基于WebGIS的雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

劉嘉唯 余宇婷 劉彥章 肖建

摘要：在總結(jié)以往雷電數(shù)據(jù)服務(wù)存在的不足和問題的基礎(chǔ)上，介紹了WebGIS在構(gòu)建雷電數(shù)據(jù)服務(wù)方面的優(yōu)勢和特點(diǎn)，構(gòu)建了基于WebGIS的雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng)。著重對基于TeeChart統(tǒng)計分析曲線繪制、基于MapXtreme統(tǒng)計分析專題圖和等值線生成的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，為雷電災(zāi)害防治及預(yù)測預(yù)報提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：雷電數(shù)據(jù)分析；WebGIS； .Net ；TeeChart；MapXtreme

DOIDOI：10.11907/rjdk.161584

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）007006905

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)總體設(shè)計

按照軟件工程原理，在保證軟件質(zhì)量前提下，系統(tǒng)應(yīng)該在互操作性、可擴(kuò)展性和開放性等方面滿足用戶的基本需求，這也是系統(tǒng)總體設(shè)計的基本要求。本系統(tǒng)總體架構(gòu)采用構(gòu)件式WebGIS多層架構(gòu)B/S模式，由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和展示層構(gòu)成。系統(tǒng)基于.Net環(huán)境下的WebGIS體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)分析、設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的各個環(huán)節(jié)采用先進(jìn)的面向?qū)ο筌浖こ涕_發(fā)方法。圖1為系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計

在對雷電業(yè)務(wù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，借助軟件工程方法設(shè)計了相應(yīng)的邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，劃分為5大功能模塊，如圖2所示。

（1）用戶信息管理子系統(tǒng)。通過用戶信息管理子系統(tǒng)，用戶可以注冊，查看、更新信息和密碼，管理員用戶可以對注冊用戶進(jìn)行權(quán)限管理等事項(xiàng)操作。

（2）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出功能，包括按照不同方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，如按照逐個文件或批量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。在數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程中，系統(tǒng)還提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，檢驗(yàn)諸如數(shù)據(jù)格式是否正確、數(shù)據(jù)是否有冗余等問題。

圖2系統(tǒng)功能模塊

（3）雷電信息統(tǒng)計子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)式是本系統(tǒng)的主要模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和服務(wù)等功能，包括對雷電數(shù)據(jù)的查詢和統(tǒng)計。系統(tǒng)提供諸如按年月日方式、按時間段方式的統(tǒng)計，對有關(guān)雷電信息（如正閃、負(fù)閃及總閃）進(jìn)行各種方式的可視化展示，以滿足業(yè)務(wù)需要；提供按年月日的雷電信息比較服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)按年、月和日方式并采用多種可視化方式提供對雷電信息及有關(guān)極值信息比較服務(wù)。

（4）雷電強(qiáng)度分析子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)提供雷電強(qiáng)度信息，包括有關(guān)雷電強(qiáng)度的分布情況、雷電強(qiáng)度的密度分布和雷電強(qiáng)度的區(qū)間分布等信息，并采用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)顯示分析結(jié)果。在強(qiáng)度分布和密度分布分析中滿足業(yè)務(wù)的各種精度要求，如本系統(tǒng)能提供3種不同分辨率網(wǎng)格的雷電強(qiáng)度分布分析服務(wù)，這3種分辨率分別是1×1km、5×5km和10×10km。

2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用空間數(shù)據(jù)描述有關(guān)信息，并采用MWS文件實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲和管理。除了空間數(shù)據(jù)外，系統(tǒng)采用屬性數(shù)據(jù)描述一般實(shí)體，并采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理。因此，本系統(tǒng)采用混合模式來設(shè)計這兩類數(shù)據(jù)。

2.1空間數(shù)據(jù)庫

在空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，主要包括以下幾類文件：擴(kuò)展名為.tab代表 MapInfo 表的結(jié)構(gòu)；擴(kuò)展名為.dat（.mdb， .dbf， .txt， .xls or .wks）代表包含制表的數(shù)據(jù)文件；圖形對象的擴(kuò)展名采用.map；交叉索引文件的擴(kuò)展名為.id；用于搜索地圖對象的索引文件擴(kuò)展名為.ind。因此，對一個采用MapXtreme表示的圖層就可以通過這些擴(kuò)展名所構(gòu)成的文件集合來描述了。2.1.1雷電背景圖層描述

本系統(tǒng)所使用的雷電背景圖層是江西省地圖，要求表現(xiàn)3個層次，即地級市、縣級市和行政區(qū)域。基于此要求，本系統(tǒng)對背景圖層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述包括3個組成部分：①通過采用5個字段來描述地級市圖層：NAME Char （30）、 AREA Float 、 PERIMETER Float 、 GBCODE Decimal （6， 0） 、 PINYIN Char （50）；②通過采用RNAME Char （34） 、 AREA Float 、 PERIMETER Float 、 GB Char （5）、MAPTN Char （11） 這5個字段來描述縣級市圖層；③通過采用NAME Char （22） Index 1 、 CAPNAME Char （20） 、 AREA Float 、 PERIMETER Float 、DIST_CODE Integer這5個字段來描述行政區(qū)域圖層，由此構(gòu)成圖3所示的背景地圖。

