淺談利用GIS技術完成農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的分析

張 研，王曉楠，李曉晨，張立軍，吳振明，李文楓，李金霞，黃峰華

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，黑龍江 哈爾濱 150086，2. 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院黑河分院，黑龍江 黑河 164300)

隨著全球氣候變暖和北極冰川消融現(xiàn)象的發(fā)生，由此引發(fā)的氣候異常現(xiàn)象成為了全球關注的焦點。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于受氣候多變、氣象災害頻發(fā)等因素的影響，遭受了重大損失，同時也在一定程度上影響了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。為了有效應對洪澇、暴風雪等氣象災害，在未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展中應用 GIS技術構建農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)，應對頻發(fā)的氣象災害，已成為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

1 構建農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的思路

在開展農(nóng)業(yè)氣象災害預防工作時，要做好天氣預報、氣象災害發(fā)生時間等信息收集、確定工作，更要明確氣象災害影響的范圍、具體的空間地理信息、氣象屬性信息等。而以 GIS技術為核心搭建的專項系統(tǒng)平臺，可擔此重任。所以，利用 GIS技術完成農(nóng)業(yè)氣象災害動態(tài)監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設，可有效預防氣象災害。

2 GIS系統(tǒng)軟件的優(yōu)點及設計原則

嚴謹、準確、可靠的氣象數(shù)據(jù)信息，對氣象工作及相關業(yè)務的開展產(chǎn)生了重要的影響，將GIS技術引入氣象業(yè)務中，有助于改善數(shù)據(jù)的連續(xù)性、共享性、穩(wěn)定性，更能有效利用氣象科學數(shù)據(jù)信息，滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展期間防災減災的需求。目前，GIS系統(tǒng)軟件包含地理數(shù)據(jù)豐富、功能較強等優(yōu)點。采用 GIS技術能夠在地圖上詳細顯示農(nóng)業(yè)氣象災害中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息，有助于有效開展農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警工作。同時，在運用 GIS技術進行系統(tǒng)設計期間，還必須堅持可靠性、安全性等原則，才能提高系統(tǒng)的使用價值。[1]

3 系統(tǒng)總體構架分析

基于 GIS技術設計的 GIS地理信息系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、應用層三部分構成。一是網(wǎng)絡層。它是系統(tǒng)運行的重要保障，涵蓋網(wǎng)絡系統(tǒng)及有關軟硬件。二是數(shù)據(jù)層。其中包含用戶數(shù)據(jù)、氣象災害預警等信息。三是應用層。主要負責供給天氣預報信息、分析氣象災害天氣狀況、進行農(nóng)作物氣象災害預警等。

4 基于 GIS技術的農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)關鍵技術解決方案與功能設計研究

(1)基于 GIS技術的農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術分析。一是以組件為核心的接口技術。COM屬于微軟公司頂級二進制通信規(guī)范，更是組件間相互接口的主要規(guī)范，負責組織所有軟件組件、硬件組件通過統(tǒng)一標準完成交互。COM屬于計算機間共同使用的二進制標準，COM組件帶來的基礎性結構，讓凡是使用COM技術的設備均可通過此結構獲取公共函數(shù)，其采用一類和平臺沒有關系并兼容二進制的語言 IDL進行定義，該接口能夠使組件間、程序和組件及本地組件和遠程組件間的功能實現(xiàn)調(diào)用。二是混合編程技術。通過大于等于 2種的計算機語言完成的應用程序開發(fā)過程即“混合編程”。目前，行業(yè)內(nèi)部應用的程序設計語言種類十分豐富，優(yōu)缺點各異。混合編程能夠對各類程序設計的語言優(yōu)勢進行充分發(fā)揮，且在混合編程期間需要優(yōu)先對混合編程最終制造的軟件產(chǎn)品能否獨立發(fā)布、是否以軟件產(chǎn)品形式存在進行考慮。本次則采用 cft語言在.NET平臺中為設計操作界面，通過混合編程技術調(diào)用由 C++語言編寫的專業(yè)化處理程序，極大減少了重復代碼的編寫，從而縮短軟件的開發(fā)時間，降低了成本，也提高了軟件的通用性；應用數(shù)據(jù)庫技術、Excel、Access等構建農(nóng)業(yè)氣象基礎數(shù)據(jù)庫；應用 GIS技術結合 C++、Visual Basic.NET構建農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)[2]。

