土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)的研制與開發(fā)

黃曉龍+沈潤平+師春香+王迪+楊曉+閆英

收稿日期：2013-03-20

作者簡介：黃曉龍(1981—) ，男，四川自貢人，助理工程師,碩士，研究方向：氣象資料處理與開發(fā)。

文章編號：1003-6199(2014)02-0121-05

摘 要：陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)以其格式多樣性、海量性為主要特征。以GIS二次開發(fā)組件ArcGIS Engine， ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫管理工具，利用C#、IDL編程語言，構建土壤濕度同化數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫，并將氣象數(shù)據(jù)具有時間域、空間域和屬性域等多維屬性與GIS數(shù)據(jù)模型相結合，研制開發(fā)綜合分析處理系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤濕度同化輸入?yún)?shù)與輸出數(shù)據(jù)的空間分析與管理。系統(tǒng)能夠滿足陸面同化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理與分析需求，為土壤濕度同化產(chǎn)品的業(yè)務應用提供強大的支撐。

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關鍵詞：土壤濕度;陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng);GIS;ArcGIS Engine

中圖分類號：P208文獻標識碼：A

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Research and Development of the Comprehensive Analysis and Processing System on Soil Moisture Assimilation Data

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HUANG Xiaolong1,4,SHENRunping1,2,SHIChunxiang3,DI Wang2, YANG Xiaoyue2,YAN Ying2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China;

2.Shool of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China;

3.National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China;

4.Sichuan Meteorological Information Center, Chengdu,Sichuan 610072, China)

Abstract:The input and output data of Soil Moisture Assimilation system was characterized by diversity, massiveness in format. By using the ArcGIS Engine as GIS application the development component, the ArcSDE as spatial database engine and SQL Server2005 as database management tools, the soil moisture assimilation data spatial database has been build. Comprehensive analysis and processing system the soil moisture assimilation data provides a new way for soil moisture assimilation data spatial analysis and statistics. The system can satisfy the demands of data processing and analysis for the Land Data Assimilation system and provide a powerful support to business applications of the soil moisture assimilation products.

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Key words:soil moisture;land data assimilation system;GIS;ArcGIS engine

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1 引 言

土壤濕度的研究對氣候、生態(tài)、水文、農(nóng)業(yè)等方面都有著重要意義［1］。陸面數(shù)據(jù)同化已日趨成為陸面過程、氣象和水文研究中的熱點和前沿［2］。陸面數(shù)據(jù)同化起步于20世紀90年代末期，在吸收了大氣數(shù)據(jù)同化和海洋數(shù)據(jù)同化方法的基礎上得到快速發(fā)展。最具代表性的是幾個大區(qū)域同化系統(tǒng)的建立［3-7］，包括：北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(NLDAS)、全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GL-DAS)、歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(ELDAS)，以及我國西部陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(WCLDAS)和中國區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)(China Land Soil Moisture Data Assimilation System，(CLSMDAS)［8］。

目前，土壤濕度同化系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對土壤濕度的模擬計算，但對其以其格式多樣性的海量輸入和輸出數(shù)據(jù)的處理與分析往往需要借助其他多種軟件工具來完成，不能對其海量多源數(shù)據(jù)進行管理，更不能實現(xiàn)對同化結果的時間與空間進行分析以及驗證與評價。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）提供了一個集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析為一體的可視化平臺環(huán)境，其優(yōu)勢在于能夠對土壤濕度同化數(shù)據(jù)進行科學規(guī)范化的管理，并與數(shù)值模型計算相結合實現(xiàn)分析與處理，結果形象直觀地可視化表達。

本文利用.NET Framework開發(fā)平臺，以SQL Server為數(shù)據(jù)庫管理工具，ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫引擎，基于組件式ArcGIS Engine二次開發(fā)技術，C#和IDL混合編程技術和空間數(shù)據(jù)處理方法，實現(xiàn)了土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)（Soil Moisture Assimilation Data Analysis and Processing System， SMAPS）的研制與開發(fā)，并應用于中國區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，綜合分析與土壤濕度產(chǎn)品的驗證評價及其土壤濕度產(chǎn)品的制作。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成與設計

陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)主要由驅動數(shù)據(jù)和參數(shù)集、陸面過程模型、數(shù)據(jù)同化方法、觀測數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)等構成［3］［6］。SMAPS作為陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料處理與應用系統(tǒng)，實現(xiàn)對同化數(shù)據(jù)處理與分析，土壤濕度產(chǎn)品的制作與分發(fā)。其中組成結構如圖1所示。

