基于動態(tài)數(shù)據(jù)的不規(guī)則區(qū)域內(nèi)雨情統(tǒng)計系統(tǒng)的研究

宋 杰，姚家振

（安徽大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 合肥 230601）

引言

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，等值線的研究和繪制也應用到了越來越廣泛的領(lǐng)域，尤其是在雨水量的監(jiān)測統(tǒng)計方面.等值線的提取就是對大量的離散數(shù)據(jù)，用數(shù)學方法插值將具有相同量值的點變換成圖的過程.它將三維信息顯示于二維平面，是進行地理要素空間特征分析的強大工具，數(shù)據(jù)與圖像的結(jié)合，使技術(shù)人員能夠準確地把握數(shù)據(jù)變化的趨勢，從而進行有效的分析，以便事先做出預測，確保準確及時的處理.可用于從總體上把握研究對象的空間變化特征，通過繪制相應的等值線圖簡單而直觀地進行綜合分析，是一種常用而有效的表達方法.通過繪制等值線圖，可以非常直觀地了解掌握各個時間段各個地點的雨量信息.

WebGIS是將傳統(tǒng)的GIS技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合起來，將地理數(shù)據(jù)和GIS功能以網(wǎng)絡服務的方式在網(wǎng)絡上發(fā)布，使用戶通過普通的瀏覽器就能夠使用地理數(shù)據(jù)和GIS軟件提供的強大功能.此系統(tǒng)通過各個基站錄入雨量信息，通過查詢相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，可以進行有效的數(shù)據(jù)分析.運用專業(yè)的ArcGIS地理信息處理模型，使用離散數(shù)據(jù)的插值和擬合，以生動直觀的圖形化方式反映雨水量的時空分布規(guī)律，用戶可根據(jù)各區(qū)域的基站信息及實際情況選擇等值線的生成間距，使用掩膜手段解決邊界問題，應用二次Bezier函數(shù)平滑等值線并進行標注，從而生成一個高精確的空間分析結(jié)果.

1 ArcGIS

ArcGIS是一個建設完整GIS的軟件集合，它包含了一系列部署 GIS的框架：ArcGIS Desktop、ArcGIS Engine、服務端GIS、移動GIS等.

2 Silverlight

Silverlight是一種新的Web呈現(xiàn)技術(shù)，能在各種平臺上運行.借助該技術(shù)，可以擁有內(nèi)容豐富、視覺效果絢麗的交互式體檢，而且無論是在瀏覽器內(nèi)、還是在桌面操作系統(tǒng)中，都可以獲得這種一致的體驗.Microsoft.Net4.0中的呈現(xiàn)技術(shù)xaml遵循WPF，是Silverlight呈現(xiàn)功能的基礎.作為微軟下一代企業(yè)應用程序解決方案，Silverlight 5.0還完善了在企業(yè)應用開發(fā)方面的特性，在用戶界面內(nèi)可以實現(xiàn)更流暢的動畫效果，改進了字體渲染清晰度，支持PostScript矢量打印，改進了xaml解析性能，對啟動和運行速度都進行了提升.

ArcGIS API for Silverlight是由美國Esri公司推出的，用于在Silverlight平臺上開發(fā)WebGIS應用的一套編程接口.它通過REST接口訪問ArcGIS Server發(fā)布的地圖服務、影像服務、幾何服務、地理處理服務、要素服務等.

3 研究過程及結(jié)果

3.1 使用WebService技術(shù)動態(tài)獲取數(shù)據(jù)

WebService可以接收從Internet或者Internet上的其他系統(tǒng)中傳遞過來的請求，是一種輕量級的獨立通訊技術(shù).WebService技術(shù)使得運行在不同機器上的不同應用程序無需借助其他的第三方軟件、硬件就可以相互交換數(shù)據(jù).Web-Service具有平臺無關(guān)性、編程語言無關(guān)性、兼容性良好等優(yōu)點.因此可以使用WebService技術(shù)獲取需要的數(shù)據(jù)進行下一步的處理，如表1所示.

表1 獲取的數(shù)據(jù)

各列分別表示測站編碼、測站名.

3.2 使用Kriging（克里金）方法插值

克里金法是法國地理數(shù)學家Georges Matheron(1997)和南非礦業(yè)工程師D.G..Krige創(chuàng)立的地質(zhì)統(tǒng)計學中礦品位的最佳內(nèi)插方法，是一種對空間參數(shù)分布數(shù)據(jù)求最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插估計量的方法.

