基于GIS的台风预警信息系统设计与实现

摘要：台风是破坏力极强的自然灾害之一，中国是受台风影响较严重的国家。加强台风的检测和预报是防灾减灾的有效手段。该文基于WebGIS和ArcServer平台，采用Flex框架，依据台风自身特点和数据特点，结合台风路径的相似性算法模型，设计了台风预警信息系统。其中实现的功能主要包括台风路径信息与卫星云图、信息查询、浏览统计、实时绘图；多功能历史台风路径信息查询。该平台的构建和实现不仅可为广大用户提供内容丰富、通俗易懂的台风气象信息，而且可为行业用户和决策部门提供具有一定参考价值的气象服务产品，从而进一步拓宽和完善了台风气象信息产品在网络服务领域应用的广度和深度。

关键词：台风；WebGIS；路径预测；ArcServer

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0106-04

1 背景

台风的破坏性巨大，同时也是最严重的自然灾害之一[1]。在全球台风生成区中，最频繁的台风发生在太平洋西北地区，达到1/3的全球总和，另外台风强度最强也是在太平洋西北地区。中国是世界上遭受台风影响最严重和最频繁的国家之一。自1949年以来，受西北太平洋的台风影响，我国每年所遭受的经济损失为20-100亿元，死亡人数在100-1000人。近年来，随着气候被遭到严重破坏、沿海经济区的社会经济快速发展，因台风而造成的损失也在明显增加。

台风灾害给社会财产，人身生命安全等造成巨大的危害，人们就需要通过一定的技术手段去获取台风的相关信息，从而减少甚至避免台风的影响。随着互联网的快速发展和科学的进步，人类所能收集关于台风的数据信息也丰富起来。人类获取台风数据更加快速、便捷、精确，使得台风的信息维度更加多样、丰富，内容也更加充实，为决策带来充分的参考和依据。研究表明过去人们对于空间信息的获取与分析，采用的技术手段相对比较落后，因而就需要一种更加高效和方便的手段或技术，更加注重信息的空间性，加强台风信息的检索效率，实现空间信息的共享，提供更加全面的决策信息。

近年来，随着GIS在各个领域得到广泛的应用，人们对于GIS科学的理解也随之深入，使得GIS在气象领域的应用也越来越宽泛，越来越多的气象工作者意识到地理信息技术在该领域的应用价值。无论是在在历史气象资料的查询、保存、检索、统计分析，还是在基于空间数据的三维建模和数学建模及数据的空间分析方面，GIS技术都体现出卓越的空间信息的管理和分析能力。同时，GIS技术的飞速进步，为台风数据的管理和共享提供强有力的技术保障。同时，地理信息系统在气象领域的广泛应用也为台风预报预测系统与GIS的有机结合提供了宝贵的经验。随着网络的发达，信息共享将成为迫切的需求，这促使Internet和GIS的结合。WebGIS应运而生，它不仅拥有Internet信息的数据共享特点和信息发布功能，同时也具有GIS技术在数据的管理和空间分析方面的功能，这为GIS技术的普及和共享GIS技术的成果提供一个广阔的平台。

目前一些台风信息系统主要存在以下不足：1）台风信息服务产品种类较少，且表现方式比较单一；2）多种气象信息产品无法综合显示，致使用户无法直观了解台风及相关信息；3）近海海区气象服务产品目前在网站上都是以文字形式呈现，不利于查询海区天气情况；4）地理底图叠加信息单一，无法叠加公路、铁路等地理信息。

基于以上不足，本系统将依托丰富的气象服务产品，综合应用 GIS 服务器的空间数据处理能力，分析多种与台风相关的气象业务产品的时空要素特征，构建基于 WebGIS 的台风预警信息系统，着力从多功能台风路径查询、多种气象信息集成发布、地理信息功能等功能方面进一步拓寬和加强台风气象信息产品在服务领域应用的广度和深度，从而通过网络为公众和行业用户提供更丰富，更优质、更专业的台风气象服务[2-3]。

2 台风路径预测的基本理论

台风的预报方式有两种，一种是数值预报，另一种是客观预报[4]。数值预报是根据测量到的数值计算，预测出台风运动轨迹的趋势和运动特点；客观预报把台风的历史数据作为基础，通过计算概率、相似性、回归分析等方法进行预测[5][6]。

两种方法各有自己的优势和不足，目前较多偏向于客观预报中的相似性的方法[7]。

本平台使用SrcServer中自带的空间分析功能，以历史台风信息为基础，利用台风路径的相似性原理，预测出台风路径。

2.1 路径相似度算法

路径相似法是从历史记录中筛选出相似时间，相似气象特征，相似运动轨迹的台风路径，是台风路径预测的常用方法[8]。相似的台风路径是众多影响因子共同作用的结果，也就说明诸多因子合力的等效性。中国气象的相似性标准是地理、季节和移向移速相似。

