面向GIS表達與分析的氣象符號繪制庫設計與實現

路明月， 劉 彬， 陳 旻， 王 軒， 鄭建琴， 毛遠翔

(1. 南京信息工程大學，江蘇省氣象災害重點實驗室，江蘇 南京 210044；2. 南京師范大學虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3. 南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇 南京 210044；4. 香港中文大學太空與地球信息科學研究所，香港 沙田 999077)

面向GIS表達與分析的氣象符號繪制庫設計與實現

路明月1,3， 劉 彬1,3， 陳 旻2,4， 王 軒1,3， 鄭建琴1,3， 毛遠翔1,3

(1. 南京信息工程大學，江蘇省氣象災害重點實驗室，江蘇 南京 210044；2. 南京師范大學虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3. 南京信息工程大學地理與遙感學院，江蘇 南京 210044；4. 香港中文大學太空與地球信息科學研究所，香港 沙田 999077)

針對目前地理信息系統(GIS)軟件中對氣象符號支持的不足，通過對氣象領域中所涉及的符號進行特征分析及其邏輯分類，構建了對應的幾何空間數據模型，并采用不同的“樣式”表征具體的氣象符號，以“幾何對象+樣式”的形式完成氣象符號對象的構建。在此基礎上，基于GDI+實現各種氣象符號的矢量繪制，并封裝形成可供直接調用氣象矢量符號繪制庫，為基于GIS的氣象數據信息的表達和分析提供支撐。最后實例驗證了本氣象符號繪制庫的正確性與實用性。

氣象符號；符號庫；地理信息系統；可視化

地理信息系統(geographic information system，GIS)以空間世界的表達分析為己任，尤其在空間數據分析方面具有強大的優勢，因此借助 GIS實現對氣象數據的表達描述以及分析具有重要意義，可以有效彌補氣象專業可視化工具在空間分析領域的不足。由于GIS與氣象領域多年來平行發展，目前 GIS在氣象數據的處理方面還有待完善，尤其是缺乏必要氣象符號庫的支持，使得 GIS難以直接對氣象信息進行可視化表達[1-2]，給GIS與氣象領域的融合帶來很大阻礙。氣象符號是氣象信息表達的重要形式，也是實現 GIS對氣象信息可視化的直接載體，目前主流的 GIS軟件平臺如ArcGIS等提供了豐富的符號繪制方法，但是在面向氣象專業領域應用，尤其是符合氣象專業領域規范和習慣的氣象數據可視化表達方面還不能滿足專業的應用需求；而氣象專業領域的可視化軟件如MICAPS[3]，MeteoInfo[4]等集成了可供用戶使用的氣象符號，但是沒有形成邏輯獨立、具有較高通用性以及可擴展性的氣象圖形符號庫，難以與 GIS集成，并且這些氣象符號往往以圖片的形式存在，缺少必要的數據模型支持，難以進行集成地理信息的空間分析。針對以上問題，本文立足于氣象與 GIS的耦合，結合氣象專業領域的實際應用，以“幾何對象+樣式符號”為宏觀組織結構，以點狀、線狀、以及面狀符號的主導對象構建氣象符號繪制庫，提供封裝的繪制接口，滿足矢量天氣圖的制作需求，實現氣象信息的可視化表達，為基于GIS的氣象信息空間表達與分析奠定基礎，為氣象GIS的平臺建設提供可視化組件支持。

1 氣象符號邏輯分類

根據氣象領域的制圖實際需要以及制圖習慣與規范，本文對氣象領域所涉及的符號進行了深入調研分析[5]，參照地圖符號的分類規則[6-12]，將氣象符號宏觀的邏輯分類為氣象點狀符號、線狀符號和面狀符號 3大類。點符號用于描述具有點狀特征的氣象數據，主要包括：云、霧、煙塵、沙、風、雷電、雪、雨、氣壓系統等；線符號于描述具有線狀特征的氣象數據，主要包括：等值線、路徑線、分析線、鋒等 4大類；面符號用于描述具有面域特征的氣象數據，主要包括：等值面、氣壓帶、氣候區、天氣現象以及自定義氣象面等。其每一種分類都擁有自己具體的氣象符號分支，如云符號包含了具體的各種云總量符號、云形狀符號以及云時態符號等，可更準確地描述出云對象的特征。具體分類如表1所示。

2 氣象符號庫的設計與實現

從空間幾何角度出發，符號可以看作是具有一定樣式的幾何對象的組合，因此幾何對象與樣式可以看作氣象符號的兩個基本構建要素。基于此，本文從這兩方面分別進行設計構建對應的幾何對象模型庫以及氣象符號樣式庫，以此實現對氣象符號庫的設計與實現。

