面向站網(wǎng)(格點)雨量信息處理軟件的設(shè)計與開發(fā)

顧 麗

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

面向站網(wǎng)(格點)雨量信息處理軟件的設(shè)計與開發(fā)

顧 麗

(長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010)

面向站網(wǎng)(格點)雨量信息處理軟件主要針對不同區(qū)域?qū)崪y站網(wǎng)降雨量及數(shù)值預(yù)報模式產(chǎn)品中的格點雨量預(yù)報等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動或?qū)崟r處理,生成豐富多樣的實況雨量圖和預(yù)報雨量圖或表等產(chǎn)品，包括不同時間對象(時段、日、旬、月、季和年度)的實況雨量等值面(線)圖和雨量距平圖、頻次圖，以及不同數(shù)值模式的降雨量預(yù)報圖、分區(qū)面雨量圖或表等。闡述了該軟件的設(shè)計和實現(xiàn)過程，主要包括功能設(shè)計、程序流程設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計及算法設(shè)計等。

雨量信息；信息處理；GIS；等值面

實時掌握長江流域雨量信息對水文預(yù)報工作意義重大[1]。目前，在長江流域已有的水文信息系統(tǒng)中，雨量信息的利用分布在各個系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)處理不一致，有可能發(fā)布成果也不同。將所有雨量產(chǎn)品整合到一個系統(tǒng)，對外提供統(tǒng)一接口很有必要。在水文信息化的大趨勢下，該業(yè)務(wù)的標準化勢在必行。

1 功能介紹

面向站網(wǎng)(格點)雨量信息處理軟件旨在提供豐富多樣的雨量圖形產(chǎn)品，具體包括：①根據(jù)不同的操作模式，系統(tǒng)提供了定時和實時生成兩種模式，定時是指系統(tǒng)到指定時間段自動生成固定起止時間(如時段、日、旬、月)的產(chǎn)品，實時是指系統(tǒng)提供手動生成任意起止時間的產(chǎn)品；②根據(jù)不同的產(chǎn)品類型，系統(tǒng)提供了雨量等值面、距平等值面、分區(qū)面雨量和頻次等值面四大類產(chǎn)品；③根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，系統(tǒng)提供了離散點和網(wǎng)格數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)源生成模式，其中實況雨量數(shù)據(jù)為離散點，預(yù)報雨量數(shù)據(jù)(如歐洲、日本、WRF、T639模式產(chǎn)品)為網(wǎng)格點；④根據(jù)不同的處理范圍，系統(tǒng)提供了長江流域及八大水系、西南諸河等多個范圍；⑤根據(jù)不同的生成結(jié)果，系統(tǒng)提供了圖片和SHP文件兩種格式，圖片適用于了解雨量大致分布情況，矢量圖能給水情和氣象專業(yè)人員作精細化展示，將圖片展示與矢量展示相結(jié)合，增加了演示雨量信息的多樣性[2]。

系統(tǒng)產(chǎn)品清單如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品清單

2 程序設(shè)計

程序的運行流程設(shè)計如下：①程序啟動，初始化產(chǎn)品配置信息，包括產(chǎn)品命名規(guī)則、存儲路徑，定時產(chǎn)品自動生成時間段，等值面產(chǎn)品區(qū)間值及顏色等。②若用戶選擇實時生成，輸入產(chǎn)品起止時間，多范圍產(chǎn)品可選擇具體范圍，程序讀取對應(yīng)產(chǎn)品配置信息，開始生成。③生成結(jié)束后程序記錄產(chǎn)品生成狀態(tài)，若生成成功則顯示產(chǎn)品圖片，生成失敗則顯示錯誤原因。④若用戶選擇定時生成，定時器計時開始。到某產(chǎn)品指定開始時間，計時器停止計時，程序讀取產(chǎn)品配置，開始生成。新生成文件不斷覆蓋舊文件，直到指定結(jié)束時間。⑤程序記錄產(chǎn)品生成狀態(tài)，更新定時產(chǎn)品最近生成結(jié)果表格，計時器再次開始計時，為下一次產(chǎn)品生成做準備。⑥當系統(tǒng)處在實時生成模式時，用戶可以設(shè)置產(chǎn)品配置信息，定時模式不允許修改產(chǎn)品配置。

