山洪災害氣象監測預警系統的設計與實現

李永花

(青海省氣象信息中心，青海西寧 810001)

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山洪災害氣象監測預警系統的設計與實現

李永花

(青海省氣象信息中心，青海西寧 810001)

摘要針對山洪災害防治相關的氣象監測服務現狀和我國不同地域的山洪災害特點，基于現有的氣象水文和山洪災害防治數據實時共享的基礎上，設計并實現了基于氣象監測預警預報服務的山洪災害氣象監測預警系統。該系統采用ArcGIS、Spring、PureMVC等技術，實現了基于GIS的氣象水文觀測數據的采集、存儲、分析、發布等功能，為預測山洪災害的發生、提升山洪災害預警監測工作的科技水平提供強有力的技術支撐。

關鍵詞山洪災害；氣象監測；預警預報；設計；實現

近年來，受全球整體環境的影響，我國越來越重視山洪災害防治工作[1]，為了降低山洪災害所導致的人員傷亡，減少經濟損失，從根本改善山洪災害防治氣象監測落后狀況，政府的相關部門投資建設了大量的雨量站、河道水文站和水庫站，及相應的水文監測自動化系統，進行水文數據的收集、傳輸和分發，為分析降水、河道和水庫信息提供了數據支撐。

目前，許多學者對國內的氣象監測預警業務系統進行了分析[2-3]，但由于氣象和水文資料分散，臺站傳輸的數據文件格式各不相同，缺乏統一規范的共享數據庫和信息發布系統，造成基準站和區域站觀測數據無法有效集成，無法為政府、氣象和水利部門提供全面準確的實時和歷史資料，導致相關部門所做出的決策缺乏了一定的科學性[4]。該研究針對山洪災害防治相關的氣象監測服務現狀[2-4]，基于現有的氣象水文和山洪災害防治數據實時共享的基礎上，設計并實現了基于氣象監測預警預報服務的山洪災害氣象監測預警系統，為預測山洪災害的發生、提升山洪災害預警監測工作的科技水平提供強有力的技術支撐。

1系統架構分析

該系統需采用先進的、開放的SOA體系結構，整個系統能體現目前成熟、可靠的信息化設計開發技術。由于該系統的邏輯復雜性及對各種性能的要求，因此需要一個成熟穩健的架構和一些與之兼容的技術，共同來達到該系統的預期目標。為此，該系統選用了標準的平臺應用開發過程，按照高內聚、低耦合的原則，從易于控制、易于延展、易于分配資源的角度，可將該系統分為業務邏輯層、應用表現層、應用服務器、Web服務器[5]，系統架構圖如圖1所示。

圖1　系統分層技術架構Fig.1　Framework of system hierarchical technology

1.1Web服務器這部分主要負責通過HTTP協議，接收并處理來自客戶端瀏覽器的請求，并在WEB服務器上根據該請求，查找并返回用戶所需要的資源。當如果存在與業務邏輯相關的請求時，WEB服務器會向應用服務器轉發該請求，然后應用服務器會以XML、JSON、HTML等方式返回需要的結果。在收到返回的結果后，WEB服務器將得到的內容按照HTTP協議的規范發送給客戶端的瀏覽器，并進行最終的解析和展示。

1.2應用服務器這部分主要負責處理邏輯層的中間層，它主要以組件的方式進行封裝，為應用系統提供支持。遵照J2EE 1.7規范提供一組標準的服務組件，集成了相關的服務，以滿足應用層的需求。為了保證規則的一致性和統一性，各系統使用這些組件對客戶端進行定制，所有業務邏輯、實體類定義均被封裝成組件。

1.3應用表現層在應用表現層中，用戶發來的請求均指向ControlServlet組件，該組件按照Web.xml中的配置信息，將用戶的請求封裝成指定的JavaBean對象，并將其傳至指定名稱的接收器，從而完成相應的文件操作或數據庫操作。ControlServlet類作為該架構的核心，在Web.xml中進行配置，并定義了所有頁面的導航。此配置文件表明了該系統的架構，對從前期開發、到后期的維護及升級均有很大的幫助。

