基于組件式GIS技術的氣象信息系統(tǒng)設計與開發(fā)

宋哲琛

(浙江水利水電?？茖W校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,簡稱GIS)是空間數(shù)據(jù)管理和分析的計算機系統(tǒng),它是分析、模擬和再現(xiàn)各種具有空間特征的現(xiàn)象和過程的通用技術.GIS有嚴格的數(shù)據(jù)模型和空間參考坐標系,具有集成各種來源的空間數(shù)據(jù)的能力,這使得各種氣象業(yè)務數(shù)據(jù)能夠在空間參考一致環(huán)境中進行集成分析;GIS具有豐富的地圖表達功能,可充分滿足天氣、氣候現(xiàn)象和過程的可視化需求,同時GIS具有開放的結構,能夠按照工業(yè)標準集成氣象領域的專業(yè)模式,使得各種氣象氣候的分析可以在一致的環(huán)境下進行.

近年來隨著氣象現(xiàn)代化建設的飛速發(fā)展,越來越多的氣象現(xiàn)代化設備投入業(yè)務使用,自動氣象觀測站便是其中之一.浙江省湖州市氣象局已經建設完成了59個自動氣象站,遍布全市各個地區(qū),初步建成了新一代自動氣象觀測網絡.但是這些設備來自不同的生產廠家,即使是同一廠家的產品,因不同的業(yè)務需求,產品型號也不盡相同,各自觀測數(shù)據(jù)的存儲格式、存儲方式、數(shù)據(jù)顯示處理前端、觀測項目等都不同,這對業(yè)務應用造成了一定困難,不利于天氣預報員進行天氣分析,同時也無法滿足相關單位的資料共享需求,特別是為政府決策提供及時直觀的數(shù)據(jù).為此,本研究將結合這一需要,開發(fā)一套氣象自動站數(shù)據(jù)綜合分析和處理系統(tǒng)以滿足上述需求.

1 系統(tǒng)需求及功能分析

基于GIS的氣象信息系統(tǒng)是對氣象信息進行采集、分類,然后利用GIS技術對數(shù)據(jù)進行存儲、處理、建模、分析和表示的計算機系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅可以管理以數(shù)字、文字為主的屬性信息,還可以管理以圖形圖像為主的空間信息.系統(tǒng)應該具有數(shù)據(jù)采集錄入和格式轉換的功能,能夠導入不同格式和數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù).同時,具有氣象資源信息圖形處理和氣象資源數(shù)據(jù)管理的功能.氣象資源信息圖形處理主要是指,系統(tǒng)能夠分析和顯示氣象資源各項數(shù)據(jù),實現(xiàn)氣象資源信息的地圖化、數(shù)據(jù)分析的可視化,促進氣象管理的科學化.同時,可以根據(jù)氣象檔案數(shù)據(jù),結合地圖自動生成氣候分布區(qū)域圖形以及三維圖形.氣象資源數(shù)據(jù)管理的具體功能是指,系統(tǒng)能夠按日、旬、月、年對氣象要素資料進行管理,可實現(xiàn)固定檢索、任意時段的檢索、查詢、排序及輸出等,并統(tǒng)計生成旬、月、年及多年平均氣象資料,可為氣候區(qū)域提供各種所需的基本氣候數(shù)據(jù).同時運用GIS可視化技術在電子地圖上實現(xiàn)用戶的定位查詢,區(qū)域查詢,圖上查詢,統(tǒng)計計算等.

2 系統(tǒng)功能設計

氣象數(shù)據(jù)是由分布在不同地區(qū)的觀測站觀測數(shù)據(jù)并進行匯總,進行計算得來的.其中包括如下常用的字段:溫度、壓強、風力、云量、雨量等.這里需要強調的是,氣象數(shù)據(jù)本身是時間空間兼顧的數(shù)據(jù)(四維數(shù)據(jù)),也就是說氣象數(shù)據(jù)會隨著時間和空間的變化而變化.由此可以想到氣象數(shù)據(jù)首先在空間上呈現(xiàn)一個長方體形狀,長方體內部分為很多層,同時每一層由網格點構成,這些網格點在實際當中就代表著每一個觀測站,換句話說,每一個觀測站將會每隔一定高度進行氣象數(shù)據(jù)的采集,如果有很多觀測站的話,就會形成一個體狀數(shù)據(jù)格式.本文研究的氣象信息系統(tǒng)的系統(tǒng)結構框架見圖1.

