以GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)分析

簡浩宇 邱楚晴

摘要：文章圍繞以GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在簡單分析了雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警原理的基礎(chǔ)之上，著重分析了雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)以供參考。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù)；雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前言

雷電作為自然災(zāi)害的一種，對于人們生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重的干擾與危害。與此同時(shí)，基于雷電發(fā)生時(shí)具有的時(shí)空性特點(diǎn)，可以在雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)引入GIS（地理信息系統(tǒng)），對于實(shí)現(xiàn)對雷電災(zāi)害更加準(zhǔn)確全面的監(jiān)測預(yù)警分析具有重要的意義。

一、雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警原理分析

（一）雷聲識別

在討論雷聲識別前，首先要明確何為聲音，聲音從本質(zhì)上來講即由一種物質(zhì)或多種物質(zhì)振動(dòng)產(chǎn)生，這種振動(dòng)通過空氣（或其他介質(zhì)）分子傳遞到人耳朵的骨膜，并引發(fā)聽小骨振動(dòng)，隨即刺激我們的聽覺神經(jīng)，由此我們便聽到了“聲音”。同理，雷聲從本質(zhì)上來講也是由某種物質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)引起的，雷電分為“雷”與“電”，先是“打雷”，這一過程即是由云層中大量正負(fù)電核中和引起的，期間產(chǎn)生的能量非常巨大，隨后便開始“放電”，放電介質(zhì)是空氣，大量的電流在空氣中發(fā)生電離并放熱，受熱的空氣或空氣離子開始膨脹，由于不同空氣或空氣離子膨脹點(diǎn)具有一定的差異性，每一點(diǎn)膨脹速度并不相同，由此產(chǎn)生了振動(dòng)，這些振動(dòng)通過空氣傳遞到人的耳朵，由此我們聽到了雷聲。在具體進(jìn)行雷聲計(jì)算時(shí)，一般會(huì)以聲音在空氣介質(zhì)中的傳播速度是 340 m / s為主要依據(jù)，在看到雷電發(fā)出的光后開始計(jì)時(shí)，根據(jù)這一數(shù)據(jù)來判斷雷電大概所在位置范圍，通過這種雷電識別方式，對于雷電災(zāi)害防范能夠產(chǎn)生非常重要幫助作用。

（二）雷聲方向測量

當(dāng)下人們在雷聲距離判定上，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)相對較為準(zhǔn)確判斷，但要想準(zhǔn)確掌握雷電發(fā)生位置，根據(jù)距離顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要進(jìn)一步判別雷聲的傳遞方向，在明確大致方向后，我們就可以結(jié)合雷電發(fā)生的距離，來對雷電發(fā)生位置有一個(gè)具體的把握，這對于雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建立具有非常重要的影響意義。但從目前研究來看，針對雷電方向的研究依然有待更進(jìn)一步的深入，尚未達(dá)到更高的準(zhǔn)確度要求，需要相關(guān)研究人員進(jìn)一步做好分析與總結(jié)，不斷縮減誤差，提高準(zhǔn)確率。

二、以GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（一）功能設(shè)計(jì)分析

該系統(tǒng)在具體功能設(shè)計(jì)方面，主要以各種雷電測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，例如閃電定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、電場儀數(shù)據(jù)等，并在基于GIS的平臺之上，進(jìn)行雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析。具體來說，該系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上主要包含四個(gè)模塊，一是雷電數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測功能模塊，該功能模塊主要是通過收集獲取各種雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，使其能夠在GIS平臺之上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的可視化顯示，方便相關(guān)雷電專家能夠通過更加直觀的雷電測量數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)行綜合的分析，為其提供良好的信息支持。與此同時(shí)，通過這一模塊，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)查詢、疊加等操作。

二是雷電監(jiān)測實(shí)時(shí)預(yù)警功能模塊，該模塊主要以某一時(shí)刻的各種雷電測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，圍繞這一時(shí)刻，進(jìn)行雷電發(fā)生的后續(xù)預(yù)測。例如會(huì)預(yù)測在這一時(shí)刻的15min后，雷電發(fā)生概率，雷電發(fā)生位置等信息，并且這種預(yù)測有著固定的時(shí)間段，共四個(gè)，除了15min，余下三個(gè)時(shí)間段為30min、45min、60min。該模塊還能夠?qū)㈩A(yù)測的結(jié)果在每個(gè)行政區(qū)域進(jìn)行滾動(dòng)顯示，針對于發(fā)生概率較高的區(qū)域，還能夠提供自動(dòng)警報(bào)服務(wù)。與此同時(shí)，圍繞當(dāng)日的預(yù)測數(shù)據(jù)，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)基于GIS平臺的地理信息檢索查詢等操作功能。

三是雷電發(fā)生歷史資料分析功能模塊，該模塊主要負(fù)責(zé)雷電發(fā)生歷史資料的存儲與查詢，能夠完成對任意時(shí)刻不同雷電數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)之上的疊加分析，并以相應(yīng)不同的雷電數(shù)據(jù)特征為依據(jù)，在基于地理信息平臺之上實(shí)現(xiàn)多種分析與操作，例如以雷電發(fā)生頻率數(shù)據(jù)為特征依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對某個(gè)地區(qū)的雷電發(fā)生密度分析。