克里金法是在分析已測的形狀、大小、空間位置相互關(guān)系，以及變異函數(shù)提供的結(jié)構(gòu)信息的基礎上，對待估點進行的一種無偏最優(yōu)估計.由于最大限度的利用了空間取樣所提供的各種信息，不僅考慮了樣點的數(shù)據(jù)，還考慮其臨近樣點的數(shù)據(jù)，不僅考慮了待估樣點與其臨近已知樣點的空間位置，還考慮了各臨近樣點的彼此之間的位置關(guān)系，同時利用了已有觀測值空間分布的結(jié)構(gòu)特征，因而克里金法比其他方法更準確.

克里金法以現(xiàn)有采樣數(shù)據(jù)為基礎，對鄰近區(qū)域應用統(tǒng)計學線性模型(linearmodels)進行最優(yōu)化插值和預測，其最優(yōu)化的目標函數(shù)(objective fIlnctions)則為插值誤差最小的插值函數(shù).克里金法將待估計的函數(shù)值F(x，y)視為待估計點范圍內(nèi)的n個觀測樣本值Zi（i=1，…，n）的線性組合，即采用公式1：

其中，Wi(x,y)為權(quán)函數(shù)，n為觀測點個數(shù).

3.3 按掩膜提取

圖像掩膜指的是用選定的圖像、圖形或物體來對需處理的圖像（全部或局部）進行遮擋，來控制圖像處理的區(qū)域或處理過程.圖像掩膜可以用來提取感興趣區(qū)，用預先制作的感興趣區(qū)掩膜與待處理圖像相乘，得到感興趣區(qū)，感興趣區(qū)內(nèi)圖像值保持不變，而區(qū)外圖像值都為零.這樣對于所需區(qū)域之外的等值線就可以被清除掉，而只保留感興趣區(qū)域內(nèi)的等值線.

3.4 使用Bezier函數(shù)進行平滑處理

如果不進行光滑處理，得到的等值線折角很大，不夠光滑.實際中的等值線所反映的現(xiàn)象和地物通常要求是光滑曲線，因此需要對結(jié)果進行光滑處理，來滿足實際的需求.本文利用二次Bezier函數(shù)進行光滑處理.

已知三點 P0，P1，P2，其二次 Bezier曲線為

其曲線示意圖如圖1，

圖1 Bezier曲線示意圖

通過依次改變調(diào)和函數(shù)u(如以0.05為增量)的值,將生成一系列的新數(shù)據(jù)點,將新的數(shù)據(jù)點連接生成的曲線,即為此三點之間的Bezier曲線.

圖2 待光滑折線

如圖2所示，對L1-L2-L3-L4使用二次Bezier曲線進行光滑處理時，依次取L1-L2-L3三個點得到曲線，但此時對于剩下的L3-L4段無法生成光滑的曲線，在L3處產(chǎn)生了尖點.因此取 L1-L2、L2-L3、L3-L4的中點 P1、P2、P3，然后由P1-L2-P2和P2-L3-P3分別作控制形，得到兩條Bezier曲線，可知這兩條曲線在P2處是光滑連接的.

3.5 對等值線進行標注處理

等值線的標注是為了使人們更方便地了解等值線圖的每條等值線的信息，從而將等值線的高程值添加到等值線上.標注是一項十分復雜的工作，要考慮標注的合理性、正確性等.因而，等值線的標注已經(jīng)成為等值線處理的一個重要方面.對于一條等值線分以下幾種情況考慮：

（1）等值線只含有兩個點 P1（x1，y1）、P2（x2，y2）：標注位置 Ps（xs，ys） 選在兩點之間，xs=x2+（x1-x2）/2，ys=y2+（y2-y1）/2；

（2）多個點的不封閉等值線，標注位置在首末兩點P1（x1，y1）、Pn（xn，yn）；

（3）多個點的封閉等值線，標注位置選在起始點P1（x1，y1）（因為結(jié)束點和起始點重合）.

3.6 研究結(jié)果

經(jīng)過等值線的生成及平滑、標注等處理過程，得到的結(jié)果如圖3所示：

圖3 等值線結(jié)果圖

由圖可見當?shù)戎稻€封閉時標注在曲線中間，當?shù)戎稻€非封閉時標注在等值線的首尾兩端，并且等值線是平滑的，沒有尖銳的角.

4 結(jié)論

本文對等值線的繪制過程進行了細致的分析，深入研究了等值線的性質(zhì)，等值線的生成、掩膜、平滑、標注等內(nèi)容.基于ArcGIS完整的實現(xiàn)了一個等值線的生成及優(yōu)化處理過程，可以根據(jù)實際情況，動態(tài)實現(xiàn)各時段的等值線的繪制，為雨量統(tǒng)計提供了直觀、精確的統(tǒng)計分析，同時大大的減少了工作量.

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