基于開源GIS的生態質量氣象評價系統

熊文兵， 莫偉華， 丁美花， 王君華， 莫建飛

(1．廣西來賓市氣象局，來賓 546100； 2.廣西氣象科技服務中心，南寧 530022；3.廣西氣象減災研究所，南寧 530022)

0 引言

地理信息系統(geographic information system，GIS)及衛星遙感技術在廣西氣象行業的應用研究已經開展多年，成果豐厚。近年來，廣西利用遙感資料開展了廣西生態質量氣象評價方面的研究，取得了很好的效果。經過逐步的試驗研究，在生態質量氣象評價方面的成果已經投入業務應用[1]。但是，各種評價業務都需要完成多種指數模型的計算，部分指數需要應用GIS計算，圖形產品也需要在ENVI和ArcGIS等平臺上來處理、設計和完成。總之，一份產品的制作過程要經過繁瑣的手工操作才能完成，產品風格由工作人員臨時設計，業務流程沒有標準化。針對以上問題和需求，本研究利用GIS技術，設計開發了廣西生態質量氣象評價業務系統，讓該項業務工作人員能夠方便地利用該系統對氣象觀測數據及MODIS遙感數據進行處理，對廣西生態質量氣象評價指標中的濕潤指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數及災害指數5個指標信息進行提取與計算，并利用GIS生成業務產品，實現業務工作的流程化與標準化。

GIS是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機技術系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術。所有具有空間分布的數據都可以使用GIS進行處理，在國土、林業、農業、水利、測繪、交通、生態、規劃和物流等很多領域有著廣泛的應用[2-7]。近年來GIS技術在我國氣象上的應用迅速發展，方法日趨成熟，成果喜人。如武漢市利用GIS技術建立了長江中游氣象水文預報系統[8]； 湖南省利用GIS技術建立了山洪災害預警系統[9]； 沙莎等[10]研發了“氣象災害評估系統(干旱模塊)”； 吳盛洪[11]研發了“氣象服務監控管理平臺”； 董學士等[12]設計開發了“氣象查詢服務系統”； 李軒等[13]開發了“農作物病蟲害氣象等級預報系統”； 熊文兵等[14]與施益強等[15]分別在基于多普勒雷達數據可視化的基礎上研發了預警系統； 高大偉等[16]則研究了風云氣象衛星數據的應用。

常見GIS應用開發使用的地圖組件有很多種，功能和效果各有不同。目前免費的開源GIS平臺越來越受到開發人員的青睞。開源GIS組件具有小巧方便、效率高和靈活性強等特點，特別適合輕量級業務應用方面的開發。本研究選擇的開源GIS——MapWinGIS是一個高效的地圖引擎，放大、縮小、漫游速度很快，開發人員對其評價較高。MapWinGIS是一套二次開發組件庫，其核心庫是一個名字為MapWinGIS的ActiveX控件，開發人員可以利用這個組件在已有系統中添加GIS相關功能，其二次開發環境支持VB和C#等語言。

1 系統功能設計

系統主體框架包含3部分： GIS功能模塊、氣候條件分析模塊和生態質量指數計算模塊。GIS功能模塊主要包括地圖管理、圖層管理、地圖縮放和漫游等； 氣候條件分析模塊包括月份與季度氣候資料的累加計算、距平計算和數據分析功能，主要任務是生成平均氣溫分布圖、平均氣溫距平分布圖、降水量分布圖、降水量距平百分率分布圖、日照時數分布圖和日照時數距平分布圖等圖件產品； 生態質量指數計算模塊實現濕潤指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數和災害指數等的計算及評價分析。

系統功能布局設計為常規的帶菜單欄的模式窗體(圖1)。布局設計包括功能菜單欄+工具條、地圖框+操作欄選項卡。地圖圖層操作設計為常用的樹目錄結構。主功能菜單包括文件、氣候條件分析、評價指標、地理信息、窗口和幫助等(圖2)。

圖1 系統運行界面

圖2 系統功能菜單結構

2 主要功能實現

系統的功能是依據業務流程進行設計的，功能的編排也按照業務操作順序進行。按照功能屬性的不同可以分為數據分析處理功能、GIS操作功能和產品制作功能3個類別。

2.1 數據分析處理功能

數據分析處理主要是為了得到分析結果的表格或圖形等業務產品而進行的初步工作，包括氣候條件數據即氣溫、降雨和日照等的網格化分析，柵格距平圖的計算及MODIS衛星數據的計算處理。

