基于GIS的實時雨情分析系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

楊鐵鋼 孫令東 白秀芳 張鐵栓 段心靈

（內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市氣象局，巴彥淖爾 015000）

基于GIS的實時雨情分析系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

楊鐵鋼 孫令東 白秀芳 張鐵栓 段心靈

（內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市氣象局，巴彥淖爾 015000）

基于GIS技術(shù)，實時雨情分析系統(tǒng)使雨情數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)在GIS平臺的電子地圖相關(guān)監(jiān)測點上實時顯示、動態(tài)反映，并且能夠以色斑圖、曲線圖等直觀圖的形式表現(xiàn)出來，為雨情動態(tài)監(jiān)測信息共享提供了開放的信息空間；同時根據(jù)模式預(yù)報做出了未來3、6、9、12、15、18、21、24h臨近降水預(yù)報，以及出現(xiàn)降水后根據(jù)實況降水進行后續(xù)降水的預(yù)測估計，為降水的提前預(yù)警提供了依據(jù)；同時還實現(xiàn)了任意時間段雨情的智能分析，包括自動生成雨情分析內(nèi)容和手機短信發(fā)送內(nèi)容。該系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了巴彥淖爾市臨近降水預(yù)報業(yè)務(wù)的定時、定點、定量分析，為預(yù)報服務(wù)人員進行決策服務(wù)提供了參考。

ArcGIS Engine，實時雨情，空間數(shù)據(jù)

1 引言

地理信息系統(tǒng)(GIS)具有集空間數(shù)據(jù)獲取、管理、分析、建模和顯示于一體的顯著優(yōu)勢,其在很多領(lǐng)域發(fā)揮了其他信息系統(tǒng)難以發(fā)揮的作用。GIS應(yīng)用日益趨向綜合,組件式地理信息系統(tǒng)為新一代的GIS應(yīng)用提供了全新的開發(fā)方式,其無限擴展性、低成本、易普及、無縫集成等特點,使其成為GIS軟件發(fā)展的重要趨勢[1-4]。

GIS技術(shù)在洪水評估與防洪減災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。氣象部門防汛、防旱、防災(zāi)工作特點是實時性和實效性強,各種主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)都需要通過定時獲取外部系統(tǒng)信息,從而針對天氣情況進行分析和決策。隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷擴容和網(wǎng)絡(luò)GIS功能的不斷增強,加上GIS技術(shù)較低的開發(fā)和管理成本、真正的信息共享、優(yōu)良的跨平臺性能以及方便擴展等優(yōu)點,使其成為解決雨情信息共享和多部門協(xié)作問題的首選技術(shù)方案[8-10]。通過構(gòu)建實時雨情監(jiān)測分析系統(tǒng),其雨情空間信息共享平臺、空間分析手段已成為地方應(yīng)急部門的決策依據(jù)。本文即討論了基于GIS的實時雨情監(jiān)測分析系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及其功能。

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺環(huán)境與技術(shù)流程

ArcGIS Engine是ESRI在ArcGIS9版本才開始推出的新產(chǎn)品,它是一套完備的嵌入式GIS 組件庫和工具庫,使用ArcGIS Engine開發(fā)的GIS應(yīng)用程序可以脫離ArcGIS Desktop而運行。ArcGIS Engine面向的用戶并不是最終使用者,而是GIS項目程序開發(fā)員。對開發(fā)人員而言,ArcGIS Engine不再是一個終端應(yīng)用,不再包括ArcGIS桌面的用戶界面,它只是一個用于開發(fā)新

應(yīng)用程序的二次開發(fā)功能組件包[11-12]。

考慮到系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、可維護性、擴展性和可升級性等要求,系統(tǒng)在軟件配置方面盡量考慮了技術(shù)上較成熟和通用的產(chǎn)品,在開發(fā)模式上采納了當前較為穩(wěn)定的客戶機/服務(wù)器(C/S)技術(shù)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器端運行在Microsoft Windows 2000/2003 Server上,采用Microsoft SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫。客戶端采用ArcGIS Engine9.3和C#編程語言開發(fā)的數(shù)據(jù)處理分析顯示系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)選擇C/S的3層結(jié)構(gòu)模式：數(shù)據(jù)層、應(yīng)用邏輯層和表現(xiàn)層。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)層劃分為圖形數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用邏輯層為用戶提供各種基本的地圖操作、歷史雨情信息查詢、實時雨情監(jiān)測、雨情智能分析等功能。表現(xiàn)層由ArcGIS Engine中的MapControl、TocControl、ToolBarControl等控件來表現(xiàn)。

