基于GIS的中國氣象要素管理系統(tǒng)的研發(fā)

馬思佳，廖懷建，石 雷*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224；)

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基于GIS的中國氣象要素管理系統(tǒng)的研發(fā)

馬思佳1，2，廖懷建2，石 雷2*

(1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224；)

氣象數(shù)據(jù)具有多源、海量和空間的特點。通過.NET平臺、組件式GIS、ClimateChina軟件和ArcGIS Engine組件技術(shù)，在全國行政區(qū)劃圖、高程和1900～2002年的83種氣象要素的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研發(fā)中國氣象要素管理系統(tǒng)，主要實現(xiàn)圖層操作、數(shù)據(jù)管理、空間分析、高時空精度的氣象數(shù)據(jù)的查詢和專題圖輸出功能。并以1971-2000年的1月平均溫度為實例，分析零度等溫線的分布區(qū)域變化，得出結(jié)論：緯度和海拔均顯著影響零度等溫線的分布：緯度越高的地區(qū)，溫度越低；海拔越高的地區(qū)，溫度越低。

氣象要素；地理信息系統(tǒng)；組件技術(shù)；專題圖；等溫線

0 引言

氣象領(lǐng)域的工作與氣象數(shù)據(jù)息息相關(guān)，氣象數(shù)據(jù)具有多源、海量和空間的特征，是氣象預(yù)警預(yù)報及各類科學(xué)研究、氣象服務(wù)的基礎(chǔ)[1]。隨著時間、空間的變化，溫度、降水量等氣象要素的值也會發(fā)生變化[2]。因此，快速精確地獲取氣象數(shù)據(jù)，并形象直觀的表達氣象數(shù)據(jù)有著重要的研究意義。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)具有管理和查詢海量氣象信息的功能，可以對地理空間數(shù)據(jù)進行分析處理；也具有豐富的地圖表達功能，可充分滿足對氣象要素的可視化需求。因此，將GIS技術(shù)應(yīng)用于氣象領(lǐng)域顯得尤為必要。目前，GIS已普遍應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)管理、氣象災(zāi)害預(yù)警評估、氣象信息服務(wù)系統(tǒng)建立、氣象應(yīng)用模型等方面，并且取得了較好的成效。

有學(xué)者將GIS技術(shù)應(yīng)用于氣象數(shù)據(jù)的管理，何永健等[3]基于GIS技術(shù)和多源氣象數(shù)據(jù)，建立氣象數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了多源氣象信息的表達和GIS分析功能；武文力[4]應(yīng)用 VB 6.0以及 SQL server 2000 作為前臺程序和后臺數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言，設(shè)計并開發(fā)了貴州氣象資源信息管理系統(tǒng)，為氣象部門提供氣象信息查詢和管理。有學(xué)者致力于氣象數(shù)據(jù)插值的研究，并得到了一定的成效。付小勇等[5]基于云南省130個氣象臺站的多年氣候觀測數(shù)據(jù)，確定了年平均氣溫等8個氣象要素為西南樺適宜性的區(qū)劃指標(biāo)，并利用GIS插值技術(shù)得出這8個指標(biāo)的1km×1km的氣象網(wǎng)格圖，劃分出云南省西南樺種植的最適宜區(qū)、次宜區(qū)和不適宜區(qū)，生成區(qū)劃專題圖。

目前，對GIS應(yīng)用在氣象領(lǐng)域的研究，大多是針對某個地區(qū)，沒有實現(xiàn)在全中國范圍內(nèi)的應(yīng)用，并且氣象數(shù)據(jù)的精度較低，氣象參數(shù)的類型較少。因此，本研究擬設(shè)計并開發(fā)一個具備GIS功能的氣象要素管理系統(tǒng)，實現(xiàn)全中國范圍內(nèi)，大的時間、空間尺度的多種的氣象數(shù)據(jù)的管理，為氣象領(lǐng)域的研究提供一定借鑒。

1 技術(shù)背景

1.1 組件式地理信息系統(tǒng)

組件式地理信息系統(tǒng)的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分成幾個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間以及GIS控件與其他非GIS控件之間可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，最終形成高效、無縫的GIS應(yīng)用系統(tǒng)[6]。

