摘要：數據庫設計是系統設計的一個重要環節，數據庫設計的好壞直接關系到整個系統的性能。GIS設計得再完美，如果數據響應表現乏力，也是一個不成功的應用。由于氣象數據結構具有顯著的時間特征，所以常用的空間數據模型難以勝任氣象信息的處理應用。

　　1基于WorldWind的系統設計

　　1.1系統設計的目標和原則

　　基于WorldWind的交通氣象信息共享系統開發目標：利用最新的技術研發手段，融合交通氣象共享數據與地理信息數據，構建具有氣象行業特色、適合交通氣象服務應用的專業GIS系統，以滿足交通氣象服務對三維地理信息的業務需求，從而最終提高交通氣象災害預警的科學輔助決策能力。該系統的開發必須堅持先進性、通用性、可擴展性、模塊化和節約化相結合的原則，WorldWind是一個可以修改源代碼的開放平臺，其開發的靈活性遠遠高于其它任何一款商業三維GIS平臺。系統開發擺脫了商業GIS平臺軟件的束縛，這正是筆者選擇此平臺開發的一個重要原因，擁有完全的主動權，有利于開發者最大限度地滿足自身行業服務的需求。

　　1.2系統體系架構

　　交通氣象信息共享系統體系結構由數據層、服務層、應用層和客戶層4個部分組成?；赪WJ的交通氣象信息共享系統體系結構如圖1所示。數據層是交通氣象信息共享系統的數據基礎，它為系統提供最基本的數據服務，系統數據包括基礎地理信息數據、交通氣象共享產品數據和WW數據。其中基礎地理信息數據主要有基于WMS地圖、Shape文件等數據，其存儲方式與傳統的二維GIS系統相似;交通氣象共享產品數據有高速公路沿線氣象站監測信息、雷達信息、氣象衛星信息、臺風信息、氣象災害預警預報信息等其它相關數據，它是最關鍵的核心數據;WW數據主要包括有Landsat7全球范圍30～120m分辨率的衛星影像，SRTM的全球重點城市精細影像數據，BingImagey微軟的高清晰影像地圖，OpenStreetMap開源地圖，全球的行政區界、地名及標注數據。WW的數據是按照金字塔模型來對高程數據和影像數據進行切片處理的，通過服務器訪問接口建立了高分辨率的三維地形[11]，利用開源地圖服務軟件包GeoServer搭建了基于WMS的地圖服務，綜合運用Java技術實現了交通氣象數據服務和WW數據的集成應用。服務層是建立在數據層之上，從數據層中獲取需要的數據并提交給應用層進行處理，系統運用地圖服務器和應用服務器，根據WWJ提供的組件開發接口以及對交通氣象信息共享數據的規約，實現了交通氣象信息共享數據與系統的無縫融合。應用層由地圖服務、圖層管理、數據展示、數據查詢、氣象要素道路反演分析和預報文檔服務六大功能模塊組成。客戶層就是為用戶提供了一個人機交互的功能，本文采用WW的客戶瀏覽器作為三維GIS的客戶層，實現了數據集成和三維展示等功能。

　　1.3系統數據庫設計

　　在實際開發過程中，為了實現基礎地理信息數據、交通氣象共享數據和WW數據的無縫融合，我們研究了一種適用于建立氣象信息數據庫的時空數據模型。交通氣象信息共享系統的數據訪問機制如圖2所示。交通氣象信息共享產品數據種類繁多，實際應用的方式多樣，為了能適應數據的變化，提高系統的可擴展性，在數據庫設計上采用元數據驅動模式，產品數據均納入元數據管理范疇，應用組件通過訪問元數據來控制對具體數據庫的訪問，屏蔽應用組件對氣象業務數據，尤其是文件型數據的直接訪問。交通氣象信息數據庫總體設計如圖3所示。

