基于WebGIS的水庫氣象服務平臺的實現

王偉 李俊徽 張鋒 潘婭英

摘要：隨著強降水等極端天氣事件的日益頻發，各大水庫對專業水庫氣象服務的需求日漸迫切。基于WebGIS技術，利用Leaflet地圖插件、Boootstrap前端框架、B/S架構對集歷史雨量、面雨量預報、水位徑流預報、預報評估、專業服務文稿以及臺風、雷達、衛星等多功能于一體的水庫氣象服務平臺進行了設計與實現。平臺基于模塊化分層結構設計實現了高內聚、低耦合的設計模式，復用性高，并支持多端的適配展示，為水庫用戶調度生產提供了專業的決策支持。

關鍵詞：水庫；WebGIS；多端適配；模塊化

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）03-61-4

0引言

極端惡劣天氣發生的頻率逐年增加，對水庫的調度、生產具有重要影響，水庫防洪抗汛對專業化和定制化的氣象服務的需求迫在眉睫。水庫氣象服務系統是針對水庫用戶的需求量身定制的專業氣象服務平臺，平臺的建設和發展緊跟計算機技術的發展水平，從最初的C/S終端服務到后來的Web端[1]和移動端服務，從單一的展現形式到多樣化的服務形式。由于平臺過于零散，展示效果不夠直觀，單一系統無法集成全套功能、兼容多個平臺，因此對模塊集約化、功能多樣化、信息表達直觀化及多終端適配的專業水庫氣象服務平臺的需求越漸強烈[2]。

利用WebGIS技術[3]，結合前端HTML5和Bootstrap展示框架，后端采用C#發布WebService[4]數據接口，可以構建一個界面直觀、功能豐富且電腦、手機、平板等多終端適配的水庫氣象平臺，利用Echarts插件[5]和Leaflet通過圖形、圖表等形式對數據進行可視化展示，效果更直觀、可讀性更強，為水庫用戶的生產和調度提供科學的決策依據，提高相關部門在防汛抗旱和水資源管理方面的能力。。

1總體功能與系統架構設計

1.1系統關鍵技術

系統主體前后端分離和模塊化開發實現了高內聚、低耦合的開發模式[6]，前端主要基于HTML5、Leaflet地圖類庫、Bootstrap前端框架和CSS響應式布局聯合開發，支持多平臺（PC、平板電腦、手機瀏覽器）訪問，數據展示基于Echarts和Leaflet的Layergroup疊加等形式對氣象數據進行多樣化展示；數據接入利用Ajxa的異步請求可以實現前端請求的實時響應和后端數據的實時接入。

后端開發主要分為數據收集、數據處理、產品生成和數據發布四部分，主要采用C#、Java進行開發數據處理、數據同步以及產品的計算實現，基于.Net Framework發布WebService數據接口供前端調用。

1.2系統總體功能設計

水庫氣象服務平臺由四大系統和一大平臺構成，即數據收集系統、數據處理系統、產品生成系統、數據發布系統和多端展示平臺組成，功能結構如圖1所示

1.3系統架構設計

系統采用多層式運行架構，如圖2所示，各層邏輯上互相獨立，具有較高的復用性。此外還擁有高度的跨平臺性、良好的開放性及嚴密的安全管理性等優勢。

①基礎層：主要包括數據服務器、數據存儲設備、路由設備、安全設備等硬件設施和網絡、操作系統、數據庫、開發平臺等軟件支持。

②數據層：包括基礎的地圖數據、氣象站點數據、多模式精細化格點預報數據、水文數據、地理數據、水文數據。

③應用層：也稱邏輯應用層，是數據與用戶請求的中間件，負責數據邏輯的處理，包括地圖數據的標準化處理、面雨量預報數據的模式運算、水文模型的徑流模擬分析和WebService數據接口的開發。

④表現層：系統的展示部分包括圖表展示、圖層展示和文稿展示等界面展示以及地圖瀏覽、圖層切換等用戶交互。主界面基于Leaflet開發，包括地圖的展示、雨量圖層、站點圖層和面雨量圖層疊加展示，以及基于E-charts的中短期面雨量預報展示、徑流預報數據的展示以及預報材料的展示。

2子平臺系統及實現

2.1數據采集系統

數據采集系統的數據來源主要有省氣象信息數據庫、水庫數據庫和基礎地理數據庫。數據主要包括雷達數據、全省自動站實況數據庫、全省面雨量數據庫、格點數據文件、水文數據及地圖數據等。數據采集系統收集來自不同數據源的氣象產品和數據，對接收到的數據由系統進行解包、解碼及文件名校驗等數據標準化處理，處理后的數據與產品實時同步至數據處理服務器進行加工處理，并上傳至文件服務器進行備份保存。

2.2數據處理系統

數據處理系統對系統采集的不同規格的氣象數據產品進行實時處理，并同步至數據發布服務器，數據處理系統結構如圖3所示。

系統將自動站降水數據、歷史降水格點數據實時處理成Leaflet API所支持的點、線、面集合，將各類氣象格點數據文件統一處理成便于讀取的MICAPS 4類或2類文件；將雷達數據進行反射率因子的提取，為反演降水做數據準備；將水文數據處理為SWAT模型需要的數據格式，并進行參數的率定等數據處理；將服務文稿數據進行文件同步和格式規范等處理。

