基于GIS的雷達(dá)數(shù)據(jù)三維可視化與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施益強(qiáng)，吳麗娜，吳陳鋒

(1.集美大學(xué)影像信息工程技術(shù)研究中心，廈門 361021;2.廈門市氣象局，廈門 361012)

0 引言

氣象中的風(fēng)速、溫度、氣壓等都是相對于具體的空間域和時(shí)間域而言的，沒有地理位置的氣象要素沒有意義，因此，在一定程度上氣象要素信息都是地理信息[1]。地理信息系統(tǒng)(GIS)是集空間數(shù)據(jù)采集、處理、管理、分析與顯示于一體的空間決策信息系統(tǒng)，其外在表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，內(nèi)涵是由計(jì)算機(jī)程序與地理數(shù)據(jù)組織而成的地理空間信息模型[2]。GIS應(yīng)用于氣象領(lǐng)域的優(yōu)勢在于:①構(gòu)建豐富地理空間數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行空間分析與處理;②與數(shù)值模型相結(jié)合，形象直觀可視化地表達(dá)模型計(jì)算結(jié)果。將其強(qiáng)大空間分析能力與氣象信息技術(shù)相結(jié)合，可提供空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為決策服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)[3－4]。GIS的三維地理信息與強(qiáng)大的空間分析等功能，將使其在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步深入，為精細(xì)化的氣象預(yù)報(bào)提供更有力的支持。

新一代多普勒氣象雷達(dá)系統(tǒng)由雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(RDA)、雷達(dá)產(chǎn)品生成器(RPG)與主要用戶終端(PUP)等構(gòu)成，對于災(zāi)害性天氣，特別是對強(qiáng)對流天氣有著較強(qiáng)的監(jiān)測能力[5]。PUP是氣象預(yù)報(bào)人員的作業(yè)平臺，普遍存在著一些不足，如系統(tǒng)界面不夠友好，采用的底圖多為柵格地圖，精度較低，所包含地理信息較少，缺乏三維地形顯示、自動(dòng)預(yù)警以及應(yīng)急通信等功能。業(yè)務(wù)人員常需借助紙質(zhì)地圖和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行強(qiáng)回波位置判斷，可能會造成預(yù)報(bào)位置與實(shí)際位置存在較大偏差，難以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害性天氣精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，給社會經(jīng)濟(jì)帶來較大損失。因此，研究利用GIS、遙感(RS)等空間信息技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)與通訊技術(shù)，進(jìn)行多普勒氣象雷達(dá)系統(tǒng)的補(bǔ)充和完善具有很好的理論與應(yīng)用價(jià)值。近年來研究人員在這方面開展了一些有益的探索[6－11]，但是在將 GIS與 RS應(yīng)用于多普勒氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理與分析中，還存在著地理數(shù)據(jù)精度不高，缺少直觀三維地理信息等缺點(diǎn)，特別是在利用GIS空間分析方法建立預(yù)警模型等方面存在不足。

本文嘗試?yán)肎IS與RS技術(shù)構(gòu)建氣象地理空間信息與屬性信息，實(shí)現(xiàn)氣象與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的便捷管理;通過雷達(dá)回波與精確地理數(shù)據(jù)的空間疊置分析，提高各類突發(fā)性、災(zāi)害性天氣的落區(qū)預(yù)報(bào)精度;建立直觀的雷達(dá)回波下墊面三維信息，為研究各種天氣的形成機(jī)制及其變化規(guī)律提供支持;重點(diǎn)研究利用GIS空間分析方法，建立自動(dòng)預(yù)警模型，并實(shí)現(xiàn)預(yù)警后快速便捷的應(yīng)急通信。

1 結(jié)構(gòu)與功能

1.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系架構(gòu)采用C/S模式，主要包括雷達(dá)數(shù)據(jù)的GIS處理子系統(tǒng)和GIS應(yīng)用分析子系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的GIS二次開發(fā)軟件為ESRI的ArcGIS ArcEngine 9.2，開發(fā)平臺為 Visual Studio 2005，開發(fā)環(huán)境為VB.net，空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建采用Geodatabase 9.2與Access2003，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows XP。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The system frame

