淺談利用GIS技術(shù)完成農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)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(xué)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(xué)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?，F(xiàn)象成為了全球關(guān)注的焦點(diǎn)。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于受氣候多變、氣象災(zāi)害頻發(fā)等因素的影響，遭受了重大損失，同時(shí)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(yīng)對(duì)洪澇、暴風(fēng)雪等氣象災(zāi)害，在未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展中應(yīng)用 GIS技術(shù)構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)頻發(fā)的氣象災(zāi)害，已成為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的思路

在開展農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)防工作時(shí)，要做好天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害發(fā)生時(shí)間等信息收集、確定工作，更要明確氣象災(zāi)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(shù)為核心搭建的專項(xiàng)系統(tǒng)平臺(tái)，可擔(dān)此重任。所以，利用 GIS技術(shù)完成農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，可有效預(yù)防氣象災(zāi)害。

2 GIS系統(tǒng)軟件的優(yōu)點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確、可靠的氣象數(shù)據(jù)信息，對(duì)氣象工作及相關(guān)業(yè)務(wù)的開展產(chǎn)生了重要的影響，將GIS技術(shù)引入氣象業(yè)務(wù)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(xué)數(shù)據(jù)信息，滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展期間防災(zāi)減災(zāi)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用 GIS技術(shù)能夠在地圖上詳細(xì)顯示農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息，有助于有效開展農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。同時(shí)，在運(yùn)用 GIS技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，還必須堅(jiān)持可靠性、安全性等原則，才能提高系統(tǒng)的使用價(jià)值。[1]

3 系統(tǒng)總體構(gòu)架分析

基于 GIS技術(shù)設(shè)計(jì)的 GIS地理信息系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層三部分構(gòu)成。一是網(wǎng)絡(luò)層。它是系統(tǒng)運(yùn)行的重要保障，涵蓋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及有關(guān)軟硬件。二是數(shù)據(jù)層。其中包含用戶數(shù)據(jù)、氣象災(zāi)害預(yù)警等信息。三是應(yīng)用層。主要負(fù)責(zé)供給天氣預(yù)報(bào)信息、分析氣象災(zāi)害天氣狀況、進(jìn)行農(nóng)作物氣象災(zāi)害預(yù)警等。

4 基于 GIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案與功能設(shè)計(jì)研究

(1)基于 GIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)分析。一是以組件為核心的接口技術(shù)。COM屬于微軟公司頂級(jí)二進(jìn)制通信規(guī)范，更是組件間相互接口的主要規(guī)范，負(fù)責(zé)組織所有軟件組件、硬件組件通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)完成交互。COM屬于計(jì)算機(jī)間共同使用的二進(jìn)制標(biāo)準(zhǔn)，COM組件帶來的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)，讓凡是使用COM技術(shù)的設(shè)備均可通過此結(jié)構(gòu)獲取公共函數(shù)，其采用一類和平臺(tái)沒有關(guān)系并兼容二進(jìn)制的語言 IDL進(jìn)行定義，該接口能夠使組件間、程序和組件及本地組件和遠(yuǎn)程組件間的功能實(shí)現(xiàn)調(diào)用。二是混合編程技術(shù)。通過大于等于 2種的計(jì)算機(jī)語言完成的應(yīng)用程序開發(fā)過程即“混合編程”。目前，行業(yè)內(nèi)部應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)語言種類十分豐富，優(yōu)缺點(diǎn)各異。混合編程能夠?qū)Ω黝惓绦蛟O(shè)計(jì)的語言優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分發(fā)揮，且在混合編程期間需要優(yōu)先對(duì)混合編程最終制造的軟件產(chǎn)品能否獨(dú)立發(fā)布、是否以軟件產(chǎn)品形式存在進(jìn)行考慮。本次則采用 cft語言在.NET平臺(tái)中為設(shè)計(jì)操作界面，通過混合編程技術(shù)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(fù)代碼的編寫，從而縮短軟件的開發(fā)時(shí)間，降低了成本，也提高了軟件的通用性；應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Excel、Access等構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用 GIS技術(shù)結(jié)合 C++、Visual Basic.NET構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[2]。

(2)交換業(yè)務(wù)及共享數(shù)據(jù)問題?；?GIS技術(shù)研發(fā)的各系統(tǒng)間存在的業(yè)務(wù)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(wù)的體系結(jié)構(gòu)處理相關(guān)問題。所謂面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，即一種組件模型，具體操作中應(yīng)基于需求分析，對(duì)應(yīng)用程序各類功能單元進(jìn)行定義(即服務(wù))，所有服務(wù)均和中立接口、契約對(duì)應(yīng)，并和實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、編程語言呈相互獨(dú)立關(guān)系。具體運(yùn)用時(shí)，采用服務(wù)間定義連接接口與契約，讓建立在各系統(tǒng)內(nèi)的服務(wù)通過統(tǒng)一、通用的形式實(shí)現(xiàn)交互。此類具備中立特點(diǎn)的接口定義特征，被喚作“服務(wù)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(chǎng)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(qiáng)大，并可對(duì)現(xiàn)實(shí)世界地理要素涉及的空間位置及關(guān)系進(jìn)行充分表達(dá)，系統(tǒng)能通過空間分析技術(shù)完成農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害信息查詢。首先，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)庫、歷史庫內(nèi)全部觀測(cè)站臺(tái)采用地理坐標(biāo)編碼形式轉(zhuǎn)化為空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)屬性值則具備臺(tái)站名稱、類別等信息。檢索數(shù)據(jù)信息期間，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)內(nèi)把臺(tái)站以涂層形式進(jìn)行加載，從而為用戶基于空間區(qū)域氣象要素進(jìn)行檢索提供便利。系統(tǒng)內(nèi)要設(shè)計(jì)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(tái)，以便完成某區(qū)域氣象要素等值線圖分析等工作。同時(shí)，空間分析技術(shù)也可以為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情信息檢索、氣象災(zāi)害分析等操作提供便利服務(wù)。