在台风路径预报中，采用相似度方法去模拟计算，关键点在寻求相似度的衡量标准。从以往的经验中可以得知，相似度通常确定在0和1之间。台风路径之间的距离越接近，也就表明在空间上，两条台风路径越相似；在此基础上，陆涛等通过缓冲区的大小，确定搜索的范围，这有效减少了台风路径计算的工作量[9]。

利用台风路径之间的距离来表示台风路径的相似度的方法，在计算过程上是比较复杂的，需要计算现有的台风路径到历史台风路径上每一点的最短距离之和与历史台风路径的相似度。邹亮等在基于台风路径相似度方法计算的基础上，改进此算法，本文采用此优化算法。

2.2 基于路径相似度的台风路径预测

根据路径相似度的方法，计算出不同的历史台风路径与实时台风路径之间的相似度，然后按照相似度大小进行排序。首先选取相似度最大的台风路径作为实时路径的预测路径点。这种处理方式有缺陷，相似度最高的台风路径有可能只是一部分非常吻合，而其他部分就会出现很大的偏差。因为不可能所有的作用因子都十分相似，毕竟存在众多因素的差异。所以不能简单的依照历史台风路径整体的相似度，而根据每一个关键点的缓冲圆范围之内，计算出一个局部的相似度，在每一缓冲范围之内，选取一个最优解。该方法示意图如下：

S1，S2，S3代表不同时刻，也就表示台风的不同时刻的路径。D1，D2，D3代表不同历史台风路径经过局部最大相似度的计算而得到的关键点。该方法使用局部最大相似度有效的解决了两条台风路径不可能完全一致的问题，在预测中，不断选取一个最优解作为预测点。

2.3 本文实现方法

1） 通过读取图层的属性表文件，获取当前台风的坐标信息。用ArcMap的Model Bulider制作缓冲工具，并在ArcCatalog中发布服务，获取工具的地址。通过FlashBulider调用工具的REST地址，通过响应的数据在客户端绘制缓冲区。

2） 在服务器后台加载已有的历史台风信息，通过GIS的缓冲区分析，最终是的图层属性的叠加合并。这样也就获得了关键的数据。接下来就要在FlashBulider中通过对图层的属性文件相关操作，读取并保存叠加分析后的数据。

3） 计算相似度。把现在的台风路径数据和的叠加分析后的历史台风路径数据进行相似的计算，在缓冲区范围之内，计算距离的加权平均和，选出最优解。

3 系统技术架构

3.1 总体结构设计

台风预警信息平台是基于服务器端的IIS和ArcServer，客户端就是浏览器，开发平台是Flex，辅助工具有ArcCatalog和ArcMap。客户端主要是接受用户的请求及显示服务器响应的结果。大部分的业务逻辑都是在GIS服务端，其负责数据的处理及响应的传送。

3.2 逻辑模型设计

表现层是平台的访问入口，主要负责请求的发送和响应结果的呈现[10]。本系统的表现层就是浏览器，它只是把用户的请求封装打包，然后转交给Web层，最终交给业务逻辑层处理。它更不会与数据层进行交互，中间是通过Web层进行隔离的。它主要用来为用户提供与服务器交互的平台，隐藏业务逻辑层的复杂。

Web层就相当于一个中间件，主要用于接受用户的请求和封装服务器的响应结果，接受用户的请求之后调用业务逻辑层的响应功能进行处理，然后把处理结果打包发给表现层。Web层也相当于一个隔离层，把表现层和业务逻辑层分开，避免表现层和业务逻辑层过于耦合，使软件更易扩展和维护。

业务逻辑层是整个逻辑设计的核心，负责所有的业务处理。它是Web层和持久层通信的中间者，对两者之间起承接作用，这就使得Web层和持久层处于一种松耦合的关系，使得设计更加灵活。

持久层也称数据层，是整个设计的信息中心。直接与业务逻辑层通信，主要满足业务逻辑层的请求，然后给予必要的响应。

这种B/S的多层结构，削弱表现层的责任和减少表现层的压力，避免各层之间的过度依赖，处于低耦合的关系[11]。业务逻辑的变化，不会影响表现层、Web层因为表现层只负责显示，不牵扯业务逻辑，而Web层通过接口调用，与具体的实现无关。整个构建易于扩展和维护。