圖1 氣象信息系統(tǒng)架構圖

3 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)的核心就是建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫以及對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行各類操作,而數(shù)據(jù)庫的質量將直接影響以后分析的結果、研究的進展.空間分析可以說在很大程度上是基于數(shù)據(jù)的,數(shù)據(jù)的可靠性、數(shù)據(jù)量的大小對分析結果會產生直接的影響.本系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括3個表,分別為:自動站屬性表(見圖2和圖3)、數(shù)據(jù)表(見圖4和圖5)、錯誤信息表(見圖6).自動站屬性表存放站點屬性信息,如站號、站名、經緯度以及傳感器的相關信息等,數(shù)據(jù)表存放各種氣象要素觀測數(shù)據(jù),包括溫、濕、壓、風能、雨量氣象要素等實時觀測數(shù)據(jù)以及觀測時間等相關信息.

圖2 自動站屬性表結構

圖3 自動站屬性表數(shù)據(jù)

圖4 氣象數(shù)據(jù)表結構

圖5 氣象數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)

圖6 錯誤信息表結構

錯誤信息表存放數(shù)據(jù)入庫的過程中,出現(xiàn)的錯誤,由站號、站名和錯誤原因3個字段組成.

基于GIS的特點,數(shù)據(jù)庫的設計我們可以在GIS軟件中設計,GIS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換技術,可以與通用軟件之間進行數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享.

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)的準確性和全面性是系統(tǒng)有效性的重要因素,因此數(shù)據(jù)采集是一項重要環(huán)節(jié).本系統(tǒng)的開發(fā)需要氣象的站點數(shù)據(jù),并且需要一張較為準確的湖州市地圖作為背景圖.然后在這張背景區(qū)域圖上,根據(jù)各站點的位置,繪制出各站的位置圖,見圖7.

圖7 站點分布圖

4.2 數(shù)據(jù)處理

由于原始數(shù)據(jù)種類繁多,而且結構各異,因此,對不同的原始數(shù)據(jù)采用不同的方法行提取、格式轉換、檢誤剔錯和內插外延,然后規(guī)范化管理.本研究主要采用統(tǒng)計分析GIS技術相結合的方法.在空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的處理上,采用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一放和管理.

氣象數(shù)據(jù)和其它環(huán)境要素都是空間數(shù)據(jù),信息量大,時間序列長,關系復雜,統(tǒng)計計算特別繁瑣,數(shù)據(jù)的查詢和提取效率很低,并且原始的氣象資料都是以文本形式存放每一個氣象要素都是一個獨立的文件,不利于氣象要素的整合和統(tǒng)計,氣象資料的更新修改等后續(xù)工作更不易實現(xiàn).

已經建成的32個自動氣象站,由于數(shù)據(jù)格式不是標準的數(shù)據(jù)庫格式,而是以文件形式存在,因此基于Visual C#.net和ADO數(shù)據(jù)庫接入技術開發(fā)自動站自動、實時入庫模塊,對不同數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)格式進行處理,轉換成設計好的數(shù)據(jù)格式入庫.該模式每小時自動啟動運行,保證觀測數(shù)據(jù)的實時入庫.