2.3產品生成系統

產品生成系統主要分為短臨面雨量預報、中短期多模式集成預報降水、SWAT水文模型模擬水位徑流預警3個子系統。短臨面雨量預報主要基于雷達的短臨降水雷達估測和預報降水序列產品，集合多種預報技術應用到不同時效的預報產品。中短期0～14天的客觀降水預報產品，通過應用多模式集成技術生成客觀產品，通過分析各家數值模式預報與實況之間的誤差的特點，選取多家相對可靠的模式，基于數值模式預報結果與觀測值的對比分析進行集成，統計給出最優的中短期定量降水預報結果。水文模擬系統利用SWAT模型建立水庫區域的概化模型后輸入水文和實時雨量數據，得到水位、徑流等預警預報產品。

2.4數據發布系統

數據發布系統將經過數據處理系統和產品生成系統生成的數據發布成可供前臺實時調用的WebService接口。數據由于前端實時發布系統采用HTML5和JavaScript框架，接口統一返回JSON格式的數據格式并支持跨域，便于異步加載數據，頁面更新更加高效。

2.5多端展示平臺

多端展示平臺基于Leaflet API進行地圖展示和雨量數據的疊加展示，基于E-charts插件進行氣象信息的圖表化展示，并基于Bootstrap框架開發，具有很好的適配性，支持多端展示。數據接入通過Ajax實時調用服務器的URLService，通過解析返回Callback Function對象獲取歷史、預報雨量、水位徑流及服務文稿等實時數據。

2.6平臺特色及創新性

水庫服務平臺的特色和創新性主要表現在：

①基于WebGIS的氣象信息展示：基于輕量級的Leaflet地圖引擎，數據量小，可以快速高效地加載各類數據；通過在地理數據上疊加歷史雨量圖層、降水站點、預報面雨量、雷達和臺風等數據，表現形式更為直觀，便于用戶瀏覽和查看。

②模塊化開發：系統前后端從數據、邏輯、用戶界面三方面進行模塊化開發，實現了高內聚、低耦合，使得模塊的可重用性、移植性大大增強。

③展示平臺高度適配：用戶界面基于Bootstrap框架和CSS優化設計進行響應式布局設計，能夠適配PC、Pad、移動端等多種顯示設備，便于用戶隨時瀏覽水庫氣象服務信息。

④可配置性：系統平臺通過配置各水庫參數，可以快速生成針對新水庫的氣象服務平臺，并可以通過配置控制新平臺的展示模塊，極大節約了開發成本、提升了開發效率，為水庫氣象服務的拓展和推廣奠定了基礎。

3系統應用

3.1應用顯示效果

水庫氣象服務平臺主要分為面雨量、評估、文稿、臺風、雷達和衛星6個功能模塊。其中主界面雨量模塊分為歷史面雨量、歷史站點雨量、短時、短期、短中期面雨量預報，以及水位和徑流預報等，如圖4所示。評估模塊如圖5所示，對近30天的面雨量預報進行實況對比檢驗；文稿模塊提供全省和水庫短中期預報文字材料；臺風雷達衛星模塊則提供用戶比較關心的公眾氣象信息供參考。頁面在各種尺寸的顯示設備上都做了很好的適配，方便用戶隨時隨地瀏覽水庫氣象信息，圖7和圖8分別為平臺主界面在Pad和手機上的顯示效果。

3.2使用效果評價

水庫氣象服務平臺現已應用于多家水庫，并在多次強降水過程中取得不錯的反響。在產品使用和響應速度上，產品各模塊間響應迅速、平臺使用流暢、交互友好，這也得益于Leaflet自身的輕量級以及強大的功能支持以及Ajax數據請求的快速響應，響應時間基本控制在毫秒級。在產品內容上系統提供面雨量、徑流、水位、服務文稿以及臺風、雷達云圖等豐富的氣象服務產品。臺風利奇馬期間，平臺對降水過程進行了很好的預報，多家水庫提前進行了開閘預排，為應對臺風強降水儲存足夠的空間。臺風期間專業的水庫降水預報、水位和徑流預報為水庫調度和生產的調整提供了重要決策支持。

4結束語

針對新形勢下水庫對氣象服務的新需求，介紹了基于WebGIS的多端適配的水庫氣象平臺的設計和實現。為水庫用戶提供短中期面雨量預報、水位徑流預報以及服務文稿等氣象服務。在架構設計上實現了前后端分離，模塊化開發，便于后期的功能拓展及產品升級。在展示效果上適配了多個終端平臺，用戶可以在多終端實時訪問。在功能配置上支持水庫配置，通過在配置文件添加新水庫信息，可以配置生成新的水庫氣象服務平臺，極大地提高了開發效率。

目前系統配置僅支持配置文件修改，交互不友好，下一步將開發獨立的水庫配置平臺，根據用戶賬號設置配置權限，并考慮新增重點關注模塊供用戶選擇和配置，比如氣象預警、水位警戒等模塊，提供更為專業的氣象服務平臺。

參考文獻

[1]徐東風.C/S與B/S混合模式在大伙房水庫信息服務系統中的應用[J].中國防汛抗旱，2008，18（6）：56-58.

[2]蘇磊，張鴻雁，陳波，等.長江流域水庫調度氣象服務實踐和思考[J].中國防汛抗旱，2019，29（4）：15-17.

[3]彭明軍，李宗華，楊存吉. WebGIS實現技術及發展研究[J].測繪信息與工程，2001（1）：41-44.

[4]張新榮. Web Service在接口開發中的研究與應用[J].計算機光盤軟件與應用，2012，15（22）：198-199.

[5]崔蓬. ECharts在數據可視化中的應用[J].軟件工程， 2019，22（6）：42-46.

[6] ANIL P， MALCOLM M， MELISSA C . Identity Propagation in N-tier Systems[C]// Military Communications Conference， 2009，MILCOM 2009，IEEE，2009.