基于GIS的人工影響天氣火箭作業安全射界區自動識別繪制技術研究

高 鵬

煙臺市人民政府人工影響天氣辦公室，山東煙臺 264000

隨著社會經濟的發展、人民生活水平的提高和現代科學技術的進步，人們可以對一些極端天氣環境進行干預，從而達到防災、減災、救災的目標。人工影響天氣是通過人工的手段，使天氣現象朝著人們期待的方向轉化，從而達到人工增雨、人工防雹、人工消云和人工消霧等目的。

目前，我國的人工影響天氣業務主要有飛機作業和地面作業，其中地面作業包括地面高炮作業和地面火箭作業。隨著我國人工影響天氣技術的不斷成熟，各級政府逐漸認可人工影響天氣地面作業的效果，并投入大量的經費和人力。

煙臺市作為環渤海地區重要的港口城市，副高強盛，冷空氣活躍，降水時空分布不均勻，經常出現局地暴雨、局地大風、局地冰雹和連續干旱等氣象災害。煙臺市目前擁有40個火箭作業點，分布在煙臺市全域，承擔著煙臺市人工影響天氣增雨和防雹的重任。

由于火箭作業是通過地面發射架將帶有催化劑的火箭彈發射至指定云層位置，通過爆炸將催化劑播撒至云層中，隨后催化劑助推部分在自帶傘降準裝備的輔助下降落至地面安全區域。考慮到火箭彈存在因自毀或傘降裝置失效而使火箭落地時造成地面人員或重要設施的損害，因此需要通過一定的技術手段，通過設定火箭彈發射的方位角和仰角事先預設火箭落地的范圍，以確保地面人員和重要設施的安全。

1 技術路線

1.1 技術指標

火箭作業安全射界區識別的主要目標是預先設定火箭發射的方位角和仰角，避免因自毀或傘降裝置失效而使火箭落地時造成地面人員或重要設施損害。因此，根據火箭人工影響天氣作業點安全射界圖繪制規范相關要求和煙臺市實際作業需求，設計符合煙臺市人工影響天氣火箭作業技術指標。

1.1.1 安全射界區選取原則火箭作業安全射界選取的基本原則是避開人口密集區和重要設施。人口密集區包括城鎮、村莊、學校等，重要設施包括油庫、化工廠、文物古跡、軍事設施等。

安全射界應在作業點周圍的火箭最大理論射程范圍內選取，并遵守下列規則：（1）避開人口密集區和重要設施，對應發射仰角應為50°～75°；（2）以發射架中心為基準，火箭發射正前方1 km內無人口密集區和重要設施；（3）火箭彈飛行途中段應避開人口密集區和重要設施；（4）安全射界邊界與人口密集區和重要設施的距離大于200 m；（5）海拔不大于500 m的作業點：不小于15°；（6）海拔位于500～1 500 m的作業點：不小于20°；（7）海拔大于1 500 m的作業點：不小于25°[1]。

1.1.2 安全射界圖繪制（1）安全射界底圖。底圖選用近2年內的1∶50 000以上比例尺地圖或分辨率不低于5 m的衛星遙感影像圖，可明顯分辨城鎮、村莊等地物及其邊界。

（2）水平距離圈。以作業點為圓心，以1 km為半徑繪制實線內圈圓；以12 km（或火箭理論最大射程取整后再加1 km的數值）為半徑繪制實線外圈圓；在自圓心向右（正東方向）的橫軸上，按1 km間隔標出距離刻度，并標注內、外圈圓對應的距離刻度數值。

（3）射擊距離圈。以作業點為圓心，以50°～75°射擊仰角火箭理論最大射程為半徑，按5°間隔畫虛線閉合圓；在自圓心向上（正北方向）的縱軸上，標注對應射擊仰角數值。

（4）方位線段。自初始方位角起，順時針至345°，間隔15°，由作業點至水平距離外圈圓畫方位線段；自初始方位角起，順時針至315°，間隔45°，在最外水平距離圈外側標注對應方位角數值。

（5）安全射界圖形。在底圖上查找符合要求的區域，確定安全射界邊界；以作業點為圓心，繪制扇形區域，用明顯區別于底圖的顏色、以半透明方式填充。

（6）安全射界編號。自初始方位角起，沿順時針方向，按阿拉伯數字1，2，3,…的順序編號，居中標注于安全射界內。

（7）安全射界范圍表。依據火箭不同射擊仰角理論最大射程數據，插值得出標準氣象條件下各安全射界對應的射擊起、止方位角和起、止仰角數值（四舍五入取整數，最大仰角取75°），按安全射界編號由小到大的次序，在安全射界圖左下部標明。