3.1 表現(xiàn)層

通過ArcGISEngine的MapControl、TocControl、 ToolbarControl等控件構(gòu)成系統(tǒng)主界面,實現(xiàn)與用戶的交互。

3.2 應(yīng)用邏輯層

應(yīng)用邏輯層是由系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)成。用戶通過表現(xiàn)層對系統(tǒng)功能進行操作,應(yīng)用邏輯層根據(jù)用戶的操作從數(shù)據(jù)層中找到對應(yīng)的數(shù)據(jù),并進行有關(guān)的處理,最后將結(jié)果通過應(yīng)用邏輯層提交到表現(xiàn)層。該層建立數(shù)據(jù)層與表現(xiàn)層之間的聯(lián)系。

3.3 數(shù)據(jù)層

負責數(shù)據(jù)的存儲及提供系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。采用此結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)與應(yīng)用分開,使數(shù)據(jù)修改和系統(tǒng)修改互不干擾,確保了系統(tǒng)的可移植性、穩(wěn)定性,提高了系統(tǒng)的安全性,使系統(tǒng)更容易進一步擴充和調(diào)整。數(shù)據(jù)層包括了圖形數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,各自的內(nèi)容為：圖形數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)圖、雨量站分布圖和社會生產(chǎn)統(tǒng)計信息表；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括測站數(shù)據(jù)、降水量小時數(shù)據(jù)、日降水量數(shù)據(jù)表。

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

雨情分析系統(tǒng)的前提是為防洪、防汛提供決策依據(jù),則需要在保證雨情數(shù)據(jù)的實時性和準確性的前提下,提供可視化的GIS圖形操作界面,實現(xiàn)實時雨量數(shù)據(jù)的顯示與標注、不同時段不同站點的雨量信息的查詢、雨量數(shù)據(jù)的圖形表達。從功能上可以分為雨情信息查詢模塊、實時雨情監(jiān)視模塊、雨情智能分析模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊等(圖2)。

4.1 雨情信息查詢模塊

圖2 系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)提供兩種雨情信息查詢方式。一種是用戶在雨量表中選擇雨量測站的名稱,然后右擊菜單進行查詢,系統(tǒng)將給出查詢站點的小時雨情變化信息和

累計雨量信息。另一種是利用GIS選擇工具(例如點選擇、矩形選擇)在地圖上選擇查詢的站點,系統(tǒng)將給出選中范圍內(nèi)所有站點的雨情信息。本系統(tǒng)能實現(xiàn)任意時段的雨情信息查詢,也能查詢小時數(shù)據(jù)、日數(shù)據(jù)和冬季固態(tài)降水數(shù)據(jù)。根據(jù)一次查詢雨情測站點的數(shù)量,雨情查詢模塊又可以劃分為單站查詢、多站查詢。另外,系統(tǒng)還可以對雨情測站點進行模糊條件查詢和定位。用戶可以輸入待查站點雨量大于某個數(shù)值,系統(tǒng)將在地圖上顯示滿足條件的站點,并在地圖上標注站點名稱和雨量信息。針對多個測站點雨情,可以用數(shù)據(jù)列表顯示或圖表方式顯示,還可以排序顯示雨情數(shù)據(jù)(大到小排序)。

4.2 雨情實時監(jiān)視模塊

針對數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)提供了兩種狀態(tài)：歷史狀態(tài)和實時狀態(tài)。在歷史狀態(tài)下可以重新演繹歷史雨情演變過程,在實時狀態(tài)下可以進行實時雨情的監(jiān)視。

針對雨情數(shù)據(jù)監(jiān)視,系統(tǒng)提供了兩種模式：常規(guī)模式和監(jiān)視模式。在常規(guī)模式下可以進行雨情信息查詢統(tǒng)計分析,在監(jiān)視模式下可以進行實時雨情的監(jiān)視,這樣設(shè)計可以保證系統(tǒng)在每一時刻都處在一種狀態(tài),使系統(tǒng)邏輯清楚,同時也可以用全圖的方式對實時雨情進行監(jiān)視。

監(jiān)視模塊能對降雨開始時間到當前時間的單站和多站的雨情信息進行監(jiān)視,用戶可以監(jiān)視任意臺站降雨開始時間、平均小時雨強、持續(xù)時間、累計雨量。

