基于GIS的氣象信息集成與可視化系統(tǒng)

甘泉

摘 要 伴隨著GIS技術(shù)的推廣與發(fā)展，現(xiàn)將其應(yīng)用在氣象數(shù)據(jù)中能夠更加清晰、直觀地表達(dá)不同氣象數(shù)據(jù)，更好的科學(xué)預(yù)報(bào)決策服務(wù)提供可視化氣象資料。GIS集成了儲(chǔ)存、管理、搜集、管理、顯示等技術(shù)，具有地理信息功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠解決大量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。但是，怎樣通過(guò)氣象數(shù)據(jù)融合GIS解決氣象科學(xué)研究與業(yè)務(wù)，成為重要研究課題，具有重要影響。

關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng)；氣象信息集成；可視化系統(tǒng)

中圖分類號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）206-0083-02

目前，全球范圍內(nèi)進(jìn)行了GIS技術(shù)應(yīng)用于氣象研究與嘗試，效果顯著。不過(guò)，仍然存在諸多問(wèn)題，有待進(jìn)一步研究，大部分系統(tǒng)是基于原有商業(yè)GIS技術(shù)條件下展開(kāi)延伸。不過(guò)，在今后發(fā)展中伴隨著GIS的不斷成熟，GIS強(qiáng)大空間分析在氣象數(shù)據(jù)分析與處理中將發(fā)揮重要影響。

1 氣象數(shù)據(jù)的GIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變

1.1 GIS數(shù)據(jù)定義與GIS氣象數(shù)據(jù)

GIS數(shù)據(jù)作為一種抽象的技術(shù)，應(yīng)用GIS數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行地理信息搜集、顯示、搜集等。GIS數(shù)據(jù)類型總體上可以劃分為矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)，其中，矢量數(shù)據(jù)僅是點(diǎn)線面數(shù)據(jù)；柵格數(shù)據(jù)包含游程編碼、八叉樹(shù)數(shù)據(jù)、柵格矩陣數(shù)據(jù)等。

通過(guò)對(duì)GIS數(shù)據(jù)類型、特征分析，想要讓多樣化的氣象數(shù)據(jù)靈活展示，經(jīng)過(guò)氣象數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與顯示效果研究，最終通過(guò)矢量數(shù)據(jù)表達(dá)氣象數(shù)據(jù)。一方面，無(wú)法通過(guò)矢量數(shù)據(jù)表達(dá)不同氣象數(shù)據(jù)，例如：MICAPS的日本專題圖與u衛(wèi)星云圖，而是通過(guò)圖像數(shù)據(jù)形式保存與顯示。矢量數(shù)據(jù)能夠清晰地看出氣象要素的空間地理位置，例如，自動(dòng)氣象站溫度、壓力、風(fēng)力等。另一方面，經(jīng)過(guò)MICAPS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)構(gòu)成與顯示，能夠?qū)ICAPS數(shù)據(jù)分為點(diǎn)數(shù)據(jù)與面數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)能夠達(dá)到離散觀察信息的空間表現(xiàn)。所以，將MICAPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)制成影響數(shù)據(jù)，而MICAPS6類數(shù)據(jù)為圖像數(shù)據(jù)格式的傳真圖。所以，數(shù)據(jù)也為圖片數(shù)據(jù)格式。通過(guò)GIS氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用流程不難看出，不同氣象數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)提取、轉(zhuǎn)為GIS氣象數(shù)據(jù)。隨后，將GIS氣象數(shù)據(jù)列入空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，為GIS可視化與集成化創(chuàng)造條件。

1.2 GIS數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)形成

氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)，GIS可視化主要用于專題制圖形式疊加不同氣象數(shù)據(jù)。所以，不同GIS氣象數(shù)據(jù)應(yīng)提前保存在空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。不過(guò)，在展開(kāi)氣象要素參數(shù)搜集時(shí)應(yīng)對(duì)氣象要素展開(kāi)統(tǒng)計(jì)處理，確保搜集結(jié)構(gòu)提高搜集效果。想要有效展現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)搜集結(jié)果的空間特點(diǎn)，達(dá)到GIS的可視化形式，還應(yīng)將搜集結(jié)果轉(zhuǎn)為GIS空間信息。

