基于開源GIS的生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)系統(tǒng)

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(wù)中心，南寧 530022；3.廣西氣象減災(zāi)研究所，南寧 530022)

0 引言

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)及衛(wèi)星遙感技術(shù)在廣西氣象行業(yè)的應(yīng)用研究已經(jīng)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(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)方面的研究，取得了很好的效果。經(jīng)過逐步的試驗(yàn)研究，在生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)方面的成果已經(jīng)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用[1]。但是，各種評價(jià)業(yè)務(wù)都需要完成多種指數(shù)模型的計(jì)算，部分指數(shù)需要應(yīng)用GIS計(jì)算，圖形產(chǎn)品也需要在ENVI和ArcGIS等平臺上來處理、設(shè)計(jì)和完成?？傊环莓a(chǎn)品的制作過程要經(jīng)過繁瑣的手工操作才能完成，產(chǎn)品風(fēng)格由工作人員臨時(shí)設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)流程沒有標(biāo)準(zhǔn)化。針對以上問題和需求，本研究利用GIS技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了廣西生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，讓該項(xiàng)業(yè)務(wù)工作人員能夠方便地利用該系統(tǒng)對氣象觀測數(shù)據(jù)及MODIS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對廣西生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)指標(biāo)中的濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)及災(zāi)害指數(shù)5個(gè)指標(biāo)信息進(jìn)行提取與計(jì)算，并利用GIS生成業(yè)務(wù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)工作的流程化與標(biāo)準(zhǔn)化。

GIS是一種采集、存儲、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。所有具有空間分布的數(shù)據(jù)都可以使用GIS進(jìn)行處理，在國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、測繪、交通、生態(tài)、規(guī)劃和物流等很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-7]。近年來GIS技術(shù)在我國氣象上的應(yīng)用迅速發(fā)展，方法日趨成熟，成果喜人。如武漢市利用GIS技術(shù)建立了長江中游氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)[8]； 湖南省利用GIS技術(shù)建立了山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)[9]； 沙莎等[10]研發(fā)了“氣象災(zāi)害評估系統(tǒng)(干旱模塊)”； 吳盛洪[11]研發(fā)了“氣象服務(wù)監(jiān)控管理平臺”； 董學(xué)士等[12]設(shè)計(jì)開發(fā)了“氣象查詢服務(wù)系統(tǒng)”； 李軒等[13]開發(fā)了“農(nóng)作物病蟲害氣象等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)”； 熊文兵等[14]與施益強(qiáng)等[15]分別在基于多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)上研發(fā)了預(yù)警系統(tǒng)； 高大偉等[16]則研究了風(fēng)云氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

常見GIS應(yīng)用開發(fā)使用的地圖組件有很多種，功能和效果各有不同。目前免費(fèi)的開源GIS平臺越來越受到開發(fā)人員的青睞。開源GIS組件具有小巧方便、效率高和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合輕量級業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的開發(fā)。本研究選擇的開源GIS——MapWinGIS是一個(gè)高效的地圖引擎，放大、縮小、漫游速度很快，開發(fā)人員對其評價(jià)較高。MapWinGIS是一套二次開發(fā)組件庫，其核心庫是一個(gè)名字為MapWinGIS的ActiveX控件，開發(fā)人員可以利用這個(gè)組件在已有系統(tǒng)中添加GIS相關(guān)功能，其二次開發(fā)環(huán)境支持VB和C#等語言。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(tài)質(zhì)量指數(shù)計(jì)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(jì)算、距平計(jì)算和數(shù)據(jù)分析功能，主要任務(wù)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(shí)數(shù)分布圖和日照時(shí)數(shù)距平分布圖等圖件產(chǎn)品； 生態(tài)質(zhì)量指數(shù)計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和災(zāi)害指數(shù)等的計(jì)算及評價(jià)分析。

