氣象災害數據庫管理與分析系統開發與實現

文/許皓皓 何彩芬

氣象災害數據庫管理與分析系統開發與實現

文/許皓皓1何彩芬2

為解決歷年氣象災害災情數據錄入和查詢手段匱乏問題，及時準確地分析氣象災害的發生發展情況，為氣象災害風險評估和決策服務提供依據。設計和開發氣象災害數據庫管理與分析系統，實現包括臺風、雷電、冰雹等十余種氣象災害信息的錄入、修改、刪除、查詢、檢索、統計和分析功能。該系統主要基于C# .NET語言開發，采用B/S架構，提供GIS可視化界面，可以基于災情信息在后臺自動計算災情指數，為災害的評估提供直接數據支持。

氣象災害 災害風險評估 氣象災害數據庫 災害分析 災情評估

我國是世界上氣象災害最嚴重的國家之一，氣象災害損失占所有自然災害總損失的70%以上。氣象災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、造成損失重，我國每年受氣象災害影響的人口達4億人次，造成的經濟損失相當于國內生產總值的1%～3%。根據2010年4月1日正式施行的《氣象災害防御條例》第十條明確要求：縣級以上地方人民政府應當組織氣象等有關部門對本行政區域內發生的氣象災害的種類、次數、強度和造成的損失情況開展氣象災害普查、建立氣象災害數據庫，按照氣象災害的種類進行氣象災害風險評估，并根據氣象災害分布情況和氣象災害風險評估結果，劃定氣象災害風險區。因此開展氣象災害數據庫相關系統的研究和建設，既是國家層面對地方政府的要求，也對氣象災害的風險評估和決策服務，乃至人民群眾的財產生命安全都有切實的意義。

各地氣象部門在氣象災害數據庫領域開展了大量的研究工作。黃國榮等[4]針對主要農業氣象災害發生規律,分析不同生育期農作物生長發育的適宜氣象指標,建立了主要農業氣象災害的農業生產防御對策數據庫的檢索系統；王夢琳等[5]選用VB.net開發語言,結合Access 2007數據庫系統,設計并初步實現了具有數據收集、處理及災害等級判定等功能的農業氣象災害查詢系統；吳亞玲等[6]運用Web技術、地理信息系統(GIS)等關鍵技術設計和構建氣象災情數據庫，實現了災情查詢和統計對比分析、災情和對應自動站各氣象要素的關聯查詢等功能,為2011年在深圳舉行的大運會開展相應的防災減災氣象服務。然而現有的氣象災害數據庫系統，有些只關注農業氣象災害等單一災種，無法適用于全部類型的氣象災害；有些系統開發平臺過于落后，操作方式也不夠便捷，為系統的大規模使用留下隱患；如果能基于主流開發平臺設計和研發一款支持多災種氣象災害、操作簡便的氣象災害數據庫管理與分析系統，實現包括臺風、雷電、冰雹等十余種氣象災害信息的錄入、修改、刪除、查詢、檢索、統計和分析功能，將非常具有實用價值。

1 系統需求

為滿足氣象災情評估精細化的目標，參考現有氣象災害數據庫系統功能，結合地方實際需求，確定氣象災害數據庫管理與分析系統主要功能需求如下：

（1）梳理氣象災害各災種災情信息字段后合理分類，對災害數據庫模型和災害的閾值進行研究，設計氣象災害數據庫結構，建立臺風、雷電、冰雹、雷雨大風、龍卷，暴雨（洪澇），地質災害、干旱等11類氣象災害數據表和關聯數據表。

（2）基于B/S架構開發氣象災害管理模塊，實現各類氣象災害數據的錄入、修改、刪除功能，支持jpg、png、doc、docx、xls、xlsx、pdf等多種格式的圖片、文檔、資料文件的上傳。

（3）在氣象災害數據庫基礎上，研發氣象災害顯示分析模塊，實現基于GIS的氣象災害的可視化查詢、統計、管理和分析功能，提供自動化的災情指數計算和顯示功能。

2 系統架構和災害數據庫設計

基于四層架構構建氣象災害數據庫管理與分析系統，實現數據與操作邏輯分離、操作與服務邏輯分離，由服務支撐客戶端請求的模式，降低系統風險，為系統的健壯性、可擴展性奠定基礎。系統由數據層、持久層、業務層和表現層4部分組成。數據層負責氣象災害數據的存儲，由SQL Server數據庫提供支撐；業務層負責系統各項功能的業務邏輯實現；持久層將業務層和數據層連通，通過SQL語句向數據存儲器中存儲或者獲取數據；表現層為最終用戶操作界面，負責系統操作界面和互動功能展現。

