基于三維GIS的省域氣象防災減災系統(tǒng)設計與開發(fā)

摘 要：文章基于國產自主知識產權的三維地理信息平臺EV-Globe，應用氣象“天擎”數(shù)據平臺，結合數(shù)字高程模型、地理國情等地理信息數(shù)據，旨在設計開發(fā)一個基于三維GIS的省域氣象防災減災系統(tǒng)。實現(xiàn)了氣象實況數(shù)據監(jiān)測分析、智能網格數(shù)據預報、極端天氣自動化預警、地質災害風險預警及洪澇災害風險模擬功能。該系統(tǒng)為氣象專業(yè)預報人員提供了更加直觀準確的空間信息參考，為氣象防災減災提供更加科學、精確、合理的依據，提高了政府決策的科學性，同時為領導宏觀決策提供更加有力的信息支持。

關鍵詞：三維GIS；氣象防災減災；數(shù)字高程模型；動態(tài)模擬；EV-Globe

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）17-0129-05

0 引 言

地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機軟硬件系統(tǒng)支持下，具有對地球表面（包括大氣層）空間中和地理分布有關的數(shù)據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述等功能的空間信息系統(tǒng)[1]。GIS技術在氣象領域已經得到諸多應用，如在二維平面內進行數(shù)據展示及分析的傳統(tǒng)氣象預報軟件產品，以及在三維空間內進行的氣象災害評估及決策的相關系統(tǒng)，[2-6]。在三維GIS應用于洪水淹沒模擬及氣象防災減災等研究領域，諸多學者（包括地理、水文等領域的學者）圍繞三維GIS理論與方法在洪水淹沒模擬分析及氣象防災減災領域的應用進行了廣泛研究和工程實踐，取得了一定的成果[7-9]，本系統(tǒng)以數(shù)字高程模型（DEM）為理論基礎[10-11]，以國產三維GIS平臺EV-Globe為依托，充分利用其全空間一體化表達的特點，在氣象“天擎”數(shù)據平臺的基礎上，結合數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、基礎地理信息、地理國情等多源多類型數(shù)據，利用安全完備的云上服務，使用三維GIS、大數(shù)據、云計算等技術，將三維GIS整合到氣象防災減災業(yè)務中，構建了基于三維GIS的省域氣象防災減災系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)整體采用云＋端架構設計，如圖1所示，充分利用云計算能力及終端邊緣計算能力，通過云數(shù)據接口獲取相關業(yè)務數(shù)據，對于時間消耗要求低、計算量較大的部分在云上進行解算，對于時間消耗要求高、計算量較小的部分在終端進行解算，達到既滿足海量計算又滿足系統(tǒng)反應迅速的系統(tǒng)要求，滿足氣象業(yè)務在實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求，同時可將邊緣計算的成果與云數(shù)據實現(xiàn)互聯(lián)互通，成果共享，減輕云端的負荷[12]。綜合云與終端結合的方式，發(fā)揮架構優(yōu)勢，更好地實現(xiàn)氣象防災減災業(yè)務中的海量計算、快速響應、及時預警等業(yè)務場景。

用戶終端架構如圖2所示，系統(tǒng)在用戶終端架構設計過程中，遵循“業(yè)務驅動”的原則，分為數(shù)據采集層、信息傳輸層、硬件設施層、數(shù)據管理層、通用服務層、業(yè)務應用層、用戶交互層，實現(xiàn)了多層技術架構體系設計，為業(yè)務人員提供了快捷靈活的業(yè)務構造能力和技術先進的業(yè)務工作平臺。

1.2 系統(tǒng)功能設計

基于三維GIS的省域氣象防災減災系統(tǒng)是以大型國產地理信息平臺EV-Globe為開發(fā)平臺，以基礎地理信息數(shù)據、地理國情數(shù)據及數(shù)字高程模型數(shù)據，結合站點監(jiān)測數(shù)據、網格預報數(shù)據、歷史災害信息數(shù)據等多源海量數(shù)據的歸集處理，完成地理信息空間數(shù)據庫與氣象防災減災業(yè)務數(shù)據庫的對接，將三維GIS技術整合到氣象防災減災系統(tǒng)中，以氣象防災減災工作為中心，建設氣象實況監(jiān)測分析子系統(tǒng)、氣象智能網格預報子系統(tǒng)、極端天氣自動化預警子系統(tǒng)、地質災害風險預警子系統(tǒng)、洪澇災害風險模擬子系統(tǒng)、后臺運行管理子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