圖1 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理

系統(tǒng)組成結構圖 

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SMAPS采用客戶機/服務器（C/S）開發(fā)模式，利用ArcGIS Engine9.3二次開發(fā)組件提供的API；采用關系型數(shù)據(jù)庫進行海量數(shù)據(jù)的存儲與管理，外部應用程序通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE API訪問空間數(shù)據(jù)。SMAPS包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與應用系統(tǒng)兩大層次。以空間和屬性數(shù)據(jù)庫為基礎，GIS提供的可視化平臺，空間統(tǒng)計與分析功能實現(xiàn)土壤濕度同化數(shù)據(jù)的分析與處理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫接口軟件實現(xiàn)與應用系統(tǒng)的共享，應用系統(tǒng)以數(shù)據(jù)層為支撐，面向用戶實現(xiàn)資料的分析與處理，資料的查詢、統(tǒng)計、分析和決策等具體應用。其中基礎功能主要包括數(shù)據(jù)的存儲、查詢、更新、檢索與輸出等功能；應用功能則主要是基于GIS平臺功能實現(xiàn)要素瀏覽、空間分析、統(tǒng)計分析、趨勢分析、報表生成與打印、專題圖顯示與打印功能模塊等前臺系統(tǒng)功能模塊，以及用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)入庫等后臺管理功能模塊。

計算技術與自動化2014年3月

第33第2期黃曉龍等:土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)的研制與開發(fā)

2.2 系統(tǒng)內(nèi)容框架設計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)劃分為三個平臺。GIS系統(tǒng)支撐平臺提供對數(shù)據(jù)的可視化、分析、統(tǒng)計和制圖等工具；數(shù)據(jù)庫管理平臺提供對各種數(shù)據(jù)的導入、導出和查詢操作。可視化與綜合分析處理平臺著重從時間和空間兩方面分析模擬和同化兩種土壤濕度產(chǎn)品與大氣強迫數(shù)據(jù)、同化數(shù)據(jù)和模型輸出結果變量之間相互關系，并進行臺站資料的驗證，揭示土壤濕度模擬的空間分布特征，并對土壤濕度與其他要素變量之間進行相關性與評價。SMAPS內(nèi)容框架設計如圖2所示：

土壤濕度對比驗證分析包括了土壤濕度同化產(chǎn)品與站點資料的相互比較，如相關性分析（簡單相關性，偏相關性分析）、誤差分析（差值比較，偏差分析）、站點時間趨勢分析等。土壤濕度時空間變化規(guī)律分析包括土壤濕度多層分布特征、空間統(tǒng)計（時間趨勢統(tǒng)計，空間分區(qū)統(tǒng)計）、空間計算（土壤濕度加權運算）、插值分析（Kring，Spline，IDW）、等值線、閥值分析（差值、比值）等。土壤濕度影響因子分析包括驅動數(shù)據(jù)、地表參數(shù)、觀測資料和同化結果其他要素對土壤濕度的相關性影響。同化系統(tǒng)輸入資料分析包括對大氣強迫數(shù)據(jù)、地表參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)的分析，如對AMSR-E微波亮溫資料的變量讀取、圖像顯示、值查詢；對大氣強迫數(shù)據(jù)的每種要素的不同屬性實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、顯示、數(shù)值查詢、空間分析、時間分析、基本的統(tǒng)計分析、制圖輸出等功能；對上述參數(shù)的時空間分布特征、分析、處理和查詢功能，將陸面模式的地表數(shù)據(jù)更直觀的表達給用戶。

圖2 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理

系統(tǒng)內(nèi)容框架設計圖

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3 空間數(shù)據(jù)庫的構建

3.1 數(shù)據(jù)庫設計

SMAPS處理的數(shù)據(jù)資料主要包括有地理空間數(shù)據(jù)、模式輸出數(shù)據(jù)、驗證數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。該數(shù)據(jù)有以下特點： ①數(shù)據(jù)量特別巨大。 ②數(shù)據(jù)種類繁多，包括：數(shù)值模式數(shù)據(jù)、衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)、觀測資料等多種資料。③數(shù)據(jù)格式多樣化，包括NC、HDF、BMP、TIF、TXT等。