四是其他相應(yīng)輔助功能模塊。該模塊主要服務(wù)于上述三種功能的實(shí)現(xiàn)，即提供上述三種功能實(shí)現(xiàn)的輔助功能，例如對于預(yù)測信息的生成與歸檔；幫助設(shè)置重點(diǎn)預(yù)警區(qū)域以及負(fù)責(zé)預(yù)警信息發(fā)送；處理過期的雷電數(shù)據(jù)資料；制作不同雷電信息專題圖；生成基于GIS的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行日志等。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分析

為更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊功能，需要做好系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)框架體系如圖一所示，共分為3層邏輯結(jié)構(gòu)層，不同邏輯結(jié)構(gòu)層之間不僅有效實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)分離，同時(shí)在結(jié)構(gòu)層具體實(shí)現(xiàn)方面也有效實(shí)現(xiàn)了分離，能夠分布于不同機(jī)器設(shè)備之中，從而使得系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)運(yùn)行及計(jì)算壓力得到有效的緩解，使得系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性得到了有效的增強(qiáng)。具體來說，“自內(nèi)而外”主要邏輯結(jié)構(gòu)層內(nèi)容包含如下：

一是數(shù)據(jù)處理層，主要處理的數(shù)據(jù)對象包括地理信息數(shù)據(jù)、自動(dòng)站數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、閃點(diǎn)定位數(shù)據(jù)等。上述這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，來源各異，因此數(shù)據(jù)處理層即是要對這些不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的處理分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，完成與GIS平臺的無縫對接。另一方面，還要結(jié)合各種數(shù)據(jù)資料，做好雷電預(yù)測模型的整合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)時(shí)間段的雷電發(fā)生概率預(yù)測信息分析，并進(jìn)一步整合至地理空間信息平臺之上，實(shí)現(xiàn)基于不同地區(qū)的雷電發(fā)生概率分析。此外還需要將這些預(yù)測結(jié)果信息傳遞給數(shù)據(jù)存儲層，做好信息的組織存儲。

二是數(shù)據(jù)存儲層，主要負(fù)責(zé)接受來自數(shù)據(jù)處理成傳遞的各種雷電預(yù)測結(jié)果信息，并按照提升的方式進(jìn)行統(tǒng)一的存儲、組織、管理，并負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)對雷電預(yù)測結(jié)果信息的查詢等操作，在該數(shù)據(jù)存儲層下，使得不同類型結(jié)構(gòu)的雷電預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)一變?yōu)镚IS形式的數(shù)據(jù)，并能夠與GIS平臺實(shí)現(xiàn)無縫對接，為人們提供基于地理信息平臺之上更加直觀的數(shù)據(jù)查詢、檢索等服務(wù)。

三是客戶操作層，主要是在數(shù)據(jù)存儲層的基礎(chǔ)之上，將各種GIS格式數(shù)據(jù)進(jìn)一步整合處理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)。該邏輯層主要包含兩種功能展現(xiàn)，一種是實(shí)時(shí)發(fā)布基于地理信息平臺的直觀具體的雷電數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果對相關(guān)地區(qū)進(jìn)行雷電災(zāi)害預(yù)警提示；另一種是對以往的歷史雷電預(yù)測資料信息進(jìn)行處理分析。

圖一：系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)示意圖

三、以GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

首先，該系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)上，依托的開發(fā)環(huán)境如下：主要開發(fā)語言為C#語言，基于WindowsXP系統(tǒng)，以ArcGIS為平臺，開發(fā)數(shù)據(jù)庫為SqlServer數(shù)據(jù)庫，整體架構(gòu)與C/S架構(gòu)與B/S架構(gòu)的結(jié)合體。

其次，在基于GIS平臺的雷電預(yù)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換處理方面，主要是根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型特征，完成相應(yīng)的GIS形式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。例如對于基于“場”類型的數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)等，將其轉(zhuǎn)換為GIS對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)格式；針對位置特征比較突出的數(shù)據(jù)，例如閃點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為GIS對應(yīng)矢量數(shù)據(jù)格式，從而將各種不同類型的數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的GIS數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)雷電數(shù)據(jù)信息與GIS平臺的無縫整合對接。

最后，在基于GIS平臺的雷電預(yù)測數(shù)據(jù)組織管理方面，系統(tǒng)采用SqlServer數(shù)據(jù)庫具備的空間數(shù)據(jù)庫模型“FileGeoDataBase”進(jìn)行統(tǒng)一的存儲、組織、管理、在具體管理上，針對于不同類型的雷電數(shù)據(jù)（如雷達(dá)衛(wèi)星格柵數(shù)據(jù)、閃電定位矢量數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)庫采取的是“分布存儲，集中管理”方式，實(shí)現(xiàn)不同空間數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中相關(guān)對應(yīng)關(guān)系建立，有效實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、檢索等操作功能。具體數(shù)據(jù)存儲模型如圖二所示。

四、總結(jié)

綜上所述，基于GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建立是一種非常復(fù)雜且專業(yè)的過程，需要相關(guān)工作人員一定要明確雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警原理，進(jìn)一步加強(qiáng)對以GIS技術(shù)為支撐的雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析，在實(shí)際工作中，善于觀察分析，解決GIS技術(shù)與雷電數(shù)據(jù)處理之間存在的各種問題，從而有效提升雷電災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升相關(guān)雷電監(jiān)測預(yù)警工作開展水平與質(zhì)量，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更為強(qiáng)大的保障。

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