1.2 功能實(shí)現(xiàn)

1.2.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)處理

GIS處理子系統(tǒng)可自動(dòng)或批處理實(shí)時(shí)或歷史的雷達(dá)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法(封裝為動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL)讀取以雷達(dá)站為中心的各徑向不同距離處的雷達(dá)數(shù)據(jù)，快速將其二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組中，根據(jù)數(shù)組構(gòu)建多邊形要素類存儲于GIS數(shù)據(jù)庫中，并利用MapControl自動(dòng)加載雷達(dá)數(shù)據(jù)圖層并渲染、存圖。

1.2.2 雷達(dá)濾波與數(shù)據(jù)管理

大量低等級回波可能會對預(yù)報(bào)形成干擾，通過濾波功能將其過濾，可突顯高等級回波。設(shè)置雷達(dá)回波圖層的透明度，以便觀察雷達(dá)回波覆蓋區(qū)下的地形地貌等信息。實(shí)現(xiàn)對二維、三維地圖的縮放、漫游、定位、查詢、編輯等功能。雷達(dá)回波多邊形個(gè)數(shù)非常多，采用地圖緩存技術(shù)以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。完成對基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)及其屬性數(shù)據(jù)、預(yù)警點(diǎn)和聯(lián)系人信息等進(jìn)行管理、備份、導(dǎo)出等操作。

1.2.3 回波統(tǒng)計(jì)與動(dòng)態(tài)分析

實(shí)現(xiàn)對行政區(qū)域或自定義范圍內(nèi)的回波統(tǒng)計(jì)，快速定量地以表格或柱狀圖顯示各等級回波面積狀況;進(jìn)行回波在時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)態(tài)演示，有助于預(yù)報(bào)作業(yè)人員直觀地分析回波的演變過程及其時(shí)空特征，對可能發(fā)生惡劣天氣的地區(qū)進(jìn)行預(yù)報(bào)。運(yùn)用GDI繪圖技術(shù)，將不同仰角和不同高度的回波變化情況用不同顏色的線條繪制，進(jìn)行預(yù)警點(diǎn)的回波強(qiáng)度趨勢分析。

1.2.4 雷達(dá)回波三維可視化

雷達(dá)回波與下墊面地形地貌有著密切的聯(lián)系。以三維地形數(shù)據(jù)(DEM和遙感影像結(jié)合)為基礎(chǔ)，將雷達(dá)回波圖層抬升到一定高度，實(shí)現(xiàn)全方位、多角度的雷達(dá)回波顯示，輔助預(yù)報(bào)作業(yè)人員觀察判斷下墊面情況。ArcEngine 9.2無法進(jìn)行三維地圖的標(biāo)注，通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)了三維地圖及指北針等要素的標(biāo)注，并建立二維、三維地圖的聯(lián)動(dòng)，如在二維(或三維)地圖中標(biāo)示出感興趣的位置時(shí)，可在三維(或二維)地圖中查看其相應(yīng)的地理位置。

1.2.5 自動(dòng)預(yù)警與應(yīng)急通信

在電子地圖上進(jìn)行預(yù)警點(diǎn)設(shè)置，利用預(yù)警模型自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測。預(yù)警指數(shù)值與預(yù)警范圍內(nèi)的回波強(qiáng)度、面積及其與預(yù)警點(diǎn)的距離，回波的頂高、組合反射率和垂直液態(tài)含水量等因素有關(guān)。當(dāng)預(yù)警情況出現(xiàn)后，系統(tǒng)將立即觸發(fā)警報(bào)，并自動(dòng)將出現(xiàn)預(yù)警地區(qū)的聯(lián)系人及其聯(lián)系方式等信息導(dǎo)入應(yīng)急通信模塊，業(yè)務(wù)人員可便捷快速地以發(fā)送短信或撥打電話等方式與預(yù)警點(diǎn)相關(guān)人員進(jìn)行聯(lián)系。