2.1 氣象實況監(jiān)測分析子系統(tǒng)

系統(tǒng)讀取天擎網格和氣象監(jiān)測站點數(shù)據[13]，通過EV-Globe平臺對讀取的天擎網格和氣象監(jiān)測站點數(shù)據分別進行等值面色斑和站點渲染。系統(tǒng)默認展示近1小時降水數(shù)據，也可以讀取指定時間段內的某種氣象要素的天擎網格和氣象監(jiān)測站點數(shù)據并進行特定渲染，如圖3所示。

用戶可選擇影響城市范圍以及影響要素，系統(tǒng)自動計算受影響的區(qū)域及受影響要素，為用戶提供全要素氣象實況監(jiān)測信息服務，并支持導出選定城市的站點數(shù)據及受影響要素的信息，保障天氣預報的現(xiàn)勢性和時效性，加強氣象災害風險管理工作，提高氣象服務防御科技水平。

2.2 氣象智能網格預報子系統(tǒng)

網格預報通過獲取氣象智能網格預報數(shù)據，對降水、冰雹、沙塵、雷暴、濕度、溫度、霧霾、短時強降水、能見度9種天氣類型進行精細化的數(shù)據展示[14]，得到一定時間尺度和空間尺度下的氣象防災減災重點單位、水文監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站點、山塘水庫、城鎮(zhèn)易澇點、易燃易爆點、災害隱患點、山洪溝、中小河流、地災隱患點、道路、水系等風險點的位置，并通過數(shù)據處理渲染在EV-Globe平臺中，為預報員提供了直觀的參考依據，實現(xiàn)氣象信息可視化，豐富網格預報的內容，最大程度減少人民群眾的潛在損失。

系統(tǒng)讀取天擎網格數(shù)據，通過EV-Globe平臺對讀取的天擎數(shù)據進行等值面色斑渲染。系統(tǒng)默認展示近3小時降水數(shù)據，也可以讀取指定時間段內的某種氣象要素的網格數(shù)據并進行特定渲染。

系統(tǒng)讀取天擎網格數(shù)據，獲得到某類氣象要素的分布范圍圖層，與各類影響要素圖層進行疊加分析，獲取到該氣象要素范圍下的各類影響要素信息，并提取與分布范圍圖層相交的各類影響要素圖層，并通過EV-Globe平臺渲染在三維地球上，同時支持將查詢的結果導出，如圖4所示。

2.3 極端天氣自動化預警子系統(tǒng)

系統(tǒng)基于氣象網格化數(shù)據，實現(xiàn)極端天氣實時監(jiān)測及超閾值預警，發(fā)布監(jiān)測預警產品，判斷極端天氣對各行業(yè)的影響，提高預警信號發(fā)布的提前量和準確率。同時可以通過手動調節(jié)閾值的方法，加強氣候變化影響閾值的研究，在氣象災害應急指揮決策中提供技術支持，最大程度預報相應風險，減輕或避免災害造成的社會經濟損失。

系統(tǒng)讀取天擎網格數(shù)據，基于《吉林省氣象災害預警信號發(fā)布標準及防御指南》[15]，按照實際要求，對未來72小時內暴雨、暴雪、高溫、大霧、大風以及沙塵等各類氣象要素，逐三小時自動化監(jiān)測，對超出《吉林省氣象災害預警信號發(fā)布標準及防御指南》閾值的氣象要素，通過EV-Globe平臺對讀取的天擎網格數(shù)據按閾值分別提取并進行等值面色斑渲染，并進行自動化預警。系統(tǒng)也可以讀取指定時間段內的某種氣象要素的天擎網格數(shù)據并進行特定渲染。

所有已發(fā)布的預警信息均會在系統(tǒng)中給出明顯提示，可通過預警提示按鈕查詢已發(fā)布的自動化預警信息，包括預警類型、預警級別、預警區(qū)域以及預警時間。

系統(tǒng)支持指定時間段內的某種氣象要素，設置理想閾值，讀取天擎網格數(shù)據，在EV-Globe平臺中進行特定渲染，如圖5所示。

系統(tǒng)獲得某類氣象要素超出閾值的分布范圍圖層，與各類影響要素圖層進行疊加分析，獲取該氣象要素分布范圍下的各類影響要素信息，并提取與分布范圍圖層相交的各類影響要素圖層，并通過EV-Globe平臺渲染在三維地球上，如圖6所示。

