基于WebGIS的人工增雨效果檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫李城，季 民，王 杰，姚 菡

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003）

基于WebGIS的人工增雨效果檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫李城1，季 民1，王 杰1，姚 菡2

（1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003）

采用區(qū)域歷史回歸、雙比分析以及區(qū)域?qū)Ρ确治鲎鳛槿斯ぴ鲇晷Ч麢z驗(yàn)的基本方法，基于Flex平臺(tái)，利用ArcGIS Server和WebGIS等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于B/S模式的人工增雨效果檢驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)界面友好，具有較強(qiáng)的交互性和可操作性，實(shí)現(xiàn)了人工增雨效果評(píng)估數(shù)據(jù)的快速輸出，大大提高了人工增雨效果檢驗(yàn)的評(píng)估效率。

人工增雨；效果檢驗(yàn)；統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)；WebGIS

人工增雨是指在一定的條件下，通過人工途徑對(duì)云等施加影響，以達(dá)到增大降水量緩解旱情的科學(xué)技術(shù)[1]。人工增雨效果檢驗(yàn)則是人工增雨作業(yè)中難以回避的重要環(huán)節(jié)，是評(píng)價(jià)人工增雨作業(yè)增雨效益、經(jīng)濟(jì)效益、作業(yè)方法是否有效和人工增雨技術(shù)水平的重要依據(jù)。而現(xiàn)階段人工增雨效果檢驗(yàn)一直是一個(gè)世界性難題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，得出一些較為通用的檢驗(yàn)方法，主要有物理檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)及數(shù)值模式檢驗(yàn)[2-3]。目前物理檢驗(yàn)和數(shù)值模式檢驗(yàn)尚未成熟，難以業(yè)務(wù)化，而統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǖ娘@著性水平上給出定量的增雨結(jié)果，便于評(píng)價(jià)作業(yè)的有效性，成為人工增雨效果檢驗(yàn)的基本方法[4]。

在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法和回歸分析理論方法的基礎(chǔ)上，本文利用WebGIS技術(shù)，基于Flex平臺(tái)，采用ESRI的二次開發(fā)工具API（ArcGIS API for Flex），進(jìn)行B/S架構(gòu)的人工增雨效果檢驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)以自動(dòng)氣象站逐時(shí)雨量資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對(duì)人工增雨作業(yè)過程中目標(biāo)區(qū)、對(duì)比區(qū)的科學(xué)選定，結(jié)合上述檢驗(yàn)方法，計(jì)算人工增雨效果評(píng)估數(shù)據(jù)，完成人工增雨效果評(píng)估報(bào)告,實(shí)現(xiàn)全省人工增雨效果評(píng)估方法的統(tǒng)一。

1 系統(tǒng)人工增雨效果評(píng)估方法

1.1 目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)的選取

雨量數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特征密切相關(guān)，影響氣候的因素通常包括緯度位置、地形因素和海陸分布等[5-6]。本文在考慮人工增雨作業(yè)點(diǎn)分布情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合歷史氣候環(huán)境特征和當(dāng)前天氣系統(tǒng)條件，選取目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)。目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)滿足以下基本條件：

①目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)氣候環(huán)境和地理環(huán)境特征類似，區(qū)域面積相近；②目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)出現(xiàn)的降水條件具有相似性；③對(duì)比區(qū)同期觀測(cè)的雨量數(shù)據(jù)必須為自然條件下的，不受目標(biāo)區(qū)人工增雨催化的影響；④目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)區(qū)域內(nèi)自動(dòng)氣象站分布合理，具有一定的代表性，雨量數(shù)據(jù)具有一定的持續(xù)性。

1.2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法主要包括區(qū)域歷史回歸法、雙比分析法和區(qū)域?qū)Ρ确治龇ā?/p>

1.2.1 區(qū)域歷史回歸法

該方法主要包括3個(gè)步驟：數(shù)據(jù)分析、建立回歸方程和顯著性檢驗(yàn)。

1）數(shù)據(jù)分析。本文采用的數(shù)據(jù)為山東省自動(dòng)氣象站逐時(shí)雨量數(shù)據(jù)，利用算術(shù)平均求取區(qū)域內(nèi)自動(dòng)氣象站各時(shí)刻的平均降雨量數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)變量。由于要采用T檢驗(yàn)法, 而T檢驗(yàn)法要求統(tǒng)計(jì)變量具有或近似具有正態(tài)分布特征，因此對(duì)上述平均雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行二次方根、三次方根和對(duì)數(shù)變換。經(jīng)柯爾莫哥洛夫擬合度檢驗(yàn), 選擇更接近正態(tài)分布的變量變換, 將變換后的區(qū)域平均雨量作為區(qū)域歷史回歸的樣本。