(2)交換業(yè)務及共享數(shù)據(jù)問題。基于 GIS技術研發(fā)的各系統(tǒng)間存在的業(yè)務交換、共享數(shù)據(jù)始終是核心問題，通常要采用 SOA，即面向服務的體系結構處理相關問題。所謂面向服務的體系結構，即一種組件模型，具體操作中應基于需求分析，對應用程序各類功能單元進行定義(即服務)，所有服務均和中立接口、契約對應，并和實現(xiàn)服務的硬件平臺、操作系統(tǒng)、編程語言呈相互獨立關系。具體運用時，采用服務間定義連接接口與契約，讓建立在各系統(tǒng)內(nèi)的服務通過統(tǒng)一、通用的形式實現(xiàn)交互。此類具備中立特點的接口定義特征，被喚作“服務間松耦合”。

(3)圍繞空間信息檢索研究問題。通過比較GIS系統(tǒng)和市場上常見的制圖系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，其主要差異在于 GIS的空間分析能力更為強大，并可對現(xiàn)實世界地理要素涉及的空間位置及關系進行充分表達，系統(tǒng)能通過空間分析技術完成農(nóng)業(yè)氣象災害信息查詢。首先，系統(tǒng)將實時庫、歷史庫內(nèi)全部觀測站臺采用地理坐標編碼形式轉化為空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)屬性值則具備臺站名稱、類別等信息。檢索數(shù)據(jù)信息期間，在業(yè)務系統(tǒng)內(nèi)把臺站以涂層形式進行加載，從而為用戶基于空間區(qū)域氣象要素進行檢索提供便利。系統(tǒng)內(nèi)要設計根據(jù)市、區(qū)、流域等各種區(qū)域劃分的選擇形式，方便用戶根據(jù)區(qū)域挑選站臺，以便完成某區(qū)域氣象要素等值線圖分析等工作。同時，空間分析技術也可以為農(nóng)業(yè)氣象災情信息檢索、氣象災害分析等操作提供便利服務。

(4)工作流引擎問題。工作流引擎采用分析、抽象業(yè)務及公文流轉，清晰劃分了不變、變化的部分，可以方便用戶采用可視化工具操作、修改事項流程、修改流程環(huán)節(jié)表單、設置流程環(huán)節(jié)涉及的角色等，滿足了應對不斷變化的需求，且工作流管理系統(tǒng)具備的流程監(jiān)控、查詢系統(tǒng)模塊，有效支持了用戶優(yōu)化流程，實現(xiàn)了調(diào)度管理工作效率的提升。

(5)評估模型插件技術問題分析。GIS技術具備強大的空間建模能力，比如柵格分析、緩沖區(qū)分析、影響范圍分析等均對構建農(nóng)業(yè)氣象災害天氣損失評估模型有利。不過因為模型具備可變性、復雜性、多樣性等特點，為了能夠適應不斷變化的現(xiàn)實情況，用戶則需要經(jīng)常對模型與模型應用數(shù)據(jù)進行修改。在特定模型參數(shù)運用中，即便能使用配置文件實現(xiàn)，不過一旦使用的模型發(fā)生改變，那么在配置文件上進行對應修改則很難實現(xiàn)。所以，在系統(tǒng)設計時要通過 COM插件技術改善系統(tǒng)適應性、可擴展性。插件利用自定義標準化結構和主程序通訊，存在基本參數(shù)，啟動調(diào)用，及把模型計算結果實施可視化的顯示接口，而且系統(tǒng)還具備修改、刪除模型等相關的管理功能。

(6)數(shù)據(jù)模型存在的統(tǒng)一、交互問題。利用 GIS技術完成的農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)需要具備實現(xiàn)共享信息資源、實現(xiàn)管理規(guī)范化的能力。所以，在實際操作中，可利用IEC提供的公共信息模型完成數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一、建造，該模型屬于國際通用的數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型與流行性解決方案，可有效支持數(shù)據(jù)交互、統(tǒng)一，降低了維護工作的強度。[3]該系統(tǒng)具備的功能如下：一是監(jiān)測預警發(fā)布點地理信息導入功能，讓各信息點自動、準確地顯示在地圖上；二是可在地圖上確定閉合區(qū)域范圍，發(fā)布監(jiān)測預警；三是把預報災害強度分布圖和地圖重疊，從而在地圖中展示不同災害強度覆蓋、影響的具體區(qū)域，同時，可同步展開各種強度的災害預警工作；四是利用不同的顏色標記不同強度災害影響的地區(qū)，從而通過不同顏色進行監(jiān)測預警、提示；五是能夠隨時查看所選區(qū)域里各發(fā)布點的綜合信息；六是能夠提供短信平臺、電子公告牌等各類接口；七是具備查詢歷史監(jiān)測預警發(fā)布信息的功能，如可滿足用戶查詢監(jiān)測預警發(fā)布時間、災害強度、具體位置等信息的需求。

