基于GIS的人工影響天氣火箭作業(yè)安全射界區(qū)自動識別繪制技術(shù)研究

高 鵬

煙臺市人民政府人工影響天氣辦公室，山東煙臺 264000

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們可以對一些極端天氣環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，從而達(dá)到防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)的目標(biāo)。人工影響天氣是通過人工的手段，使天氣現(xiàn)象朝著人們期待的方向轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到人工增雨、人工防雹、人工消云和人工消霧等目的。

目前，我國的人工影響天氣業(yè)務(wù)主要有飛機(jī)作業(yè)和地面作業(yè)，其中地面作業(yè)包括地面高炮作業(yè)和地面火箭作業(yè)。隨著我國人工影響天氣技術(shù)的不斷成熟，各級政府逐漸認(rèn)可人工影響天氣地面作業(yè)的效果，并投入大量的經(jīng)費(fèi)和人力。

煙臺市作為環(huán)渤海地區(qū)重要的港口城市，副高強(qiáng)盛，冷空氣活躍，降水時空分布不均勻，經(jīng)常出現(xiàn)局地暴雨、局地大風(fēng)、局地冰雹和連續(xù)干旱等氣象災(zāi)害。煙臺市目前擁有40個火箭作業(yè)點(diǎn)，分布在煙臺市全域，承擔(dān)著煙臺市人工影響天氣增雨和防雹的重任。

由于火箭作業(yè)是通過地面發(fā)射架將帶有催化劑的火箭彈發(fā)射至指定云層位置，通過爆炸將催化劑播撒至云層中，隨后催化劑助推部分在自帶傘降準(zhǔn)裝備的輔助下降落至地面安全區(qū)域?？紤]到火箭彈存在因自毀或傘降裝置失效而使火箭落地時造成地面人員或重要設(shè)施的損害，因此需要通過一定的技術(shù)手段，通過設(shè)定火箭彈發(fā)射的方位角和仰角事先預(yù)設(shè)火箭落地的范圍，以確保地面人員和重要設(shè)施的安全。

1 技術(shù)路線

1.1 技術(shù)指標(biāo)

火箭作業(yè)安全射界區(qū)識別的主要目標(biāo)是預(yù)先設(shè)定火箭發(fā)射的方位角和仰角，避免因自毀或傘降裝置失效而使火箭落地時造成地面人員或重要設(shè)施損害。因此，根據(jù)火箭人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范相關(guān)要求和煙臺市實(shí)際作業(yè)需求，設(shè)計符合煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)技術(shù)指標(biāo)。

1.1.1 安全射界區(qū)選取原則火箭作業(yè)安全射界選取的基本原則是避開人口密集區(qū)和重要設(shè)施。人口密集區(qū)包括城鎮(zhèn)、村莊、學(xué)校等，重要設(shè)施包括油庫、化工廠、文物古跡、軍事設(shè)施等。

安全射界應(yīng)在作業(yè)點(diǎn)周圍的火箭最大理論射程范圍內(nèi)選取，并遵守下列規(guī)則：（1）避開人口密集區(qū)和重要設(shè)施，對應(yīng)發(fā)射仰角應(yīng)為50°～75°；（2）以發(fā)射架中心為基準(zhǔn)，火箭發(fā)射正前方1 km內(nèi)無人口密集區(qū)和重要設(shè)施；（3）火箭彈飛行途中段應(yīng)避開人口密集區(qū)和重要設(shè)施；（4）安全射界邊界與人口密集區(qū)和重要設(shè)施的距離大于200 m；（5）海拔不大于500 m的作業(yè)點(diǎn)：不小于15°；（6）海拔位于500～1 500 m的作業(yè)點(diǎn)：不小于20°；（7）海拔大于1 500 m的作業(yè)點(diǎn)：不小于25°[1]。

1.1.2 安全射界圖繪制（1）安全射界底圖。底圖選用近2年內(nèi)的1∶50 000以上比例尺地圖或分辨率不低于5 m的衛(wèi)星遙感影像圖，可明顯分辨城鎮(zhèn)、村莊等地物及其邊界。

（2）水平距離圈。以作業(yè)點(diǎn)為圓心，以1 km為半徑繪制實(shí)線內(nèi)圈圓；以12 km（或火箭理論最大射程取整后再加1 km的數(shù)值）為半徑繪制實(shí)線外圈圓；在自圓心向右（正東方向）的橫軸上，按1 km間隔標(biāo)出距離刻度，并標(biāo)注內(nèi)、外圈圓對應(yīng)的距離刻度數(shù)值。

（3）射擊距離圈。以作業(yè)點(diǎn)為圓心，以50°～75°射擊仰角火箭理論最大射程為半徑，按5°間隔畫虛線閉合圓；在自圓心向上（正北方向）的縱軸上，標(biāo)注對應(yīng)射擊仰角數(shù)值。

（4）方位線段。自初始方位角起，順時針至345°，間隔15°，由作業(yè)點(diǎn)至水平距離外圈圓畫方位線段；自初始方位角起，順時針至315°，間隔45°，在最外水平距離圈外側(cè)標(biāo)注對應(yīng)方位角數(shù)值。

（5）安全射界圖形。在底圖上查找符合要求的區(qū)域，確定安全射界邊界；以作業(yè)點(diǎn)為圓心，繪制扇形區(qū)域，用明顯區(qū)別于底圖的顏色、以半透明方式填充。

（6）安全射界編號。自初始方位角起，沿順時針方向，按阿拉伯?dāng)?shù)字1，2，3,…的順序編號，居中標(biāo)注于安全射界內(nèi)。

（7）安全射界范圍表。依據(jù)火箭不同射擊仰角理論最大射程數(shù)據(jù)，插值得出標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下各安全射界對應(yīng)的射擊起、止方位角和起、止仰角數(shù)值（四舍五入取整數(shù)，最大仰角取75°），按安全射界編號由小到大的次序，在安全射界圖左下部標(biāo)明。

