气象台站地面观测数据应用服务系统的设计与实现

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zrn851207
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  摘要:气象台站地面观测数据应用服务系统为气象部门预报及科研人员提供了直观、丰富和方便的气象数据查询浏览方式和数据监测功能。本文介绍了气象台站地面观测数据应用服务系统的主要技术及特点,围绕气象台站地面观测数据应用服务系统的设计与实现过程展开,介绍了需求分析和软件实现的全过程,通过开发和研宄来更进一步加深本人对软件工程思想的理解,以更好地符合软件工程专业工程硕士的学术和科研开发水平。
  关键字:气象台站;地面观测数据;B/S体系架构;数据图形化;气象要素;服务平台;
  中图分类号:C35文献标识码: A
  一、主要技术及特点
   1.1B/S体系架构
  B/S (Browser/Server)体系架构和 C/S (Client/Server)体系架构不同,它是隨着Internet技术发展起来的一种更为先进、经过改进的浏览器/服务器架构。由于在此模式下,访问用户可通过多种浏览工具访问服务器来实现与底层数据库的数据交互,通过这种访问方式,几乎所有的访问负荷都集中在服务器端,从而减轻了客户端多点分散的维护压力,方便了用户,降低了系统访问者的成本。通过对比我们发现,目前所有的技术方法中成本最低以及较易操作的是采用既通过局域网建立浏览器/服务器架构的应用,又在互联网模式下开展数据库的应用。此种方法可使得不同成员在不同地方以多种接入方法均可对相同数据库进行访问和操作,同时也保证了服务器平台和数据库的访问权限。特别是当诸如JAVA等跨平台语言普及推广后,Browser/Server体系架构的相关应用更能体现其优势。
  采用B/S体系结构的系统最大优势就是用户受客观条件的影响小,无需对客户端进行单独维护。只需一台能上网的终端就可实现,无需在特定场合进行复杂操作,更不用安装特定的软件终端。此外,系统还具有可扩展性强的特点,系统使用者只需能通过用户名和密码的安全认证即可上网访问使用。
  1.2 . NET 技术
  .NET技术,简而言.之,就足针对XML网页服务的微软平台。XML网页服务允许各种系统应用借肋于互联网进行交换和共享资料,而不依赖于操作系统或者程序语言。
  微软的.NET平台包括一个全面的产品系列,建立在XML和互联网的行业标准之h,提供各方面的发展,管理,使用和创建XML.网页服务。XML,网页服务将成为微软的应用程序,幵发工具和生成新的产品来满足用户所有的业务需求。更具体的说,当今微软创建的.NET平台包含五个组成部分,分别是:.NET工具,.NET服务器,XML基础服务,.NET客户端和.NET用广服务。
  1.3 Dundas Chart控件
  Dundas Chart控件可以实现功能强大的、丰富多彩的多维效果图表,具有易操作性、数据的分析和处理功能。由于其控件的多种属性决定了可绘制各种类型的图表,这其中就既包括可以实现曲线图、饼状图、柱状图、玫瑰图等各种形式的效果图,又可绘制包括甘特图和区间范围图等其他形式的图表。软件开发人员可通过编制相关代码实现对Dundas Chart控件多种属性的设定,从而达到绘制出所需呈现的图表形式;此外,开发过程中还可以利用控件引导功能快速建立图表、绑定数据和形式调整。开发出来的图表在运行时既支持放大或缩小,也可以多页面滚动。
  1.4 Surfer绘图软件
  Surfer是一个强有力的易于操作的专业图件制作软件,由Gold software公司发布,可实现数据网格化、绘制等值线图、矢量图以及曲面图等。它有个突出的特点是:可利用不等间距的数据资料来实现绘图,并且还能提供用户熟悉的Windows界面。
  此外,Surfer绘图软件的二次代码研发功能还体现在可提供开放的通过属性和方法的对象调用,并己在气象、水文、地质勘探等领域有着广泛的应用。