　　2系統實現的關鍵技術

　　2.1WorldWindJavaSDK組件開發

　　WorldWind是一款虛擬地球的開源三維地理信息系統，由NASA(美國)國家航空和宇宙航行局聯合出品[12]。它是唯一真正開放資源的3D引擎，它的全部代碼都是可獲得的，允許無限制的用戶化定制。海量的數據集成和超強的功能設計使得它成為一個十分理想的二次開發工具，用戶可以充分、深入地使用這些數據和功能開發自己需要的功能。WorldWind有基于.NET語言和Java語言的2種開發包，基于Java語言的SDK(WWJSDK)既能支持本地運行也能支持網絡運行，且具有強大的跨平臺特性，目前是NASA官方仍在更新的重要版本，因此本文采用WWJSDK作為交通氣象信息共享系統的二次開發組件。圖4為基于WWJSDK的系統開發組件架構。WWJSDK主要由模型、視圖、事件監聽及數據等組成[13]，模型由球體、圖層等組成，視圖是在模型的基礎上用來控制用戶視角，系統是通過視圖控制器來實現與應用程序的交互，事件監聽是指對用戶界面操作事件進行監聽和處理。WWJ的GIS組件群是實現系統GIS功能的核心，交通氣象服務系統需要的是在GIS組件之上的交通氣象數據集成、封裝與展示。本文利用WWJSDK以類文件形式構建了一系列交通氣象系統服務組件，完成交通氣象數據的存取和應用模型的展示等功能，同時還為系統擴展提供了接口。

　　2.2數據緩存機制

　　WorldWind使用多分辨率分層技術為用戶提供了海量的影像和DEM數據服務，當用戶縮放到不同區域時逐漸加載更多的細節。根據系統分層分塊的結構，通過瓦片金字塔對海量數據進行劃分，并以一定的形式緩存在本地目錄。當用戶瀏覽某一區域時，系統首先會從本地緩存中提取該區域的數據，如果文件存在就直接加載渲染;若本地緩存不存在，就從服務器下載需要此區域的數據再進行渲染。自構建的WMS服務器獲取數據系統也是按此數據緩存機制處理。系統在訪問交通氣象服務數據時也建立了相應的緩存機制。交通氣象服務數據的緩存有兩級，一級在服務器端，一級在客戶端。當用戶訪問某類服務數據時，系統首先會自動搜索客戶端查看要查詢的數據緩存是否存在，若存在就直接解析加載，不存在則通過網絡訪問遠程應用服務器;如果服務器本地端存在此時次數據的緩存則由Http協議傳輸給客戶端后加載，不存在就需要通過數據庫訪問得到要查詢的數據后再返還給用戶處理，同時將數據寫入緩存區。該數據緩存機制具有以下幾個優點：①大大提高了訪問效率和服務性能;②減輕了應用服務器端的負擔;③使在無網絡環境下的脫機訪問成為可能。雖然這種緩存機制在較短時間片下訪問能發揮優勢，但針對某些需要不斷更新的交通氣象服務數據來說可能會存在數據更新不及時的問題，因此系統也提供了直接從服務器數據庫獲取數據的機制，但訪問效率受到一定的影響。至于采用哪種數據訪問機制由用戶根據實際情況去選擇。

　　2.3氣象要素道路反演算法

　　相對于空間分布而言，交通氣象服務的用戶更關注氣象信息的沿線分布狀況，這就要求氣象觀測與預報信息均需反演到道路干線上，反演的定義請參見文獻[14]。本文算法最終目的是采用不同的顏色來反演交通道路沿線氣象要素的等級劃分，從而表明該段道路所受的天氣現象影響。拼圖是絕大部分交通氣象產品需要涉及的內容，傳統意義上的拼圖是指圖與圖之間的拼接，本文制作的拼圖是基于站點的數據與數據拼接后將其反演到道路上的產品。本文拼圖所用的算法的基本原理如下：首先獲取所有高速公路沿線交通氣象站觀測或預報信息，同時讀取出高速公路地圖上的每一個信息點并搜索到該點最近的2個沿線附近測點數據，利用反距離權重法計算出該點的插入值，然后根據計算出的數值按要素等級劃分重新構建出一個新的地圖數據，最終根據等級用相對應的顏色在系統中展示出來，圖5為氣象要素拼圖反演算法的流程。算法實現的具體步驟如下：步驟1根據發送來的請求參數內容，取出相對應區域的高速公路矢量地圖的所有線段組經緯度數據并分別存貯到各自的數組隊列中，針對每組線段的點建立氣象要素等級數組，數組初始值賦為缺省。步驟2取出區域內所有站點資料并初始化到數組隊列。步驟3以高速公路上的點為中心、10km為搜索半徑查找離圓心最近兩站點的數據，利用反距離權重法計算出該點的數據根據等級劃分賦值。步驟4根據線段點不同的等級值記錄拼圖的線段組。(1)如果當前點是高速公路一組線段的開始點則構建一個新的隊列，并將此點的經緯度信息放進隊列中去;(2)取下一個點的等級數據，如果和上一個點的等級值相同且不是線段最后一個點，則將此點插入到當前隊列，如果不等就將此隊列記錄存貯下來，然后再重新構建一個隊列把當前點放進隊列中循環本操作，直到當前點是線段最后一個點結束;(3)重復(1)、(2)直至高速公路所有線段組遍歷完;步驟5按一定格式要求輸出所有構建的拼圖線段組;步驟6根據輸出等級用相對應的顏色在系統中繪出這些線段組;