例如，自動(dòng)氣象站風(fēng)速參數(shù)搜集，在搜集一段時(shí)間中不同自動(dòng)氣象站的風(fēng)速與對(duì)應(yīng)風(fēng)向時(shí)，經(jīng)過(guò)搜集關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)信息得到搜集結(jié)果的數(shù)據(jù)單。該過(guò)程中，結(jié)合顯示要求通過(guò)地圖方式展現(xiàn)不同自動(dòng)站風(fēng)速、風(fēng)向以及時(shí)間名稱等。因?yàn)樽詣?dòng)氣象站為分離形式，所以，地理圖展現(xiàn)的站點(diǎn)信息能夠通過(guò)點(diǎn)數(shù)據(jù)方式展開(kāi)。其空間點(diǎn)數(shù)據(jù)流程為：第一，在GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)的某個(gè)數(shù)據(jù)源形成空點(diǎn)數(shù)據(jù)。第二，分析數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)生成狀態(tài)；若未形成則表示失敗應(yīng)繼續(xù)構(gòu)建。反之，新創(chuàng)建的點(diǎn)數(shù)據(jù)展開(kāi)空間點(diǎn)數(shù)據(jù)融入。空間點(diǎn)數(shù)據(jù)是通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)方式增加入點(diǎn)數(shù)據(jù)內(nèi)，將全部坐標(biāo)點(diǎn)加入后將各空間點(diǎn)屬性信息填入點(diǎn)數(shù)據(jù)的屬性表內(nèi)。第三，空間數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)更新與儲(chǔ)存點(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)束GIS數(shù)據(jù)形成。

2 GIS的氣象信息集成與可視化系統(tǒng)實(shí)例分析

筆者以某地區(qū)氣象局的氣象GIS平臺(tái)設(shè)計(jì)要求為例，展開(kāi)系統(tǒng)技術(shù)路線、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系、功能模塊等設(shè)計(jì)。應(yīng)用GIS氣象數(shù)據(jù)搜集、處理、可視化表達(dá)等展開(kāi)了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MICAPS系統(tǒng)、NoCAWS系統(tǒng)展開(kāi)對(duì)比，提出通過(guò)GIS技術(shù)展現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，使其研究發(fā)揮更大應(yīng)用價(jià)值。

2.1 GIS技術(shù)思路

GIS的多源氣象觀測(cè)信息的綜合處理設(shè)計(jì)需要借助Window操作系統(tǒng)、GIS技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的專業(yè)系統(tǒng)，綜合了自動(dòng)站信息、雷達(dá)基數(shù)據(jù)與MICAPS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不同氣象數(shù)據(jù)。通過(guò)豐富的地理信息數(shù)據(jù)展開(kāi)數(shù)據(jù)的綜合處理和研究，生成高質(zhì)量制圖和輸出，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)氣象業(yè)務(wù)功能、天氣預(yù)警功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)秉承著適用性、安全性原則。將分析焦點(diǎn)放在怎樣融合地理信息數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS平臺(tái)處理與可視化多源氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、清晰的氣象產(chǎn)品。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃

經(jīng)過(guò)Net技術(shù)達(dá)到SuperMap構(gòu)件式二次研發(fā)，通過(guò)SuperMap？Object.Net6R構(gòu)件單元：地圖單元、數(shù)據(jù)單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變等，達(dá)到對(duì)GIS空間數(shù)據(jù)的全過(guò)程處理，讓生成的專題地圖發(fā)揮有效作用，達(dá)到與氣象文本數(shù)據(jù)的無(wú)縫處理與對(duì)接要求。所以通過(guò)融合應(yīng)用GIS構(gòu)件單元，能夠結(jié)合具體應(yīng)用構(gòu)件不同單元模塊，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)，生成專業(yè)的、滿足要求的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

想要達(dá)到基本發(fā)展需求，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)形式不僅可以把原有GIS基礎(chǔ)操作功能與單元功能融合為系統(tǒng)主體，也可以結(jié)合后續(xù)發(fā)展需求經(jīng)過(guò)添加構(gòu)件控件達(dá)到新功能的添加與運(yùn)用。后續(xù)增添功能無(wú)需修改系統(tǒng)主體，只要重新編制流程即可。所以，系統(tǒng)有著較強(qiáng)的延伸性與適用性。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體制

因?yàn)闅庀髷?shù)據(jù)必須要進(jìn)行處理進(jìn)而轉(zhuǎn)為GIS空間數(shù)據(jù)，所以，想要確保系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮，協(xié)調(diào)相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了有三層邏輯結(jié)構(gòu)的C/ S結(jié)構(gòu)體制。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)處理、保存、用戶操作，有效達(dá)到業(yè)務(wù)邏輯互不影響，有目的的應(yīng)用各類計(jì)算機(jī)減少系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，營(yíng)造良好的運(yùn)行條件。通過(guò)各層邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為C/S總體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。其中，數(shù)據(jù)處理層與保存層屬于服務(wù)層，協(xié)調(diào)不同氣象數(shù)據(jù)和GIS結(jié)合矛盾，有效阻止、保存和管理，排除氣象數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)矛盾，為GIS氣象信息集成和可視化創(chuàng)造了數(shù)據(jù)平臺(tái)。不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了龐大的氣象數(shù)據(jù)高速處理與多用戶操作環(huán)境矛盾，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的核心問(wèn)題，為系統(tǒng)的作用發(fā)揮創(chuàng)造條件。