  二、需求分析和设计
  2.1总体需求分析
  设计与开发气象台站地面观测数据应用服务系统,应满足如下系统功能需求:
  1.建立某某各类国家级地面气象站基础数据库系统。依托“气象科学数据共享中心”项目成果,建立“某某各类国家级地面气象站基础数据库系统”,包括87站的台站沿革信息,87站建站以来的基本气象要素序列和18个基准基本站均一性订正气温序列等。
  2.研制台站级数据分析与发布平台。基于“某某各类国家级地面气象站基础数据库系统”,围绕基层台站为当地防灾减灾和社会经济发展提供公共气象服务的需求,建立某某省台站级数据分析与发布平台,为台站提供数据统计、加工、分析、显示、发布服务。
  3..建立主要气象要素序列分析图表:以台站为基本统计单位,绘制温度、降水等主要气象要素变化序列分析图表,为台站服务当地的气象防灾减灾和应对气候变化工作提供支持。
  2.2数据库设计
  数据库系统是整个系统的核心,良好的设计不仅可以提高性能,还便于扩展。
  气象台站地面观测数据应用服务系统的底层数据库是既作为数据预处理软件直接面向整个地面观测数据流程的底层,又可依据数据结构来保存、组织和管理内部数据,其设计的是否合理将是整个数据流程中间的关键环节,它的运行效率决定了全系统的运行效能。
  数据库是程序与WEB之间的中间层,通过合理的数据结构设计、表表嵌套、存储过程等方法来提高数据访问效率。本系统的数据库包含数据表、视图及存储过程的设计。
  2.2.1数据表设计
  本系统数据表设计参照中国气象局“气象科学数据共享中心”项目确定的数据库设计框架和元数据标准,以某某省气象科学数据集和项目研制的数据序列等信息资源为基础,从基层台站地面观测业务实际出发,根据需要建立数据表、视图和存储过程,这样设计可以达到提高系统的访问效率,缩短系统响应时间。
  在服务平台页面数据的访问上使用视图列表,用户可以访问某些数据,然而内部数据表或数据库的其余部分是不公开和隐藏的,并且不允许用户访问,着重于特定数据、简化数据操作将用户限定在表中的特定行或列上,将多个表中的列联接起来,使它们看起来像一个表。
  在存储过程的设计上,系统具有模块化编程的功能、可实现对数据库立即访问的功能、加快程序的运行速度、减少网络流量和提高数据库的安全性。
  2.2.2存储过程设计
  为加快系统数据的读写效率,提升系统的访问性能,创建了多个存储过程进行数据的存储、查询和修改。将历史数据文本文件按一定的格式处理入数据库的相关表中,如地面观测数据日值表、月值表、年值表等。
  三、系统的实现功能
  3.1系统开发及运行环境
  由于气象台站地面观测数据服务平台的业务应用范围是全省各级气象部门的预测预报人员,计算机基础相对薄弱,考虑到系统运行环境的适用性、普遍性和易操作性,本系统采用了以windows操作系统为底层基于B/S架构的WEB访问方式,其开发及应用环境具体如下:
  操作系统:Microsoft Windows 2003/XP;
  数据库平台:Microsoft SQL Server 2000;
  空间数据库:PostgreSQL8.4/PostGIS;
  3.2数据预处理
  在数据的预处理过程中,考虑到我省地面台站观测数据处理流程中包含数据,审核部分,为保证处理时效和提高入库数据的准确性。数据预处理主要分两次进行,第一次是用自动站上传的实时数据进行各类统计处理,第二次是用审核后的自动站数据替换实时数据,再重新统计处理一遍。尽量保证数据的完整性和准确性。
  数据预处理主要包含三大部分:一是单站的数据预先处理,二是单站的数据追加处理,三是数据的统计处理(区域统计、温度统计、降水统计)。
  3.2.1数据处理流程
  按图形预处理子系统需求对基础数据进行集中处理,生成统计值,如各台站每年的汛期降水量、区域统计数据等。此外对台站的部分历史沿革信息进行了统计处理,有利于查看站点地址变迁对气候变化是否有影响及影响程度。台站地面观测数据中的气象要素中除雨量外温度、气压、相对湿度等其余要素数据处理流程如图3.1所示,
  
