面向業務的省級氣象多源空間信息服務

阮惠華，張菲菲，鄭艷萍，鄭 康

（1.廣東省氣象探測數據中心，廣州 510080；2.廣東第二師范學院計算機學院，廣州 510303；3.中國地質大學（武漢）信息工程學院，武漢 430074）

0 引言

在全球氣候變化背景下，極端氣候事件的頻率和強度增加，氣象災害以及其次生災害頻發，政府部門和民眾對于天氣預測預報、氣象災害應急響應等氣象業務的需求與日俱增。氣象業務中，無論是預測預報，防災減災，應急響應還是內部管理都具有顯著的空間特征，將氣象數據與地理信息系統（geographic information system,GIS）結合在一起提供信息服務是一種較為常見的做法，利用GIS繪制、分析、可視化的功能，可以將氣象數據以直觀的方式進行統計分析，編輯以及展示，可以為氣象領域的專家提供分析決策依據。GIS是處理地理數據的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策的計算機系統，它與氣象數據的結合獲得了氣象行業的廣泛關注與討論。氣象信息綜合處理系統（meteorological information combine analysis and process system,MICAPS）和決策氣象服務系 統（meteorological service information system,MESIS）是目前我國氣象部門開發的兩大基于GIS平臺的氣象服務系統，前者的交互制作能力不能很好地滿足決策服務的需要，后者依靠于商業GIS系統，對于產品的維護和升級存在一定困難。一些氣象部門自行開發應用的氣象業務系統還存在數據管理分散、數據存儲不規范、服務發布效率低下等問題。國內有很多針對不同需求而建立的氣象信息服務平臺。何華貴等從氣象數據的收集、預處理、傳輸共享、分析處理和可視化方面搭建實時氣象信息服務平臺。鄒杰等研究并設計了基于云計算的市縣一體化氣象業務平臺，在省級氣象單位建立私有云業務平臺，實現市縣級氣象業務工作的一體化處理。肖晶晶等以浙江全省地面氣象觀測網數據為基礎，結合精細網格化氣象要素產品、農業氣象診斷指標、作物分布信息，設計并實現了基于WebGIS的農業氣象業務平臺。國家氣象信息中心構建了國家氣象服務平臺，以解決氣象服務平臺的分布式狀態。

廣東省位于中國東南部沿海地帶，地理范圍為20°09′～25°31′N，109°45′～117°20′E。受東亞季風和地形共同控制，區域氣候差異和變化顯著。近年來，區域內不同強度的雷暴、暴雨、干旱等氣象災害頻發，對廣東省的氣象服務系統提出了新的挑戰。面對不同的氣象業務需求，需要多種形式的數據，例如，雨流量應用會需要用到影像數據和雨流量業務數據，水庫水位分析應用會用到DEM數據和水庫水位業務數據，直接使用互聯網上的地理數據建立的業務系統會存在系統可移植性差，耗時長，根據各個不同的需要獨立使用數據而衍生的重復建設的問題，無法做到統籌統建；除此之外，使用不規范地圖存在位置偏移，規范地圖可能涉密，花費大量的精力用于建設基礎地理信息平臺等問題都會影響氣象業務開展。因此，如何將豐富多樣的數據源集成到一起，有效地管理起來，形成面向氣象業務的規范統一的空間信息服務，成為亟需解決的問題。

本文將提出一種面向業務的分布式省級氣象多源空間信息服務框架平臺，旨在解決多源異構數據存儲分散、難以集成、存在冗余的缺點，結合多源異構空間數據管理技術和高性能分布式服務技術，使得統一結構的數據變為高性能，高吞吐量的數據服務，并按照該框架設計了廣東省氣象地理信息服務平臺，為多樣化的氣象業務提供了統一的服務平臺。

