基于GIS的海洋氣象綜合觀測應用平臺系統設計
2015-04-29 00:00:00李濤邱忠洋張輝
湖北農業科學 2015年6期
摘要：在海洋氣象浮標站提供的海量海上氣象水文資料準確性不斷提高，對近海海域災害性天氣和氣候變化預測預警能力的不斷增強的前提下，提出了以GIS技術作為系統基礎，選用C/S（Client/Sever）開發模式，以C#作為開發語言，設計了基于GIS的海洋氣象綜合觀測應用平臺系統。結果表明，該系統運行效果良好，采用GIS技術極大地提高了系統的信息管理能力、動態分析能力以及對近海海域災害性天氣的預警能力。
關鍵詞：GIS技術；C#；海洋氣象；觀測平臺；海域預警
中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1492-07
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.055
Abstract： With the continuos improvemrnt of accuracy of marine meteorological and hydrological data provided by the marine meteorological buoy station and the increase of the ability to forecast and warn the coastal waters of disastrous weather and climate change， the system based on GIS was proposed. C/S （Client/Sever） was used as development mode and C# was used as development language of marine meteorological observation and application platform system based on GIS. Result of system operation showed that the system greatly improved the ability of managing information， dynamic analysis， and early warning of offshore waters.
Key words： GIS； C#； marine meteorological； observation platform；sea warning
21世紀人類面臨人口、資源和環境三大問題，而解決這些問題的關鍵因素是海洋，海洋對全球氣候和環境起到主導作用。在全球陸地資源日趨緊張、環境不斷惡化的今天，世界各國紛紛將目光轉向海洋。我國《國家中長期和科學技術發展規劃綱要》對海洋科技發展提出了中長期規劃，要求海洋科技為海洋經濟和社會可持續發展、海洋資源發展、海洋環境保護和減災防災等提供有效保障，提出了海洋事業的觀點，而海洋觀測是海洋事業的基礎。海洋觀測目的在于全面、及時、準確地掌握海洋環境的變化規律及了解人類活動對海洋環境的影響，為海洋開發、管理、保護提供依據[1]。開展海洋水文氣象觀測是對近海或者海岸附近海洋上的天氣條件和水文環境進行觀察和監測，觀察項目包括氣壓、濕度、風向、風速、降水、潮汐和海水溫度以及海浪和海水鹽度等等，這些要素與人類生產和生活息息相關，因此，開展海洋水文氣象觀測具有極其重要的意義。本研究設計的綜合觀測系統以GIS為核心技術，以C/S（Client/Sever）為開發模式，以C#為開發語言，極大地提高了系統的信息管理能力、動態分析能力，通過從后臺數據對海洋要素數據的提取、分析，將海洋水文氣象要素直觀簡潔地展示在平臺上，準確、及時、可靠地將各要素信息提供給預測預警的決策機構，對于氣候變化研究和災害預警、海洋工程建設、海洋能源開發、國防等方面具有極其重要的意義[2]。
1 系統相關技術
1.1 地理信息系統技術