1.4業務邏輯層它是由Java Web服務配合中間層服務所組成。服務器端主要用于接收客戶端請求，對用戶提交的需求進行收集和分析，并從數據源中對數據進行檢索和運算，最終將結果數據組織成HTML網頁的形式，返回給客戶端瀏覽器，并在頁面上進行解析和顯示[6]。

2系統功能簡介

該系統致力于從氣象數據的角度，為山洪災害進行監測和預警。根據對我國山洪災害在不同地域特點的總結，該系統重點從氣象水文數據集成及信息共享、監測預警分析、監測預警系統管理進行需求的劃分，具體的功能結構如圖2所示。

圖 2　系統功能結構Fig.2　Structure of system function

2.1氣象水文數據集成該部分功能主要用來建立供山洪災害防治氣象監測的共享數據庫，包括對水文數據的采集和集成兩部分。水文數據的采集先要將氣象自動站數據文件解碼入庫，包括基本站和區域站的數據文件，基本站的報文到達1次/h，區域站的報文到達1次/10min[7]。水文數據的集成是將采集到的報文從中解析出水文相關的數據，并將水文數據文件解碼入庫或從其他系統數據庫轉換導入，然后按照一定的格式和數據結構進行入庫。

2.2氣象水文信息共享該模塊主要實現氣象水文信息的共享、氣象自動站信息查詢統計，基于GIS的數據分析、水文信息查詢與統計、天氣預報等功能，具體表現為：氣象自動站常規觀測要素實時數據呈現；常用要素查詢和變化趨勢圖；要素按降水、溫度、濕度、風場和地溫分組進行查詢；常用要素按日、旬、月、季度和年統計；要素按降水、溫度、濕度、風場和地溫分組進行統計；水文信息包括雨情、河道和水庫的查詢與統計；GIS填圖、等值線和等值面；天氣預報包括精細化預報、短時臨近、預警信息；查詢和統計結果表格下載和統計圖形本地保存。

2.3監測預警分析該功能主要實現實時監測氣象數據和雨情、水庫和河道相關的實時數據，若實時數據超過預警閾值，則報警并要求業務員處理，并在平臺上顯示報警信息，提供處理入口。此外，通過在GIS地圖上用彈出消息框標識出有報警信息提供預警提醒功能，并提供短信分發報警信息方式通知相關責任人。

2.4監測預警系統管理該模塊負責管理整個系統的后臺數據，能為系統提供安全控制機制，實現用戶權限管理，完成系統內各種基礎數據的設置以及各種系統編碼和報警閾值的設置。該系統管理根據業務要求，具有以下功能：基于角色實現用戶權限管理和基于地區實現用戶數據訪問控制、完成系統內各種基礎數據的設置、提供要素報警閾值設置和預警分類設置。

3系統關鍵技術

為了保障該系統的順利實施和穩定運行，系統在設計與實現過程中使用了以下關鍵技術。

3.1ArcGIS for Flex該系統將ArcGIS for Flex技術應用于基于地圖圖層的水文數據查詢、災害天氣查看、監測數據顯示等功能，通過Flex客戶端對該系統的各項數據和指標進行查看，采用的集成定位技術確保了數據采集的高效性和準確性，同時結合ArcGIS Server或ArcGIS Desktop的強大GIS功能，能夠將移動應用與企業內GIS系統集成，進行數據展示、空間分析等，為用戶提供良好的應用體驗。

3.2Spring該系統的應用服務器端主要應用了Spring技術，對平臺上的所有對象元素的生命周期和調用邏輯進行管理。Spring作為一個開源的Java開發框架，其核心思想主要包括控制反轉和面向切面編程兩部分，致力于降低企業級開發的復雜性。在該系統中，Spring根據其分層的思想對該系統進行了層次的劃分，分層架構允許使用者使用不同的組件同時為J2EE應用程序開發提供集成的框架。Spring容器使用JavaBean來完成相應的功能，從一定程度上提高了該系統的開發效率。