系統(tǒng)功能布局設(shè)計(jì)為常規(guī)的帶菜單欄的模式窗體(圖1)。布局設(shè)計(jì)包括功能菜單欄+工具條、地圖框+操作欄選項(xiàng)卡。地圖圖層操作設(shè)計(jì)為常用的樹目錄結(jié)構(gòu)。主功能菜單包括文件、氣候條件分析、評價(jià)指標(biāo)、地理信息、窗口和幫助等(圖2)。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖2 系統(tǒng)功能菜單結(jié)構(gòu)

2 主要功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的功能是依據(jù)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，功能的編排也按照業(yè)務(wù)操作順序進(jìn)行。按照功能屬性的不同可以分為數(shù)據(jù)分析處理功能、GIS操作功能和產(chǎn)品制作功能3個(gè)類別。

2.1 數(shù)據(jù)分析處理功能

數(shù)據(jù)分析處理主要是為了得到分析結(jié)果的表格或圖形等業(yè)務(wù)產(chǎn)品而進(jìn)行的初步工作，包括氣候條件數(shù)據(jù)即氣溫、降雨和日照等的網(wǎng)格化分析，柵格距平圖的計(jì)算及MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。

2.1.1 氣候條件數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

廣西各氣象臺站的常規(guī)觀測資料(氣溫、降雨和日照等)僅代表該站點(diǎn)所在地的氣象要素值，不能全面真實(shí)反映廣西全區(qū)范圍內(nèi)氣候資源的整體分布特征，為比較客觀真實(shí)地反映廣西不同區(qū)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(shí)數(shù)等)；φ,λ,h,β,θ分別為緯度、經(jīng)度、海拔高度、坡向、坡度等地理因子；ε為余差項(xiàng)，稱為綜合地理殘差，可視為φ,λ,h,β,θ所擬合的氣候?qū)W方程的殘差部分。若用Y*表示臺站實(shí)測值，則

ε=Y*-f(φ,λ,h,β,θ) 。

(2)

將廣西各臺站(92個(gè)常規(guī)站及1 500多個(gè)自動站)所測的氣溫、降雨及日照時(shí)數(shù)等氣候要素與各站點(diǎn)所在地的緯度、經(jīng)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(jù)各氣候要素的回歸分析模型，利用事先準(zhǔn)備好的1 km×1 km網(wǎng)格上的φ,λ,h,β,θ等地理數(shù)據(jù)，推算出各氣候要素在1 km×1 km網(wǎng)格上的分布值，再進(jìn)行殘差訂正。

殘差訂正方法是： 首先，將所有氣象站點(diǎn)的φ,λ,h,β,θ等地理數(shù)據(jù)分別代入各回歸方程，得到各氣候要素在站點(diǎn)的推算值； 再根據(jù)式(2)，用各站點(diǎn)的實(shí)測值與推算值得到殘差項(xiàng)ε； 運(yùn)用反距離權(quán)重法，將ε插值到1 km×1 km網(wǎng)格點(diǎn)上，生成氣候要素的殘差柵格圖； 最后將該柵格圖與前面計(jì)算好的氣候資源分布圖進(jìn)行疊加運(yùn)算，即得到各氣候要素的實(shí)際分布圖。

本系統(tǒng)為了方便業(yè)務(wù)使用，設(shè)計(jì)了分析向?qū)?，將分析過程流程化。向?qū)Х?步：

1)選擇氣候資料，建立擬合方程。在使用對話框?qū)我坏臍夂驍?shù)據(jù)文件導(dǎo)入后，系統(tǒng)自動提供要素選擇項(xiàng)供用戶選擇作業(yè)的要素(如氣溫)，在執(zhí)行線性回歸方法后，很快得出擬合方程。系統(tǒng)專門編寫了線性回歸分析的類LineRegress(圖3)。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)用到的組件(箭頭連接線表示類間的被調(diào)用邏輯關(guān)系)