5 設置系統(tǒng)安全保障機制

(1)加密數(shù)據(jù)。做好數(shù)據(jù)加密對 GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)運用的安全性十分重要，一般可采用信息加密工作創(chuàng)建、管理鑰匙，完成信息及文件傳輸、歸檔等加密需求[4]。

(2)防控病毒。在病毒防控中，可將 360殺毒軟件等主流防毒軟件安裝在服務器端，借助殺毒軟件的主動防控功能，對系統(tǒng)中的病毒進行篩查、消殺，對系統(tǒng)外準備入侵的病毒進行一定程度的防御。

(3)防黑客服務。該服務需要從安全漏洞修復、系統(tǒng)入侵緊急響應、系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的安全監(jiān)測、實施入侵監(jiān)控等幾個方面入手。

(4)系統(tǒng)的備份、恢復。實踐操作中，要及時做好系統(tǒng)內(nèi)各層次信息的備份，并及時對備份進行更新，更要保證恢復措施使用的有效性，可將計算機系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)、信息進行及時恢復。若基礎地理信息數(shù)據(jù)變化較小，則每季度備份一次即可；若屬于關系型業(yè)務專題數(shù)據(jù)，則需要按照每周增量備份、每月全盤備份的方案進行處理，這樣才能為系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時恢復提供保障。

6 系統(tǒng)功能分析

(1)氣象和農(nóng)情信息監(jiān)測模塊的分析。該模塊涵蓋特色農(nóng)業(yè)范圍中的氣象與農(nóng)田信息采集、傳輸狀況，如氣象和農(nóng)情信息采集及傳輸功能能在規(guī)定范圍內(nèi)將溫濕度及有關信息顯示出來，特別是可以對降水等氣象要素數(shù)據(jù)進行精確顯示，隨后數(shù)據(jù)庫接收軟件數(shù)據(jù)，并收入數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)更新。

(2)精細化氣象預報產(chǎn)品模塊分析。參照歐美通用的數(shù)值模式，利用最優(yōu)化集成法客觀解釋集成成員，構建多模式狀態(tài)，打造精細化水平高的降水、溫濕度等預報類產(chǎn)品。

(3)氣象災害預警模塊。一是氣象災害預警模塊。該模塊借助自動化氣象站實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、精細化預報天氣信息，并根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象災害標準計算氣象災害等級。同時，利用氣象和農(nóng)情信息采集、傳輸裝置具備的功能，可將天氣現(xiàn)象、氣象災害精準地演示出來，最終利用反演形式驗證、修正天氣現(xiàn)象與氣象災害等級，并輸出具體結果。[5]二是模塊功能與界面。此模塊可對特色農(nóng)業(yè)氣象災害進行預警，而且用戶可自選時長、時間、氣象要素等參數(shù)信息。同時，預警產(chǎn)品可以通過圖形、文字形式進行展現(xiàn)，從而將具體的信息提供給農(nóng)業(yè)氣象服務人員及農(nóng)業(yè)有關部門開展工作。

(4)數(shù)據(jù)查詢及管理模塊。數(shù)據(jù)庫內(nèi)收集了農(nóng)業(yè)氣象災害統(tǒng)計數(shù)據(jù)、各年度氣象數(shù)據(jù)信息及精細化天氣預報客觀產(chǎn)品區(qū)數(shù)據(jù)、特色農(nóng)業(yè)氣象災害指標體系等，所以具備強大的查詢及檢索數(shù)據(jù)信息的功能。

7 結語

綜上所述，利用GIS技術完成農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的構建，有助于改善農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警信息的準確性、有效性、實效性，為農(nóng)業(yè)災害預防、預警提供了便利。同時，便利的農(nóng)業(yè)氣象災害信息檢索、查詢功能，有助于農(nóng)業(yè)種植戶及時掌握氣象災害信息，并做好應對工作，這對促進農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和諧發(fā)展具有積極影響。