基于云服务和WebGIS的机场气象服务平台的设计与实现

王伟 周丽君 陶慧青 陈冲

摘要：强天气的频繁发生严重影响机场的日常运行和调度决策，收集分析机场的用户需求后，基于阿里云服务进行架构设计，设计了前后端分离、模块化的WebGIS机场气象服务平台。平台集成了实况、预报预警、短临监测模块于一体，界面友好、响应迅速，在多个天气过程中为机场平稳运行保驾护航，切实为机场的调度决策提供了有力的技术支撑。

关键词：机场气象；阿里云；WebGIS；模块化

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2022）01-65-5

0引言

复杂的气象条件为航空的正常运行增添了诸多不利因素，由天气造成的严重航空事故占比为10%～15%[1]，而由局地强对流、大风等恶劣天气引起的航班延误等情况更是屡见不鲜，因此为了保障航空的平稳安全运行和提前风险防范，构建专业化、集约化的航空气象服务平台迫在眉睫[2]。

传统的航空气象服务主要依赖于有经验的预报员结合观测资料进行提供，随着计算机技术的不断发展，服务平台逐渐由功能单一的、零散的C/S平台向资源集约化、轻量级的B/S平台转化[3-7]。依赖传统气象服务手段的义乌机场对功能集约、数据精准的航空气象服务平台的需求越来越强。

基于模块化的设计思路可以构建集实况、预报、预警、短临于一体的综合性的航空气象服务平台，为机场提供精准的实况监测站点、格点数据、预报格点数据、预警数据、雷达数据和强对流天气等重要航空气象数据。后端基于阿里云架构进行开发，支持高并发和大数据量的计算，实时性高、稳定性强。前端基于WebGIS技术，可以将大量复杂的气象数据在地图上进行实时的多维度渲染，站点格点数据的实时绘制有效避免了传统ArcGIS地图服务资源消耗、效率低下和服务器不稳定、地图异常等问题。平台前后端分离，低耦合性低、维护成本低，基于WebGIS的机场气象服务展示更为直观，平台实时的气象产品渲染展示为机场提供精准的气象数据服务，为航空的安全平稳运行提供切实有效的技术和服务支撑。

1需求分析与系统设计

航空安全平稳的运行状态与天气状态实况、未来发展趋势等有着密切的联系。机场所在位置的气象要素监测和未来天气预报对于飞机的正常起飞和机场的正常运营至关重要，而航空空域的天气实况和精密预报则为航空安全保障和气象风险防范提供了重要的数据支撑。义乌机场气象服务系统主要考虑机场重点关注的实况、预报、预警、短临等气象数据的集约化展示，以及针对机场的单点气象服务，实况数据主要来源于浙江省网络信息中心的精细化实况格点产品和自动站观测数据，预报数据主要来源于浙江省气象台的智能网格数据和其他预报产品，预警数据来源于国家突发预警平台，数据准确可靠、实时性高，能够为航空的平稳安全运行提供实况天气监测、未来天气预测和灾害预警防范等多方位保障[8]。

基于需求分析，对义乌机场气象服务平台进行如下设计：数据和后端服务模块基于阿里云服务器设计，数据按不同数据类型分别存储于云数据库RDS和HBASE，极大地提升了数据的读写效率，尤其是大数据的并发处理表现优异。对外接口的开发基于阿里云的企业级分布式应用服务（Enterprise Distributed ApplicationService，EDAS），支持部署于Kubernetes，ECS，无侵入支持Java，Python，PHP，.NetCore等多语言应用的发布运行和服务治理，享受应用监控报警、链路追踪及日志采集等能力。前端数据模块基于Ajax进行数据的异步调用和解析，加载效率高。展示模块基于lealfet轻量级的地图组件进行气象数据的实时渲染和展示，解决了ArcGIS服务异常引起的GIS图层调用异常等问题。

义乌机场气象服务系统模块如图1所示，主要分为4个功能模块。

2关键技术

2.1服务端技术

系统采用4层架构设计，各层之间耦合性低，有利于分工协作，系统代码重用性高，提升了开发效率，基于阿里云架构的后端架构设计稳定性高、数据存储安全可靠、访问效率高、维护成本低，阿里云架构如图2所示。

（1）展现层

基于HTML/HTML5/Vue/CSS3开发Web前端页面，兼容主流浏览器。展现层和数据层完全分离，通过跨域实现前后端数据通信。基于leaflet地图类库、Echarts图表插件、layui类库对气象实况、预报预警的站点和格点数据进行直观展示。

（2）通信层

基于阿里云CDN实现静态数据加速；基于阿里云SLB，实现服务器负载均衡；基于TCP/HTTP/HTTPS三种通信方式，实现前后端数据通信。

（3）服务层

主要負责数据业务逻辑的处理，包括地图数据的标准化处理、气象数据的解析同步操作及格式转换，以及阿里云API接口开发。

（4）数据层

主要有以下2个板块：

MySQL：存储事务性数据以及关联性较强的数据，如气象站点、站点观测数据等。

HDFS：存储气象数据文件、图片，如MICAPS4类气象预报数据、预警图标、地图数据文件等。

2.2前端技术

前端界面框架开发基于HTML5、CSS3以及成熟的BootStrap、layui组件，界面交互友好、响应快、适配性好。数据展示主要基于WebGIS进行气象数据的可视化表达，利用leaflet轻量级地图组件、Echarts图表组件等进行气象站点、格点、短临等多源数据的渲染展示，数据视图更为直观。数据调用处理基于Ajax异步实时调用，访问迅速快、解析效率高[9]。

