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基于WebGIS的水库气象服务平台的实现

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王伟李俊徽张锋潘娅英

摘要：随着强降水等极端天气事件的日益频发，各大水库对专业水库气象服务的需求日渐迫切。基于WebGIS技术，利用Leaflet地图插件、Boootstrap前端框架、B/S架构对集历史雨量、面雨量预报、水位径流预报、预报评估、专业服务文稿以及台风、雷达、卫星等多功能于一体的水库气象服务平台进行了设计与实现。平台基于模块化分层结构设计实现了高内聚、低耦合的设计模式，复用性高，并支持多端的适配展示，为水库用户调度生产提供了专业的决策支持。

关键词：水库；WebGIS；多端适配；模块化

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）03-61-4

0引言

极端恶劣天气发生的频率逐年增加，对水库的调度、生产具有重要影响，水库防洪抗汛对专业化和定制化的气象服务的需求迫在眉睫。水库气象服务系统是针对水库用户的需求量身定制的专业气象服务平台，平台的建设和发展紧跟计算机技术的发展水平，从最初的C/S终端服务到后来的Web端[1]和移动端服务，从单一的展现形式到多样化的服务形式。由于平台过于零散，展示效果不够直观，单一系统无法集成全套功能、兼容多个平台，因此对模块集约化、功能多样化、信息表达直观化及多终端适配的专业水库气象服务平台的需求越渐强烈[2]。

利用WebGIS技术[3]，结合前端HTML5和Bootstrap展示框架，后端采用C#发布WebService[4]数据接口，可以构建一个界面直观、功能丰富且电脑、手机、平板等多终端适配的水库气象平台，利用Echarts插件[5]和Leaflet通过图形、图表等形式对数据进行可视化展示，效果更直观、可读性更强，为水库用户的生产和调度提供科学的决策依据，提高相关部门在防汛抗旱和水资源管理方面的能力。。

1总体功能与系统架构设计

1.1系统关键技术

系统主体前后端分离和模块化开发实现了高内聚、低耦合的开发模式[6]，前端主要基于HTML5、Leaflet地图类库、Bootstrap前端框架和CSS响应式布局联合开发，支持多平台（PC、平板电脑、手机浏览器）访问，数据展示基于Echarts和Leaflet的Layergroup叠加等形式对气象数据进行多样化展示；數据接入利用Ajxa的异步请求可以实现前端请求的实时响应和后端数据的实时接入。

后端开发主要分为数据收集、数据处理、产品生成和数据发布四部分，主要采用C#、Java进行开发数据处理、数据同步以及产品的计算实现，基于.Net Framework发布WebService数据接口供前端调用。

1.2系统总体功能设计

水库气象服务平台由四大系统和一大平台构成，即数据收集系统、数据处理系统、产品生成系统、数据发布系统和多端展示平台组成，功能结构如图1所示

1.3系统架构设计

系统采用多层式运行架构，如图2所示，各层逻辑上互相独立，具有较高的复用性。此外还拥有高度的跨平台性、良好的开放性及严密的安全管理性等优势。

①基础层：主要包括数据服务器、数据存储设备、路由设备、安全设备等硬件设施和网络、操作系统、数据库、开发平台等软件支持。

②数据层：包括基础的地图数据、气象站点数据、多模式精细化格点预报数据、水文数据、地理数据、水文数据。

③应用层：也称逻辑应用层，是数据与用户请求的中间件，负责数据逻辑的处理，包括地图数据的标准化处理、面雨量预报数据的模式运算、水文模型的径流模拟分析和WebService数据接口的开发。

④表现层：系统的展示部分包括图表展示、图层展示和文稿展示等界面展示以及地图浏览、图层切换等用户交互。主界面基于Leaflet开发，包括地图的展示、雨量图层、站点图层和面雨量图层叠加展示，以及基于E-charts的中短期面雨量预报展示、径流预报数据的展示以及预报材料的展示。

2子平台系统及实现

2.1数据采集系统

数据采集系统的数据来源主要有省气象信息数据库、水库数据库和基础地理数据库。数据主要包括雷达数据、全省自动站实况数据库、全省面雨量数据库、格点数据文件、水文数据及地图数据等。数据采集系统收集来自不同数据源的气象产品和数据，对接收到的数据由系统进行解包、解码及文件名校验等数据标准化处理，处理后的数据与产品实时同步至数据处理服务器进行加工处理，并上传至文件服务器进行备份保存。

2.2数据处理系统

数据处理系统对系统采集的不同规格的气象数据产品进行实时处理，并同步至数据发布服务器，数据处理系统结构如图3所示。

系统将自动站降水数据、历史降水格点数据实时处理成Leaflet API所支持的点、线、面集合，将各类气象格点数据文件统一处理成便于读取的MICAPS 4类或2类文件；将雷达数据进行反射率因子的提取，为反演降水做数据准备；将水文数据处理为SWAT模型需要的数据格式，并进行参数的率定等数据处理；将服务文稿数据进行文件同步和格式规范等处理。