2.1.1 氣候條件數據網格化

廣西各氣象臺站的常規觀測資料(氣溫、降雨和日照等)僅代表該站點所在地的氣象要素值，不能全面真實反映廣西全區范圍內氣候資源的整體分布特征，為比較客觀真實地反映廣西不同區域的氣候資源狀況，需建立氣候要素隨地理因子變化的空間分析模型，即

Y=f(φ,λ,h,β,θ)+ε，

(1)

式中：Y為氣候要素(如氣溫、降雨和日照時數等)；φ,λ,h,β,θ分別為緯度、經度、海拔高度、坡向、坡度等地理因子；ε為余差項，稱為綜合地理殘差，可視為φ,λ,h,β,θ所擬合的氣候學方程的殘差部分。若用Y*表示臺站實測值，則

ε=Y*-f(φ,λ,h,β,θ) 。

(2)

將廣西各臺站(92個常規站及1 500多個自動站)所測的氣溫、降雨及日照時數等氣候要素與各站點所在地的緯度、經度、海拔高度、坡向和坡度等地理因子采用回歸分析方法建立各氣候要素的空間分析模型f(φ,λ,h,β,θ)。

根據各氣候要素的回歸分析模型，利用事先準備好的1 km×1 km網格上的φ,λ,h,β,θ等地理數據，推算出各氣候要素在1 km×1 km網格上的分布值，再進行殘差訂正。

殘差訂正方法是： 首先，將所有氣象站點的φ,λ,h,β,θ等地理數據分別代入各回歸方程，得到各氣候要素在站點的推算值； 再根據式(2)，用各站點的實測值與推算值得到殘差項ε； 運用反距離權重法，將ε插值到1 km×1 km網格點上，生成氣候要素的殘差柵格圖； 最后將該柵格圖與前面計算好的氣候資源分布圖進行疊加運算，即得到各氣候要素的實際分布圖。

本系統為了方便業務使用，設計了分析向導，將分析過程流程化。向導分3步：

1)選擇氣候資料，建立擬合方程。在使用對話框將單一的氣候數據文件導入后，系統自動提供要素選擇項供用戶選擇作業的要素(如氣溫)，在執行線性回歸方法后，很快得出擬合方程。系統專門編寫了線性回歸分析的類LineRegress(圖3)。

圖3 系統開發用到的組件(箭頭連接線表示類間的被調用邏輯關系)

2)數據網格化。根據擬合方程，可以得到網格化數據，并按照反距離權重法進行殘差訂正，系統提供選擇項，可以選擇訂正與否，并提供反距離權重的參數設置等。系統專門編寫了反距離權重插值的類IDW(圖3)。

3)出圖。以上計算結果以TIF格式輸出成柵格圖，此步驟提供選擇輸出結果導入系統地圖顯示界面，將TIF文件作為新圖層添加到地圖。此步驟可以獨立使用。

2.1.2 距平計算

為了得到氣候條件分析的距平圖，系統需要提供距平計算功能。為便于使用，專門開發了可以單獨使用的距平計算子模塊——柵格圖相減，即將歷史數據分布預先計算，也保存為柵格圖。計算距平時利用MapWinGIS的Grid接口同時打開2個柵格文件，執行逐個格點的柵格值相減(若被減值為空值，則不執行)，并將結果另存為新的柵格文件。

2.1.3 MODIS遙感數據處理

系統的綜合評價指數由5個評價指標計算得出，其中植被覆蓋指數需要從MODIS單通道數據(*.Vix)提取并計算得到。為了使用的規范化，專門編寫了此類遙感數據處理的類MODIS。Vix文件為二進制格式，包含了250個字節的文件頭，文件頭包含衛星標識、日期時間、通道、投影方式、分辨率和經緯度范圍等基本信息，以及火災、水體和海水等識別閾值等數據信息。本系統用3個結構體來存放文件頭。處理好文件頭后，用一個二維矩陣來存放指數數據。數據讀取按照文件頭獲取的行列數進行。

為了獲得更加可靠的數據，還需對得到的矩陣數據進行降噪處理。系統以直方圖統計的方法執行降噪，編制了接口，并且提供動態的步長和閾值等參數設置。

2.2 GIS操作功能

系統的GIS操作實現了GIS應用系統的常規功能，即地圖的漫游、縮放和移動等操作，并通過編程實現了圖層管理和屬性設置功能，如圖層的添加和刪除，矢量要素圖層的顏色、大小、形狀以及標注等的設定。