2.1 氣象符號幾何模型庫設計

為了能夠更好地與 GIS集成，氣象符號幾何模型庫的設計在面向氣象信息可視化表達的同時，兼顧 GIS數據的分析功能。該類庫宏觀上分為點類、線類、面類3種幾何對象(圖1)。其中點類分為單點與多點；線類分為簡單線段類(主要包括圓弧、橢圓弧、線段等)和多段線類(主要包括多義線、貝耶斯曲線和環等)；面類分為簡單的幾何面片類(主要包括三角形、三角條帶、四邊形、六邊形等常見多邊形對象)和Polygon面類(主要包括簡單 Polygon類、鏤空 Polygon類以及待擴充Polygon類)。這種邏輯分類能夠適應不同氣象符號的靈活表達，無論是簡單的還是復雜的氣象符號，其在幾何形態上都可以通過這些基本幾何對象及其組合的方式實現。因此該幾何對象模型為氣象符號的構建提供了必需的“空間骨架”，為氣象符號信息與地理信息的耦合分析提供支持。

2.2 氣象符號的樣式類庫設計

空間幾何對象是符號的“骨架”，而樣式則是符號的外在表現。幾何對象結合不同的繪制樣式得到不同的符號。因此樣式與氣象符號具有很強的關聯性。本文根據氣象符號的邏輯分類將樣式也宏觀分為對應的 3類：氣象點樣式、氣象線樣式和氣象面樣式。為了便于應用，本研究中針對云、霧、煙塵、風沙、風(風暴)、雷電、雪、雨、氣壓系統等分別設定對應的特定樣式，并歸為點樣式類中，每一類中封裝其特定的屬性參數及操作方法。為等值線、路徑線、分析線、鋒也分別設定對應的特定樣式，歸為線樣式一類；并將其各自的線型、線寬、顏色等基本屬性及其函數成員封裝。針對等值面、氣壓帶、氣候區、天氣現象等面符號也設定各自特定的面樣式類，對于每一種樣式類都封裝其各自對應的特定屬性參數及操作方法。這樣設計使其各司其職，具有更好的針對性，能夠靈活地應對氣象領域對符號的多方位需求。其對應的樣式庫結構如圖2所示。

表1 氣象符號邏輯分類

圖1 氣象符號庫的幾何對象模型關系圖

圖2 氣象符號樣式類邏輯結構圖

2.3 氣象符號繪制庫的實現與封裝

本文采用GDI+繪圖接口，以參數化的方法實現氣象符號的底層繪制，GDI+是 Microsoft的新.NET Framework類庫，用于圖形編程，提供的主要功能有矢量圖形輸出、光柵圖形輸出和文字排版等[13]。參數化的繪制方法具有繪制精度高和數據量小的優點，有利于氣象符號類庫的調用簡易與高效，可以保證符號繪制的高質量顯示[14-15]，因此本文選用矢量方式進行符號的繪制，可以更好地表現氣象信息。

(1) 點符號的繪制。氣象點狀符號的繪制中主要進行兩部分工作：①定位點的確定；②幾何對象的分解繪制。對于氣象點狀符號而言，其雖然代表點，但是其在表現上往往以“圖標”的形式出現，具有一定“面積”，哪個部位是其所代表的點，需要先確定。在本圖形庫的設計中，對于一般符號遵循幾何圖形的中心點為定位點的規則，也就是將該符號外包矩形的中心位置設為其定位點(圖3(a~b))。但是由于氣象數據的特殊性以及氣象領域的約定習慣，將風符號定位點設定在風羽的下端頂點(圖3(c))。對任一氣象點符號而言，其往往是由若干不同的單一幾何對象組合而成，如云量4的符號由圓、直角扇形以及線段組成(圖4)。因此，在確定了其定位點之后，則以定位點為坐標原點，調用GDI+繪圖接口對各個單一幾何對象按照一定的縮放比例、角度等繪圖參數進行繪制，形成組合的氣象點狀符號。

圖3 點狀氣象符號的定位點示意圖

圖4 云量4的符號組成

(2) 線符號的繪制。對于氣象線符號而言，是由兩個確定的點坐標連接而成，這兩點之間的連線為定位線。氣象線符號往往也是由多個幾何對象組合而成，在繪制時首先根據坐標確定定位線，

設置線型、排列韻律、線高(寬)、偏移量、顏色、透明度等屬性信息，然后沿定位線循環繪制輔助幾何對象。例如在繪制鋒線時，在定位線的方向上計算得到距離起始端點1/3和2/3長度處的兩個坐標點，在這兩個坐標點上繪制出定位線上的輔助幾何對象(圖5)。