1.2 ArcGIS Engine組件

ArcGIS Engine集成了全部GIS應(yīng)用，它由一個軟件開發(fā)工具包和一個可以重新分發(fā)的、為所有ArcGIS應(yīng)用程序提供平臺的運行時(runtime)組成。ArcGIS Engine是一個簡單的、獨立于應(yīng)用程序的ArcObejcts程環(huán)境，是開發(fā)人員用于建立自定義應(yīng)用程序的嵌入式GIS組件的一個完整類庫[7]。

1.3 ClimateChina氣象模擬軟件

獲取高精度的氣象數(shù)據(jù)的方法之一就是建立高密度的氣象觀測站點，但由于經(jīng)濟水平、地形條件和技術(shù)手段的限制，許多區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)都難以獲取[8]。并且，氣象觀測站點觀測得到的氣象數(shù)據(jù)僅能代表氣象站點所在地點的局部氣象信息，因此，其他區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)，則需要通過空間插值方法進行推求[9]。

ClimateChina是基 于 PRISM(Parameter-elevation Regressions on Independent Slopes Model)插值模型開發(fā)，并在PRISM 插值模型的基礎(chǔ)上采用高程校準(zhǔn)和雙線性插值加以優(yōu)化，提升氣象數(shù)據(jù)的插值精度。它提供中國任一地區(qū)的經(jīng)度、緯度、高程、ClimateChina 即可導(dǎo) 出 該 地 區(qū) 歷 史 逐 年 和 未 來 2020 s(2010～2039)、2050 s(2040～2069)、2080 s(2070～2099)的年平均氣溫、年平均降水量、月平均氣溫、月平均降水量、年溫濕系數(shù)、無霜期等 83 種氣象因子的數(shù)據(jù)[10-13]，輸出的氣象臺站歷史數(shù)據(jù)已通過中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)《中國地面國際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)集》和《中國地面國際交換站氣候資料月值數(shù)據(jù)集》驗證。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計的目的和意義

本研究以ClimateChina氣象數(shù)據(jù)模擬軟件提供的氣象數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于ArcEngine開發(fā)組件和C#語言，通過編程調(diào)用ArcEngine的組件和接口，實現(xiàn)全中國范圍內(nèi)任意研究區(qū)的1901～2002年83種氣象要素的查詢和管理，并基于克里金插值方法，實現(xiàn)精細化專題圖自動輸出，為氣象學(xué)科研提供服務(wù)和依據(jù)。

2.2 用戶需求

傳統(tǒng)的氣象信息管理方式已不能滿足氣象業(yè)務(wù)管理人員和氣象科研人員對海量氣象數(shù)據(jù)管理的要求，這就需要建立氣象管理系統(tǒng)，幫助他們科學(xué)的管理和利用氣象數(shù)據(jù)，有效的處理和提高氣象數(shù)據(jù)的利用效率。隨著氣象領(lǐng)域研究的深入，離散氣象站點數(shù)據(jù)已不能滿足科研人員的需求，這就需要將離散的氣象數(shù)據(jù)以區(qū)域的面圖形數(shù)據(jù)表現(xiàn)。

2.3 設(shè)計原則

基于GIS的中國氣象要素管理系統(tǒng)在設(shè)計過程中，以適用性、模塊化、集成化和可擴展性為原則，合理開發(fā)各個模塊的功能，構(gòu)建簡潔友好、實用性強、易于拓展的規(guī)范化氣象系統(tǒng)，滿足用戶的需求。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以ArcGIS Engine10.1和.NET FrameWork技術(shù)為構(gòu)架核心，結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和表現(xiàn)層3個部分。數(shù)據(jù)層基于GeoDatabase數(shù)據(jù)庫，存儲和管理地理空間數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)；服務(wù)層是由系統(tǒng)的各個功能模塊組成，包括地圖基本操作模塊、氣象查詢模塊、空間分析模塊、專題制圖和輸出模塊等。表現(xiàn)層接收用戶的需求信息，根據(jù)這些信息調(diào)用服務(wù)層的相關(guān)的功能模塊，當(dāng)表現(xiàn)層接收到服務(wù)層的結(jié)果后，將生成的結(jié)果通過界面展現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互操作。