1 平臺總體設計

氣象業務應用繁多，涉及的多源異構空間信息存儲分散、難以集成，需設計一套可提供統一的空間信息服務的框架作為氣象多源地理信息服務平臺的支撐。系統框架需要建立統一的標準，實現面向氣象業務提供空間數據服務、專題信息服務、空間分析服務、地圖可視化服務等在線空間信息服務支撐氣象專業應用。

1.1 系統架構

氣象多源地理信息服務平臺采用開放式架構，保證平臺的兼容性，利用常見GIS平臺的優勢和特長解決具體問題，做到各類優勢技術的集中服務，確保平臺的先進性和完善性。平臺按照面向服務架構（SOA）的基本思想和方法，開發支持一系列互操作接口規范的空間信息服務軟件、平臺服務運維管理軟件及二次開發接口庫。

系統總體架構分為四個層次，從上到下依次為：應用層、服務層、數據層以及軟硬件支撐層。數據層是空間信息服務平臺的數據基礎，主要存放的數據有矢量數據、柵格數據和瓦片數據等，在功能上需要完成數據管理、數據提取、數據查詢和分析、數據更新功能；服務層是通過地圖服務發布平臺將地理空間數據發布為地圖服務，形成空間信息服務平臺的資源服務中心，服務中心對外提供標準OGC服務；在服務層的基礎上，實現基于GIS服務的各種業務應用，如數值預報產品應用、雷達組網應用以及其他專題應用。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

1.2 氣象平臺支撐層

支撐層是平臺運行的支撐與保障，包括平臺的法規及標準體系和軟硬件支撐層兩部分。其中，法規及標準體系包括平臺運行的組織機構保障體系、運維管理保障體系、政策法規體系以及數據、服務、應用標準規范體系。

軟硬件支撐層建設包括硬件設備、系統軟件、網絡環境及安防等。其中，硬件及網絡包括服務器、網絡、存儲、備份設備等；系統軟件包括操作系統、數據庫、GIS平臺等；安防及災備包括存儲備份設備、安全系統等。

1.3 氣象空間數據層

數據層是服務層的基礎，為服務層提供數據，包括基礎地理空間數據和氣象業務專題數據，其中基礎地理空間數據包括公益服務平臺、NASA、國土數據服務平臺、天地圖、國家測繪局等提供的DEM、影像數據和矢量數據；氣象相關數據指矢量形式的氣象業務專題數據。平臺制定“非涉密地理信息數據”申請流程，保障了從國土局、測繪局、國土廳等獲取到基礎地理信息的安全性和可用性。

空間數據庫的基礎地理數據通過項目提供數據對接、抽取工具，將國土地理信息公共服務平臺或其他公益平臺的空間數據（DEM、影像、矢量）進行數據對接、抽取、整理、入庫。在數據入庫環節，根據獲取的數據類型分別存儲，對于原始的矢量、柵格數據，存到分布式空間數據庫中，對于矢量、柵格的切片數據，則用文件目錄系統進行存儲組織。

業務空間數據，如各類氣象站點，作為業務空間數據圖層，存入空間數據庫中。對于其他來源的空間柵格、矢量數據，也存入空間數據庫進行分類型、分圖層的組織管理。詳細流程如圖2所示。

圖2 數據庫建庫流程

1.4 氣象專業空間數據服務層

平臺服務層是平臺建設的核心內容，主要包括功能服務、數據服務以及可視化服務，如圖3所示。

圖3 氣象專業空間數據服務層功能結構

其中，功能服務按模塊劃分為運維管理服務、二維服務、三維服務。運維管理服務是滿足各種空間數據服務和處理服務的運行維護、資源管理、狀態監控、日志管理、用戶權限管理等功能的多層次全方位的在線服務；二維服務包括地理信息圖層、輔助工具圖層、產品圖層服務等，主要提供二維基礎的數據組織管理、編輯與分析功能；三維服務提供基礎地理和氣象數據的三維組織管理與分析功能。數據服務包含網絡地圖服務、網絡要素服務、網絡地圖瓦片服務、地名地址服務、目錄和元數據服務、網絡覆蓋服務、空間分析服務等。可視化服務作為調用數據服務的入口，包括地圖展示、二維可視化和三維可視化。