（8）安全射界圖應標注信息。①在安全射界圖上方,居中標注圖題“火箭安全射界圖”；②在安全射界圖右下部，依次標出內容；③作業點名稱：以所在縣級行政區及具體作業地名稱表示；④作業點編號：9位數字編號，1～6位為GB/T 2260—2017規定的行政區域代碼，7～9位為作業點序號；⑤經緯度：單位為度分秒格式，精度為秒；⑥海拔高度：單位為米（m），精度為0.1 m；⑦地圖比例尺或衛星影像分辨率：按地圖比例尺或衛星影像分辨率給出；⑧在安全射界編號表下方，給出彈道表；⑨在安全射界圖下方,依次寫明繪制單位和繪制時間；⑩安全射界圖印制幅面尺寸寬度≥0.8 m、高度≥1.0 m；安全射界圖輸出格式為JPG；安全射界圖地理信息格式為SHP[2-14]。

1.2 技術方法

1.2.1 GIS平臺技術根據技術指標，選擇可實現二三維地球和地圖顯示的自主可控的JavaScript庫為基礎平臺，基于二次開發包研發煙臺市人工影響天氣火箭作業安全射界區自動識別繪制系統。

1.2.2 數據庫技術煙臺市人工影響天氣火箭作業安全射界區自動識別繪制系統涉及火箭作業站點信息數據和安全射界參數信息的錄入、存儲、修改和管理，因此需要通過構建專門的數據庫。考慮到煙臺市火箭作業點數量和安全射界圖參數信息大小，選擇適用于中小型應用系統的關系型數據庫管理系統Mysql。

1.2.3 高分遙感技術火箭作業點安全射界圖繪制需要充分考慮作業點周圍的地理環境，因此需要能夠識別建筑物、地理地物名稱的高精度遙感影像數據和矢量圖層數據，基于安全性和時效性綜合考慮，選擇在線遙感和本地遙感服務2種方式，用戶在具有在線遙感數據訪問條件時，可選擇優于1∶50000的遙感影像數據和地圖數據。當用戶不具備在線遙感數據訪問條件時，可調取本地遙感數據服務接口，選擇相關數據作為安全射界分析制作的底圖。

2 系統設計

系統總體設計以《火箭人工影響天氣作業點安全射界圖繪制規范》為基礎，結合煙臺市地面火箭作業相關要求，充分利用GIS技術、數據庫技術和高分遙感應用技術，從作業點核查、安全射界區分析、安全射界圖繪制輸出和安全射界圖管理，實現煙臺市人工影響天氣火箭作業的安全保障（圖1）。

圖1 系統界面設計

2.1 火箭作業點核查

基于高精度遙感地理數據，實現作業點點位及分布的核查，同時可實現點位修改（圖2～圖3）。

圖2 作業點核查

圖3 作業點位置編輯

2.2 安全射界分析

安全射界區分析主要是基于高精度遙感地理數據，嚴格按照火箭作業安全射界技術指標要求，實現作業點周邊人口密集程度和重要設施分布情況的分析（圖4）。

圖4 安全射界分析

2.3 安全射界圖繪制

安全射界圖繪制主要是根據安全射界分析結果，按照標準規范制作輸出火箭作業點安全射界圖（圖5）。

圖5 安全射界圖繪制

2.4 安全射界圖管理

安全射界圖管理主要是實現火箭作業點安全射界圖的修改、優化和可視化顯示（圖6）。

圖6 安全射界圖管理

3 結論

煙臺市人工影響天氣火箭作業安全射界區自動識別繪制系統按照《人工影響天氣火箭作業點安全射界圖繪制規范》和山東省煙臺市《人工影響天氣火箭作業安全保障》要求進行設計研發，技術先進、架構合理、功能完善、應用友好，充分滿足了煙臺市人工影響天氣的安全射界保障需求。

（1）系統基于GIS平臺技術、數據庫技術和高分遙感技術研發，滿足了用戶對火箭作業區域高精度仿真地理場景信息查詢、瀏覽的需求。

（2）系統綜合集成了煙臺市人工影響天氣火箭作業站點信息數據，滿足了用戶對作業點位置布局查詢和位置優化設計。

（3）系統將火箭安全射界技術指標進行數字化管理，實現了安全射界范圍智能自動分析。

（4）系統基于圖文融合技術，根據技術指標參數要求，自動生成火箭作業點安全射界圖，并可根據用戶需求進行打印輸出。

（5）系統可實現所有火箭作業點安全射界圖信息的存儲、查詢和優化修改，滿足用戶因作業點周邊人口和重要設施信息變化而需要進行的安全射界圖二次制作。