程序流程如圖2所示。

圖2 程序流程

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

按照系統(tǒng)實際需求，以現(xiàn)有的實時水雨情數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進行業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)的接入和實時空間數(shù)據(jù)的生成。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)庫表的形式物理存儲在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中，方便查詢訪問[3]。在原有實時水雨情數(shù)據(jù)庫上，新增9個表。詳見圖3。

其中以CON開頭的5個表存儲產(chǎn)品各類信息，具體包括產(chǎn)品生成狀態(tài)及錯誤原因、定時產(chǎn)品的生成時間段、等值面產(chǎn)品的等級及對應(yīng)顏色、錯誤編號代表的具體內(nèi)容、產(chǎn)品編號代表的具體內(nèi)容等信息，是系統(tǒng)產(chǎn)品化的數(shù)據(jù)支撐。以QX開頭的4個表存儲站點距平所需信息，其中方案一為148個氣象站30 a逐日雨量平均值，方案二為493個水文、氣象站30 a逐旬、逐月雨量平均值。當系統(tǒng)生成多日距平等值面時，采用方案一中148個站；生成旬、月距平等值面時，站點源為方案二中493個站。

圖3 數(shù)據(jù)庫E-R圖

(1) CON_CPJS產(chǎn)品生成狀態(tài)表。該表包含6個字段，CNAME為流域名稱，CTIME為產(chǎn)品起止時間，CENDTIME為產(chǎn)品生成時間，CSTATE為產(chǎn)品生成狀態(tài)，CERRORID為錯誤編號，CTYPE為產(chǎn)品類型。

(2) CON_CWLX錯誤編號內(nèi)容對照表。該表包含2個字段，CERRORID為錯誤編號，CERRNM為錯誤編號對應(yīng)內(nèi)容。

(3) CON_YLSJ定時產(chǎn)品信息表。該表包含4個字段，CTYPE為定時產(chǎn)品類型，CTIME為生成時間段，CVALUE為最大值，大于此值則不參與計算，CORNOT為是否定時生成。

(4) CON_TONM產(chǎn)品編號名稱對照表。該表包含2個字段，CTYPE為產(chǎn)品編號，CTYPENM為產(chǎn)品名稱。

(5) CON_YLZYS產(chǎn)品等級顏色對照表。該表包含6個字段，CTYPE為產(chǎn)品類型，CCOUNT為等級個數(shù)，CVALUE為等級極小值，下一個等級的極小值為前一個等級的極大值，CCOLORR、CCOLORG和CCOLORB為等級對應(yīng)RGB值。

(6) QX_ST_AVGRAIN方案一30 a逐日平均值表。該表包含4個字段，STCD5為氣象站五位碼，MONTH為月份，DAY為日，AVGDYP為30 a平均雨量值。

(7) QX_ST_XY方案一測站基礎(chǔ)信息表。該表包含4個字段，STCD5為氣象站五位碼，STNM為測站站名，X為測站經(jīng)度，Y為測站緯度。

(8) QX_ST_AVGRAIN_NEW方案二30 a旬月平均值表。該表包含5個字段，STCD為測站八位碼，其中雨量站359個，水文站88個，水位站35個，水庫站9個，堰閘站2個；MONTH為月份；DAY為日；AVTYPE為旬月標志； AVPR為旬或月30 a雨量均值。

(9) QX_ST_XY_NEW方案二測站基礎(chǔ)信息表。該表包含4個字段，STCD為測站八位碼，STNM為測站站名，LGTD為測站經(jīng)度，LTTD為測站緯度。

4 算法原理

該系統(tǒng)支持雨量等值面、距平等值面、頻次等值面及分區(qū)面雨量四大類產(chǎn)品生成功能。其中雨量、距平和頻次3種產(chǎn)品在數(shù)據(jù)的處理上有所不同，算法上都可歸結(jié)為等值面生成算法。該算法經(jīng)歷了插值成網(wǎng)、追蹤成線和填充得面[4]，得到的中間成果是以輸入站點(網(wǎng)格)經(jīng)緯度為邊界的外接矩形等值面；后續(xù)還包括簡化、除重、裁切、排序、渲染、計算籠罩面積和輸出等操作，最終成果是指定范圍邊界內(nèi)的不帶島等值面，這中間的每一步都有其必要性。