1.2.6 氣象信息專題制圖

專題圖制作有自動(dòng)與手動(dòng)兩種方式。利用自動(dòng)功能可快捷地生成包含圖名、指北針、圖例、比例尺等要素的專題圖;手動(dòng)制作方式可利用ArcGIS豐富的符號庫，自定義輸出精美專題圖。該模塊充分利用ArcEngine豐富的專題圖接口與方法，實(shí)現(xiàn)氣象地理信息專題圖表的制作、打印與格式轉(zhuǎn)換，方便業(yè)務(wù)人員開會討論或制作報(bào)告。專題圖經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后可用于網(wǎng)絡(luò)氣象信息服務(wù)的發(fā)布。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

多普勒氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，以二進(jìn)制存儲于文件里，文件前128位存儲雷達(dá)數(shù)據(jù)的基本信息，128位后記錄雷達(dá)數(shù)據(jù)的起始、回波強(qiáng)度以及終止等信息，其中所包含的極坐標(biāo)形式并非GIS系統(tǒng)所能支持的。因此需將雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯到地理坐標(biāo)系中，并通過ArcGIS的ArcObjects接口轉(zhuǎn)換導(dǎo)入地理信息數(shù)據(jù)庫。假設(shè)λS和φS分別為雷達(dá)站的經(jīng)緯度，則雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)P(用極坐標(biāo)(R，θ)表示)對應(yīng)的經(jīng)緯度為(λ，φ);S為中間量，則雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的經(jīng)緯度坐標(biāo)(λ，φ)計(jì)算方法為[6]

2.2 自動(dòng)預(yù)警

基于GIS空間分析方法，建立自動(dòng)預(yù)警模型。以預(yù)警點(diǎn)位置為中心，預(yù)警范圍半徑為R，預(yù)警范圍內(nèi)雷達(dá)回波多邊形面積為A，回波與預(yù)警點(diǎn)距離為L，回波頂高為H，組合反射率為C，垂直液態(tài)含水量為V，回波強(qiáng)度的危險(xiǎn)性權(quán)重為W;H0，C0，V0為回波的頂高、組合反射率和垂直液態(tài)含水量的參考值(與季節(jié)有關(guān))，系統(tǒng)允許用戶對參考值進(jìn)行調(diào)整;此外，用戶可設(shè)置參與預(yù)警模型的回波強(qiáng)度、頂高及垂直液態(tài)含水量的下限，低于此下限的回波不參與計(jì)算，這可優(yōu)化模型的計(jì)算，避免地物回波干擾。以預(yù)警范圍內(nèi)3個(gè)回波綜合影響為例，預(yù)警點(diǎn)的預(yù)警指數(shù)為

因此，預(yù)警范圍內(nèi)n個(gè)多邊形回波的綜合預(yù)警指數(shù)為

從上述模型可知，回波強(qiáng)度越高，垂直液態(tài)含水量越大，頂高越高，面積越大，距離預(yù)警點(diǎn)越近，則預(yù)警指數(shù)越大，反之亦然。業(yè)務(wù)人員可設(shè)置預(yù)警指數(shù)閾值，達(dá)到或超過閾值系統(tǒng)即可自動(dòng)報(bào)警(圖2為自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)界面，紅點(diǎn)為警報(bào)發(fā)生點(diǎn)，具體地理位置可在系統(tǒng)右下角提示框查看)。此外，該模型還可應(yīng)用于人工增雨作業(yè)指導(dǎo)，通過設(shè)置具備作業(yè)條件的有效半徑、回波強(qiáng)度、高度和V值，同時(shí)設(shè)定預(yù)警指數(shù)值，達(dá)到設(shè)置值即可進(jìn)行作業(yè)，使得人工增雨作業(yè)不用過度依賴?yán)走_(dá)觀測員的指導(dǎo)，節(jié)省增雨作業(yè)的人力、物力和財(cái)力投入。