以CLSMDAS)為例，構建SMAPS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其組成如圖3所示。CLSMDAS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)資料、空間和屬性數(shù)據(jù)庫3子個庫組成。其中數(shù)據(jù)資料庫存放模擬數(shù)值產(chǎn)品、大氣強迫數(shù)據(jù)和同化觀測資料AMSR-E等均為NetCDF自描述格式，由于NetCDF文件格式所擁有的自描述特性，只需要提取每個NC文件描述信息建表放入屬性數(shù)據(jù)庫，滿足用戶快速查詢，數(shù)據(jù)內(nèi)容按文件格式存放；屬性數(shù)據(jù)庫存放統(tǒng)計信息、用戶信息和SDE連接信息等；土壤濕度柵格數(shù)據(jù)集通過ArcSDE放入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中，在Geodatabase數(shù)據(jù)模型中，將柵格數(shù)據(jù)集分割成若干的塊，并對其壓縮以提高訪問和存儲的效率［9］。

圖3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成

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3.2 數(shù)據(jù)訪問

SMAPS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對土壤濕度產(chǎn)品空間資料庫的查詢從時間和空間兩方面進行，獲得土壤同化結果產(chǎn)品。查詢過程如圖4所示?？砂床煌Y料分類查詢，將獲得同化資料的基本信息，如資料的經(jīng)緯度范圍信息，變量維度以及屬性。

ArcSDE將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以某種標準的格式集成在關系型數(shù)據(jù)庫中，使得海量矢量、柵格的土壤濕度同化數(shù)據(jù)可以保存到數(shù)據(jù)庫中，存取速度卻非?？??；赟QLServer 2005配置ArcSDE后，生成以GDB_開頭的系統(tǒng)表，該系統(tǒng)表為SDE中數(shù)據(jù)信息的描述，可通過SQL語句查詢SDE中表GDB_ObjectClasses中所有己經(jīng)注冊過的表即可遍歷整個ArcSDE數(shù)據(jù)庫。例如：查詢所有同化每月土壤濕度產(chǎn)品：SelectCmd = "select * from GDB_ObjectClasses where Name like '%Ass_Mon%'"。SMAPS土壤濕度產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析

處理數(shù)據(jù)庫資料查詢

圖5 土壤濕度產(chǎn)品瀏覽與查詢界面

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4 數(shù)據(jù)可視化與分析

GIS能夠對地理信進行提取、表現(xiàn)和傳輸，根據(jù)作用的數(shù)據(jù)性質不同，可分為三類：①基于空間圖形的分析運算；②基于非空間屬性數(shù)據(jù)的運算；③空間與非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算。分析手段包括主要邏輯、代數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學運算。將GIS空間分析運用于土壤濕度的空間分布特征、演變規(guī)律和空間地物間相互作用的研究，將有利于揭示土壤濕度的分布規(guī)律特征，其主要包括站點資料插值、等值線繪制、空間特征分布和空間統(tǒng)計等，其分析流程如圖6所示。4.1 站點插值與等值線繪制

站點資料往往受時間分辨率低和空間分布不均的影響，插值是實現(xiàn)其區(qū)域時空分布最為常用的基本方法［10-11］，也是建立其空間模型的前提之一。ArcGIS Engine中克里格(Kging)插值算法是建立在區(qū)域化變量和半變異函數(shù)基礎上的一系列對有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域化變量取值進行線性無偏最小二乘估計的方法，適用條件是空間變量存在著空間相關性，較能為真實反映土壤濕度的空間分布［12］。基于GIS土壤濕度站點觀測數(shù)據(jù)柵格插值將生成一個連續(xù)的表面，包括柵格表面的生成和數(shù)據(jù)重采樣。以2006年5月18日農(nóng)業(yè)氣象站點資料為例，進行了普通Kring插值分析，進行插值與擬合，生成等值線，如圖7（左）所示。站點資料插值分布如圖7（右）所示。

圖6 土壤濕度資料空間分析流程圖

圖7 2005年5月18日站點土壤濕度等值

線圖與柵格圖

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4.2 土壤濕度空間統(tǒng)計與分析

將多個柵格圖層，以相同的空間位置的柵格單元為處理單元。通過某種算法進行變換，得到新的柵格數(shù)據(jù)圖層，它是建立復雜的應用數(shù)學模型的最基本方法。柵格計算，不僅可以方便的完成基于數(shù)學運算，如：算術、布爾、關系和基于數(shù)學函數(shù)的運算。ArcGIS提供了一套空間分析統(tǒng)計函數(shù)，能夠分析一些土壤濕度隨時間、單元之間的變化，也可以把不需要的信息過濾掉，揭示土壤濕度數(shù)據(jù)隱含的信息，能夠深層的揭示數(shù)據(jù)變化的規(guī)律。一般統(tǒng)計分析的結果可用于其它分析，也可用于數(shù)據(jù)的整理，使數(shù)據(jù)更容易理解。不同的統(tǒng)計函數(shù)應用時所對應的單元不一樣，常分為單元統(tǒng)計、鄰域統(tǒng)計和分類區(qū)統(tǒng)計。