在數(shù)據(jù)庫中讀取被取站點的信息表,找到當前要進行入庫的站點資料并進行定位.然后將該站點的原始數(shù)據(jù)文件進行拷貝.定位需要整理的資料,找到所需的字段并將其剝離出來,再對這些按氣象規(guī)范定義所記錄的特殊字符代碼按照各自的轉換公式進行處理,將其翻譯成常見氣象要素數(shù)值.這樣當天所有時次的氣象要素數(shù)值就已經整理出來了.然后開始入庫操作.利用了 ADO組件中的Recordset對象進行處理.將上面得出的要素數(shù)值按每小時作為一條記錄先于當前時間進行比較,若大于當前時間,說明該站點的數(shù)據(jù)有誤,丟掉不用直接進入下一個站點的資料處理.若小于當前時間,再與庫中的記錄進行比較,如果比最新一次入庫的時間大,說明是新記錄,則直接入庫,然后進行下一條記錄的判斷.如果比最新一次的入庫的時間小,則說明該條記錄已經入過庫,丟掉不用,然后進行下一條記錄的判斷.該站點的資料處理完畢之后,判斷已經處理的站點個數(shù)有沒有超過全部的站點個數(shù),如果未超過,說明還有站點沒進行處理,則從頭開始進行下一個站點的資料處理入庫過程,直至全部站點資料入庫.如果在入庫過程中出現(xiàn)錯誤,則將出現(xiàn)的錯誤信息,包括站號、站名和錯誤原因等信息寫入錯誤信息表中.以上的資料處理過程每小時進行一次,以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內的數(shù)據(jù)與最新觀測到的數(shù)據(jù)同步,該程序放于后臺自動執(zhí)行.

4.3 數(shù)據(jù)顯示

利用GIS的空間顯示和空間分析功能,將自動站采集的氣象要素數(shù)據(jù)實時地顯示在相應的空間位置上,并與河流、道路、水庫、行政區(qū)劃等圖層進行疊加,以柱狀圖、餅狀圖等表現(xiàn)形式,生動直觀地展現(xiàn)在氣象業(yè)務人員面前.同時可對各模塊的數(shù)據(jù)進行分析,做出等值線,并可按時間順序進行動態(tài)顯示.主要模塊按氣象要素分為氣溫模塊,氣壓模塊,風模塊,降水量模塊,綜合顯示模塊.

電子地圖采用矢量與柵格數(shù)據(jù)格式相結合的空間數(shù)據(jù)表達方式.河流、區(qū)劃、水庫等地理信息采用矢量數(shù)據(jù)格式,以準確地表達地理實體的邊界;地形、雨量分布采用了柵格數(shù)據(jù)格式,以便于繪制等值線分析.根據(jù)地圖比例尺、單元網格大小將氣象要素數(shù)值標注在公用或擇獨立的標注數(shù)據(jù)集之上,準確、快速、高效地生成各種指定的等值線.充分利用地理信息系統(tǒng)的瀏覽工具,如放大、縮小、自由縮放、漫游、全圖等,實現(xiàn)分布圖的無極縮放.

雨量專題地圖,見圖8和圖9.其它如溫度,濕度,風速,氣壓等的顯示,由于篇幅所限,這里不再展示.

圖8 雨量等級專題地圖

圖9 雨量柱狀圖

5 結 語

本研究基于組件式GIS軟件和相關的開發(fā)平臺,設計并開發(fā)一套氣象自動站數(shù)據(jù)綜合分析和處理系統(tǒng),實現(xiàn)的功能主要包括實時氣象監(jiān)測、歷史資料查詢、預報結果計算輸出、專題圖(降水量、等溫線、等壓線等)制作等功能,并通過湖州市氣象局的實際應用,驗證了系統(tǒng)的可靠性和有效性.本系統(tǒng)實現(xiàn)了多種不同數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)格式的氣象數(shù)據(jù)的轉換和導入導出,實現(xiàn)了地圖各圖層的可視、可選擇、可捕捉等圖層管理,實現(xiàn)了氣象要素包括雨量,溫度,濕度,風速,氣壓等的專題地圖制作功能,包括等值線圖,統(tǒng)計柱狀圖等,展示了GIS技術在氣象領域廣闊的應用前景.

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