2)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。根據(jù)擬合方程，可以得到網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，并按照反距離權(quán)重法進(jìn)行殘差訂正，系統(tǒng)提供選擇項(xiàng)，可以選擇訂正與否，并提供反距離權(quán)重的參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)專門編寫了反距離權(quán)重插值的類IDW(圖3)。

3)出圖。以上計(jì)算結(jié)果以TIF格式輸出成柵格圖，此步驟提供選擇輸出結(jié)果導(dǎo)入系統(tǒng)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(dú)立使用。

2.1.2 距平計(jì)算

為了得到氣候條件分析的距平圖，系統(tǒng)需要提供距平計(jì)算功能。為便于使用，專門開發(fā)了可以單獨(dú)使用的距平計(jì)算子模塊——柵格圖相減，即將歷史數(shù)據(jù)分布預(yù)先計(jì)算，也保存為柵格圖。計(jì)算距平時(shí)利用MapWinGIS的Grid接口同時(shí)打開2個(gè)柵格文件，執(zhí)行逐個(gè)格點(diǎn)的柵格值相減(若被減值為空值，則不執(zhí)行)，并將結(jié)果另存為新的柵格文件。

2.1.3 MODIS遙感數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)的綜合評價(jià)指數(shù)由5個(gè)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算得出，其中植被覆蓋指數(shù)需要從MODIS單通道數(shù)據(jù)(*.Vix)提取并計(jì)算得到。為了使用的規(guī)范化，專門編寫了此類遙感數(shù)據(jù)處理的類MODIS。Vix文件為二進(jìn)制格式，包含了250個(gè)字節(jié)的文件頭，文件頭包含衛(wèi)星標(biāo)識、日期時(shí)間、通道、投影方式、分辨率和經(jīng)緯度范圍等基本信息，以及火災(zāi)、水體和海水等識別閾值等數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)用3個(gè)結(jié)構(gòu)體來存放文件頭。處理好文件頭后，用一個(gè)二維矩陣來存放指數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取按照文件頭獲取的行列數(shù)進(jìn)行。

為了獲得更加可靠的數(shù)據(jù)，還需對得到的矩陣數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。系統(tǒng)以直方圖統(tǒng)計(jì)的方法執(zhí)行降噪，編制了接口，并且提供動態(tài)的步長和閾值等參數(shù)設(shè)置。

2.2 GIS操作功能

系統(tǒng)的GIS操作實(shí)現(xiàn)了GIS應(yīng)用系統(tǒng)的常規(guī)功能，即地圖的漫游、縮放和移動等操作，并通過編程實(shí)現(xiàn)了圖層管理和屬性設(shè)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(biāo)注等的設(shè)定。

2.2.1 圖層管理

系統(tǒng)利用MapWinGIS提供的Map和LegendControl控件，設(shè)計(jì)了帶地圖的窗體，并以樹狀目錄的形式設(shè)計(jì)了圖層管理界面(圖1)。設(shè)計(jì)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?qū)У瓤旖莅粹o。在菜單欄也可以添加各種預(yù)設(shè)的邊界地圖，以便使業(yè)務(wù)人員操作盡量便捷。LegendControl控件負(fù)責(zé)管理地圖中的圖層，實(shí)現(xiàn)圖層顯隱和屬性設(shè)置。

2.2.2 圖層屬性設(shè)置

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

圖4 地圖圖層屬性設(shè)置對話框

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

2.3 產(chǎn)品制作功能

按照業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)需要根據(jù)獲取的各地市濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和災(zāi)害指數(shù)等5種生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算各生態(tài)質(zhì)量指數(shù)，最后將各指數(shù)加權(quán)得出綜合評價(jià)指數(shù)。

2.3.1各生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算

為了方便使用，我們將各生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算界面設(shè)計(jì)為風(fēng)格統(tǒng)一的窗體，根據(jù)計(jì)算的具體對象，對界面做相應(yīng)的細(xì)節(jié)調(diào)整。