地理信息系統（GIS）是一門集計算機科學、信息學、地理學等學科為一體的新型科學，是由計算機系統、地理數據和用戶組成的，是一種特定的十分重要的空間信息系統。在計算機硬、軟件系統支持下，對整個與地球表面有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。通過GIS技術可以將具有控件內涵的數據按照實際的需要準確、真實、圖文并茂地展示出來。目前，GIS技術在各行各業的使用已經趨于潮流化。當前面向GIS開發方式主要有3種：獨立開發、宿主機二次開發、基于GIS組件的二次開發（表1）[3]。通過3種開發方式的比較，以基于GIS組件的二次開發方式對商業GIS工具軟件的依賴性弱，開發成本適中，GIS基本功能的實現難度適中，開發周期適中，對開發者要求低等優勢被觀測平臺系統所選用。基于GIS組件的二次開發方式常用組件式GIS軟件包含ArcObject、ArcGIS Engine、MapObjects、MapX等，其中Arc GIS Engine以其伸縮性強、較強的獨立性（可以脫離ArcGIS平臺）、功能非常強大（包括數據添加、圖層顯示、特征和屬性查詢、空間分析、統計分析、內容表、圖形編輯、專題制圖、地圖輸出等）優勢被海洋氣象綜合應用觀測平臺系統所選用[4]。系統在實施過程中主要使用到了MapControl、PageLayoutControl、TocControl、ToolbarControl等組件式控件，這種組件式的開發方式提高了系統的開發靈活性，系統的功能也易于擴展，同時系統的維護和安全性方面的維護也得到了保障。
1.2 數據庫設計
1.2.1 屬性數據庫 系統使用Oracle 10 g大型數據庫作為后臺數據庫，可以滿足海量水文氣象數據存儲需求，其極大地提升了系統的吞吐能力，提高了整個系統的穩定性。在處理氣象數據過程中，對海量數據能準確地備份、查詢檢索、氣象數據挖掘。在前期的數據處理中，針對海量水文氣象資料進行數據庫設計[5，6]，主要包含用戶信息表、日志信息表、海洋站點基本信息表、站點狀態信息表、常規氣象要素表、海洋氣象要素表等，圖1為具體的數據庫設計圖。
1.2.2 空間數據庫 系統的基礎圖件大部分是以地圖的方式提供的，地圖的比例尺、投影方式、坐標系統各不相同。系統選用Arc/Info地理信息系統軟件核心拓展模塊ArcScan進行數據掃描并使其矢量化。所有數字化的圖件都將在Arc/Info下實現坐標轉換，投影以及建立空間拓撲結構，最終轉化成ArcView的.shp格式矢量文件，所有的空間數據在系統中都由ArcView控制。系統底圖china.max、一級河流、三級以上河流、國界、省界以及生成的 .shp圖層文件都是由ArcView機制進行控制。
1.3 海洋水文氣象數據資料類型及處理
1.3.1 數據資料類型 海洋氣象觀測站提供的數據類型繁多，內容也比較豐富。按照內容可以分為常規和特殊觀測資料，比如溫度、濕度、氣壓、光照、風速、風向、雨量等就屬于常規觀測資料，雷達、衛星云圖、全球定位系統等則屬于特殊觀測資料。本研究主要是針對海洋常規水文氣象觀測資料進行解析、挖掘、存儲，同時將海洋常規氣象資料與雷達、衛星云圖等特殊觀測資料進行融合，得出有用的決策信息。
1.3.2 數據資料處理 數據資料是以txt文件形式存在，通過FTP/GPRS等方式傳遞到中心服務器，由于報文種類的多樣性系統采用了多線程的操作方式[7]，報文A使用相對應的主線程、讀寫線程、解析線程、入庫線程。在解析線程過程中，使用了數據質量控制方法如時間一致性、極值檢查、空間一致性、內部一致性等，為進一步提高數據的準確性還使用了數據挖掘中的BP神經網絡算法。另外，在使用多線程處理數據的過程中，一方面使用了線程同步機制，即處理數據的各線程依賴掃描主線程，需要掃描線程提供消息進行喚醒調用，而其他線程則是處于等待狀態。另一方面當有若干個線程要使用共享資源時，又用到線程互斥機制，即任何時候最多只允許一個線程使用資源，其他要使用該資源的線程必須處于等待狀態，直到占用資源的線程釋放了該資源。
1.4 等值線插值算法的分析與選擇
在數據處理過程中，為直觀簡潔地反映海洋水文氣象要素的變化特征，系統采用等值線法將制圖對象（氣壓、溫度、風速等）數量指標值相等的各點連成平滑曲線，由地圖上標出的表示制圖對象數量的各點，采用內插法找出各整數點繪制而成。