2.5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

Geodatabase是一種采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型[14]，它將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)綁定在一起，按照一定的模型和規(guī)則組合起來，存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[15]。

本系統(tǒng)采用Geodatabase 來統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)由ClimateChina氣象模擬軟件的數(shù)據(jù)庫提供。

2.5.1 地理要素數(shù)據(jù)

全國各省、市、縣級行政區(qū)劃圖，由國家基礎(chǔ)地理信息中心(http：//www.ngcc.cn)獲得。中國全境范圍不同分辨率的地理坐標(biāo)點圖層文件。按照如表1所示的分辨率，在ArcGIS10.1中根據(jù)不同的行政區(qū)劃級別，均勻的生成相應(yīng)分辨率的地理坐標(biāo)點。這些地理坐標(biāo)點的經(jīng)度、緯度和高程數(shù)據(jù)由美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的航天飛機雷達地形測繪任務(wù)(Shuttle Radar Topographic Mission，SRTM)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)獲取，該數(shù)據(jù)空間分辨率為90 m[16]。其中，4個直轄市和2個特別行政區(qū)因為面積與地級行政區(qū)面積相差不大，因此歸類為地級行政區(qū)。以上行政區(qū)劃圖和地理坐標(biāo)點圖層坐標(biāo)系是World Geodetic System 1984(WGS84)，地理單位是度。利用Geodatabase建立地理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫存儲全國省市縣級的行政區(qū)劃圖、DEM數(shù)據(jù)和各個分辨率的地理氣象點數(shù)據(jù)。

表1 地理坐標(biāo)點分辨率Tab.1 The resolution of the geographic coordinate points

2.5.2 氣象要素數(shù)據(jù)

中國全境范圍內(nèi)1901～2002年、2020 s、2050 s和2080 s的年平均降水量、年平均溫、年溫濕系數(shù)、月平均降水量、月平均溫等83個氣象因子數(shù)據(jù)均由ClimateChina v4.40氣象模擬軟件提供。

2.6 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計并開發(fā)一個具備GIS功能的氣象信息管理系統(tǒng)，具有以下功能：

(1)地理數(shù)據(jù)的管理及顯示，包括圖層的選擇刷新、全圖顯示、縮小、放大、地圖移動、全圖顯示、下一視圖、前一視圖等；

(2)氣象要素查詢功能，結(jié)合ClimateChina軟件，根據(jù)其插值算法，使GIS系統(tǒng)能夠?qū)θ珖秶鷥?nèi)的83種氣象指標(biāo)的信息進行定位查詢、區(qū)域查詢、圖上查詢；

(3)生成專題圖及制圖輸出功能；

(4)空間分析功能，對氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，插值分析和緩沖區(qū)分析。

圖1 功能模塊圖Fig.1 The function block diagram

3 系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用了Visual Studio的圖形用戶界面，運用標(biāo)題欄、對話框、工具條等操作方式，開發(fā)出友好簡介的用戶界面。系統(tǒng)的主界面如圖2 所示。

圖2 用戶界面Fig.2 User interface

3.1 地圖操作和編輯

對圖層文件放大、縮小、漫游等操作，添加ToolBarControl控件實現(xiàn)；通過Geometry對象集的接口IGeometryCollection、ISegemengCollection、IPointCollection等，實現(xiàn)添加、改變和移除點、線、面等圖形要素。

3.2 氣象數(shù)據(jù)查詢

通過 ISurface接口獲取查詢點(區(qū)域)的經(jīng)緯度、高程。傳入這3個參數(shù)，通過ClimateChina提供的插值算法，查詢并獲得改點(區(qū)域)的83種氣象指標(biāo)。

3.3 地圖符號化

利用ArcEngine提供的SimpleRenderer，UniqueValueMapRenderer，ClassBreaks-Renderer，DotDensityRenderer等渲染方法。