2.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

立足于系統(tǒng)技術(shù)路線、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、架構(gòu)體系等結(jié)合某地區(qū)氣象局業(yè)務(wù)要求制定了功能相對(duì)集中的氣象GIS平臺(tái)系統(tǒng)。

第一，地圖管理，其主要作用是地圖的放大、縮小、量角面積與角度計(jì)算、地圖儲(chǔ)存、打印等。系統(tǒng)內(nèi)地理信息地圖通過(guò)分層可視化形式支撐地圖各層移動(dòng)效果。針對(duì)氣象中的預(yù)報(bào)產(chǎn)品根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行前進(jìn)后退，能夠看到不同時(shí)間段的地圖。

第二，數(shù)據(jù)處理。基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)條件下，想要達(dá)到氣象業(yè)務(wù)要求還應(yīng)對(duì)多源氣象數(shù)據(jù)綜合分析，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的GIS展開(kāi)動(dòng)態(tài)跟蹤，達(dá)到自動(dòng)氣象站狀態(tài)顯示。

第三，數(shù)據(jù)查找。該系統(tǒng)主要作用是發(fā)揮自動(dòng)氣象站搜集與雷達(dá)播放。雷達(dá)、衛(wèi)星查找能夠在既定時(shí)間中通過(guò)動(dòng)態(tài)方式查找雷達(dá)或衛(wèi)星產(chǎn)品。雷達(dá)產(chǎn)品有回波頂高、垂直液態(tài)水含量、基本徑向速度等。雷達(dá)衛(wèi)星產(chǎn)品分為可見(jiàn)光、水汽、紅外線不同形式。自動(dòng)氣象站查找多為風(fēng)、溫度、降雨查找。

第四，信息可視化表現(xiàn)。首先，自動(dòng)氣象站氣象信息搜集結(jié)果可視化表現(xiàn)與雷達(dá)信息的可視化表達(dá)多選擇GIS專題制圖中的范圍分段專題圖的制圖形式。隨后，增加相關(guān)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，生成色斑圖的效果。其次，自動(dòng)氣象站不同氣象要素實(shí)時(shí)顯示與天氣變化預(yù)警地圖多選擇標(biāo)簽專題圖與自定義標(biāo)簽專題圖形式。根據(jù)基礎(chǔ)地理信息填入不同要素的標(biāo)簽專題圖，從而達(dá)到可視化。最后，針對(duì)MICAPS的填圖地圖多選擇標(biāo)簽專題圖制圖形式：氣象風(fēng)標(biāo)等符號(hào)建議選擇自動(dòng)以標(biāo)簽專題圖，提前定義的資源符號(hào)庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)各種類型的風(fēng)標(biāo)。

這樣一來(lái)，結(jié)合風(fēng)的方向與大小顯示有關(guān)封標(biāo)符號(hào)。氣象要素場(chǎng)的制圖形式多針對(duì)相關(guān)的線數(shù)據(jù)集展開(kāi)風(fēng)格設(shè)計(jì)；同時(shí)，不同線中的屬性參數(shù)制作標(biāo)簽專題圖。隨后，添入基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)后達(dá)到氣象要素場(chǎng)的可視化。

3 結(jié)論

GIS氣象數(shù)據(jù)搜集、處理、可視化表達(dá)等展開(kāi)了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MICAPS系統(tǒng)、NoCAWS系統(tǒng)展開(kāi)對(duì)比，提出通過(guò)GIS技術(shù)展現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，使其研究發(fā)揮更大應(yīng)用價(jià)值。盡管對(duì)自動(dòng)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)、MICAPSA業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源氣象數(shù)據(jù)在GIS平臺(tái)中顯示、搜集，滿足氣象業(yè)務(wù)要求。不過(guò)，也存在一定不足，有待進(jìn)一步完善。本文主要對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了詳細(xì)分析，數(shù)據(jù)格式僅是單一的轉(zhuǎn)換處理與可視化表達(dá)，在未來(lái)發(fā)展中還應(yīng)融合多元?dú)庀髷?shù)據(jù)的應(yīng)用。

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