陸面同化模型對土壤濕度的模擬采用分層模型來預報。CLSMDA將土壤采用指數(shù)分為不均勻的十層，為了與其他數(shù)據(jù)資料做驗證和比較，常常需要以土層厚度為加權系數(shù)，得到相應的土壤體積含水率空間分布。10CM體積含水率計算公式［13］：其中Hsoil(1)—Hsoil(4)分別表示1至4層的模擬值。

HSoil=(Hsoil(1)*0.00710064+Hsoil(2)*

(0.027925-0.00710064)+Hsoil(3)*(0.0622586-

0.02795)+Hsoil(4)*(0.10-0.622586)/0.1

ArcGIS Engine中的IMathOp、ILogicalOp、ITrigOp等接口實現(xiàn)基于象元的柵格統(tǒng)計與計算功能，用于土壤濕度同化結果時間和空間的統(tǒng)計。利用IRasterBand接口將每個時間的土壤濕度柵格圖層存儲為一個波段對象，IRasterBandCollection接口的AppendBand方法加入到波段集合當中，再利用IlogicalOp編程接口的LocalStatistics方法實現(xiàn)土壤濕隨時間的變化情況的統(tǒng)計，如：年、季、月平均土壤濕度；在固定時間內(nèi)土壤濕度的變化范圍等。以每月同化結果統(tǒng)計2006年春、夏、秋、冬四季的平均土壤濕度，如圖8所示。

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圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）

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土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識別方法，包括圖像的差值與比值運算，是將一個時間土壤濕度與另一個時間土壤濕度對應的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級矢量邊界圖層對區(qū)域進行統(tǒng)計，如圖10所示。

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圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）

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圖10 2010年5月省級平均土壤濕度分布

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5 系統(tǒng)的應用

5.1 土壤濕度對比驗證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點數(shù)據(jù)，僅僅代表一個點值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進行插值處理到站點數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點資料觀測時間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點值，實現(xiàn)了時間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個站點上進行時間趨勢分析。將土壤濕度同化結果和模擬結果日、月尺度資料隨時間變化的站點趨勢分析，與觀測站資料進行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結果，Sim：土壤濕度模擬結果）。 

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圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點資料

的趨勢對比分析

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5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對外服務的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號化和自由定制顏色的分類符號化對土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對濕度產(chǎn)品提供分級和顏色標準，通過設置土壤濕度的分級標準，對不同范圍值給指定顏色進行簡單符號化渲染。對2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。

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圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作

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6 結束語

基于GIS平臺的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺的建設，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運行時對數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達，又能利用GIS強大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實際業(yè)務需求。然而對于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實現(xiàn)空間、時間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，需要進一步深入的研究。實現(xiàn)各個要素在GIS中構建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進一步的深入探索，從而更好地實現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務。

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圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）

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土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識別方法，包括圖像的差值與比值運算，是將一個時間土壤濕度與另一個時間土壤濕度對應的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級矢量邊界圖層對區(qū)域進行統(tǒng)計，如圖10所示。

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圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）

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圖10 2010年5月省級平均土壤濕度分布

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5 系統(tǒng)的應用

5.1 土壤濕度對比驗證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點數(shù)據(jù)，僅僅代表一個點值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進行插值處理到站點數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點資料觀測時間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點值，實現(xiàn)了時間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個站點上進行時間趨勢分析。將土壤濕度同化結果和模擬結果日、月尺度資料隨時間變化的站點趨勢分析，與觀測站資料進行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結果，Sim：土壤濕度模擬結果）。 

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圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點資料

的趨勢對比分析



5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對外服務的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號化和自由定制顏色的分類符號化對土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對濕度產(chǎn)品提供分級和顏色標準，通過設置土壤濕度的分級標準，對不同范圍值給指定顏色進行簡單符號化渲染。對2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。



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圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作



6 結束語

基于GIS平臺的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺的建設，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運行時對數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達，又能利用GIS強大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實際業(yè)務需求。然而對于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實現(xiàn)空間、時間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，需要進一步深入的研究。實現(xiàn)各個要素在GIS中構建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進一步的深入探索，從而更好地實現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務。

參考文獻

［1］ 馬柱國，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關系的研究進展與展望［J］.地球科學進展, 1999,14(3): 299-305.

［2］ 張秀英，江洪，韓英.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)及其在全球變化研究中的應用［J］.遙感信息,2010(3)：135-143.