各生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的具體計(jì)算步驟為： 打開相應(yīng)的資料文件，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，給定結(jié)果保存的路徑，即可執(zhí)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果保存在文件中，同時(shí)顯示在列表控件中，并可以即時(shí)加入地圖中瀏覽，也可以單獨(dú)打開以前計(jì)算好的指數(shù)執(zhí)行瀏覽操作。每個(gè)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)分別計(jì)算，其中植被覆蓋指數(shù)需要打開遙感數(shù)據(jù)并執(zhí)行降噪操作，其余指數(shù)的數(shù)據(jù)文件均為文本文件； 各生態(tài)質(zhì)量指數(shù)的數(shù)據(jù)包含輕、中、重3種程度的統(tǒng)計(jì)值，計(jì)算時(shí)需要按照設(shè)定的權(quán)重加權(quán)，權(quán)重在界面中可調(diào)。

生態(tài)質(zhì)量指數(shù)計(jì)算窗口如圖5所示。

圖5 生態(tài)質(zhì)量指數(shù)計(jì)算對話框

2.3.2 綜合評價(jià)指數(shù)

綜合評價(jià)指數(shù)的計(jì)算相對簡單。將之前計(jì)算得到的各個(gè)生態(tài)質(zhì)量指數(shù)文件打開，進(jìn)行加權(quán)平均(各評價(jià)權(quán)重?cái)?shù)值的設(shè)置不屬本研究內(nèi)容)，即可得到綜合評價(jià)指數(shù)。界面提供對各個(gè)權(quán)重的設(shè)置，也提供即時(shí)加入地圖中瀏覽和風(fēng)格設(shè)置(圖6)。

圖6 綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算對話框

2.3.3產(chǎn)品制作

系統(tǒng)提供2種方式的產(chǎn)品制作。一種是在上述計(jì)算界面得到的指數(shù)數(shù)值列表中提供右鍵菜單的表格復(fù)制功能，表格復(fù)制后即可粘貼到服務(wù)產(chǎn)品的文檔中； 另一種為圖片產(chǎn)品，即在將指數(shù)加入地圖后，可以點(diǎn)擊“圖片輸出”按鈕，調(diào)用圖片輸出窗體，窗體即可將地圖中設(shè)置好的當(dāng)前圖層制作為圖片，同時(shí)提供標(biāo)題設(shè)置； 還可以將圖片復(fù)制到剪貼板，或者將圖片保存為文件，供服務(wù)產(chǎn)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(jié)論

開源GIS在當(dāng)前的地圖應(yīng)用開發(fā)中日益受到歡迎，其組件小巧方便，具有二次開發(fā)方便快捷、效率高和靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合輕量級業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的開發(fā)。廣西生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)基本掌握了MapWinGIS的接口和有關(guān)類庫的使用方法，為進(jìn)一步使用該開源組件打下很好的基礎(chǔ)。將開源GIS組件應(yīng)用到本業(yè)務(wù)平臺的研發(fā)中，是研究業(yè)務(wù)系統(tǒng)自主開發(fā)的一次有益嘗試。

本研究自主開發(fā)了多元回歸、反距離插值和遙感數(shù)據(jù)處理等C#類程序，實(shí)現(xiàn)了氣候數(shù)據(jù)的分析處理、MODIS數(shù)據(jù)讀取及處理和氣象評價(jià)指標(biāo)分析等功能。利用MapWinGIS的接口和類庫實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)平臺中GIS功能的開發(fā)，包括地圖的縮放及漫游、圖層管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、圖層屬性設(shè)置和評價(jià)結(jié)果顯示等，并利用GIS生成一系列業(yè)務(wù)產(chǎn)品。該平臺從業(yè)務(wù)流程需要出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了氣象評價(jià)指標(biāo)中濕潤指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水體密度指數(shù)、土地退化指數(shù)及災(zāi)害指數(shù)5個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理及計(jì)算，最后得到綜合評價(jià)指標(biāo)。該評價(jià)系統(tǒng)為業(yè)務(wù)工作提供了標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程。

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