基于GIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

高 雪

（晉中市氣象局，山西 晉中 030600）

地理信息系統(tǒng)（GIS）就是利用計算機(jī)技術(shù)對地表層空間中的主要地理信息進(jìn)行搜集、保存、管理、計算、顯示與描述的新技術(shù)[1]。不同地理空間的實體數(shù)據(jù)與關(guān)系屬于GIS的對象，除了圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)外，還包括屬性數(shù)據(jù)、空間定位數(shù)據(jù)。運(yùn)用此技術(shù)建設(shè)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，用于對各種極端天氣、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的監(jiān)測與警報，可幫助農(nóng)戶提前做好災(zāi)害防范工作，減小損失。

1 系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)總體架構(gòu)分析

選用.NET框架技術(shù)，利用Visual Studio2010軟件開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C#編程語言進(jìn)行編寫。程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，使程序與算法更便于維護(hù)、擴(kuò)展、移植。監(jiān)測系統(tǒng)分為4個功能模塊，包括氣象與農(nóng)情信息監(jiān)測模塊、精細(xì)化氣象預(yù)報產(chǎn)品模塊、氣象災(zāi)害預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)查詢與管理模塊。該預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)包括3層，分別是網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。第一是網(wǎng)絡(luò)層，為系統(tǒng)運(yùn)行提供保障，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與軟硬件設(shè)施；第二是數(shù)據(jù)層，涉及到用戶信息、氣象災(zāi)害預(yù)警等信息；第三是應(yīng)用層，提供天氣預(yù)報信息、氣象災(zāi)害預(yù)警等服務(wù)。

2 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能分析

2.1 氣象與農(nóng)情信息監(jiān)測模塊

這一模塊由服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與綜合顯示軟件、區(qū)域內(nèi)氣象與農(nóng)情信息采集與傳輸裝置組成。它的工作模式是采集與傳輸裝置負(fù)責(zé)動態(tài)實時采集區(qū)域范圍內(nèi)的氣象信息，包括溫濕度、降雨、數(shù)字圖像，并將這些數(shù)據(jù)實時傳輸至服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收與綜合顯示軟件中，由該軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示與更新[2]。

2.2 精細(xì)化氣象預(yù)報產(chǎn)品模塊

根據(jù)國際通用的數(shù)值模式，選擇最合適的集成方式來客觀分析相關(guān)集成成員的預(yù)報結(jié)果，從而構(gòu)建起多模式、精細(xì)化、網(wǎng)格化的氣象預(yù)報產(chǎn)品，包括降水、溫度、相對濕度等多種氣象要素。

2.3 氣象災(zāi)害預(yù)警模塊

該模型的作用是通過自動氣象站實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，確保氣象預(yù)報產(chǎn)品的精細(xì)化。將氣象與農(nóng)情信息監(jiān)測模塊中獲得的氣象要素與數(shù)字圖像進(jìn)行分析，選用支持向量機(jī)方法反演出天氣現(xiàn)象及氣象災(zāi)害。

由此驗證并修正氣象災(zāi)害等級，然后顯示預(yù)警結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)查詢與管理模塊

數(shù)據(jù)庫中存儲有不同的氣象數(shù)據(jù)，不僅有歷史農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害統(tǒng)計信息、歷年氣象信息，也包括特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)體系、特色農(nóng)業(yè)小氣候?qū)崟r監(jiān)測信息、數(shù)字圖像信息、短期精細(xì)化天氣預(yù)報客觀產(chǎn)品信息等[3]。用戶可進(jìn)行相關(guān)信息的查詢與檢索、刪除與添加、導(dǎo)入與導(dǎo)出等操作。

3 GIS農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)與功能設(shè)計分析

3.1 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)分析

該監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)中使用的接口技術(shù)是以組件為核心。COM屬于頂級二進(jìn)制通信規(guī)范，源自微軟公司，這屬于組件接口的重要規(guī)范，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)能夠讓不同軟件組件、硬件組件有效交互[4]。因此，COM組件所形成的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)可以確保所有運(yùn)用COM技術(shù)的設(shè)備都能通過這一結(jié)構(gòu)得到公共函數(shù)，并運(yùn)用語言IDL進(jìn)行定義。這一接口可以讓不同組件、程序、本地組件與遠(yuǎn)程組件進(jìn)行功能調(diào)用。另外，采用混合編程技術(shù)，即采用至少2種計算機(jī)語言進(jìn)行程序開發(fā)，充分利用不同程序設(shè)計語言的優(yōu)點(diǎn)。本次系統(tǒng)設(shè)計將.NET平臺作為設(shè)計操作界面，并通過C++語言編寫程序，可避免重復(fù)代碼的編制，加快軟件研發(fā)速度，而且也增強(qiáng)了軟件的通用性。同時，農(nóng)業(yè)氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫選擇Excel、Access等數(shù)據(jù)庫技術(shù)制作?；贕IS技術(shù)與上述計算機(jī)編程技術(shù)研發(fā)本監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 交換業(yè)務(wù)與共享數(shù)據(jù)

