基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的不規(guī)則區(qū)域內(nèi)雨情統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的研究

宋 杰，姚家振

（安徽大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601）

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，等值線的研究和繪制也應(yīng)用到了越來越廣泛的領(lǐng)域，尤其是在雨水量的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)方面.等值線的提取就是對(duì)大量的離散數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法插值將具有相同量值的點(diǎn)變換成圖的過程.它將三維信息顯示于二維平面，是進(jìn)行地理要素空間特征分析的強(qiáng)大工具，數(shù)據(jù)與圖像的結(jié)合，使技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確地把握數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，從而進(jìn)行有效的分析，以便事先做出預(yù)測(cè)，確保準(zhǔn)確及時(shí)的處理.可用于從總體上把握研究對(duì)象的空間變化特征，通過繪制相應(yīng)的等值線圖簡(jiǎn)單而直觀地進(jìn)行綜合分析，是一種常用而有效的表達(dá)方法.通過繪制等值線圖，可以非常直觀地了解掌握各個(gè)時(shí)間段各個(gè)地點(diǎn)的雨量信息.

WebGIS是將傳統(tǒng)的GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來，將地理數(shù)據(jù)和GIS功能以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，使用戶通過普通的瀏覽器就能夠使用地理數(shù)據(jù)和GIS軟件提供的強(qiáng)大功能.此系統(tǒng)通過各個(gè)基站錄入雨量信息，通過查詢相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)分析.運(yùn)用專業(yè)的ArcGIS地理信息處理模型，使用離散數(shù)據(jù)的插值和擬合，以生動(dòng)直觀的圖形化方式反映雨水量的時(shí)空分布規(guī)律，用戶可根據(jù)各區(qū)域的基站信息及實(shí)際情況選擇等值線的生成間距，使用掩膜手段解決邊界問題，應(yīng)用二次Bezier函數(shù)平滑等值線并進(jìn)行標(biāo)注，從而生成一個(gè)高精確的空間分析結(jié)果.

1 ArcGIS

ArcGIS是一個(gè)建設(shè)完整GIS的軟件集合，它包含了一系列部署 GIS的框架：ArcGIS Desktop、ArcGIS Engine、服務(wù)端GIS、移動(dòng)GIS等.

2 Silverlight

Silverlight是一種新的Web呈現(xiàn)技術(shù)，能在各種平臺(tái)上運(yùn)行.借助該技術(shù)，可以擁有內(nèi)容豐富、視覺效果絢麗的交互式體檢，而且無論是在瀏覽器內(nèi)、還是在桌面操作系統(tǒng)中，都可以獲得這種一致的體驗(yàn).Microsoft.Net4.0中的呈現(xiàn)技術(shù)xaml遵循WPF，是Silverlight呈現(xiàn)功能的基礎(chǔ).作為微軟下一代企業(yè)應(yīng)用程序解決方案，Silverlight 5.0還完善了在企業(yè)應(yīng)用開發(fā)方面的特性，在用戶界面內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)更流暢的動(dòng)畫效果，改進(jìn)了字體渲染清晰度，支持PostScript矢量打印，改進(jìn)了xaml解析性能，對(duì)啟動(dòng)和運(yùn)行速度都進(jìn)行了提升.

ArcGIS API for Silverlight是由美國(guó)Esri公司推出的，用于在Silverlight平臺(tái)上開發(fā)WebGIS應(yīng)用的一套編程接口.它通過REST接口訪問ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務(wù)、影像服務(wù)、幾何服務(wù)、地理處理服務(wù)、要素服務(wù)等.

3 研究過程及結(jié)果

3.1 使用WebService技術(shù)動(dòng)態(tài)獲取數(shù)據(jù)

WebService可以接收從Internet或者Internet上的其他系統(tǒng)中傳遞過來的請(qǐng)求，是一種輕量級(jí)的獨(dú)立通訊技術(shù).WebService技術(shù)使得運(yùn)行在不同機(jī)器上的不同應(yīng)用程序無需借助其他的第三方軟件、硬件就可以相互交換數(shù)據(jù).Web-Service具有平臺(tái)無關(guān)性、編程語言無關(guān)性、兼容性良好等優(yōu)點(diǎn).因此可以使用WebService技術(shù)獲取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理，如表1所示.

表1 獲取的數(shù)據(jù)

各列分別表示測(cè)站編碼、測(cè)站名.

3.2 使用Kriging（克里金）方法插值

克里金法是法國(guó)地理數(shù)學(xué)家Georges Matheron(1997)和南非礦業(yè)工程師D.G..Krige創(chuàng)立的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中礦品位的最佳內(nèi)插方法，是一種對(duì)空間參數(shù)分布數(shù)據(jù)求最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插估計(jì)量的方法.

克里金法是在分析已測(cè)的形狀、大小、空間位置相互關(guān)系，以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息的基礎(chǔ)上，對(duì)待估點(diǎn)進(jìn)行的一種無偏最優(yōu)估計(jì).由于最大限度的利用了空間取樣所提供的各種信息，不僅考慮了樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還考慮其臨近樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，不僅考慮了待估樣點(diǎn)與其臨近已知樣點(diǎn)的空間位置，還考慮了各臨近樣點(diǎn)的彼此之間的位置關(guān)系，同時(shí)利用了已有觀測(cè)值空間分布的結(jié)構(gòu)特征，因而克里金法比其他方法更準(zhǔn)確.