3系统设计及实现

3.1系统整体设计

系统主要由后端4个子系统和前端平台4部分组成，即数据采集系统、数据处理系统、云服务系统以及义乌机场气象服務平台，系统整体设计流程如图3所示。

3.1.1数据采集系统

数据采集系统主要采集来自浙江省网络中心、浙江省气象台的信息数据库气象数据和产品数据以及基础地理数据库，主要包括雷达、全省站点监测数据库、格点数据文件、强天气预报文件、地图基础数据等。主要实现对多源数据的读取、同步、解析、数据清洗、标准化处理等操作，最终输入到数据处理系统进行处理操作。

3.1.2数据处理系统

数据处理系统对采集到的数据进行解析，并进行实时处理为数据产品输入需要的格式，同步至云服务模块，数据处理系统如图4所示。

系统将格点、站点数据以及强天气预报数据处理是地图服务支持的点线面等规范化数据格式；将雷达数据解析为GeoJSON的数据格式；将预警数据解析为JSON序列化数据格式。

3.1.3云服务系统

将数据处理模块处理的各类规范化数据文件进行存储、分发和API接口发布。接口统一返回JSON格式的数据格式并支持跨域，接口安全性等级高、响应迅速，异步加载数据支持高并发接口调用，页面访问更加流畅高效。

3.2平台实现

3.2.1重要关注点气象服务模块

重点关注点气象服务模块展示了义乌机场所在位置的实时天气信息（温度、风、湿度、能见度、天气现象）、24 h内的逐时预报信息（天气现象、温度、降水）以及未来3天的逐日预报信息（天气现象、最低最高温度、风速风向），能够为机场提供精准的关注点气象服务，对于机场的平稳运行和调度决策提供有力的数据支撑。重要关注点气象服务模块如图5所示。

3.2.2实况模块

格点实况模块如图6所示，分为实况监测站点模块和实况格点产品模块，分别提供全省实况自动站产品（风力、降水、温度、能见度、相对湿度、地闪、天气现象）和全省实况格点产品（风力、降水、温度、最高温度、最低温度、天气现象、能见度）的展示。实况站点模块以站点标注的形式展示各站点的气象要素值信息，实况格点模块则以等值线和等值面的形式进行气象要素的表达，数据更新频次快、数据信息表达直观，为机场提供准确及时的气象实况信息，格点实况模块如图7所示。

3.2.3短临监测模块

短临监测是机场比较关注的重点模块之一，短临天气的发展变化对于飞机的飞行以及机场的调度和决策具有重要影响。短临监测模块如图8所示，提供雷达回波、雷达回波追踪、未来短临4类强天气（大风、冰雹、降水、雷电）预报产品、衢州和金华的单站雷达产品，丰富的短临产品对于机场掌握天气发展趋势、辅助机场调度和决策具有重要作用。

3.2.4预报模块

预报模块主要包括短期预报和短期预报产品，为未来24 h的逐小时格点预报和未来3天逐3 h预报，预报要素为风、降水、平均温度、最高温度和相对湿度。该模块利用WebGIS进行要素格点预报产品的等值线、面、格点值叠加等形式，多频次多要素的预报产品为机场了解短期天气趋势提供了有力的支撑，对于机场未来的调度安排和票务运营具有重要的指导作用。

4应用效果

机场气象服务平台自2019年起正式投入运行，为机场提供气象服务保障，系统应用效果如图10所示。在多次重要天气过程中表现出色，为机场提供了实时的气象实况短临及预报预警信息，为机场调度和决策提供了有力的气象支撑，有效规避了强天气带来的航空风险。并且在运行过程中不断地进行优化和改造并逐渐趋于稳定，切实为机场提供了气象数据的服务和强天气过程的保障工作。

5结束语

在充分调研机场用户气象数据需求的基础上进行机场气象服务平台的研发，平台采用前后端分离的架构模式进行系统架构设计，耦合度低，高度模块化。服务端基于阿里云架构进行数据处理和服务接口开发，稳定性强、服务效率高、数据流程更优化。展示端基于WebGIS进行气象数据的可视化表达，表达直观、渲染速度快、页面加载迅速。平台运行稳定、交互友好，创新了气象服务在航空领域服务的手段，对未来航空气象的进一步发展具有重要的现实意义。

目前平台更多地局限于航空领域比较关注的气象数据的展示，在行业数据融合和影响分析方面还很薄弱，下一步将重点考虑航空和气象数据的融合展示和影响分析，将气象数据应用和展示的更具航空特色，进一步开拓创新了航空气象的新手段、新形式。

参考文献

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[4]毛成忠，袁柱.民航机场气象信息综合服务系统架构分析：第30届中国气象学会年会论文集[C].南京：第30届中国气象学会年会，2013.

[5]张宏伟.机场气象信息服务网实况部分的程序开发[J].商情（财经研究），2008（3）：153.

[6]何正斌，陈曦，何晓宇.民航气象报文监控系统的设计与实现[J].民航管理，2020（1）：60-62.

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[8]陈岑，章悦，曹言.电子水尺，远程气象终端……浦东机场升级“智慧防汛”[J].航空港，2020，195（4）：30-31.

[9]张晓龙.Web前端开发技术的优化发展[J].电脑知识与技术， 2020，16（11）：78-79.