圖5 暖鋒符號的分解及繪制示意圖

(3) 面符號的繪制。氣象面狀符號一般有一個有形或無形的封閉輪廓線，通過在輪廓范圍內配置不同的充填內容來表征不同的含義。因此在面符號的繪制中，其充填內容是表征不同天氣信息的關鍵載體。根據氣象領域的實際應用，在本文中重點實現 3種不同的充填：①對于氣象面符號中的等值面、氣壓帶、氣候區等采用符合氣象領域習慣的特定色彩充填；②對于常用的天氣現象(如多云區域等)采用位圖充填，以更好地符合氣象領域的應用習慣；③對于需要進行特殊的氣象矢量符號充填的(如某區域的風向圖等)，則在區域內繪制氣象矢量符號進行充填，本文中稱之為自定義氣象符號充填。

在實現時，前兩種方法可以直接調用GDI+內置的方法進行；在自定義氣象符號充填時，需要確定區域內氣象符號的繪制位置。本文采用外包矩形格網劃分的方式進行，即根據充填符號的大小對充填區域的外包矩形進行網格等距或自定義距離分割，然后針對網格的交點坐標進行判斷，確定其是否在充填區域內，如果在則以該交點為定位點進行特定氣象符號的繪制，進而實現自定義氣象符號的充填繪制(圖6)。

圖6 自定義符號充填示意圖

在此基礎上，本文采用面向對象的方法，設計了氣象符號繪制類，將上述繪制方法進行了實現與封裝，提供統一的調用接口，為氣象符號庫的共享使用提供條件。

3 應用實例

本文采用 C#語言結合 GDI+圖形繪制接口自主研發了氣象 GIS可視化原型系統，對構建的氣象符號庫進行了逐一驗證：首先針對不同的氣象點符號以及線符號進行了驗證性羅列繪制(圖7(a))，同時針對不同的行政區域進行了雷暴、風、雨夾雪等自定義氣象面域符號的繪制(圖7(b))，得到正確的繪制結果。該原型系統對接了氣象專業領域的氣象信息綜合處理系統(meteorological information comprehensive analysis and process system, MICAPS)各類數據，基于構建的氣象符號庫以MICAPS第1類數據(2006年04月12日05時的地面觀測云總量數據，如圖8(a))以及第4類數據(2014年06月01日02時海平面氣壓場數據，如圖 8(b))為例進行了可視化繪制，取得正確的繪制結果，驗證了本研究的正確性與適用性。

圖7 部分氣象符號的繪制效果圖

圖8 基于氣象符號繪制庫的MICAPS第1類和第4類數據可視化效果圖

4 結束語

本研究針對目前 GIS無法直接表達處理氣象數據的現狀，結合行業規范及專業應用習慣深入分析了氣象專業領域的符號特征并進行了邏輯分類，面向 GIS的表達分析進行了氣象符號繪制庫的設計與實現，為 GIS與氣象專業領域的融合進行了有益的探索，為氣象數據的 GIS表達分析奠定了基礎。但是本文中所涉及的符號多為氣象領域目前常用符號，依然有一些比較生僻的符號沒有容納進來，并且繪制過程中如何進一步提高繪制速度等問題將隨著本研究的深入得到進一步解決。

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Design and Implementation of Meteorological Symbol Library for GIS Visualization and Analysis

Lu Mingyue1,3, Liu Bin1,3, Chen Min2,4, Wang Xuan1,3, Zheng Jianqin1,3, Mao Yuanxiang1,3

(1. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment, Ministry of Education of PRC, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 210023, China; 3. Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 4. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hong Kong, Shatin Hong Kong 999077, China)

Geographic information system (GIS) can’t deal with meteorological data directly due to the shortage of necessary meteorological symbol library currently. Therefore, this article analyzes the characteristics of commonly used meteorological symbols and logically classifies the symbols into three types (symbol based on point, symbol based on line, symbol based on area) considering the professional criterion as well as the meteorological application. Then the corresponding spatial geometry models and symbol styles are also constructed to build the meteorological symbol library in the form of the “geometry+style”. All the meteorological symbols in the library are drawn successfully based on GDI+, and packaged as drawing library for GIS usage. The meteorological symbol library constructed in this paper provides support for the presentation and analysis of the meteorological information based on GIS. Keywords: meteorological symbol; symbol library; geographic information system; visualization

P 454; TP 319

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050592

A

2095-302X(2016)05-0592-06

2016-04-27；定稿日期：2016-06-21

國家自然科學基金項目(40901244)

路明月(1978–)，男，江蘇徐州人，副教授，博士。主要研究方向為氣象GIS與氣象空間重構。E-mail：lumingyue@nuist.edu.cn