2.1.2動態(tài)圖層描述

2.2表設(shè)計

對雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表設(shè)計包括空間數(shù)據(jù)庫表設(shè)計和關(guān)系數(shù)據(jù)庫表設(shè)計，表1是其中的部分表設(shè)計。

3.1曲線展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1.1獲取曲線有關(guān)參數(shù)

對雷電數(shù)據(jù)分析結(jié)果可視化，曲線繪制是最基本的展示方式，基于TeeChart技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而基于TeeChart技術(shù)進(jìn)行曲線的繪制第一步是要獲取繪制曲線的有關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)是從輸入的數(shù)據(jù)源中得到的；設(shè)定TeeChart所在的坐標(biāo)范圍，這通過所獲得的參數(shù)映射來實(shí)現(xiàn)；然后進(jìn)行曲線顯示樣式設(shè)置，這可以通過操作TeeChart組件中的Series序列屬性來實(shí)現(xiàn)。由此可見，從輸入數(shù)據(jù)中讀取有關(guān)參數(shù)是繪制曲線最重要的一步，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。本系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)來自本地文件或數(shù)據(jù)庫。從輸入數(shù)據(jù)中獲取繪制曲線有關(guān)參數(shù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)代碼如下：

3.2專題圖實(shí)現(xiàn)

在雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng)中經(jīng)常需要以可視化方式來展示雷電的時空特征，這可通過專題圖來體現(xiàn)。專題圖是以某特定渲染地圖方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的。MapXtreme推崇以一種圖形化顯示數(shù)據(jù)方式達(dá)到數(shù)據(jù)可視化目的，即采用MapXtreme中的RangedTheme來生成范圍專題圖。3.3基于MapXtreme等值線實(shí)現(xiàn)

在雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)系統(tǒng)中，需要雷電災(zāi)害信息以等值線方式進(jìn)行展示，即構(gòu)建雷電災(zāi)害的等值線模型。3.3.1等值線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述

點(diǎn)、線、面及格網(wǎng)是等值線模型中最基本的組成元素。點(diǎn)由兩個字段構(gòu)成，一段用來存儲高程值，另一個是存儲點(diǎn)的坐標(biāo)；線由5個字段構(gòu)成，兩個字段代表線的兩個端點(diǎn)，兩個字段表示相鄰的網(wǎng)格在數(shù)組中的水平位置和垂直位置。另一個字段是標(biāo)志字段，表示線是否被處理；4個線對象構(gòu)成的面，對應(yīng)的是一個矩形網(wǎng)格對象，由5個字段構(gòu)成，分別代表上線、右線、下線、左線和標(biāo)志字段（即該面是否已被處理）；而由有限個面組成的是格網(wǎng)，它通過定義一個對象的二維數(shù)組來實(shí)現(xiàn)。3.3.2基于格網(wǎng)模型的等值線生成

等值線生成步驟描述如下：

輸入：網(wǎng)格對象List；

輸出：網(wǎng)格所有對象都處理的list。

對網(wǎng)格的未處理對象根據(jù)基于二義性判斷矩形網(wǎng)格與等值線的相交情況，將記錄點(diǎn)生成等值線。這里對象的網(wǎng)格標(biāo)志字段若已處理，則為1，否則為0。

（1）初始化網(wǎng)格對象，即初始化鏈表。

（2）判斷，是，則繼續(xù)下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟（8）。

（3）判斷網(wǎng)格標(biāo)志字段是否為0，是則進(jìn)行步驟（7）；否則，進(jìn)行下一步。

（4）判斷是否有邊與等值線相交，是則進(jìn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟（7）。

（5）對所有與等值線相交的邊的對象集進(jìn)行處理。①初始化；②選擇作為起始邊，判斷是否已處理，是則轉(zhuǎn)入步驟，否則繼續(xù)下一步；③記錄與等值線的交點(diǎn)，判斷是否存在相鄰網(wǎng)格共享此邊，有則繼續(xù)下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟；④計算矩形網(wǎng)格與等值線的相交情況，兩邊相交則繼續(xù)下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟⑥；⑤將網(wǎng)格標(biāo)志為已處理，轉(zhuǎn)入步驟；⑥判斷處理了多少邊，如已經(jīng)處理了一半則繼續(xù)下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟⑧；⑦將網(wǎng)格標(biāo)志設(shè)為已處理，轉(zhuǎn)入步驟⑨；⑧將網(wǎng)格標(biāo)志設(shè)為處理一半，轉(zhuǎn)入步驟⑨；⑨判斷網(wǎng)格的二義性，返回對應(yīng)的邊，轉(zhuǎn)入步驟；將記錄的點(diǎn)生成等值線；選擇下一條邊，即，若轉(zhuǎn)至步驟②，否則進(jìn)行步驟（6）。