2.3产品生成系统

产品生成系统主要分为短临面雨量预报、中短期多模式集成预报降水、SWAT水文模型模拟水位径流预警3个子系统。短临面雨量预报主要基于雷达的短临降水雷达估测和预报降水序列产品，集合多种预报技术应用到不同时效的预报产品。中短期0～14天的客观降水预报产品，通过应用多模式集成技术生成客观产品，通过分析各家数值模式预报与实况之间的误差的特点，选取多家相对可靠的模式，基于数值模式预报结果与观测值的对比分析进行集成，统计给出最优的中短期定量降水预报结果。水文模拟系统利用SWAT模型建立水库区域的概化模型后输入水文和实时雨量数据，得到水位、径流等预警预报产品。

2.4数据发布系统

数据发布系统将经过数据处理系统和产品生成系统生成的数据发布成可供前台实时调用的WebService接口。数据由于前端实时发布系统采用HTML5和JavaScript框架，接口统一返回JSON格式的数据格式并支持跨域，便于异步加载数据，页面更新更加高效。

2.5多端展示平台

多端展示平台基于Leaflet API进行地图展示和雨量数据的叠加展示，基于E-charts插件进行气象信息的图表化展示，并基于Bootstrap框架开发，具有很好的适配性，支持多端展示。数据接入通过Ajax实时调用服务器的URLService，通过解析返回Callback Function对象获取历史、预报雨量、水位径流及服务文稿等实时数据。

2.6平台特色及创新性

水库服务平台的特色和创新性主要表现在：

①基于WebGIS的气象信息展示：基于轻量级的Leaflet地图引擎，数据量小，可以快速高效地加载各类数据；通过在地理数据上叠加历史雨量图层、降水站点、预报面雨量、雷达和台风等数据，表现形式更为直观，便于用户浏览和查看。

②模块化开发：系统前后端从数据、逻辑、用户界面三方面进行模块化开发，实现了高内聚、低耦合，使得模块的可重用性、移植性大大增强。

③展示平台高度适配：用户界面基于Bootstrap框架和CSS优化设计进行响应式布局设计，能够适配PC、Pad、移动端等多种显示设备，便于用户随时浏览水库气象服务信息。

④可配置性：系统平台通过配置各水库参数，可以快速生成针对新水库的气象服务平台，并可以通过配置控制新平台的展示模块，极大节约了开发成本、提升了开发效率，为水库气象服务的拓展和推广奠定了基础。

3系統应用

3.1应用显示效果

水库气象服务平台主要分为面雨量、评估、文稿、台风、雷达和卫星6个功能模块。其中主界面雨量模块分为历史面雨量、历史站点雨量、短时、短期、短中期面雨量预报，以及水位和径流预报等，如图4所示。评估模块如图5所示，对近30天的面雨量预报进行实况对比检验；文稿模块提供全省和水库短中期预报文字材料；台风雷达卫星模块则提供用户比较关心的公众气象信息供参考。页面在各种尺寸的显示设备上都做了很好的适配，方便用户随时随地浏览水库气象信息，图7和图8分别为平台主界面在Pad和手机上的显示效果。

3.2使用效果评价

水库气象服务平台现已应用于多家水库，并在多次强降水过程中取得不错的反响。在产品使用和响应速度上，产品各模块间响应迅速、平台使用流畅、交互友好，这也得益于Leaflet自身的轻量级以及强大的功能支持以及Ajax数据请求的快速响应，响应时间基本控制在毫秒级。在产品内容上系统提供面雨量、径流、水位、服务文稿以及台风、雷达云图等丰富的气象服务产品。台风利奇马期间，平台对降水过程进行了很好的预报，多家水库提前进行了开闸预排，为应对台风强降水储存足够的空间。台风期间专业的水库降水预报、水位和径流预报为水库调度和生产的调整提供了重要决策支持。

4结束语

针对新形势下水库对气象服务的新需求，介绍了基于WebGIS的多端适配的水库气象平台的设计和实现。为水库用户提供短中期面雨量预报、水位径流预报以及服务文稿等气象服务。在架构设计上实现了前后端分离，模块化开发，便于后期的功能拓展及产品升级。在展示效果上适配了多个终端平台，用户可以在多终端实时访问。在功能配置上支持水库配置，通过在配置文件添加新水库信息，可以配置生成新的水库气象服务平台，极大地提高了开发效率。

目前系统配置仅支持配置文件修改，交互不友好，下一步将开发独立的水库配置平台，根据用户账号设置配置权限，并考虑新增重点关注模块供用户选择和配置，比如气象预警、水位警戒等模块，提供更为专业的气象服务平台。

参考文献

[1]徐东风.C/S与B/S混合模式在大伙房水库信息服务系统中的应用[J].中国防汛抗旱，2008，18（6）：56-58.

[2]苏磊，张鸿雁，陈波，等.长江流域水库调度气象服务实践和思考[J].中国防汛抗旱，2019，29（4）：15-17.

[3]彭明军，李宗华，杨存吉. WebGIS实现技术及发展研究[J].测绘信息与工程，2001（1）：41-44.

[4]张新荣. Web Service在接口开发中的研究与应用[J].计算机光盘软件与应用，2012，15（22）：198-199.

[5]崔蓬. ECharts在数据可视化中的应用[J].软件工程， 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.

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