［3］ 黃春林，李新.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的研究綜述［J］. 遙感技術與應用, 2004（5）：424-430.

［4］ 汪薇，張瑛.陸面過程模式的研究進展簡介［J］.氣象與減災研究，2010（3）：1-6.

［5］ 劉惠明．陸面過程模型研究進展簡介［J］.氣象研究與應用．2009（12）：35-37.

［6］ 齊媛媛，陳瑩瑩，施建成.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設計和原理簡介［J］，遙感信息，2007（3）：93-97.

［7］ 李新，黃春林，車濤，等.中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)研究的進展與前瞻［J］.自然科學進展，2007（2）：163-173.

［8］ 師春香，謝正輝，錢輝，等.基于衛(wèi)星遙感資料的中國區(qū)域土壤濕度EnKF數(shù)據(jù)同化［J］，中國科學：地球科學，2011，41（3）：375-385.

［9］ 沈林芳，劉仁義，劉南.基于SDEAPI的影像數(shù)據(jù)高效存儲研究［J］.計算機應用研究，2005(2)：24-2.

［10］袁愛民，王建源.氣候要素柵格化技術方法研究［J］.氣象，2006，32(6)：111-115.

［11］馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究［J］.草業(yè)科學，2008，11：13-20.

［12］馮仲科，空間數(shù)據(jù)的最佳內(nèi)插法(Kriging法)及其在GIS中應用的構想［J］.測繪科技動態(tài)，1995，(3)：22-26.

［13］楊曉春.基于FY-2的大氣強迫數(shù)據(jù)在土壤濕度模擬中的應用［D］.南京：南京信息工程大學，2010.

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圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）

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土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識別方法，包括圖像的差值與比值運算，是將一個時間土壤濕度與另一個時間土壤濕度對應的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級矢量邊界圖層對區(qū)域進行統(tǒng)計，如圖10所示。

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圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）

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圖10 2010年5月省級平均土壤濕度分布

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5 系統(tǒng)的應用

5.1 土壤濕度對比驗證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點數(shù)據(jù)，僅僅代表一個點值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進行插值處理到站點數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點資料觀測時間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點值，實現(xiàn)了時間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個站點上進行時間趨勢分析。將土壤濕度同化結果和模擬結果日、月尺度資料隨時間變化的站點趨勢分析，與觀測站資料進行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結果，Sim：土壤濕度模擬結果）。 

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圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點資料

的趨勢對比分析

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5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對外服務的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號化和自由定制顏色的分類符號化對土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對濕度產(chǎn)品提供分級和顏色標準，通過設置土壤濕度的分級標準，對不同范圍值給指定顏色進行簡單符號化渲染。對2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。

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圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作

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6 結束語

基于GIS平臺的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺的建設，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運行時對數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達，又能利用GIS強大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實際業(yè)務需求。然而對于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實現(xiàn)空間、時間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，需要進一步深入的研究。實現(xiàn)各個要素在GIS中構建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進一步的深入探索，從而更好地實現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務。

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［4］ 汪薇，張瑛.陸面過程模式的研究進展簡介［J］.氣象與減災研究，2010（3）：1-6.

［5］ 劉惠明．陸面過程模型研究進展簡介［J］.氣象研究與應用．2009（12）：35-37.

［6］ 齊媛媛，陳瑩瑩，施建成.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設計和原理簡介［J］，遙感信息，2007（3）：93-97.

［7］ 李新，黃春林，車濤，等.中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)研究的進展與前瞻［J］.自然科學進展，2007（2）：163-173.

［8］ 師春香，謝正輝，錢輝，等.基于衛(wèi)星遙感資料的中國區(qū)域土壤濕度EnKF數(shù)據(jù)同化［J］，中國科學：地球科學，2011，41（3）：375-385.

［9］ 沈林芳，劉仁義，劉南.基于SDEAPI的影像數(shù)據(jù)高效存儲研究［J］.計算機應用研究，2005(2)：24-2.

［10］袁愛民，王建源.氣候要素柵格化技術方法研究［J］.氣象，2006，32(6)：111-115.

［11］馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究［J］.草業(yè)科學，2008，11：13-20.

［12］馮仲科，空間數(shù)據(jù)的最佳內(nèi)插法(Kriging法)及其在GIS中應用的構想［J］.測繪科技動態(tài)，1995，(3)：22-26.

［13］楊曉春.基于FY-2的大氣強迫數(shù)據(jù)在土壤濕度模擬中的應用［D］.南京：南京信息工程大學，2010.