4.2.1 單站雨情監(jiān)測分析

監(jiān)控(自動站和區(qū)域自動站)小時降水量：主要監(jiān)控何時哪個站開始降水,或者哪個站大于預(yù)設(shè)值,即何時數(shù)據(jù)庫里降水字段的數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)值。

監(jiān)控(自動站和區(qū)域自動站)平均雨強度：監(jiān)控何時哪個站大于平均雨強度的預(yù)設(shè)值。

監(jiān)控(自動站和區(qū)域自動站)累計總量：監(jiān)控何時哪個站大于累計總量的預(yù)設(shè)值。

實時查看每個站點(自動站和區(qū)域自動站)小時降水的動態(tài)變化。

記錄每一臺站的降水記錄：降水開始時間、結(jié)束時間及累計總量。

4.2.2 降水過程監(jiān)測分析（過程雨量分析）

過程雨量分析：有(預(yù)設(shè)值)的站點開始降水,表示一次降水過程的開始,當所有站點的小時降水量等于0,則表示一次降水過程的結(jié)束。通過氣象站點降水信息和GIS實現(xiàn)降水信息的再生產(chǎn)和格點化產(chǎn)品(每小時畫一次過程累計降水量圖)。

4.3 雨情智能分析模塊

逐日雨情分析自動化：自動分析巴彥淖爾市所屬區(qū)域內(nèi)雨情內(nèi)容和短信發(fā)送方內(nèi)容,通過系統(tǒng)設(shè)置自動生成雨情公報；

降水過程查詢：即可以查詢每一次降水過程的開始時間、結(jié)束時間及過程降水總量,也可以查詢每一個站點的降水開始、結(jié)束時間和過程降水量；

空間統(tǒng)計：自定義手工繪制區(qū)域,針對繪制區(qū)域可以進行農(nóng)、牧、林業(yè)社會生產(chǎn)信息的統(tǒng)計(比如人口、農(nóng)田面積等)；

模式預(yù)報和降水實況無縫隙銜接：根據(jù)模式預(yù)報做出未來3、6、9、12、15、18、21、24h臨近降水預(yù)報以及出現(xiàn)降水后根據(jù)實況降水進行后續(xù)降水的預(yù)測,真正實現(xiàn)了降水的提前預(yù)警功能。

4.4 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)的設(shè)置主要是對系統(tǒng)的參數(shù)進行設(shè)置,比如：數(shù)據(jù)庫連接設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)視預(yù)設(shè)值設(shè)置等。

4.5 系統(tǒng)地圖有關(guān)功能

本系統(tǒng)利用ArcGIS發(fā)布矢量地圖,在地圖上疊加各種信息對象標志,其基本功能設(shè)置如下：(1)圖形的基本操作：包括對空間數(shù)據(jù)的放大、縮小、漫游、全屏顯示等基本操作；(2)地圖圖層控制功能：可任意開關(guān)地圖圖層；(3)柵格圖層風格化：針對不同的渲染方案,可以進行顏色模板的保存、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能；(4)保存圖片：系統(tǒng)摒棄了制圖排版界面,將排版制圖交由后臺處理,利用已經(jīng)制作好的MXD文檔,通過更改圖名、選擇圖例即可出圖,也可通過ArcGIS自己更改底圖風格。

5 等雨量線繪制

等雨量線即降雨量等值線,是平面地圖上降雨量相等的若干個點所連成的光滑曲線,是根據(jù)有限站點提供的降雨資料,采用一定的插值方法,繪制出的連續(xù)等值點的雨量線。等雨量線圖是由一系列成等差數(shù)列的等雨量線簇組成的[13]。根據(jù)實時雨量數(shù)據(jù)繪制的雨量等值線圖能夠反映和表現(xiàn)雨量的變化和發(fā)展趨勢,研究降雨的空間分布特征,得到形象的全局概念,可以直觀地反映雨量空間分布和暴雨中心位置,為氣象部門進行洪水預(yù)報和雨情分析提供了重要的決策依據(jù)。

由于某一區(qū)域內(nèi)雨量測站地理位置分布是不均勻的,因此雨量數(shù)據(jù)可以看作是離散的數(shù)據(jù)。又因為降雨量主要受天氣和地貌的影響,這又使降雨具有一定的規(guī)律性。為了能夠全局地查看降雨量分布及數(shù)據(jù),