圖2 自動(dòng)預(yù)警功能界面Fig.2 Function interface of automatic early warning

2.3 應(yīng)急通信

對預(yù)警點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測過程中，當(dāng)警報(bào)出現(xiàn)后，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)用應(yīng)急通信模塊，快速向有關(guān)人員發(fā)出警報(bào)信息。業(yè)務(wù)人員利用該模塊可快速與預(yù)警點(diǎn)相關(guān)人員進(jìn)行聯(lián)系溝通，省去查找聯(lián)系人及其聯(lián)系方式的麻煩，亦可讓系統(tǒng)自動(dòng)與發(fā)生警報(bào)點(diǎn)的人員發(fā)送短信(圖3)。該模塊應(yīng)用微軟通信控制(microsoft communication control)技術(shù)，通過編程使系統(tǒng)應(yīng)用程序與通信設(shè)備建立穩(wěn)定連接，運(yùn)用AT(Attention)指令操縱通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序操控手機(jī)等通信設(shè)備的功能(呼叫、短信以及傳真等)。

圖3 應(yīng)急通信功能界面Fig.3 Function interface of emergency communication

3 實(shí)際應(yīng)用

圖4為閩南地區(qū)一次強(qiáng)對流天氣過程的雷達(dá)回波與三維地形疊加效果圖。系統(tǒng)允許用戶對任意等級回波進(jìn)行過濾，圖5為過濾了低于45 dBz的回波后的效果圖;圖5—7中紅色圈對應(yīng)同一范圍的回波，圖6和圖7為圖5放大后的效果圖，圖6從東南方向以45°俯角觀察的效果，圖7為從西側(cè)以30°俯角觀察的效果。

圖4 雷達(dá)回波三維可視化效果圖Fig.4 3D Visualization of Radar echo

圖5 雷達(dá)回波濾波效果圖Fig.5 Radar echo filtering

圖6 圖5的局部放大效果(從東南45°俯視)Fig.6 Partial enlargement of figure 5(45°looking down from south－east)

圖7 圖5的局部放大效果(從西30°俯視)Fig.7 Partial enlargement of figure 5(30°looking down from west)

從圖中可知，回波從西向東移至漳州龍海東側(cè)的山脈附近，受地形的抬升作用，回波強(qiáng)烈發(fā)展，回波中心增強(qiáng)至65 dBz，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)雷雨和大風(fēng)天氣。上述分析表明，將雷達(dá)回波與三維地理信息疊加，業(yè)務(wù)人員可以任意旋轉(zhuǎn)疊加后的視圖，及時(shí)全方位了解回波移動(dòng)方向上的地形地貌，為分析未來回波演變趨勢提供更加充分的依據(jù)。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建了空間精度高、屬性信息豐富的地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于GIS與RS三維地理信息的雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化，便于預(yù)報(bào)人員快速準(zhǔn)確地獲取雷達(dá)回波所處的精確地理位置及其下墊面地形地貌信息，有利于提高災(zāi)害性天氣落區(qū)的精確性，同時(shí)也有利于研究雷達(dá)回波發(fā)展趨勢與下墊面之間的關(guān)系。

2)建立了基于GIS空間分析方法的雷達(dá)回波自動(dòng)預(yù)警模型，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信功能。利用自動(dòng)預(yù)警模型進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測預(yù)警，為精細(xì)化短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)與氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測提供支持;通過應(yīng)急通信模塊可及時(shí)、便捷地進(jìn)行通信告警，避免傳統(tǒng)手工費(fèi)時(shí)查找警報(bào)區(qū)域聯(lián)系人及其聯(lián)系方式等不便，實(shí)現(xiàn)呼叫、傳真和群發(fā)短信等功能。

3)針對多普勒氣象雷達(dá)PUP平臺的一些不足，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣象信息與地理數(shù)據(jù)的便捷管理，并具有回波統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析及專題信息輸出等功能，可進(jìn)行雷達(dá)回波在時(shí)空上的動(dòng)態(tài)變化推演及趨勢分析;基于ArcGIS Engine和VB.net平臺進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)具有界面友好、功能豐富、穩(wěn)定性高以及可擴(kuò)展性好等優(yōu)勢。

4)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性已在實(shí)際應(yīng)用中得到了檢驗(yàn)，但仍存在一些不足，如預(yù)警模型未考慮回波移動(dòng)態(tài)勢對預(yù)警點(diǎn)的影響，結(jié)合多種雷達(dá)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)警;雷達(dá)回波三維可視中需進(jìn)一步考慮回波自身的真實(shí)高度等要素。

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