2 平臺框架涉及的關鍵問題

系統使用的基礎地理信息數據具有多源、異構、數據量大的特點，我們采用多源異構數據管理技術對這些基礎地理信息數據進行管理，采用分布式高性能服務技術，將統一結構的數據形成高性能，高吞吐量的數據服務。

2.1 多源異構數據及其管理技術

當前面向氣象業務的數據來源眾多，種類也豐富多樣，根據氣象業務需求，按功能分類可以分為基礎空間數據和氣象業務專題數據，其中基礎空間數據可分為DEM數據、影像數據、矢量數據，這些基礎空間數據是進行氣象業務數據定位、氣象產品輔助制作、專題業務應用的基礎；氣象相關專題數據包括氣象業務庫、組網庫、數值預報產品NetCDF庫、專題資料、人口GDP相關數據等，見圖4。

圖4 氣象多源數據按功能分類

DEM數據和影像數據為柵格結構、柵格切片結構，以WMTS的形式提供服務；矢量數據既有點、線、面形式，也有瓦片形式，以WMS、WFS的形式提供服務；氣象業務數據的存儲形式多樣，既有以關系型數據庫存儲的數據，也有以文件形式存儲的表格、資料等數據，無法以統一的形式直接提供數據服務，需要將其空間表達形式轉換為點、線、面及柵格等形式。面向氣象的多源異構數據的分類以及應用模式分析見表1。

表1 多源異構數據分析

由于氣象業務的數據來源廣泛，數據多樣性、異構性、冗余性等特質，面向氣象業務的多源異構數據管理采用ETL技術，嚴格遵守OGC標準，按照國家相關數據標準規范，將基礎地理數據以及氣象業務數據等廣泛來源的數據，通過數據抽取、轉換、清洗等操作過程，最終整合至業務內網目的端數據庫系統中。

首先對多源的基礎地理數據和氣象業務數據按統一標準進行數據處理，包括投影、坐標轉換、氣象業務數據矢量化等，獲取統一坐標系、統一基礎底圖的矢量、柵格以及瓦片數據，使用多源數據管理系統，來統一存儲多源異構的數據。在數據庫層，采用文件形式存儲瓦片數據，采用空間數據庫存儲柵格和矢量數據，最終按照統一的OGC標準，形成統一的基礎地理服務。多源數據管理技術結構和處理流程圖分別如圖5、圖6所示。空間數據庫按數據類別分類，目錄結構設計見圖7。

圖5 多源數據管理技術結構

圖6 多源數據管理流程圖

圖7 空間數據庫目錄結構

2.2 高性能多源數據分布式服務

氣象業務數據多而且結構復雜，往往通過文件形式或關系數據庫存儲在專屬服務器上，此外，氣象業務應用是一個多級的應用，用戶多，并發數、性能要求高。針對氣象數據這樣的特點，高性能多源數據分布式服務非常適合用在氣象多源地理信息服務上。

基于多源數據分布式服務，各類數據可以根據實際情況在數據服務器上獨立發布成數據服務，通過數據目錄服務器來記錄所有的數據服務節點，并對來自客戶端的請求進行動態分配，既解決了大量數據分別存儲、按需存儲的問題，同時達到服務器負載均衡，分布式大吞吐量、高性能服務的效果。分布式高性能地圖服務結構見圖8，數據目錄層作為索引服務，同時對服務器資源進行有向調度，達成多源數據分布式服務。