4 系统的功能设计与开发

4.1 系统功能设计

基于本平台的设计目标，软件在功能上主要分为两类，分别是地图基本操作和台风模块。

地图基本模块主要实现搜索、测量、绘图、书签、截图、打印等功能。

台风模块是本软件的核心模块。包括信息查询、浏览统计、实时绘图小模块。信息查询能够对台风的分布情况及台风路线的预测；浏览统计能够对台风的基本信息进行浏览，并统计台风的分布和属性的变化情况；实时绘图能够实现客户端的动态绘图功能。

空间要素的存储是由系统完成的，只需要输入台风基本信息，包含中心气压，风速等字段。其实空间数据也是由二维表存储的，本文中ArcSDE就相当预拆解与组装的工人，把空间要素拆分成二维信息，然后存放在数据库中。

本文的数据主要存放在Shapefile文件和数据库中。要发布要素服务的图层，属性必须通过ArcSDE存放于SQL Server中，因为要素服务关系到数据的读取。把Shapefile文件通过ArcSDE映射到SQL Server数据库中，提高空间要素的查询效率，并能有效的管理空间要素，是存储空间数据的主要方式。台风预警信息平台是由表现层、Web层、业务逻辑层和持久层四层架构组成。设计结构上把所有的业务逻辑处理都放在后台服务器中，即各功能模块的运行环境是在服务器端，客户端仅是系统的入口，负责处理结果的呈现。

4.2 系统软件功能实现

根据总体设计，应该细化系统的功能设计，经过详细设计的步骤之后，应该能够精准地确定台风预警信息系统具体要怎么做，怎么设计实现功能模块[12]。确定功能模块，选择编程语言来实现，本文采用的是Flex，完成各个功能模块代码的编写。

台风预警信息系统是由表现层、Web层、业务逻辑层和持久层四层架构组成。在设计结构上把所有的业务逻辑处理都放在后台服务器中，即各功能模块的运行环境是在服务器端，客户端是系统的入口，负责处理结果的呈现。

（a）系统主界面

（b）台风关键点的属性查询

（c）台风关键点对应的遥感影像图

（d）实时绘图功能

5 结束语

本文通过开源的Flex框架和WebGIS的关键技术，分析总结了国内台风信息系统及技术的发展状况，结合具体的、实际的需求，构建出以台风信息显示、查询为辅，分析管理为主的台风信息服务平台。开发平台使用Flex，Web服务器采用IIS架设，GIS服务器ArcServer提供強大的的业务功能，ArcSDE和SQL Server负责数据的存取。在这样的系统架构中，用户可以很方便通过浏览器和服务器进行交互，具有良好的用户体验。

该平台将地图和台风信息进行融合，不仅内容丰富而且通俗易懂，使用户能够清晰的了解台风信息。台风路径预测不是对台风进行预报，而是提供一种快速预测的办法，在气象部门给出准确的台风预报之前预测可能的台风路径和影响范围，为城市进行台风应急救灾工作提供决策依据。

参考文献：

[1] 郑晓阳， 高芳琴. 基于WebGIS的台风信息服务系统研究及应用[J]. 城市道桥与防洪， 2007， 4： 38-41

[2] 吴焕萍， 罗兵， 王维国， 等. GIS 技术在决策气象服务系统建设中的应用[J]. 应用气象学报， 2008， 19（3）：380-384.

[3] 周秉荣， 李凤霞， 申双和， 等. 青海高原雪灾预警模型与GIS空间分析技术应用[J].

应用气象学报， 2007， 18（3）：373-379.

[4] 梁偉. 台风灾害损失预测方法研究及决策支持系统开发[D]. 南京： 南京信息工程大学.

[5] 黄小燕， 金龙. 条件数在台风移动路径预报中的应用[J]. 自然灾害学报， 2007， 16（3）：35-40.

[6] 陈钻， 薛冰， 柳晶. 基于 WebGIS 的台风海洋气象信息综合服务平台设计[C]// 第七届全国优秀青年气象工作者学术研讨论文集， 2010.

[7] 陆涛. GIS支持下的西北太平洋热带气旋研究[D]. 上海： 华东师范大学， 2004.

[8] 陈联寿， 丁一汇. 西太平洋台风概论[M]. 北京： 科学出版社， 1979.

[9] 邹亮， 任爱珠， 徐峰. 基于GIS空间分析的台风路径预测[J]. 清华大学学报：自然科学版， 2008， 48（12）：2047-2040

[10] 袁媛. 基于WebGIS的台风信息系统研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2009.

[11] Hsu M H， Chen A S， Chen L C， et al. A GIS-based decision support system for typhoon emergency response in Taiwan[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2011， 29（1）：7-12.

[12] Bin Z， Haiyan C， Junqiang G. Development of Typhoon Disaster Evaluation System Based on GIS[J]. Journal of Catastrophology， 2008（1）：10.

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