1.4.1 綜合比較使用插值算法 GIS中常用的地理空間插值方法有很多種，系統主要綜合使用了如下3種插值方法[8]：
1）距離加權倒數空間插值法（IDW）。距離加權倒數空間插值法基于地理學第一定律距離相近區域相似性高于距離較遠區域的相似性，其缺點在于不能對誤差進行估計，其表達式如下：
式中，Z是估計值；Z i是第i（i=1，...，n）個樣本；di是距離；P是距離的冪，其顯著影響內插的結果，選擇標準是最小平均絕對誤差，距離的冪越高，內插結果越具有平滑的效果。
2）克里格空間插值法（OK）。克里格空間插值法源于地統計學，最初用于地質找礦，該法是利用區域化變量的原始數據和變異函數特點，對未采樣的區域化變量的取值進行線性無偏最優估計，其表達式如下：
式中，Z為待估計的氣象數據柵格值，？姿i為賦予站點氣象數據的一組權重系數，n為用于氣象數據插值的站點數目，Z（xi）為站點的氣象數據值。
3）樣條函數法（SPLINE）。該方法適用于變化平緩的表面區域，屬于精確插值方法，其目的在于尋找一個平面，使它滿足最優平滑原則，也就是說利用樣本點擬合連續光滑曲線，使其表面曲率最小，其表達式如下：
式中，Z氣象要素的預測值，n為樣本值，？姿i是一系列線性方程解所確定的系數，？酌i是估計點到第i個樣本點的距離。
通過對3種插值算法分別對需要插值處理的要素進行測試比較，最終確定了對各要素插值算法的選擇。最終系統選擇混合使用這3種插值算法對研究海洋區域內其他未知區域的特征數據進行地理空間信息的推理和估計，從而構建一個連續的地理特征表面分布。
1.4.2 等值線平滑擬合算法選擇 根據上述算法得到排列好的等值線控制點序列，如果不經過曲線擬合，繪制出來的等值線將是折線，故為了得到平滑的等值線，必須編寫曲線擬合程序。選擇使用3次B樣條曲線擬合算法。設求得控制點坐標序列為Pi（xi，yi）。P（t）是沿曲線的位置向量，那么基于B樣條的曲線可表示為：
式中，參數值t的范圍及結點值Xi定義如下：0≤t≤n-k+2，若1
若Pi（t）定義為第i段曲線，Pi為控制點序列， 則有3次B樣條曲線的矩陣表示式如下：
2 系統的設計與實現
基于GIS的海洋氣象綜合觀測應用平臺系統設計是指通過人機交互的方式，對基于多種檢測手段（采集器和人工等）獲取的海洋水文氣象數據資料進行時間序列變化趨勢分析、空間分布及變化趨勢分析、海洋環境分析并結合GIS技術動態顯示，通過友好的圖形化界面表現出來，最后以此統計信息作為決策的依據。對于海洋氣象綜合觀測應用平臺系統設計主要是指系統的總體設計以及各個數據模型設計。
2.1 系統架構
考慮到系統對完善的編輯功能以及網絡數據負載太高，安全性、穩定性、拓展要求較高，本系統選擇使用C/S（Client/Sever）開發方式，其三層架構模式[9]如下圖3所示，避免B/S模式下的編輯功能拓展的完善性不強，網絡數據量負載過大等局限的瓶頸。
1）表示層。系統主要包括系統主界面、操作對話框，其中多文檔系統主窗體由基本菜單項、圖件管理器、數據庫管理器構成系統主界面，子窗體由圖層控制模塊、站點管理模塊、要素折線圖模塊、動態展示模塊構成。
2）邏輯層。包括核心開源制圖ZedGraph類庫和Engine提供的具體操作地圖的類庫如GeoDatabase類庫、GISClient類庫、DataSourcesFile類庫、3DAnalyst類庫等，這些類庫將配合系統實現制圖，動態展示等功能[11]。
3）數據層。包括底層數據庫，數據文件、GIS二次開發平臺空間數據庫，數據庫訪問類DataAccess。
2.2 系統數據處理過程
系統數據處理過程經過4個層次進行，包含從底層到頂層依次連接的設備層、通信解析層、匯聚處理層和表示層（圖4）。
1）設備層。設備層與通信解析層通過GPRS或3G/4G網絡進行遠程通信。設備層實現各氣象自動站的無縫接入，該層兼容了基準站、基本站、一般站、區域站及衛星通信站等，將數據通過上述方式傳遞給通信解析層。
2）通信解析層。通信解析層在整個系統框架中起到承上啟下的作用，通過防火墻實現自動氣象站數據和中心服務站的通信和數據解析，數據解析為該層核心功能。