（8）安全射界圖應(yīng)標(biāo)注信息。①在安全射界圖上方,居中標(biāo)注圖題“火箭安全射界圖”；②在安全射界圖右下部，依次標(biāo)出內(nèi)容；③作業(yè)點(diǎn)名稱：以所在縣級行政區(qū)及具體作業(yè)地名稱表示；④作業(yè)點(diǎn)編號：9位數(shù)字編號，1～6位為GB/T 2260—2017規(guī)定的行政區(qū)域代碼，7～9位為作業(yè)點(diǎn)序號；⑤經(jīng)緯度：單位為度分秒格式，精度為秒；⑥海拔高度：單位為米（m），精度為0.1 m；⑦地圖比例尺或衛(wèi)星影像分辨率：按地圖比例尺或衛(wèi)星影像分辨率給出；⑧在安全射界編號表下方，給出彈道表；⑨在安全射界圖下方,依次寫明繪制單位和繪制時間；⑩安全射界圖印制幅面尺寸寬度≥0.8 m、高度≥1.0 m；安全射界圖輸出格式為JPG；安全射界圖地理信息格式為SHP[2-14]。

1.2 技術(shù)方法

1.2.1 GIS平臺技術(shù)根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，選擇可實(shí)現(xiàn)二三維地球和地圖顯示的自主可控的JavaScript庫為基礎(chǔ)平臺，基于二次開發(fā)包研發(fā)煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)安全射界區(qū)自動識別繪制系統(tǒng)。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)安全射界區(qū)自動識別繪制系統(tǒng)涉及火箭作業(yè)站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)和安全射界參數(shù)信息的錄入、存儲、修改和管理，因此需要通過構(gòu)建專門的數(shù)據(jù)庫?？紤]到煙臺市火箭作業(yè)點(diǎn)數(shù)量和安全射界圖參數(shù)信息大小，選擇適用于中小型應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Mysql。

1.2.3 高分遙感技術(shù)火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制需要充分考慮作業(yè)點(diǎn)周圍的地理環(huán)境，因此需要能夠識別建筑物、地理地物名稱的高精度遙感影像數(shù)據(jù)和矢量圖層數(shù)據(jù)，基于安全性和時效性綜合考慮，選擇在線遙感和本地遙感服務(wù)2種方式，用戶在具有在線遙感數(shù)據(jù)訪問條件時，可選擇優(yōu)于1∶50000的遙感影像數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶不具備在線遙感數(shù)據(jù)訪問條件時，可調(diào)取本地遙感數(shù)據(jù)服務(wù)接口，選擇相關(guān)數(shù)據(jù)作為安全射界分析制作的底圖。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計以《火箭人工影響天氣作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》為基礎(chǔ)，結(jié)合煙臺市地面火箭作業(yè)相關(guān)要求，充分利用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和高分遙感應(yīng)用技術(shù)，從作業(yè)點(diǎn)核查、安全射界區(qū)分析、安全射界圖繪制輸出和安全射界圖管理，實(shí)現(xiàn)煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)的安全保障（圖1）。

圖1 系統(tǒng)界面設(shè)計

2.1 火箭作業(yè)點(diǎn)核查

基于高精度遙感地理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)點(diǎn)點(diǎn)位及分布的核查，同時可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位修改（圖2～圖3）。

圖2 作業(yè)點(diǎn)核查

圖3 作業(yè)點(diǎn)位置編輯

2.2 安全射界分析

安全射界區(qū)分析主要是基于高精度遙感地理數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照火箭作業(yè)安全射界技術(shù)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)作業(yè)點(diǎn)周邊人口密集程度和重要設(shè)施分布情況的分析（圖4）。

圖4 安全射界分析

2.3 安全射界圖繪制

安全射界圖繪制主要是根據(jù)安全射界分析結(jié)果，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制作輸出火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖（圖5）。

圖5 安全射界圖繪制

2.4 安全射界圖管理

安全射界圖管理主要是實(shí)現(xiàn)火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖的修改、優(yōu)化和可視化顯示（圖6）。

圖6 安全射界圖管理

3 結(jié)論

煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)安全射界區(qū)自動識別繪制系統(tǒng)按照《人工影響天氣火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖繪制規(guī)范》和山東省煙臺市《人工影響天氣火箭作業(yè)安全保障》要求進(jìn)行設(shè)計研發(fā)，技術(shù)先進(jìn)、架構(gòu)合理、功能完善、應(yīng)用友好，充分滿足了煙臺市人工影響天氣的安全射界保障需求。

（1）系統(tǒng)基于GIS平臺技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和高分遙感技術(shù)研發(fā)，滿足了用戶對火箭作業(yè)區(qū)域高精度仿真地理場景信息查詢、瀏覽的需求。

（2）系統(tǒng)綜合集成了煙臺市人工影響天氣火箭作業(yè)站點(diǎn)信息數(shù)據(jù)，滿足了用戶對作業(yè)點(diǎn)位置布局查詢和位置優(yōu)化設(shè)計。

（3）系統(tǒng)將火箭安全射界技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)了安全射界范圍智能自動分析。

（4）系統(tǒng)基于圖文融合技術(shù)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)要求，自動生成火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖，并可根據(jù)用戶需求進(jìn)行打印輸出。

（5）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所有火箭作業(yè)點(diǎn)安全射界圖信息的存儲、查詢和優(yōu)化修改，滿足用戶因作業(yè)點(diǎn)周邊人口和重要設(shè)施信息變化而需要進(jìn)行的安全射界圖二次制作。