2.4 地質災害風險預警子系統(tǒng)

地質災害風險預警根據氣象智能網格預報和歷史地質災害數(shù)據，系統(tǒng)自動對滑坡及泥石流地質災害進行分析，判斷災害類型和等級，并及時發(fā)布災害預警提示[16]，提高地質災害預警準確性，力爭將防范措施落實到成災之前。

系統(tǒng)自動讀取天擎智能網格數(shù)據，分別得到3小時、6小時、12小時和24小時的降水量，針對滑坡及泥石流地質災害類型，分別獲取到地質災害點的3小時、6小時、12小時和24小時降水閾值，對于超過閾值的地質災害點，系統(tǒng)通過EV-Globe平臺渲染在二維平面地圖上，如圖7所示。

針對滑坡或泥石流地質災害，系統(tǒng)會自動把所有超閾值的地質災害點渲染在二維地圖上，同時根據地質災害預計發(fā)生時間、發(fā)生地質災害地區(qū)、地質災害類型以及防御指南等信息生成預警報告，及時向相關部門發(fā)送預警報告。

2.5 洪澇災害風險模擬子系統(tǒng)

洪澇災害風險模擬采用改進SCS-CN模型，基于氣象智能網格預報的雨情數(shù)據、高程數(shù)據，在現(xiàn)有成熟風險模型、單一流向理論以及種子蔓延算法等基礎上自研優(yōu)化算法，建立洪澇災害風險模型[10，17]，進行洪澇災害風險模擬和徑流模擬[11]，監(jiān)測洪澇風險，呈現(xiàn)出更加詳細的數(shù)據，計算潛在受災隱患區(qū)域范圍，得到設定時間尺度和空間尺度下的氣象防災減災重點單位、水文監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站點、山塘水庫、城鎮(zhèn)易澇點、易燃易爆點、災害隱患點、山洪溝、中小河流、地災隱患點、道路、水系等風險點的位置，為防汛應急決策提供技術支撐，進一步提升洪澇災害風險的預警能力。

系統(tǒng)基于洪澇災害風險模型和EV-Globe平臺，進行洪澇災害風險模擬，監(jiān)測洪澇風險，呈現(xiàn)詳細的數(shù)據，計算潛在受災隱患區(qū)域范圍，渲染在三維地球上，如圖8所示。

系統(tǒng)基于洪澇災害風險模型和EV-Globe平臺，進行洪澇災害徑流模擬，判斷積水的流動方向以及積水淹沒的地區(qū)，降水經過匯流，隨著時間聚集到一個區(qū)域內，在匯流結束后變成被淹沒區(qū)域，同時以三維動態(tài)渲染的方式動態(tài)模擬徑流過程、匯流過程以及最終影響區(qū)域。

系統(tǒng)獲得潛在受災隱患區(qū)域范圍圖層，與各類影響要素圖層進行疊加分析，獲取該潛在受災隱患區(qū)域范圍下的各類影響要素信息，并提取與潛在受災隱患區(qū)域范圍圖層相交的各類影響要素圖層，并通過EV-Globe平臺渲染在三維地球上，如圖9所示。

2.6 后臺運行管理子系統(tǒng)

后臺運行管理子系統(tǒng)包括預警提示、信息發(fā)布、用戶管理、資源管理四個模塊，對極端天氣和風險預警信息進行提示，滿足預警信息發(fā)布單位同時登錄并制作預警信息的需求，管理用戶的組織結構和等級權限，收錄氣象各類規(guī)劃及報告等文件，確保系統(tǒng)更好的服務氣象人員使用。

3 系統(tǒng)特色

3.1 三維GIS+氣象

將游戲級三維地理信息引擎與氣象業(yè)務結合，以特效渲染引擎為基礎，提供了大量的特效模擬效果，以提高不同地理環(huán)境、不同天氣狀況、不同視角高度下的系統(tǒng)仿真效果。同時系統(tǒng)結合三維GIS技術，為預報員提供空間要素參考的同時，通過分析氣象智能網格數(shù)據及其他過程數(shù)據，綜合其他基礎地理數(shù)據、土地利用數(shù)據、信息監(jiān)測點數(shù)據、基礎設施點數(shù)據、行政區(qū)劃數(shù)據，進行疊加分析，對超閾值的地區(qū)進行提取和渲染，實現(xiàn)極端天氣對多種行業(yè)的影響分析，以三維可視化的方式直觀表現(xiàn)氣象預報成果。