在廣泛、多源收集寧波氣象災害數據的基礎上，調研參考國內氣象災害數據庫，完成寧波氣象災害數據庫的模型設計。數據庫共設計臺風、地質災害、暴雨、強對流、低溫雨雪冰凍、干旱、高溫、連陰雨、低溫冷害、大霧和其他災害等十一類災害類別。氣象災害數據庫管理系統后臺數據庫主要由5類表格組成，災害總表，用于存儲主要的氣象災害信息；災害附表，用于存儲次重要的災害信息，避免主表數據字段太多導致的各類問題；災害附件表用于存儲用戶上傳的圖片、文檔等災害附件；地理信息表用于存儲災害區域地理信息數據；災害字段表用于關聯災害主表、災害附表和災害附件表，保證同一災害信息的相關性。每個災害設計一個主表，主要項目有災害的時間、地點、相關氣象要素和與本災害密切相關的災情信息。所有災害共用一張副表，副表的主要項目為一般災害所涉及的所有災情信息。并對臺風、暴雨兩種災害特別設計災情評估指數字段存儲災情指數的計算和統計值。氣象災害數據庫設計圖如圖1所示。

圖1：氣象災害數據庫設計圖

3 系統主要功能和實現

3.1 氣象災害管理模塊

氣象災害數據庫管理模塊主要實現用戶登錄驗證、災害數據增刪改、災害數據附表增刪改和災害附件上傳等功能。氣象災害數據庫管理模塊基于.NET Framework4.0框架，采用C#語言開發。程序開發重點使用了ASP.NET GridView控件來實現氣象災害數據的增刪改操作。GridView是 DataGrid的后繼控件，相對于DataGrid來說GridView在界面設計上更加容易，支持模板化設計，無需編寫大量定制代碼；DataGrid功能上更加豐富，常用的排序、分頁、更新、刪除等操作均可以零代碼實現，在Visual Studio平臺開發ASP.NET程序時使用特別方便。GridView控件與ADO.NET技術緊密結合可以以盡可能少的數據實現雙向數據綁定，使開發周期大大縮短，搭配微軟SQL Server數據庫效率尤其高，特別適合氣象災害數據庫需要頻繁進行錄入、修改和刪除等操作的特性。

氣象災害數據庫管理模塊程序開發過程中，為了解決氣象災害數據字段過多帶來的顯示和輸入問題，引入了附表的概念和設計，通過附表和主表兩個頁面分別進行數據的錄入修改工作，但保持同一條災害數據關聯id字段的統一。這樣后期在數據的使用分析過程中，通過對數據庫兩張數據表id字段進行關聯，就可以實現單條氣象災害數據的統一使用、分析和管理。

用戶使用氣象災害數據庫管理模塊進行災害信息的增加、修改、刪除等操作首先需要登錄驗證，登錄程序通過FormsAuthentication. SetAuthCookie表單驗證方式實現，目前驗證功能比較單一，后期可以采用用戶分組方式進一步細化操作權限控制。氣象災害數據庫管理模塊提供附件上傳功能，支持災害圖片、文檔的上傳和管理，包括災害天氣圖、受災圖片、新聞報道、統計表格等，可以為以后的氣象災害檢索提供更加豐富的信息量和展示形式。附件上傳功能采用Ajax Uploader控件實現，支持多文件異步上傳。

3.2 氣象災害顯示分析模塊

氣象災害顯示分析模塊主要實現氣象災害數據信息的顯示、檢索、排序、統計以及災情指數計算等功能。功能頁面采用GIS和表單相結合的方式展示數據。氣象災害顯示分析系統實現了臺風、暴雨、地質災害、強對流等幾種主要氣象災害的檢索功能。首先可選擇或輸入災害類別和災害發生時間段，進行檢索，得到某一災害類別災害個例的統計信息，包括寧波全市和各縣市區該時段內發生此災害的個例數。點擊進入全市或某縣市區氣象災害列表，可根據檢索欄設置的關鍵詞進行個例篩選。檢索欄設置了災害類別、災害發生地（縣、區、市）、災害起止時間、過程最大風力、過程最大雨量、冰雹直徑（毫米）、過程最低溫度、積雪深度（毫米）、最低能見度（米）、直接經濟損失、死亡失蹤人口和農業受災面積等關鍵詞。氣象災害顯示分析模塊通過GIS界面對災害基本信息進行檢索，并把結果顯示在地圖界面上，點擊后再跳轉到氣象災害檢索分析詳情頁面顯示詳細的災害數據和災情指數等信息。通過這種方式既利用了GIS系統方便直觀、操作人性化的特點，也可以滿足對數據詳情查看和分析的功能需求。氣象災害顯示分析模塊界面如圖2所示。