3.3PureMVC該系統根據其具體需求的復雜度采用了B/S(Browser/Server)結構。其中，在瀏覽器上使用了富媒體客戶端，即Rich Client技術。為了減少應用和視圖之間的依賴，從而降低整個系統的耦合程度，在該客戶端上使用PureMVC框架進行設計和實現。服務器端使用了Spring和Mybatis技術進行調用和管理；瀏覽器上的富媒體客戶端與服務器端通過BlazeDS和HttpService方式進行數據通信。PureMVC框架是在基于模型、視圖和控制器MVC模式建立的一個輕量級的應用框架，目前支持標準和多核這2個版本框架。其中，標準版提供了一種簡單的編碼分離的方法，按照基本的MVC理念設計而成。此外，該系統所使用的多核版本允許多個PureMVC應用運行在同一個虛擬機中[8]。

3.4基于BlazeDS的數據通信該系統在應用服務器上使用了BlazeDS技術，該技術是一個基于服務器的Java遠程調

用和Web消息傳遞技術，主要用于將該系統的后臺Java應用程序和運行在瀏覽器上的Flex應用程序進行相互通信，實現服務器與Flex客戶端的數據傳輸，其通信方式主要包括HTTPService、WebService、RemoteObject，當位于客戶端的RPC控件調用遠程服務時，該控件就會將服務端返回的數據保存在一個ActionScript對象中，這樣在程序中就能夠很輕松地獲取想要的數據。此外，該系統還將這個技術應用在客戶端認證、服務器端日志、本地化支持、RPC Services服務集中化管理等方面[9]，極大地提高了該系統的完整性。

4總結

該研究針對山洪災害防治相關的氣象監測服務現狀和我國不同地域的山洪災害特點，基于現有的氣象水文和山洪災害防治數據實時共享的基礎上，設計并實現了基于氣象監測預警預報服務的山洪災害氣象監測預警系統。該系統采用ArcGIS、Spring、PureMVC等技術，實現了基于GIS的氣象水文觀測數據的采集、存儲、分析、發布等功能，為第三方系統與該系統的聯動提供統一的應用接口，實現了氣象水文監測預警信息的高度集成共享，為基于山洪地質災害防治的氣象水文監測預警提供了高效穩定的業務保障能力。該系統的應用為預測山洪災害的發生、提升山洪災害預警監測工作的科技水平提供強有力的技術支撐，有效減少人員傷亡和財產損失，避免過去由于天氣及降雨觀測手段落后、信息傳輸較慢，從而造成不能為抗洪避險及時地發布預報和警報[10]。

參考文獻

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Design and Implementation of Meteorological Monitoring and Early Warning System of Mountain Torrent Disasters

LI Yong-hua

(Meteorological Information Center of Qinghai Province,Xining,Qinghai 810001)

AbstractAccording to the current status of meteorological monitoring service related to mountain torrent disasters and the characteristics of mountain torrent disasters in different areas,meteorological monitoring and early warning system of mountain torrent disasters based on meteorological monitoring and early warning service was designed and implemented on the base of current real-time sharing of the meteorology and hydrology and the control data of mountain torrent disasters.ArcGIS,Spring,PureMVC and other technologies were used to realize the collection,storage,analysis and release of hydrologic meteorological observation data based on GIS,which provided strong technical support for the forecasting of mountain torrent disasters and the enhancement of scientific and technological level for monitoring and early warning work of mountain torrent disasters.

Key wordsMountain torrent disasters; Meteorological monitoring; Early warning; Design; Implementation

作者簡介李永花(1970- )，女，土族，青海互助人，高級工程師，從事氣象信息技術應用研究。

收稿日期2016-02-26

中圖分類號S 429

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)08-241-02