并且大致了解降雨趨勢,很有必要繪制等雨量線,正確實時的雨情形式分析是防洪防災(zāi)決策的依據(jù)。在氣象部門,等雨量線是一個重要的分析手段,計算流域平均雨量和降雨總量都需要等雨量線。過去繪制等雨量線是在紙質(zhì)地圖上用人工繪制,一般需要2～3h,再加上計算不同地區(qū)的降雨總量,需要花費更長的時間,工作量很大,效率低并且經(jīng)常出錯,圖形也不美觀,給工作帶來極大的不便,不能適應(yīng)洪水預(yù)報與防洪決策中快速、準確的要求。近幾年,隨著GIS技術(shù)的發(fā)展,利用GIS技術(shù)實現(xiàn)等雨量線的繪制,可以快速地得到等雨量線。由于雨量測站的空間分布很不規(guī)則,要把這種不規(guī)則的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù),就需要利用特定區(qū)域已知的離散觀測數(shù)據(jù)來估計規(guī)則網(wǎng)格點上的非觀測數(shù)據(jù),這就是所謂的“空間內(nèi)插”[14]。目前空間內(nèi)插的方法很多,不同的插值方法插值結(jié)果差別也比較大。

常用的空間插值方法有反距離加權(quán)插值法、樣條函數(shù)插值法、克里格插值法、多項式插值法、趨勢面法等。本文選取ArcEngine提供的反距離加權(quán)插值法、樣條函數(shù)法和普通克里格法進行雨量插值分析比較,確定一種適合繪制本地區(qū)等雨量線的插值方法。

將反距離加權(quán)法、樣條函數(shù)法和普通克里格法所得到的擬合值與實測值進行比較,計算誤差均值和誤差均方根[15],發(fā)現(xiàn)從插值的誤差均值和誤差均方根總體最小而言,普通克里格法優(yōu)于樣條函數(shù)法,樣條函數(shù)法又優(yōu)于反距離加權(quán)法。因此,這3種方法中,普通克里格插值方法更適用于巴彥淖爾地區(qū)的降雨內(nèi)插。

6 結(jié)論

實時雨情分析系統(tǒng)研發(fā)的最終目標就是要實現(xiàn)雨量數(shù)據(jù)自動顯示分析處理、自動制作雨量等值線、色斑圖、圖形報表的形成。根據(jù)模式預(yù)報做出未來3、6、9、12、15、18、21、24h臨近降水預(yù)報以及出現(xiàn)降水后根據(jù)實況降水進行后續(xù)降水的預(yù)測,以及分析結(jié)果的自動上網(wǎng)。系統(tǒng)使用面向?qū)ο蟮能浖こ谭椒?利用C#研制開發(fā),采用GIS技術(shù),實現(xiàn)以地圖信息形式繪制雨量的等值線或等值面,把數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的提取、分析、顯示、繪制圖、網(wǎng)頁發(fā)布等功能融為一體,做到準確性、真實性、美觀性與實用性的有機結(jié)合,同時實現(xiàn)了臨近降水預(yù)報業(yè)務(wù)的定時、定點、定量預(yù)報。

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Development and Application of the Real-time Precipitation Analysis System Based on GIS

Yang Tiegang, Sun Lingdong, Bai Xiufang, Zhang Tieshuan, Duan Xinling
(Bayannur Meteorological Bureau, Bayannur 015000)

Based on GIS technology, the real-time precipitation analysis system enables the data of rainfall database in GIS platform on the electronic map-related monitoring point to ref l ect real-time precipitation dynamically and represent itself in the form of color map, chart, diagram, providing open information for the dynamic rainfall monitoring information sharing. At the same time this system makes the close-to-precipitation forecast possible in the future 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24 hours according to the prediction model and the subsequent precipitation forecast easier according to the actual rainfall, truly realizing the early warning of precipitation function. It is also possible for the system to realize the intelligent analysis of any time rainfall, including automatically generating rainfall analysis content and SMS rainfall content. The application of the system will realize the timing, fi xed point, quantitative analysis near the precipitation forecast business so as to assist staff to make correct and timely decisions.

ArcGIS Engine, real-time rainfall, spatial data

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.011

2013年1月14日；

2013年7月8日

楊鐵鋼（1982—），E-mail: ytgstudent@163.com

資助信息：內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局青年科技創(chuàng)新項目（nmqnqx201209）