3.4 空間分析

3.4.1 統(tǒng)計分析

利用IDataStatistics接口、IStatisticsResults接口進行屬性數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計、檢索等功能，得到限定條件下的結(jié)果，得出區(qū)域的面積、最大最小值、平均值、平方根等。

3.4.2 插值分析

讀取氣象點圖層，利用IInterpolationOp 接口的Kring方法，設(shè)置插值范圍和象元大小，得到柵格文件。

3.4.3 氣象要素精細化專題圖

按照特定的主題為地圖添加圖例、圖名、指北針、比例尺等地圖要素生成平均氣溫圖，極端氣溫圖、等溫線、降水量、統(tǒng)計柱狀圖、等值線等專題圖。

氣象要素專題圖的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為ClimateChina氣象模擬軟件的數(shù)據(jù)庫，分為3部分。第一部分是1901～2002年逐年索引數(shù)據(jù)，1901～1910、1911～1920、1921～1930、1931～1940、1941～1950、1951～1960、1961～1970、1971～1980、1981～1900、1991～2000年10年平均索引數(shù)據(jù)，1901～1930、1911～1940、1921～1950、1931～1960、1941～1970、1951～1980、1961～1990、1971～2000年30年平均索引數(shù)據(jù)。第二部分是2020 s(2010～2039)、2050 s(2040～2069)、2080 s(2070～2099)未來預(yù)測索引數(shù)據(jù)。第三部分是1901～2002年1～12月的月氣溫和月降水?dāng)?shù)據(jù)。

地理坐標(biāo)點圖層的每個點可視為一個氣象站點。不同分辨率的地理坐標(biāo)點圖層意味著疏密程度不同的氣象站點，具體的流程為：(1)確定研究區(qū)域，地理坐標(biāo)點圖層的分辨率，時段和氣象要素名；(2)由研究區(qū)域和地理坐標(biāo)點圖層的分辨率，關(guān)聯(lián)ESRI的文件地理數(shù)據(jù)庫(File GeoDataBase)中與之對應(yīng)的地理坐標(biāo)點圖層；(3)讀取地理坐標(biāo)點圖層的經(jīng)度、緯度和高程值和氣象要素名，傳入ClimateChina程序，查詢得到各個地理坐標(biāo)點的氣象要素的值。將這些值寫入地理坐標(biāo)點圖層的屬性表中；(4)讀取地理坐標(biāo)點圖層的氣象要素值，用ArcEngine的IInterpolationOp接口進行插值，再使用ExtractByMask工具提取研究區(qū)范圍內(nèi)的氣象要素柵格圖；(5)用ArcEngine的IRasterRenderer接口，對柵格圖進行分級渲染；(6)制圖排版，為氣象要素柵格圖添加圖例、指北針和比例尺；(7)使用IExport接口，輸出氣象要素專題圖。

3.4.4 應(yīng)用實例

選取1971～2000年1月平均溫度作為氣象參數(shù)，由系統(tǒng)生成1971～2000年1月平均溫度專題圖，如圖3所示。

圖3中，將1月平均溫度從-28℃到28℃分為16個等級，從-8℃、0℃、8℃三條等溫線可知，低緯度地區(qū)的溫度高于高緯度地區(qū)，呈南高北低的趨勢。這是因為中國南部地區(qū)緯度低，更靠近赤道，太陽輻射而得的熱量更強。其中，1月0℃等溫線是南北分界線的主要參考線，也是中國氣候的分界線。因此，主要分析0℃等溫線的分布情況。圖4是中國氣象局國家氣候中心(http：//cmdp.ncc-cma.net/cn/)提供的1971-2000年1月平均氣溫，由圖3、圖4得，兩圖所示的0℃等溫線走向大致相同，大致經(jīng)過秦嶺、淮河一線，自西向東依次經(jīng)過：西藏自治區(qū)南部地區(qū)，云南省北部、四川省中部、甘肅省最南部、陜西省南部、河南省西南部、山東省南部 一共7個省。西部0℃等溫線呈西南至東北的走向；而東部0℃等溫線呈東西走向。相比之下，由氣象信息管理系統(tǒng)生成的0℃等溫線的走勢更大，彎曲劇烈，尤其是在西藏和云南兩省。