其主要步驟為：①選定目標(biāo)區(qū)A和對(duì)比區(qū)B內(nèi)的自動(dòng)氣象站點(diǎn)；②系統(tǒng)調(diào)用歷史雨量資料，只選取A、B區(qū)域中≥2/3測(cè)站有降水的時(shí)刻作為分析樣本,采用算術(shù)平均求取該時(shí)刻下測(cè)站的平均降雨量作為統(tǒng)計(jì)變量；③對(duì)取出的平均降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)化轉(zhuǎn)換：開平方根、三次方根和取對(duì)數(shù)，得A區(qū)降水量y，B區(qū)降水量x的n組歷史樣本；④進(jìn)行柯爾莫哥洛夫擬合度檢驗(yàn), 選擇最接近正態(tài)分布?xì)v史樣本；⑤計(jì)算對(duì)比區(qū)B與目標(biāo)區(qū)A雨量數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)r，計(jì)算公式如下：

式中，xi、yi為對(duì)比區(qū)B和目標(biāo)區(qū)A歷史平均降雨量；為xi、yi的平均值；N為樣本個(gè)數(shù)；Sx、Sy為統(tǒng)計(jì)變量x、y的標(biāo)準(zhǔn)差；Sxy為統(tǒng)計(jì)變量x、y的協(xié)方差。

2）建立回歸方程。根據(jù)歷史回歸統(tǒng)計(jì)原理，利用最小二乘法，建立目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)統(tǒng)計(jì)變量間的一元線性擬合關(guān)系y =a+bx，其中：式中，xi、yi為對(duì)比區(qū)B和目標(biāo)區(qū)A歷史平均降雨量；為xi、yi的平均值。

根據(jù)所選人工增雨評(píng)估時(shí)段，將對(duì)比區(qū)實(shí)際測(cè)量雨量值x（所選時(shí)段的平均）進(jìn)行上文變換后代入回歸方程，對(duì)求出的結(jié)果進(jìn)行逆變換，求出同期目標(biāo)區(qū)自然降水的期待值y^ ，再進(jìn)行人工增雨效果評(píng)估數(shù)據(jù)的計(jì)算。計(jì)算公式為：

3）顯著性檢驗(yàn)。為確定增雨量是人工影響所致或是降水的自然變量，需要檢驗(yàn)增雨量的統(tǒng)計(jì)顯著性，通常采用T檢驗(yàn)[3]，其公式如下：

根據(jù)自由度v=n-2和T值查T-分布表，確定顯著性水平α和可信度1–α/2。

1.2.2 雙比分析法

采用雙比分析法對(duì)人工增雨效果進(jìn)行定量分析，計(jì)算公式為：

式中，X1為對(duì)比區(qū)非作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量；X2為對(duì)比區(qū)作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量；Y1為目標(biāo)區(qū)非作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量；Y2為目標(biāo)區(qū)作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量。

1.2.3 區(qū)域?qū)Ρ确治龇?/p>

采用區(qū)域?qū)Ρ确治龇▽?duì)人工增雨效果進(jìn)行定量分析，計(jì)算公式為：

式中，X2為對(duì)比區(qū)作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量；Y2為目標(biāo)區(qū)作業(yè)期實(shí)測(cè)雨量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和人工增雨作業(yè)效果檢驗(yàn)業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以WebGIS技術(shù)為支撐，采用Flex進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫則使用SQL Server 2008，并利用Web Services技術(shù)與之交互。

系統(tǒng)的開發(fā)主要由客戶端和服務(wù)端兩方面構(gòu)成。服務(wù)端主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)庫的管理、GIS服務(wù)和Web服務(wù)的發(fā)布等，客戶端負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)業(yè)務(wù)的開發(fā)，系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

系統(tǒng)建設(shè)總體框架由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層和客戶層5部分組成，是一種典型的多層體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

數(shù)據(jù)層，即應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)層，是系統(tǒng)的最底層部分。該層對(duì)人工增雨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)，支持響應(yīng)高層的數(shù)據(jù)要求，包含人工增雨數(shù)據(jù)、氣象資料數(shù)據(jù)、自動(dòng)雨量數(shù)據(jù)、歷史雨量數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)均由SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。

服務(wù)層，即運(yùn)行于服務(wù)器中的各種服務(wù)，包括GIS服務(wù)和Web服務(wù)。GIS服務(wù)提供地圖服務(wù)、Geometry服務(wù)和地理處理服務(wù)等，由于Flex無法與數(shù)據(jù)庫直接通信，因而將數(shù)據(jù)訪問過程包裝成Web Method,通過Web服務(wù)發(fā)布成Web Services,供Flex調(diào)用。

業(yè)務(wù)邏輯層，即與服務(wù)器進(jìn)行通信的單元模塊。負(fù)責(zé)集成Flex類庫和ArcGIS API for Flex等第三方API,處理服務(wù)層的反饋結(jié)果，在表現(xiàn)層進(jìn)行展現(xiàn)，還負(fù)責(zé)搭建運(yùn)行架構(gòu)，定義系統(tǒng)邏輯模塊。

表現(xiàn)層，即系統(tǒng)展現(xiàn)的層面。由豐富的界面元素和交互組件構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成信息表現(xiàn)和用戶交互操作，具有Flash般的效果，提高了用戶的體驗(yàn)效果。