3）匯聚處理層。匯聚處理層實現對通信解析層傳入的數據進行收集和質量控制，最后進行入庫處理。
4）表示層。表示層實現對數據處理狀態的監視記錄、數據統計、參數管理、數據庫備份、文件處理、文件傳輸。數據采集在設備層完成，數據預處理在通信解析層完成，數據質控、分類以及入庫在匯聚處理層完成。
2.3 系統總體設計
根據基于GIS的海洋氣象綜合觀測應用平臺系統業務需求，需對系統的結構和主要功能進行合理設計，對用戶界面進行友好性、方便性、直觀性統一設計，系統主要設計包含如下模塊。
1）數據庫操作模塊。此模塊主要用于控制系統與數據庫之間的連接，登錄數據庫身份驗證包括數據源、用戶名、密碼、服務器圖層路徑設置等。通過對上述設置的修改可以實現對后臺數據庫、圖層文件數據庫以及空間數據庫的連接。
2）站點基本信息Tip展示模塊。利用GIS技術中閃爍Tip框提示的方式實現觀測平臺系統近海海域站點信息的查詢，包括區站號、經度、緯度、觀測平臺海拔高度、采集器型號等。
3）站點信息管理模塊。該模塊包含刪除歷史文件、站點統計信息、站點信息管理3個子模塊，實現對站點正常和異常狀態信息統計、站點信息的查詢、添加、刪除、修改、站點信息導入等。
4）站點歷史信息記錄模塊。該模塊用于對常規要素、海洋要素基本信息的查詢以及備份導出，為分析海洋氣候變化規律提供直接數據依據。數據獲取的方式有兩種，分鐘要素和整點時間要素。
5）海洋要素變化曲線模塊。該模塊主要是基于時間跨度對海洋要素進行分析，平臺使用ZedGraph將要素按照時間制圖，對近海海域氣象要素隨時間變化規律進行分析，這對于海洋氣象要素信息數據挖掘、未來預報預警提供有力的評估基礎。
6）要素數據最近記錄查詢模塊。該模塊主要方便觀測人員能夠實時對最近數據進行檢索查詢以傳遞最新訊息。
7）要素動畫展示模塊。該模塊是基于空間跨度對海洋要素進行分析，主要是按照要素分布的強度和密度，把檢測值相同的點用線連接起來形成等值線，在空間地理信息基礎上對近海海域的監控數據進行分析推算，實際是按照每秒刷新（風速、溫度、氣壓等）柵格圖層方式進行操作[10]。
8）其他子模塊。包括鷹眼子模塊用于控制地圖視野，海區選擇子模塊可以實現對多種近海海域站點的定位選擇，在菜單中包括對地圖的放大、縮小、拖動、全視野、框選放大、框選縮小等，顯示浮標站點在指定時間點溫度、氣壓、波浪分布狀況及畫面顯示等功能。主菜單模塊中包含頁面設置、打印預覽、打印、系統設置等功能，在地圖模塊中有底圖和制版兩個子功能以及對系統登錄時間、當前坐標、比例尺的記錄。系統基于時間跨度和空間跨度對海洋要素數據進行檢索、分析、評價以及管理，借助分析的結果信息可以在很大程度上反映海洋環境質量和變化規律，為決策機構預警提供可靠的依據。圖5為系統總體設計框架圖。
3 系統的運行
系統采用C#語言和最新的.NET技術編程，同時結合Oracle 10 g大型數據庫，提高了系統處理數據的能力，并大大降低了應用程序開發的復雜性，系統采用C/S架構，對于系統的穩定性以及拓展性提供了很大的保障。其次使用了GIS技術（二次開發Engine組庫）對多種圖層類型的數據進行處理，其中動態生成并刷新地圖的方式非常直觀簡潔地將海洋信息變化趨勢展示出來，提高了系統的使用性[11]。系統運行環境為Windows 7，實際運行效果表明系統各項性能良好，能夠滿足客戶的基本需求。系統部分運行效果圖如圖6、圖7所示。
4 小結
基于GIS的海洋氣象綜合觀測應用平臺系統設計目的在于滿足環境監測業務分析以及海洋自身管理的需要，實現對海洋要素數據的分析和評估，提高海洋災害預警預測的準確性。該平臺優勢在于：①對采集器采集的數據進行合理的數據質量控制；②采用多線程的操作方式對海量數據進行入庫處理；③采用數據插值算法對海洋氣象數據進行推理和估計。
由于系統涉及到要素數據量較大、內容復雜、圖層數據生成量大，系統在運行過程中還存在數據處理速度緩慢的問題，未來系統將在數據處理、代碼優化等方面作進一步的完善。
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