　　2.4利用SketchUp建立三維模型

　　在傳統二維中，地理對象一般由點、線、面三類要素組成。針對更為復雜的結構體，基本都是通過這三類要素組合表達出來。在交通氣象業務系統中，為了實現三維效果的場景，需要建立相應的三維模型，選擇適合系統要求的三維數據模型-KMZ格式。本文采用三維建模工具SketchUP創建系統中需要的三維模型，模型創建后使用圖片處理技術作一些渲染修飾后存成WWJ能處理的KMZ格式。系統三維模型的構建為用戶提供了更直觀、更形象、更真實的環境場景。下面給出3種SketchUP建模方法：①幾何建模法，就是利用SktechUP的擴展工具構建出實物的粗糙框架，最后使用紋理圖片進行渲染實現真實模擬;②紋理映射法，紋理映射技術能增強模型的逼真度，簡化模型的復雜度，對程序渲染的實時性起到關鍵作用;③坐標系法，選擇正確坐標系，導入其它一些二維矢量數據進行直接建模，能提高建模速度。圖6是高速公路橋梁模型和影像圖的疊加效果，其中橋梁模型由SketchUP工具制作，高分辨的衛星影像來自微軟的bing地圖服務。

　　3應用實例

　　本文設計的基于WorldWind數字地球模型的系統在華東區域交通氣象信息共享業務示范性項目中得到了具體應用。該業務平臺實現了地球三維瀏覽、定位飛行、圖層控制、氣象信息實時預警及預報產品動畫顯示等功能。通過交通氣象自定義地圖服務，將道路反演生成的XML數據以GIS圖層的方式組織，在此基礎上集成交通氣象站信息，完成了實時監測預警、數值預報以及衛星云圖的三維模擬等氣象應用。通過數字地球組件和交通氣象服務中間件仿真建模，為交通、氣象等相關部門提供高速公路實時監測、預警、預報、服務等形象化的氣象信息，給用戶提供了人機交互的便利和數據基礎。系統主要功能模塊如圖7所示。圖8是華東區域高速公路交通氣象信息共享系統中的沿線氣象監測站信息預警展示，圖中的圓圈代表分布在華東區域高速沿線的交通氣象監測站，圓圈顏色為綠色表示此站點的能見度觀測數據大于1000m，淺藍色表示500～1000m，藍色為200～500m，黃色為50～200m，紅色為小于50m，并且在站站之間的道路也用以上顏色進行反演繪制，用戶移動鼠標至站點點擊圓圈時系統會瀏覽到該站的所有監測信息。系統采用線程方式實現每分鐘對不同氣象要素的實時預警監測，當檢測到監測要素低于設定閾值時，圖8右下角會出現一個預警圖標，圖標右上方動態顯示出小于閾值的站點個數。點擊圖標系統彈出小于閾值站點的詳細信息的對話框，選擇某個站后數字地球自動飛行到當前站點的位置，并以紅色光圈進行閃爍預警。實踐表明該系統具有較好的響應速度和三維表現能力，能夠滿足用戶進行交通氣象實時監測預警、營運決策和交通事故災害評估的要求。

　　4結束語

　　本文在WorldWindJavaSDK的組件基礎上進行了的二次開發，闡述了系統的設計架構，分析了系統研發的關鍵技術，最終構建了基于三維GIS的交通氣象信息共享系統，系統集交通氣象信息的報警、查詢、統計與分析等功能于一體，在交通、氣象等部門得到了實際業務應用，為交通營運管理、決策提供直觀化數據，大大提高了交通氣象服務的水平和效果。隨著系統功能模塊的不斷完善，將會具有較好的應用前景。文中對重點結構物三維模型的設計和植入進行了一些探索，對于要用WorldWind進行三維模型開發的相關人員有一定的借鑒意義。后續工作將深入探討交通氣象災害的內在機理，并嘗試通過高性能網格計算進行氣象數據的實時處理實現高影響天氣災害的動態仿真建模。