圖2：氣象災害顯示分析系統網站界面

氣象災害檢索分析詳情頁面為用戶提供詳細的災害信息顯示、查看、檢索和分析功能，主體功能采用DevExpress商業化控件開發。其中檢索功能支持以所有災害信息字段為條件的檢索方式，包括受災情況概述里的文字的全文檢索功能，此外受災面積和經濟損失等數值字段還支持排序功能。氣象災害檢索分析詳情頁面界面見圖3。氣象災害檢索分析詳情頁面支持將檢索的氣象災害詳細信息導出為Excel、Word、PDF三種文件格式，用戶只要點擊相應的按鈕就可以導出對應格式的文件，所有災害信息均按照災害檢索分析詳情頁面格式存儲，無需進行任何后期編輯即可使用。災害檢索分析程序支持災前評估指數和災后評估指數自動計算顯示功能，根據預先定義的評估指數計算公式，由程序自動通過函數計算并顯示。以暴雨氣象災害災后評估指數為例：災后災情指數G=0.3*d+0.1*P+0.1*A+0.4*L+0.1*F+ 0.06*H（d死亡人口 P受災人口 A農田受災面積 L直接經濟損失 F水利經濟損失 H房屋倒損數）。

圖3：氣象災害檢索分析詳情界面

4 關鍵技術

4.1 DevExpress控件

DevExpress是一款重量級的商業控件套裝，提供了一系列.NET開發所需的界面控件。相較于.NET集成的界面控件，DevExpress可以獲得更高效的界面設計以及更美觀的效果。氣象災害顯示分析模塊開發主要使用了DevExpress控件集里的ASPxGridView、ASPxGridViewExporter、XpoDataSource、SqlDataSource這4款控件，ASPxGridView支持模板化設置，無需定制就可以實現Office風格的操作界面，搭配XpoDataSource和SqlDataSource控件可以方便的展示氣象災害數據，提供數據分頁、自定義條件檢索等功能，使用ASPxGridViewExporter控件可以無代碼將氣象災害信息導出為Excel、Word、PDF等文件格式。

4.2 Ajax Uploader

Ajax Uploader是一個高性能、方便開發的ASP.NET上傳控件，由于使用了Ajax技術，可以在不刷新頁面的情況下同時選擇多個文件異步上傳。Ajax Uploader控件的主要技術特點包括：

（1）支持單次選擇多個文件異步上傳；

（2）支持客戶端對上傳文件大小和類型驗證；

（3）上傳數據直接通過輸出流實現，不占用內存容量；

（4）上傳過程提供豐富的上傳進度等信息；

（5）上傳文件無需刷新程序頁面，實現類似GMAIL附件上傳的效果；

（6）支持上傳文件后綴名檢測。

5 結語

氣象災害數據庫管理與分析系統提供了氣象災害數據庫的實時及歷史災害數據的輸入平臺，實現多災種氣象災害信息的錄入、修改、查詢、檢索統計分析功能。系統提供GIS可視化界面，通過瀏覽器即可多人操作，并有分縣輸入和統計功能，可以基于災情信息在后臺自動計算災情指數，使用簡單方便。系統開發完成后即在寧波市氣象臺和象山縣氣象局這兩個單位投入業務應用，目前災害數據庫中已有臺風、暴雨、強對流、地質災害、低溫雨雪冰凍、連陰雨等近20年的歷史資料，該系統為氣象災害的評估提供了直接數據支持，也為氣象災害的基礎研究提供便利。

然而在氣象災害數據搜集和錄入工作中，存在災害數據不完整、數據有疑義、計算方式不統一等諸多問題，本系統還無法提供有效的數據質量控制技術和手段來解決這一問題。此外借助于本研究構建的氣象災害數據庫，制定災情數據收集交換標準，開發標準化氣象災害數據服務接口，最大化氣象災害數據的應用價值，這些工作都有待進一步研究去解決。

[1]國家氣象災害防御規劃（2009-2020年）[S].

[2]薛峰,劉磊,羅兵等.氣象災害災情共享系統的設計與實現[J].氣象科技,2013,41(06):1043-1048.

[3]氣象災害防御條例[N].人民日報,2010-02-03(016).

[4]黃國榮,陳家豪,宋蘭芬等.農業氣象災害及防御對策數據庫系統的建立與運行[J].福建農業學報,2007,(01):63-67.

[5]王夢琳,吳丹,郭佰匯等.基于VB.net的農業氣象災害查詢系統研究[J].吉林農業,2016(22):117-118.

[6]吳亞玲,吳佳銀,曾峰.深圳市氣象災情信息數據庫的設計與應用[J].廣東氣象,2010,32(03):66-68.

[7]芮 素 文 .基 于 ASP.NET的 ADO.NET技術研究[J].電子技術與軟件工程,2015(05):82.

作者單位1.寧波市氣象網絡與裝備保障中心 浙江省寧波市 315012
2.鎮海區氣象局 浙江省寧波市 315202

許皓皓（1984-），男，浙江省寧波市人。學士學位。現為寧波市氣象網絡與裝備保障中心科長、工程師。主要研究方向為氣象信息化規劃設計、IT運維和數據處理。何彩芬（1974-），女，浙江省寧波市人。碩士學位。現為鎮海區氣象局局長助理、高級工程師。主要研究方向為天氣預報技術、氣象防災減災。