圖3 1971～2000年1月平均溫度Fig.3 January mean temperatures of 1971-2000

圖4 1971～2000年1月平均溫度Fig.4 January mean temperatures of 1971-2000

圖5是云南省北部的0℃等溫線走向和海拔圖。在云南境內(nèi)0℃等溫線的走向十分曲折：從怒江傈僳族自治州南部走向北部，再向南部迂回；再走向迪慶藏族自治區(qū)西南地區(qū)，在迪慶藏族自治區(qū)內(nèi)有兩個大的折回，最后經(jīng)過麗江的西北角，再折回至迪慶藏族自治區(qū)的東南角。結(jié)合圖5的高程值可以看出，0℃等溫線的分布區(qū)域變化和高程的變化相吻合，圖中高程值的灰度越高，即高程值越低。

圖5 云南境內(nèi)1971～2000年零度等溫線Fig.5 The zero isotherm with Yunnan province of 1971-2000

高程值低的地區(qū)分布在0℃南邊，它的溫度比高程值高的地方要低。而圖5中高程值變化是由于高黎貢山、瀾滄江、怒山、金沙江的分布，可知 0℃等溫線的走向受到橫斷山脈的影響，這表明0℃等溫線的分布在一定程度上受到高程變化的影響。因此中國西部受海拔、山脈和地形的影響，等溫線的變化更大；中國東部因地形平坦，氣溫自南向北平緩遞減。

4 結(jié)論與討論

本研究根據(jù)氣象數(shù)據(jù)的特點，研發(fā)了一個基于ArcGIS Engine的氣象信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)界面簡潔美觀，交互性強，不僅實現(xiàn)了GIS的基本功能和海量氣象數(shù)據(jù)的管理，也實現(xiàn)了大的時空尺度的多種氣象要素查詢，并且基于插值思想，提供了氣象專題圖的生成，為決策者提供參考和依據(jù)。

并以1971～2000年的1月平均溫度為實例，基于系統(tǒng)生成專題圖，將其與中國氣象局國家氣候中心的專題圖對比，最終驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。最后分析零度等溫線的分布區(qū)域變化，得出結(jié)論，緯度和海拔均顯著影響零度等溫線的分布：緯度越高的地區(qū)，溫度越低；海拔越高的地區(qū)，溫度越低。

另外，由于數(shù)據(jù)庫的氣象數(shù)據(jù)僅至2002年，近年的氣象數(shù)據(jù)有所缺乏，氣象數(shù)據(jù)有待更新；并且氣象要素查詢時間較長，查詢算法有待優(yōu)化。目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與共享氣象數(shù)據(jù)已成為一種趨勢，將本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化成為日后的研究方向。

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RESEARCH AND DEVELOPMENT OF CHINESE METEOROLOGICAL ELEMENTS OF THE MANAGEMENT SYSTEM WITH GIS

MA Si-jia1，2，LIAO Huai-jian2，SHI Lei2

(1.SchoolofForestry，SouthwestForestryUniversity，Kunming650224，Yunnan，China；2.ResearchInstituteofResourceInsects，ChineseAcademyofForestry，Kunming650224，Yunnan，China)

Meteorological data have the characteristics of multi-source，massive and spatial.The Chinese meteorological element management system has been developed through the.NET platform，Component GIS，ClimateChina software and ArcGIS Engine Component Technology based on the national administrative map，Digital Elevation Model and the 83 kinds of meteorological elements data during 1990-2002.mainly Achieved the functions of the Layer operations，data management and spatial analysis，queries of high spatial and temporal precision weather data and thematic map output.With the average temperature in January within 1971-2000 as an example to analysis the regional distribution changes of zero isotherm.We found that latitude and altitude were significantly influence the distribution of zero isotherm：The higher latitude regions，the lower the temperature；the higher elevation areas of lower temperature.

meteorological elements；geographic information system；component technology；thematic maps；isotherm

2014-12-30；

2015-01-26．

*通信作者：石雷(1971-)，男，云南省江川縣人，研究員，主要從事森林病蟲害預(yù)警監(jiān)測研究.

P409

A

1001-7852(2015)01-0073-06