（6）判斷計算網(wǎng)格內(nèi)等值線的情況：若為2條邊，直接生成等值線；若為4條邊，則進(jìn)行二義性處理再生成等值線。

（7）將網(wǎng)格標(biāo)志字段設(shè)為已經(jīng)處理1，轉(zhuǎn)至步驟（2）。

（8）算法結(jié)束。

在等值線生成過程中，關(guān)于非閉合等值線的問題可以通過在所得到的等值線點(diǎn)中加入輔助點(diǎn)方法解決。

4系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1雷電信息統(tǒng)計模塊

系統(tǒng)采用多種手段進(jìn)行各類統(tǒng)計，包括對雷電信息的年月日統(tǒng)計、根據(jù)給定時間段對雷電信息的統(tǒng)計、對不同方式的雷電信息統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行比較等。圖5和圖6所示的結(jié)果是用戶通過界面選擇需要統(tǒng)計的有關(guān)參數(shù)（統(tǒng)計年份以及統(tǒng)計區(qū)域或經(jīng)緯度范圍）后得到的雷電數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。本系統(tǒng)對雷電數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果采用報表方式及圖形方式顯示，用戶還可以通過選擇導(dǎo)出報表或圖形存儲統(tǒng)計結(jié)果。

4.2雷電數(shù)據(jù)分析模塊

系統(tǒng)可對雷電發(fā)生強(qiáng)度分布進(jìn)行分析、對雷電發(fā)生的強(qiáng)度區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計，以及對雷電發(fā)生的強(qiáng)度密度進(jìn)行分析，下面以雷電強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析為例來說明雷電數(shù)據(jù)分析模塊功能。

數(shù)據(jù)分析地圖可實(shí)現(xiàn)放大、縮小、移動、查看網(wǎng)格信息等，用戶可使用操作工具盒和地圖縮放標(biāo)尺工具進(jìn)行圖形的有關(guān)操作。如果用戶需要對雷電發(fā)生的有關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，事先需要對時間段、矩形網(wǎng)格的大小及統(tǒng)計的區(qū)域或經(jīng)緯度范圍進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后通過界面按鈕工具進(jìn)行雷電發(fā)生的強(qiáng)度分布、密度分布等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖7所示。

用戶單擊界面中的網(wǎng)格即可查看網(wǎng)格的詳細(xì)信息，如圖8所示。

5結(jié)語

針對傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中雷電觀測數(shù)據(jù)分析功能受限、雷電數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式單一、可用性差、缺乏數(shù)據(jù)可視化功能和使用不方便等不足，將WebGIS應(yīng)用于雷電數(shù)據(jù)分析服務(wù)領(lǐng)域，有效提高了雷電數(shù)據(jù)的利用率和時效性，為雷電業(yè)務(wù)部門提供了有力的業(yè)務(wù)支撐，促進(jìn)了雷電數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，提升了應(yīng)用水平。系統(tǒng)為雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了良好的共享和服務(wù)平臺，具有重要的實(shí)際意義和發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：

馬明，呂偉濤，張義軍，等. 1997-2006年我國雷電災(zāi)情特征[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（4）：393400.

孫凌，周筠珺，楊靜.雷暴預(yù)警預(yù)報研究進(jìn)展[J].高原山地氣象研究，2009，29（2）：7580.

安寧，吳景飛，梁香清.雷電研究與雷電災(zāi)害預(yù)警預(yù)報現(xiàn)狀的分析[J]. 氣象研究與應(yīng)用，2014，35（SI）：9798.

趙曦，姬建中，常俊，等，基于WebGIS 的地震數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2014，29（3）：224228.

談樹成， 金艷珠， 馮龍，等. 基于 RIA 的WebGIS 斜坡地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警信息系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)——以怒江為例[J]. 地球?qū)W報，2014，35（1）：119125.

張樂平. 基于WebGIS的陜西省冷凍害干旱監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn). 杭州：浙江大學(xué)，2014.

趙青松，徐濤，姜海燕. 基于SOA和WebGIS的作物種植制度設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)應(yīng)用，2014，（31）6：755759.

劉旭林，趙文芳，劉國宏. 基于WebGIS 的氣象信息顯示和查詢系統(tǒng)[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（1）：116122.

劉茜茜，孫亞琴，呂翔，等. 基于WebGIS的氣象信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計，2014，35（1）：322326.

張茜. WebGIS和Flex架構(gòu)在公眾氣象信息發(fā)布系統(tǒng)中的應(yīng)用研究. 南京：南京信息工程大學(xué)，2013.

屈景輝. Teechart應(yīng)用技術(shù)詳解. 北京：中國水利水電出版社，2007.

吳曉偉，史樹輝 ，董慶民，等.繪圖控件TeeChart的功能介紹與應(yīng)用舉例[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 2005 （7）：5455.