克里金法以現(xiàn)有采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)鄰近區(qū)域應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)線性模型(linearmodels)進(jìn)行最優(yōu)化插值和預(yù)測(cè)，其最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)(objective fIlnctions)則為插值誤差最小的插值函數(shù).克里金法將待估計(jì)的函數(shù)值F(x，y)視為待估計(jì)點(diǎn)范圍內(nèi)的n個(gè)觀測(cè)樣本值Zi（i=1，…，n）的線性組合，即采用公式1：

其中，Wi(x,y)為權(quán)函數(shù)，n為觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù).

3.3 按掩膜提取

圖像掩膜指的是用選定的圖像、圖形或物體來對(duì)需處理的圖像（全部或局部）進(jìn)行遮擋，來控制圖像處理的區(qū)域或處理過程.圖像掩膜可以用來提取感興趣區(qū)，用預(yù)先制作的感興趣區(qū)掩膜與待處理圖像相乘，得到感興趣區(qū)，感興趣區(qū)內(nèi)圖像值保持不變，而區(qū)外圖像值都為零.這樣對(duì)于所需區(qū)域之外的等值線就可以被清除掉，而只保留感興趣區(qū)域內(nèi)的等值線.

3.4 使用Bezier函數(shù)進(jìn)行平滑處理

如果不進(jìn)行光滑處理，得到的等值線折角很大，不夠光滑.實(shí)際中的等值線所反映的現(xiàn)象和地物通常要求是光滑曲線，因此需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行光滑處理，來滿足實(shí)際的需求.本文利用二次Bezier函數(shù)進(jìn)行光滑處理.

已知三點(diǎn) P0，P1，P2，其二次 Bezier曲線為

其曲線示意圖如圖1，

圖1 Bezier曲線示意圖

通過依次改變調(diào)和函數(shù)u(如以0.05為增量)的值,將生成一系列的新數(shù)據(jù)點(diǎn),將新的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接生成的曲線,即為此三點(diǎn)之間的Bezier曲線.

圖2 待光滑折線

如圖2所示，對(duì)L1-L2-L3-L4使用二次Bezier曲線進(jìn)行光滑處理時(shí)，依次取L1-L2-L3三個(gè)點(diǎn)得到曲線，但此時(shí)對(duì)于剩下的L3-L4段無法生成光滑的曲線，在L3處產(chǎn)生了尖點(diǎn).因此取 L1-L2、L2-L3、L3-L4的中點(diǎn) P1、P2、P3，然后由P1-L2-P2和P2-L3-P3分別作控制形，得到兩條Bezier曲線，可知這兩條曲線在P2處是光滑連接的.

3.5 對(duì)等值線進(jìn)行標(biāo)注處理

等值線的標(biāo)注是為了使人們更方便地了解等值線圖的每條等值線的信息，從而將等值線的高程值添加到等值線上.標(biāo)注是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，要考慮標(biāo)注的合理性、正確性等.因而，等值線的標(biāo)注已經(jīng)成為等值線處理的一個(gè)重要方面.對(duì)于一條等值線分以下幾種情況考慮：

（1）等值線只含有兩個(gè)點(diǎn) P1（x1，y1）、P2（x2，y2）：標(biāo)注位置 Ps（xs，ys） 選在兩點(diǎn)之間，xs=x2+（x1-x2）/2，ys=y2+（y2-y1）/2；

（2）多個(gè)點(diǎn)的不封閉等值線，標(biāo)注位置在首末兩點(diǎn)P1（x1，y1）、Pn（xn，yn）；

（3）多個(gè)點(diǎn)的封閉等值線，標(biāo)注位置選在起始點(diǎn)P1（x1，y1）（因?yàn)榻Y(jié)束點(diǎn)和起始點(diǎn)重合）.

3.6 研究結(jié)果

經(jīng)過等值線的生成及平滑、標(biāo)注等處理過程，得到的結(jié)果如圖3所示：

圖3 等值線結(jié)果圖

由圖可見當(dāng)?shù)戎稻€封閉時(shí)標(biāo)注在曲線中間，當(dāng)?shù)戎稻€非封閉時(shí)標(biāo)注在等值線的首尾兩端，并且等值線是平滑的，沒有尖銳的角.

4 結(jié)論

本文對(duì)等值線的繪制過程進(jìn)行了細(xì)致的分析，深入研究了等值線的性質(zhì)，等值線的生成、掩膜、平滑、標(biāo)注等內(nèi)容.基于ArcGIS完整的實(shí)現(xiàn)了一個(gè)等值線的生成及優(yōu)化處理過程，可以根據(jù)實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)各時(shí)段的等值線的繪制，為雨量統(tǒng)計(jì)提供了直觀、精確的統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)大大的減少了工作量.

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