將外接矩形等值面處理得到指定范圍等值面，可使用裁切操作。但GIS提供的裁切算法只針對不帶島多邊形，所以在裁切之前要將帶島多邊形簡化。簡化后的多邊形可以與指定邊界進行裁切[5]，但此時存在重復(fù)多邊形問題。為了盡可能簡單地描述問題，以下例子是最容易的帶一島多邊形。(在實際情況中，帶多島及島中帶島很常見，其原理與以下例子類似，在此不作說明。)

圖4中包括兩個多邊形，多邊形A為帶島多邊形，區(qū)間為0～10，用淺色填充；多邊形B為簡單多邊形，區(qū)間為10-25，用深色填充。將帶島多邊形A簡化后得到圖4中A1和A2兩個簡單多邊形，其區(qū)間都為0～10。從圖中可以看出多邊形A2與B除了區(qū)間不同外，其它完全一致。若不處理重復(fù)多邊形A2會出現(xiàn)兩個問題：①GIS默認渲染是根據(jù)FID先后順序依次渲染各元素，若多邊形A1的FID值大于多邊形A2和B，系統(tǒng)會先渲染多邊形A2和B，導(dǎo)致這兩個多邊形被A1遮擋，出現(xiàn)等值面失真的錯誤；②計算籠罩面積時會重復(fù)計算區(qū)間為0～10(即A2所表示的區(qū)間)值，出現(xiàn)籠罩面積計算出錯的情況。

圖4 帶島多邊形簡化

以上兩種問題可以通過兩步操作來解決。針對渲染失真的情況，可以先按多邊形面積排序再渲染來實現(xiàn)，多邊形按面積從大到小排序后，系統(tǒng)先渲染面積大的多邊形再渲染面積小的多邊形，這樣面積小的多邊形只會疊加在面積大的多邊形上，不會出現(xiàn)被遮蓋的情況。針對籠罩面積重復(fù)計算的情況，可以在多邊形簡化操作時，將所有島(在圖4中對應(yīng)多邊形A2)都去掉；然后利用GIS空間分析算法求得每個多邊形的實際籠罩面積。

求多邊形的實際籠罩面積存在3種情況：①多邊形內(nèi)不包含其他多邊形，如圖5中多邊形A和B，用深色圓形表示；②多邊形內(nèi)包含一個多邊形，如圖5中多邊形C所示，用中間色圓形表示；③多邊形內(nèi)包含不止一個多邊形，如圖5中多邊形D所示，用淺色矩形表示。

圖5 籠罩面積計算的3種情況

對于多邊形A和B，其籠罩面積即為多邊形面積SA和SB；對于多邊形C，其籠罩面積為SC-SB；對于多邊形D，其籠罩面積為SD-(SC+SA)。

5 結(jié) 語

面向站網(wǎng)(格點)雨量信息處理軟件系統(tǒng)旨在提供豐富多樣的雨量產(chǎn)品、包括實況雨量產(chǎn)品、預(yù)報雨量產(chǎn)品，距平圖產(chǎn)品和面雨量產(chǎn)品。對于起止時間固定的產(chǎn)品，無需用戶干預(yù)，到固定時間點自動生成，保證用戶能即用即看；對起止時間不確定的產(chǎn)品，系統(tǒng)也提供了相應(yīng)接口，增強了與用戶互動的多樣性。系統(tǒng)能定時高效地生成各種產(chǎn)品，并能估算出不同雨量區(qū)間的籠罩面積，對長江流域防汛降雨預(yù)報具有重要的參考價值。

[1] 陳繪絢.GIS在水文信息化中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].中國科技信息，2011(1):16-17.

[2] 楊鵬.關(guān)于建設(shè)“智慧長江”的思考[J]，人民長江，2014，45(23):30-34.

[3] Andy Mitchell.GIS空間分析指南[M].張旸譯.武漢：測繪出版社，2011.

[4] 蔣瑜.杜斌.盧軍.基于Delaunay三角網(wǎng)的等值線繪制算法[J].計算機應(yīng)用研究，2010，27(1):101-103.

[5] 帥向華.侯建盛.劉欽.基于地震現(xiàn)場離散點災(zāi)情報告的災(zāi)害空間分析模擬研究[J]. 地震地質(zhì),2009，31(2):321-333.

(編輯：唐湘茜)

2017-03-31

顧麗，女，長江水利委員會水文局，碩士，助理工程師.

1006-0081(2017)06-0043-04

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