譯器。Flex技術的主要框架為：描述應用程序界面的XML語言，即MXML；符合ECMA規范的腳本語言ActionScrip，處理用戶和系統的事件，構建復雜的數據模型；一個基礎類庫；運行時的即時服務；由MXML與ActionScrip文件生成swf文件的編譯器[7]。其優勢在于：瀏覽器可移植、無需進行瀏覽器兼容測試、界面布局簡單、豐富的媒體支持和豐富的框架。用Flex開發的應用程序可運行于所有主流桌面操作系統與客戶端瀏覽器之中，真正實現了跨平臺。

1.3 ArcGIS API for Flex

ArcGIS API for Flex 是ArcGIS新推出的進行RIA開發的Flex組件庫，可基于ArcGIS Server建立富互聯網應用程序。其優點在于可使ArcGIS提供的各種資源（Map、GP模型）與Flex提供的組件（Grid、Chart）相結合，構建出表現出色、交互性良好的Web應用[8]。

ArcGIS API for Flex基于ArcGIS Server的REST接口，所有的功能都可在REST SDK中找到影子。使用ArcGIS Flex API開發的Flex應用可非常便捷地使用地圖功能和REST接口提供的GIS查詢及分析功能。

2 系統總體設計

2.1 設計目標與原則

根據臺風信息特點及臺風預警技術現狀，臺風預警系統設計目標主要有：①系統操作方面：簡單實用，界面美觀、交互性好，運行效率高；②系統功能方面：具備地圖操作的基本功能，實現臺風信息的可視化表達以及空間分析，實現臺風路徑的預測及災害評估等。

臺風預警系統要滿足以下要求。

1）穩定性：系統能保持長期安全運行，軟硬件發生故障時，能很好處理和及時恢復；

2）經濟性：充分考慮系統的先進性和經濟性，使軟硬件的配置達到最優資源匹配效果；

3）可擴展性：易于擴充和維護，設計留有足夠擴充空間，便于軟硬件升級與維護；

4）實用性：臺風預警系統的建立，基于實際預警的需要，要有很強的實用價值；

5）界面友好性：注重人機交互界面友好，充分考慮使用者的使用習慣，便于使用和推廣。

2.2 結構設計

系統采用3層B/S體系架構，分為表現層、中間層和數據層，如圖1所示。

1）表現層通過Web瀏覽器提供友好的用戶交互界面，包括地圖的基本功能、臺風信息的查詢顯示等。

2）中間層是服務層，包括Web服務器和應用服務器。Web服務器主要處理客戶端的請求，調用位于應用服務器上的業務邏輯，完成對信息的各種操作，將結果以頁面形式返回給用戶。應用服務器提供GIS功能的實現，并將結果轉化為前臺可展示的形式，傳給Web服務器。

3）數據層包括空間數據庫和非空間數據庫。空間數據庫存儲各種矢量、柵格地理數據，包括基礎地圖數據和各種模型所需數據等；非空間數據庫存儲臺風災害的基本信息和災害統計信息等，所采用的數據庫為SQL Server2005和ArcSDE。

圖1 系統結構圖

2.3 系統功能設計

根據系統的結構設計，按照系統設計原則與目標，臺風預警系統的功能結構見圖2。

地圖的基本功能包括地圖的放大、縮小、全圖顯示和地圖漫游等。

臺風信息查詢和顯示：臺風數據庫中包含大量歷史臺風數據，根據需要按照臺風發生的時間查詢臺風信息，并以列表形式顯示出來。

臺風路徑的分析包括臺風路徑緩沖區分析、臺風路徑的量算、風圈范圍等。臺風路徑的緩沖區分析表示臺風路徑的影響范圍，為臺風預警提供數據和手段；距離量算是計算任意2個位置點的距離，并把測量結果顯示出來；風圈是以臺風記錄點為圓心，表示大風影響范圍的圓。

臺風模型包括路徑預報模型和危險性評估模型。路徑預報模型是根據實時臺風路徑計算出未來時段內臺風位置的經緯度值，為路徑展示提供數據；危險性評估模型是計算被評估地區危險性評估指標的各個數值，為制作危險性分布圖提供數據。