客戶層，即應(yīng)用程序的客戶端。具體指部署有Flash播放器的瀏覽器，如IE、 FireFox和Chrome等。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和框架，其主要功能包括：

1）系統(tǒng)管理模塊，包括作業(yè)信息管理、圖層控制和飛機(jī)航線數(shù)據(jù)管理。作業(yè)信息管理對(duì)每次人工增雨作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的查詢、編輯等。圖層控制實(shí)現(xiàn)人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)、飛機(jī)作業(yè)航線、氣象站點(diǎn)和雷達(dá)影像數(shù)據(jù)的疊加顯示，并且用戶可根據(jù)自身需要設(shè)置顯示的圖層。飛機(jī)航線數(shù)據(jù)管理可對(duì)人工增雨作業(yè)后飛機(jī)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行查看以及在地圖上繪制顯示等。

2）區(qū)域繪制模塊，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)的選取繪制。在地圖上利用鼠標(biāo)以多邊形拉框等方式可直接選取目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)，并可對(duì)選取的目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)進(jìn)行編輯、復(fù)制、移動(dòng)等操作，在動(dòng)態(tài)選取目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)的同時(shí)，系統(tǒng)可快速計(jì)算所選區(qū)域面積、區(qū)域包含作業(yè)站點(diǎn)和自動(dòng)氣象站點(diǎn)的個(gè)數(shù)等。

3）統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)?zāi)K，集成了國內(nèi)外最常用的3種統(tǒng)計(jì)分析方案，對(duì)地面、飛機(jī)人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析評(píng)估。

圖3 系統(tǒng)功能圖

3 案例分析

2014年7月，山東省受低層切變線的影響，部分地區(qū)出現(xiàn)旱情，夏季森林防火壓力較大，山東省人影辦組織實(shí)施了人工增雨作業(yè)。針對(duì)該次作業(yè)，利用本系統(tǒng)進(jìn)行人工增雨效果檢驗(yàn)。本次分析采用的歷史數(shù)據(jù)為2012～2014年4～10月的自動(dòng)氣象站逐時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)為2014年7月作業(yè)同期實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 選取目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)

在對(duì)人工增雨作業(yè)點(diǎn)分布情況、自動(dòng)氣象站分布情況和作業(yè)天氣狀況進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，確定了目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)，如圖4所示，其中紅色區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)區(qū)，藍(lán)色區(qū)域?yàn)閷?duì)比區(qū)，具體情況如表1所示。

圖4 目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)示意圖

表1 目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)資料

3.2 增雨效果檢驗(yàn)分析

如圖5所示，目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)相關(guān)系數(shù)的顯著性水平＜0.01，表明所選取的目標(biāo)區(qū)和對(duì)比區(qū)具有較好的相關(guān)性，故可利用回歸分析方法進(jìn)行增雨效果的分析。根據(jù)相對(duì)增雨和絕對(duì)增雨量化值，可以看出本次人工增雨作業(yè)效果良好。進(jìn)一步經(jīng)過T檢驗(yàn)，顯著性水平＜0.01，可信度達(dá)到99%，說明增雨量是人工影響所致，而非降水的自然變量，人工增雨效果顯著。

根據(jù)圖6、7的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，相對(duì)增雨和絕對(duì)增雨量化值都較高，與區(qū)域歷史回歸法分析結(jié)果具有良好的一致性，進(jìn)一步說明本次作業(yè)比較成功，達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 區(qū)域歷史回歸分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 雙比分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖7 區(qū)域?qū)Ρ确治鼋y(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以區(qū)域歷史回歸、雙比分析以及區(qū)域?qū)Ρ确治鲎鳛槿斯ぴ鲇晷Ч麢z驗(yàn)的基本方法，基于WebGIS設(shè)計(jì)了人工增雨效果檢驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人工增雨效果評(píng)估數(shù)據(jù)的正確、快速輸出，為基層人影部門提供了一套界面友好、操作簡(jiǎn)單、交互性強(qiáng)的增雨效果評(píng)價(jià)平臺(tái)，提高了工作效率。

[1] 郭紅艷,李春光,劉強(qiáng),等.山東濟(jì)寧地區(qū)人工增雨效果檢驗(yàn)[J].干旱氣象,2014,32(3):454-459

[2] 房彬,王吉宏,楊文霞.人工增雨效果檢驗(yàn)的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(13):6 756-6 758

[3] 馬玉芳,王黎俊,張慧,等.海南州人工增雨效果統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].青海科技,2011(5):78-81

[4] 黃彥彬,姚展予,游積平，等.基于“.NET”的華南區(qū)域人工增雨效果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象,2011,37(6):727-734

[5] 王黎俊,李侖格,楊毅.人工增雨效果檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析[J].青海科技,2003(2):36-38

[6] 杜景林,尚金龍,薛建軍.人工影響天氣作業(yè)效果評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(2):152-156

P208

B

1672-4623（2016）07-0065-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.07.020

孫李城，碩士研究生，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)應(yīng)用與開發(fā)。

2015-06-02。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41471330）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20113718110001）；山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011KYTD103）。