  首先使用单站每小吋实时上传的自动站原始数据,对其统计生成单站日值数据、区域1:1值数据及对应的月值数据、年值数据。对于温度要素,通过温度处理程序还生成近30日以来、本月以来、本季以來及本年以来的统计数据。其次当月数据审核完成后,用审核后的数据替换原有的11值、月值数据,并重新计算相应统计值。
  在台站地面观测数据要素中,对特殊的雨量气象要素的数据处理则有所不同,处理流程如图3.2所示:
  
  3.2.2数据追加流程
  应用服务系统的资料共享基础数据追加程序主要用于数据的实吋追加,包括动处理部与需人工干预两部分,界面如图3. 3所示:
  
  3.2.3数据统计流程
  在数据统计流程中采用四个子程序模块入库,主要有以下三个功能:
  1.区域统计:实现对全省及11个设区市计算年、月、旬、日的平均气温、平均设高气温、平均最低气温、极端设高气温、极端低气温、平均降水量、平均日照时数等数据,同吋査出极高极低气温出现的站点及对应吋间。
  2.温度统计:按30天以来、本月以来、本季以来和本年?以来四个时间段,计算出该时间段的平均气温、最高温度及出现台站和日期、高温日数等并与历史同期比较,得出距平值、距平百分率、历史排位、当前气温极端最高/出现日期和极端最低/出现日期,平均气温最高年份、平均气温最低年份、极端最高/出现日期和极端最低/出现日期等数据。
  3.降水统计:先根据自动站实时资料按30天以来、本月以来、本季以来和本年以来四个时间段,计算出该时间段的降水量、大雨日数等计算值,并与历史同期比较,得出距平值、距平百分率、历史排位、曰最大降雨量/出现日期/出现站点等数据,再根据每日8点的GD05报,重新计算与雨量相关的所有数据。
  3..3图形预处理
  数据的图形化预处理主要是分为两类:第一类通过编制软件调用surfer组件绘制各地区各要素的色斑图与数据填图,并对矢量边界图进行裁剪,生成最终效果图;第二类通过Dundas Chart for ASP控件采用WEB控制直接在页面上对台站观测数据进行图形绘制,生成各类图形产品、如曲线图、柱状图、玫瑰色图等。
  此类图形化处理方法为在.NET环境中,利用C#开发语言和Surfer 二次开发接口生成
  等值面图,具体步骤如下:
  第一步:通过C#读取sqlserver2000数据库中数据,得到离散点数据,包括站点号,经讳度以及气象要素值,并生成文本格式数据。
  第二步:调用Surfer软件。通过Surfer软件的GridData函数对离散数据进行网格化。部分实现代码如下:
  :
  其中,DataFile为文本格式数据,1, 2, 3分别为文本格式数据中X,Y坐标及气象要素值的所在列,Surfer.SrfGridAlgorithm.srfKriging为插值方法,本文采用克里格方法。113,119, 23, 31代表生成格网数据的范围。
  第三步:网格数据的白化。网格化后的数据为一个矩形区域,与实际地图不符,因此要对数据进行白化清楚地表示边界区域。通过Surfer的GridBlank函数,并读取某某省行政边界矢量文件对网格化数据进行裁剪,其代码实现如下:
  
  其中,SmoothGrid为网格化数据,BlankHle边界文件,BlankedGrid为裁剪后的文件。
  第四步:生成等值面。先把离散点数据转换成格点数据,再以Surfer软件的Contour功能描绘等值线图。可实现诸如:图片规格、周边坐标、边界线属性等多参数设置。等级属性文件预先设置好等值线间距、填充色彩以及线条属性后,再实现等值线图谱。其代码实现如下:
  
  第五步:图形输出。Surfer提供多种图像输出格式(如gif、bmp、JPg、emf、jpeg、png等),我们选择等值线图输出文件的格式为PNG格式,实现输出代码为:
  
  第六步:将生成的图片在网页上相应部位显示。
  3.3.2 Dundas Chart 控件绘图
  此类图形的生成实现方法首先是利用Dundas Chart for .net控件,配置数据源、图形类型、图形大小、样式等,然后再结合代码生成各类趋势线、均值线等,最后查找出最大值、最小值等数据点并以特殊的颜色标注。在年值数据的平均气温变化曲线图中,对于站点地址发生更改的年份还加上不同的标记。经过以上处理后,生成的图形产品外观清楚,内容丰富,非常实用。
  3.4数据服务平台
  用户在登录数据服务平台吋,系统通过用户所在地区的IP地址确定M站的默认区域或站点,用户可以通过点击位于首页右上角的“各地快捷入口”选择査看不同区域和站点的气象要素数据资料。
  3.5台站气候挂图实现
  为提高台站科技含量,增强资料共享和调用服务能力,在系统的设计上还利用基于EXCEL VBA程序设计开发了气候挂图制作软件,绘制了全省各站建站以来主要气象要素变化序列曲线,并与建站、迁址、观测项目及主要气象要素的历史平均、极值等基本情况一并制作台站气候变量挂图展板。
   气候挂图反映各个台站的天气气候特征。主要内容有:台站基本情况,观测任务,主要气象灾害,观测要素。年日照时数、年大风日数变化等曲线图或柱状图并且显示年平均气温的最高值和最低值,极端最高气温的最高值和最低值,极端最低气温的最高值和垠低值,年平均降水量的最高值和最低值,平均年日照时数的最高值和最低值,无霜期,年平均暴雨日数,最长无雨日数。
  结束语
  本系统采用B/S模式,依托“气象科学数据共享中心”项目成果,基于“某某各类国家级地面气象站基础数据库系统”,达到了数据规范可靠,产品输出方式多样,用户使用快速便捷的设计目标,是气象科学数据和基于互联网的图形化展示平台,蕴涵众多先进的设计理念和技术创新,功能丰富实用,系统成熟稳健,该系统的建成使用将较好的实现气象科学数据全省共享应用,为气象预报预测和灾害性天气监测提供更加快捷全面的信息支撑服务。
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