臺風路徑顯示：在地圖上顯示出臺風路徑和臺風的預測路徑，方便用戶直觀查看臺風移動過程。

圖2 系統功能結構圖

2.4 數據庫設計

數據庫包括空間數據庫和屬性數據庫。空間數據庫存儲基礎地圖數據、行政區劃數據、人口分布信息、城市房屋信息、受災統計信息，其中受災統計信息包括受災面積、倒塌房屋、死亡人數、受災人數、直接經濟損失等數據；屬性數據庫存儲臺風災害的基本信息，有臺風編號、臺風中心觀測日期、觀測時間、臺風中心的經緯度、中心氣壓、風力、最大風速、移動速度、移動方向、七級風圈半徑、十級風圈半徑、臺風的影響地區、地區的日最大降雨量和中心最大風力、模型計算數據等。所采用的數據庫為SQL Server2005和ArcSDE。

3 系統實現

3.1 系統開發環境

本系統采用ArcGIS Server 二次開發，基于ArcGIS API for Flex技術構建系統的主體部分，進行GIS軟件平臺的開發，實現模型的平臺展示。系統的開發環境為Microsoft Visual Studio 2008 和Flex Builder 3；編程語言為ASP．NET、C#和Action Script，數據庫為SQL Server 2005和ArcSDE。

3.2 系統功能實現

1）臺風信息查詢與顯示。臺風信息的查詢按照年份進行，選擇查詢的起止年份和該時間段內的臺風，在列表中顯示，見圖3。臺風信息的顯示列表包括臺風的編號、名稱、英文名稱，見圖4。

圖3 臺風信息查詢圖

圖4 臺風信息圖

2）臺風信息模塊。臺風風圈和臺風詳細信息：臺風的影響范圍通過風圈來表達，一般有七級風圈和十級風圈2種表達方式，臺風移動過程中動態顯示臺風的七級風圈和十級風圈影響范圍。在臺風路徑上點擊臺風的記錄點可查看臺風在該點的詳細信息，見圖5。臺風圖例：包括臺風的風向圖例、表示臺風不同強度的臺風圖例以及臺風對城市產生影響的不同情況的表示形式，見圖6。

圖5 臺風風圈和臺風信息圖

圖6 臺風圖例

3）臺風預測路徑展示及緩沖區分析。臺風路徑的預測選用關鍵點相似度法進行建模及實現；臺風路徑緩沖區分析選取臺風路徑上的記錄點建立緩沖圓，進行緩沖區分析，緩沖圓的半徑為記錄點的七級風圈半徑，緩沖區分析的結果通過列表顯示出來，見圖7。

通過對臺風路徑進行緩沖區分析，可得到所分析臺風位置對周圍的影響范圍，以及緩沖區內的地理、人文信息等。根據緩沖區分析數據，可實現臺風的預警，使有關部門提前采取相應的應對措施，盡量減少臺風的影響。

圖7 臺風預測路徑及分析圖

[1] 陳聯壽,孟智勇．我國熱帶氣旋研究十年進展[J]．大氣科學,2001,25(3):420-429

[2] 張斌,陳海燕,顧俊強．基于GIS的臺風災害評估系統設計開發[J]．災害學,2008,23(1):47-50

[3] 鄒亮,任愛珠,徐峰，等．基于GIS空間分析的臺風路徑預測[J]．清華大學學報,2008,48(12):2 036-2 040

[4] 馬清云,李佳英,王秀榮，等．基于模糊綜合評價法的登陸臺風災害影響評估模型[J]．氣象,2008,34(5):20-25

[5] 盧廷玉,張艷華．基于ArcGIS Server富互聯網地圖的客戶端開發[J]．測繪與空間地理信息,2012,35(3):83-84

[6] 于國強．基于ArcGIS Server的校園WebGIS應用研究[J]．邢臺職業技術學院學報,2011,28(3):83-84

[7] 徐永龍．基于Flex和ArcGIS Server的WebGIS實現研究[D]．西安:長安大學,2011

[8] 賈靜,耿襯．基于ArcGIS API for Flex的Web應用初探[J]．地理空間信息,2012,10(3):114-118

P208

B

1672-4623（2014）01-0134-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.046

馬娟娟，從事地理信息及測繪計量檢定工作。

2013-03-25。

項目來源：中國地震局地震研究所所長基金資助項目（IS201256109）。