(4)工作流引擎問題。工作流引擎采用分析、抽象業(yè)務(wù)及公文流轉(zhuǎn)，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(xiàng)流程、修改流程環(huán)節(jié)表單、設(shè)置流程環(huán)節(jié)涉及的角色等，滿足了應(yīng)對(duì)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(shí)現(xiàn)了調(diào)度管理工作效率的提升。

(5)評(píng)估模型插件技術(shù)問題分析。GIS技術(shù)具備強(qiáng)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(duì)構(gòu)建農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害天氣損失評(píng)估模型有利。不過因?yàn)槟Ｐ途邆淇勺冃?、?fù)雜性、多樣性等特點(diǎn)，為了能夠適應(yīng)不斷變化的現(xiàn)實(shí)情況，用戶則需要經(jīng)常對(duì)模型與模型應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。在特定模型參數(shù)運(yùn)用中，即便能使用配置文件實(shí)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(jìn)行對(duì)應(yīng)修改則很難實(shí)現(xiàn)。所以，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要通過 COM插件技術(shù)改善系統(tǒng)適應(yīng)性、可擴(kuò)展性。插件利用自定義標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和主程序通訊，存在基本參數(shù)，啟動(dòng)調(diào)用，及把模型計(jì)算結(jié)果實(shí)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(guān)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(shù)完成的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需要具備實(shí)現(xiàn)共享信息資源、實(shí)現(xiàn)管理規(guī)范化的能力。所以，在實(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)交互、統(tǒng)一，降低了維護(hù)工作的強(qiáng)度。[3]該系統(tǒng)具備的功能如下：一是監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)布點(diǎn)地理信息導(dǎo)入功能，讓各信息點(diǎn)自動(dòng)、準(zhǔn)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(cè)預(yù)警；三是把預(yù)報(bào)災(zāi)害強(qiáng)度分布圖和地圖重疊，從而在地圖中展示不同災(zāi)害強(qiáng)度覆蓋、影響的具體區(qū)域，同時(shí)，可同步展開各種強(qiáng)度的災(zāi)害預(yù)警工作；四是利用不同的顏色標(biāo)記不同強(qiáng)度災(zāi)害影響的地區(qū)，從而通過不同顏色進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警、提示；五是能夠隨時(shí)查看所選區(qū)域里各發(fā)布點(diǎn)的綜合信息；六是能夠提供短信平臺(tái)、電子公告牌等各類接口；七是具備查詢歷史監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)布信息的功能，如可滿足用戶查詢監(jiān)測(cè)預(yù)警發(fā)布時(shí)間、災(zāi)害強(qiáng)度、具體位置等信息的需求。

5 設(shè)置系統(tǒng)安全保障機(jī)制

(1)加密數(shù)據(jù)。做好數(shù)據(jù)加密對(duì) GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)運(yùn)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(wù)器端，借助殺毒軟件的主動(dòng)防控功能，對(duì)系統(tǒng)中的病毒進(jìn)行篩查、消殺，對(duì)系統(tǒng)外準(zhǔn)備入侵的病毒進(jìn)行一定程度的防御。

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

(4)系統(tǒng)的備份、恢復(fù)。實(shí)踐操作中，要及時(shí)做好系統(tǒng)內(nèi)各層次信息的備份，并及時(shí)對(duì)備份進(jìn)行更新，更要保證恢復(fù)措施使用的有效性，可將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行及時(shí)恢復(fù)。若基礎(chǔ)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(guān)系型業(yè)務(wù)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(jìn)行處理，這樣才能為系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時(shí)恢復(fù)提供保障。

6 系統(tǒng)功能分析

(1)氣象和農(nóng)情信息監(jiān)測(cè)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(guān)信息顯示出來，特別是可以對(duì)降水等氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)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(xì)化氣象預(yù)報(bào)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(gòu)建多模式狀態(tài)，打造精細(xì)化水平高的降水、溫濕度等預(yù)報(bào)類產(chǎn)品。

(3)氣象災(zāi)害預(yù)警模塊。一是氣象災(zāi)害預(yù)警模塊。該模塊借助自動(dòng)化氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、精細(xì)化預(yù)報(bào)天氣信息，并根據(jù)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算氣象災(zāi)害等級(jí)。同時(shí)，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(zāi)害精準(zhǔn)地演示出來，最終利用反演形式驗(yàn)證、修正天氣現(xiàn)象與氣象災(zāi)害等級(jí)，并輸出具體結(jié)果。[5]二是模塊功能與界面。此模塊可對(duì)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，而且用戶可自選時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間、氣象要素等參數(shù)信息。同時(shí)，預(yù)警產(chǎn)品可以通過圖形、文字形式進(jìn)行展現(xiàn)，從而將具體的信息提供給農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)人員及農(nóng)業(yè)有關(guān)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(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、各年度氣象數(shù)據(jù)信息及精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)客觀產(chǎn)品區(qū)數(shù)據(jù)、特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害指標(biāo)體系等，所以具備強(qiáng)大的查詢及檢索數(shù)據(jù)信息的功能。

7 結(jié)語

綜上所述，利用GIS技術(shù)完成農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建，有助于改善農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的準(zhǔn)確性、有效性、實(shí)效性，為農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)防、預(yù)警提供了便利。同時(shí)，便利的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害信息檢索、查詢功能，有助于農(nóng)業(yè)種植戶及時(shí)掌握氣象災(zāi)害信息，并做好應(yīng)對(duì)工作，這對(duì)促進(jìn)農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和諧發(fā)展具有積極影響。