基于GIS技術(shù)所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)需要解決的一個關(guān)鍵問題就是如何讓不同系統(tǒng)間進(jìn)行業(yè)務(wù)交換與數(shù)據(jù)共享。一般可應(yīng)用SOA技術(shù)，即面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)來解決。面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)屬于組件模型中的一種，根據(jù)具體的需求分析，對應(yīng)用程序各類功能單元進(jìn)行定義（即服務(wù)）。全部服務(wù)要求與中立接口、相關(guān)契約相對應(yīng)，同時與實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)、程序語言保持獨(dú)立的關(guān)系。在具體運(yùn)用的時候，借助服務(wù)間的定義，將契約與接口相連接，確保不同系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)服務(wù)都采用通用、統(tǒng)一的形式完成交互。

3.3 根據(jù)空間信息檢索分析問題

與當(dāng)前常見的制圖系統(tǒng)相比，GIS系統(tǒng)的空間分析能力非常強(qiáng)大，能夠充分全面描述現(xiàn)實當(dāng)中的地理要素空間位置與相關(guān)關(guān)系。GIS農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在查詢所需農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害信息時會用到空間分析技術(shù)[5]。首先，實時庫、歷史庫中的所有觀測站臺在系統(tǒng)內(nèi)都確定為地理坐標(biāo)編碼，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成空間數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)屬性包括臺站名字、類別等內(nèi)容。在檢索數(shù)據(jù)的過程中，系統(tǒng)將臺站采用涂層的形式加載處理，便于用戶檢索。系統(tǒng)內(nèi)需按照市、區(qū)、流域等不同區(qū)域劃分來設(shè)計各種選擇形式，便于用戶按區(qū)域選擇站臺，對某區(qū)域內(nèi)氣象要素進(jìn)行等值線圖研究。另外，空間分析技術(shù)對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害分析、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情信息檢索等操作也提供了一定的便利性。

3.4 評估模型插件技術(shù)問題

GIS技術(shù)擁有極強(qiáng)的空間建模功能，其中，在制作農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害天氣損失評估模型時，可用到緩沖區(qū)分析、柵格分析、影響范圍分析等技術(shù)。由于模型是復(fù)雜多變的，而且形式多樣，為了更好地順應(yīng)不斷變化的現(xiàn)實狀況，用戶應(yīng)經(jīng)常更新模型應(yīng)用數(shù)據(jù)，修改模型。在應(yīng)用特定模型參數(shù)的時候，可通過配置文件完成，但如果使用的模型有所更改，配置文件上面對應(yīng)的部分是極難修改的。因此，在設(shè)計系統(tǒng)的時候應(yīng)注意增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性與適應(yīng)性，此時可使用COM插件技術(shù)。插件通過自定義標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了與主程序簡單交互，涉及到基本參數(shù)、啟動調(diào)用，將模型得出數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的顯示接口等工作。對于模型，系統(tǒng)可根據(jù)需要進(jìn)行修改、刪除。

3.5 數(shù)據(jù)模型面臨的統(tǒng)一與交互問題

GIS系統(tǒng)的一個主要功能就是要實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)資源的共享，讓管理更加規(guī)范。為此，需構(gòu)建統(tǒng)一的與國際通用的數(shù)據(jù)模型。這能夠減少對數(shù)據(jù)的維護(hù)量，也能讓數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地交互、統(tǒng)一。此監(jiān)測系統(tǒng)具有的功能主要包括：第一，對發(fā)出預(yù)警的信息地點(diǎn)實施監(jiān)測，并在地圖上自動顯示出對應(yīng)信息點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；第二，在地圖上面明確閉合區(qū)域的具體范圍，發(fā)布相關(guān)監(jiān)測預(yù)警信息；第三，將地圖與預(yù)報災(zāi)害強(qiáng)度分布圖進(jìn)行重疊，可從地圖上刊登各種災(zāi)害強(qiáng)度覆蓋、波及的范圍，而且對不同強(qiáng)度災(zāi)害預(yù)警工作也可以同步進(jìn)行；第四，采用不同顏色標(biāo)記各強(qiáng)度災(zāi)害影響區(qū)域，便于監(jiān)測預(yù)警；第五，配備主要接口，包括電子公告牌、短信平臺；第六，擁有查詢歷史監(jiān)測預(yù)警發(fā)布信息的功能，可供用戶查閱相關(guān)監(jiān)測預(yù)警信息。