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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

选题目的：设计并实现一个基于三维gis的航线气象信息显示系统。本系统利用气象卫星云图、多普勒雷达数据及航空天气实况等气象资料，宏观分析各航线上的天气气象情况，根据gis原理和方法以三维的形式显示气象状况，直观的表现航线上的天气状况。有利于机场航班的时间安排，航线和飞行高度的预判、飞行前的备降场选择及油量控制和更加合理的调动飞机等决策，实现安全条件下的经济飞行。

选题意义： 目前，针对我国航空事业应用的，可以识别各类气象数据的航空气象三维显示系统尚未存在，如何在同一个地理信息系统中将各类气象信息反映出来，开发一款适用于我国航空事业的航空气象信息服务系统已成为一个亟待解决的难题。webgis作为地理信息系统基于web的实现方式，与传统的桌面gis相比，它具有以下特点：独立于操作系统，部署便捷；容易实现大范围的共享访问；客户端共同采用服务端数据，保证了数据的一致性，避免产生信息孤岛；业务用户不必花费大量的经费采购昂贵的gis软件。对访问空间性和时间性显著、数据量巨大的数据，webgis具有很大的优势。气象数据在空间和时间上连续分布的特性使得地理信息系统成为解决上述问题的可行方法之一。

国内外研究现状

国内研究现状：我国航空气象服务系统的发展大致经历了三个阶段:第一阶段:以单机和独立的业务系统为主体的阶段。时间大致为20世纪80年代到90年代初期。这一阶段的发展特征是，计算机硬件的价格开始降低，所以开始在国内普及并广泛应用。正是在这一时期，计算机进入了气象行业。但这时各气象系统几乎都处于相互独立状态，大量的数据是以独享方式存在的，没有实现信息的整合和共享。此时的气象服务方式是在飞机起飞前，机场相关人员到气象预报室查询有关的气象信息，以作为进行决策的参考资料。气象资料也比较单一，仅限于一些气象报文，不如现在的气象信息丰富。第二阶段:以局域网和数据库为基础的网络c/s服务模式阶段。时间大致为90年代中期至今。这一阶段的发展特征是，网络迅速普及，网络数据库技术迅速发展，为航空气象信息的交换和共享提供了便利的条件。这时开始构建航空气象数据库系统，该系统采用了当时非常先进的商用sybase数据库，主机选用了sun，网络为l om单层结构，各气象中心之间可进行pi访问，但与所属航站未实现ip网络通讯。此时各中心之间可进行一些产品交换，特别是数值预报产品，此时的服务方式除少量用户单位通过安装客户端软件来远程获取必须的气象资料外，大部分用户仍需到预报室来了解、查询相关的天气情况，但由于受数据格式、传输方式的约束，像雷达回波图、卫星云图、awos资料等机组仍然无法远程获取。第三阶段:以局域网和数据库为基础的网络b/s服务模式阶段。时间大致为90年代后期至今。随着计算机网络技术的不断发展，尤其是基于网页的信息发布和检索技术，整个应用系统的体系结构向更灵活的b/s结构演变，在上世纪90年代末期，在我国的大部分航空气象部门基本上都通过自主开发，并且开始采用b/s模式向用户提供航空气象服务。李力采用计算机网络、中间件和组件技术的b/s(browser/sevrer，浏览器/服务备器)的软件架构体系，以windows server2000/2003为网络操作系统，以微软公司的.net为开发平台，以delphi和c#为开发语言，以sql sevrer2000为后台数据库，开发了“分布式民航气象信息服务系统”。经过实践证明，brower/server服务模式是一种较好的航空气象服务模式，所以存在广泛的应用。近年来，我国航空气象的服务水平有了很大提高，特别是由河南大学承担研制的“民航气象信息综合处理系统”的成功，进一步提高了我国航空气象服务水平，但是仍然落后于我国航空事业的发展，尚且不能满足航空安全飞行与效益飞行的需求，与发达国家相比，也还有相当大的差距。航空运输业的快速发展，迫切需要提高航空气象服务的整体能力以适应新的要求。目前航空气象服务已由过去单一为飞行服务逐步延伸到航空管制、航线计划、机场调度、异地预报等诸多内容，气象资料的种类越来越多，对实时性及准确性要求也越来越高。

2. 研究的基本内容

设计并实现一个基于三维GIS的航线气象信息显示系统。

本系统开发设计及实现所涉及到的技术有：Cesium(一种基于JavaScript的开源框架)、支持WebGL的浏览器(本系统使用chrome浏览器)、JetBrains WebStorm 2017.2.3、JavaScript编程语言、HTML编程语言以及航线气象信息管理和计算技术等。具体内容为利用Cesium库以WebStorm为开发平台，实现面向Web发布的三维航线气象信息显示。主要涵盖以下方面的功能技术实现：1、风场的三维可视化：以气象站点及其他途径获取的不同高度风速、风向等气象数据进行渲染，在系统中以三维的、连贯的、分层次并分等级的进行显示。2、云层的三维可视化：利用以MODIS传感器获得的卫星遥感云图和获得的云高数据等，对不同高度的云团进行三维显示。3、雷达回波数据的三维可视化：将气象雷达数据按照回波反射率进行三维渲染，反应不同高度获得的回波情况，以此获取大气中雨滴、云滴、冰晶、雪花、冰雹和尘埃等信息。4、航线气象情况的获取：对国内飞行航线进行三维显示，并根据与显示的气象信息进行查询，获得航线上的天气状况。5、动态显示：创建时间轴，将三维渲染的数据进行动态显示，并达到实时显示。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实施方案：1、风场的三维可视化：获取整体航线范围内各站点和测量点的不同高度的风数据；创建矢量图层，分别按照高度、风速和风速强度等属性进行三维渲染：风速以按照等级分类的颜色进行符号化，风向用箭头方向来表达，综上完成整个范围内风场的状况。2、云层的三维可视化：将modis传感器获取的遥感数据中云量加以截取；根据获得的不同云团的云高对云量数据在三维环境下显示并渲染。3、雷达回波数据的三维可视化：按照回波反射率的分等级的将雷达数据渲染在相应高度；并将反射率代表的水滴、冰晶等信息储存在图层内，以便属性查询查看。4、航线气象情况的获取：将获得的民航航线信息按照起飞、降落等高度变化以线性数据进行三维显示；将航线与系统生成显示的、能够影响飞行状态的风场及云层数据做空间查询，判断航线天气状况是否对飞行造成影响。5、动态显示：创建时间轴，将不同时刻的气象信息变化动态显示在系统中。

进度安排：2018年3月：进行开发环境的搭建，学习所需要的开发语言及cesium，完成三维风场的显示；2018年4月：完成云层的三维可视化和雷达回波数据的三维显示，在系统中显示三维航线；2018年5月：实现剩余功能并加以测评，完成研究论文。

预期效果：实现预期系统所有功能设计并完成论文。

4. 参考文献

[1]刘滔. 基于b_s架构的民航气象信息综合服务系统[d]. 上海:上海交通大学,2009.

[2]高云成. 基于cesium的webgis三维客户端实现技术研究[d]. 西安:西安电子科技大学,2014.

[3]朱栩逸. 基于cesium的三维webgis研究及开发[j]. 科技创新导报,2015,34(9):9-16.