2.2.1 圖層管理

系統利用MapWinGIS提供的Map和LegendControl控件，設計了帶地圖的窗體，并以樹狀目錄的形式設計了圖層管理界面(圖1)。設計快捷工具條，提供圖層管理按鈕和地圖放大、縮小和漫游等基本操作按鈕，并提供圖層屬性查看、圖像輸出和工作向導等快捷按鈕。在菜單欄也可以添加各種預設的邊界地圖，以便使業務人員操作盡量便捷。LegendControl控件負責管理地圖中的圖層，實現圖層顯隱和屬性設置。

2.2.2 圖層屬性設置

MapWinGIS是開源的GIS引擎，提供了豐富的GIS功能接口，能實現大部分地圖和圖層功能，但其并沒有像ArcGIS那樣給出預開發的組件(或控件)，需要開發人員完成圖層管理、屬性和風格設置等功能的交互界面開發。系統針對上述功能，專門開發了圖層屬性設置窗體，將所有的圖層屬性管理集成到一個界面(圖4)。

圖4 地圖圖層屬性設置對話框

除常規的圖層名稱、要素形狀、大小、顏色和標注等，還完成了圖層的分色渲染功能，并實現了常用的多種字段值多種方式的分色，屬性設置比較完善。MapWinGIS的二次開發是開放性的，要實現的交互功能雖然比較麻煩，但是對開發人員來說非常自由。系統運用到的MapWinGIS提供的主要接口或類見圖3。

2.3 產品制作功能

按照業務流程，系統需要根據獲取的各地市濕潤指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數和災害指數等5種生態質量指數的原始統計數據，分別計算各生態質量指數，最后將各指數加權得出綜合評價指數。

2.3.1各生態質量指數的計算

為了方便使用，我們將各生態質量指數的計算界面設計為風格統一的窗體，根據計算的具體對象，對界面做相應的細節調整。

各生態質量指數的具體計算步驟為： 打開相應的資料文件，設置好相應的參數，給定結果保存的路徑，即可執行計算。計算結果保存在文件中，同時顯示在列表控件中，并可以即時加入地圖中瀏覽，也可以單獨打開以前計算好的指數執行瀏覽操作。每個生態質量指數分別計算，其中植被覆蓋指數需要打開遙感數據并執行降噪操作，其余指數的數據文件均為文本文件； 各生態質量指數的數據包含輕、中、重3種程度的統計值，計算時需要按照設定的權重加權，權重在界面中可調。

生態質量指數計算窗口如圖5所示。

圖5 生態質量指數計算對話框

2.3.2 綜合評價指數

綜合評價指數的計算相對簡單。將之前計算得到的各個生態質量指數文件打開，進行加權平均(各評價權重數值的設置不屬本研究內容)，即可得到綜合評價指數。界面提供對各個權重的設置，也提供即時加入地圖中瀏覽和風格設置(圖6)。

圖6 綜合評價指數計算對話框

2.3.3產品制作

系統提供2種方式的產品制作。一種是在上述計算界面得到的指數數值列表中提供右鍵菜單的表格復制功能，表格復制后即可粘貼到服務產品的文檔中； 另一種為圖片產品，即在將指數加入地圖后，可以點擊“圖片輸出”按鈕，調用圖片輸出窗體，窗體即可將地圖中設置好的當前圖層制作為圖片，同時提供標題設置； 還可以將圖片復制到剪貼板，或者將圖片保存為文件，供服務產品的編輯使用。圖片輸出對話框如圖7所示。

圖7 圖片輸出對話框

3 結論

開源GIS在當前的地圖應用開發中日益受到歡迎，其組件小巧方便，具有二次開發方便快捷、效率高和靈活性強等特點，特別適合輕量級業務應用方面的開發。廣西生態質量氣象評價業務系統的研發基本掌握了MapWinGIS的接口和有關類庫的使用方法，為進一步使用該開源組件打下很好的基礎。將開源GIS組件應用到本業務平臺的研發中，是研究業務系統自主開發的一次有益嘗試。

本研究自主開發了多元回歸、反距離插值和遙感數據處理等C#類程序，實現了氣候數據的分析處理、MODIS數據讀取及處理和氣象評價指標分析等功能。利用MapWinGIS的接口和類庫實現了業務平臺中GIS功能的開發，包括地圖的縮放及漫游、圖層管理、數據導入、圖層屬性設置和評價結果顯示等，并利用GIS生成一系列業務產品。該平臺從業務流程需要出發，實現了氣象評價指標中濕潤指數、植被覆蓋指數、水體密度指數、土地退化指數及災害指數5個指標數據的處理及計算，最后得到綜合評價指標。該評價系統為業務工作提供了標準化的工作流程。

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