圖8 分布式高性能地圖服務結構

3 廣東省氣象空間信息服務平臺

針對廣東省氣象局在空間信息服務上的需求，論文設計了一套“廣東省氣象空間信息服務平臺”，并在其基礎上開展了多項業務應用。系統統一部署至廣東省氣象局，委托相應的處室通過數據管理模式從國土資源、天地圖、探測中心、數據中心等單位抽取數據，進行氣象基礎數據、數值預報產品、雷達組網數據等氣象數據統一管理，并以二三維GIS平臺、氣象應用系統為基礎，實現多源氣象資料綜合化管理、數值化產品分析、二三維一體化模擬等專業分析輔助支撐，并以氣象門戶網站的方式，為全省氣象系統內的兄弟單位提供基于WEB的氣象基礎空間數據、氣象設施數據、氣象業務數據、氣象專題產品等信息共享與服務。系統部署結構如圖9所示。

圖9 系統部署結構

平臺主要服務為功能服務和數據服務兩大類。功能服務是平臺在氣象多源地理信息服務平臺框架的基礎上，整合了公益服務平臺、NASA、國土數據服務平臺、天地圖、國家測繪局等提供的基礎地理數據以及氣象局的氣象業務數據、雷達組網數據、數值預報（NetCDF）數據及專題等資料數據，建立的5項功能服務：平臺門戶、二維氣象服務、三維氣象服務、服務管理和數據管理服務，具體見表2。氣象多維空間信息服務平臺的數據服務主要包括地圖服務、要素服務、空間處理服務、地名地址服務、三維地名服務、路徑分析服務、多時相WMTS服務等，服務形式包括OGC WMS、OGC WMTS、OGC WFS、OGC WPS、HTTP，具體見表3。

表2 系統功能服務模塊

表3 系統數據服務模塊

在現有的多源空間數據基礎上，充分利用現有的基礎地理信息數據資源和公益平臺等建設成果，整合各項數據資源，基于統一的空間信息服務平臺，依托氣象部門的業務專網，實現了面向全廣東省各級氣象業務提供統一空間信息服務的多維氣象空間信息服務平臺，其門戶網站見圖10。

圖10 廣東氣象多維空間信息服務平臺

平臺已經在廣東省氣象局投入使用，整合了來自近10個來源的上百種基礎地理數據和氣象專題數據，在此基礎上，發布了OGC地圖服務近200個。基于以上地圖服務開展了包括突發預警輔助平臺、華南區域衛星遙感系統、防雷監察系統、雷達組網平臺等20余個WEB應用系統。

4 結語

本文針對空間數據在氣象業務上使用不便的問題，首先對多源異構的空間數據進行分析，根據氣象部門對氣象專題數據和基礎地理數據的使用需求，運用多源異構數據管理技術和高性能多源數據分布式服務技術，設計了氣象多源地理信息服務框架平臺，并在廣東省氣象局氣象地理信息服務平臺項目上投入實際應用，取得了很好的效果。平臺優勢主要包括：

（1）按照面向服務架構開發支持一系列互操作接口規范的空間信息服務軟件、平臺服務運維管理軟件及二次開發接口庫，具有良好兼容性和可擴展性。

（2）制定“非涉密地理信息數據”申請流程，保障了從國土局、測繪局、國土廳等獲取到基礎地理信息的安全性和可用性。

（3）多源異構數據的管理采用ETL技術，嚴格遵守OGC標準和國家相關數據標準規范，將基礎地理數據以及氣象業務數據等廣泛來源的數據，通過數據抽取、轉換、清洗等操作過程，整合至業務數據庫系統。

（4）基于多源數據分布式服務，解決了大量數據分別存儲、按需存儲的問題，達到服務器負載均衡，分布式大吞吐量、高性能服務的效果，提升數據的共享能力。

（5）專業的制圖表達，能及時發現和規避問題地圖。

綜上所述，本文提出的面向業務的分布式省級氣象多源空間信息服務框架平臺在廣東省級氣象業務系統的應用是可行和有效的，可以為其他各省氣象部門平臺提供一個良好的建設思路。但是由于氣象地理信息服務平臺項目是一個系統工程，目前系統還需要完善分布式服務分發機制，拓展基礎功能及平臺使用范圍，這些問題需要在后續研究中進一步探索和完善。