3.2 時序變化

系統(tǒng)除了將三維GIS與氣象業(yè)務結合，還引入了時序變化，即時間維度，以滿足氣象業(yè)務在時序上的綜合需要。系統(tǒng)在降水、冰雹、溫度、濕度等各類氣象要素的有效時效內可選取任意時段，在三維場景中對各類氣象要素的智能網格數(shù)據進行精細化展示，也可以通過調整時間序列，動態(tài)查看氣象要素的各類變化。

3.3 省域氣象數(shù)據與地理信息大數(shù)據結合

系統(tǒng)接入實時觀測數(shù)據及預報產品數(shù)據，支持對省域內海量預報、站點數(shù)據進行加工處理并以圖層形式進行精細化展示，支持加載海量道路、水系、遙感影像、數(shù)字高程和行政區(qū)劃等基礎地理信息數(shù)據，同時支持將省域氣象數(shù)據與地理信息大數(shù)據進行結合，綜合實現(xiàn)極端天氣自動化預警、地質災害風險預警、洪澇災害風險模擬等功能。

3.4 基于氣象預報的洪澇實時模擬

洪澇災害風險模擬功能，采用SCS-CN模型，基于氣象預報信息，結合數(shù)字高程模型、土地利用等數(shù)據，使用自有算法，同時運用單一流向理論、種子蔓延算法等，計算潛在受災隱患區(qū)域，通過空間疊加，對內澇的地區(qū)進行提取，最后在三維場景中渲染洪澇水面，綜合分析出受災區(qū)域面積，受災區(qū)域內的村鎮(zhèn)分布等信息。實現(xiàn)了全省范圍內，降雨過程實時洪澇災害的模擬。

4 結 論

本系統(tǒng)將三維GIS技術應用到氣象防災減災領域，充分利用已有的氣象信息化資源，發(fā)揮三維地理信息系統(tǒng)優(yōu)勢，不斷提高氣象服務的時效性與精準性，加強省級防災減災工作的決策部署，進一步提高綜合防災減災的能力，切實維護人民群眾生命財產安全。

本系統(tǒng)投入使用之后，能夠更好地為預報員提供空間要素參考，了解不同地區(qū)更加切實的三維地形地貌，解決不同區(qū)域相似氣象條件造成不同氣象災害隱患的實際預報問題；實現(xiàn)極端天氣自動化預警及地質災害風險預警，預報各類極端天氣情況及地質災害風險；能夠對全省范圍進行降雨淹沒模擬分析，最大限度地預報洪水災害位置及范圍，為災害發(fā)生后的資源分配提供重要參考。綜上所述，系統(tǒng)以氣象防災減災為工作中心，構建了一個信息豐富、應用便捷、維護簡單、擴展方便的基于三維GIS的省域氣象防災減災系統(tǒng)，為人民生產生活提供更加準確的氣象預報信息，為氣象防災減災提供合理依據，提高了政府決策的科學性，同時為領導宏觀決策提供更有力的信息支持。

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作者簡介：張東宇（1990—），男，漢族，遼寧鐵嶺人，高級工程師，本科，研究方向：遙感應用及地理信息系統(tǒng)研發(fā)。

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.025

收稿日期：2024-03-15

Design and Development of Provincial Meteorological Disaster Prevention and Mitigation System Based on 3D GIS

ZHANG Dongyu

（EarthView Image Co.， Ltd.， Beijing 100101， China）

Abstract： Based on the domestic indigenous intellectual property right of three dimension geographic information platform EV-Globe， this paper applies meteorology “Tianqing” data platform and combines Digital Elevation Model， geographical national conditions and other geographic information data to design and develop a provincial meteorological disaster prevention and mitigation system based on 3D GIS. It realizes real-time meteorological data monitoring and analysis， intelligent grid data forecasting， extreme weather automatic early warning， geological hazard risk warning， and flood disaster risk simulation functions. The system provides meteorological professionals with more intuitive and accurate spatial information reference， offering more scientific， precise， and reasonable bases for meteorological disaster prevention and mitigation. It enhances the scientific nature of government decision-making and provides stronger information support for leaders' macroeconomic decisions.

Keywords： 3D GIS; meteorological disaster prevention and mitigation; Digital Elevation Model; Dynamic Simulation; EV-Globe