基于组件式GIS技术的气象信息系统设计与开发

宋哲琛

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)是空间数据管理和分析的计算机系统,它是分析、模拟和再现各种具有空间特征的现象和过程的通用技术.GIS有严格的数据模型和空间参考坐标系,具有集成各种来源的空间数据的能力,这使得各种气象业务数据能够在空间参考一致环境中进行集成分析;GIS具有丰富的地图表达功能,可充分满足天气、气候现象和过程的可视化需求,同时GIS具有开放的结构,能够按照工业标准集成气象领域的专业模式,使得各种气象气候的分析可以在一致的环境下进行.

近年来随着气象现代化建设的飞速发展,越来越多的气象现代化设备投入业务使用,自动气象观测站便是其中之一.浙江省湖州市气象局已经建设完成了59个自动气象站,遍布全市各个地区,初步建成了新一代自动气象观测网络.但是这些设备来自不同的生产厂家,即使是同一厂家的产品,因不同的业务需求,产品型号也不尽相同,各自观测数据的存储格式、存储方式、数据显示处理前端、观测项目等都不同,这对业务应用造成了一定困难,不利于天气预报员进行天气分析,同时也无法满足相关单位的资料共享需求,特别是为政府决策提供及时直观的数据.为此,本研究将结合这一需要,开发一套气象自动站数据综合分析和处理系统以满足上述需求.

1 系统需求及功能分析

基于GIS的气象信息系统是对气象信息进行采集、分类,然后利用GIS技术对数据进行存储、处理、建模、分析和表示的计算机系统.该系统不仅可以管理以数字、文字为主的属性信息,还可以管理以图形图像为主的空间信息.系统应该具有数据采集录入和格式转换的功能,能够导入不同格式和数据类型的数据.同时,具有气象资源信息图形处理和气象资源数据管理的功能.气象资源信息图形处理主要是指,系统能够分析和显示气象资源各项数据,实现气象资源信息的地图化、数据分析的可视化,促进气象管理的科学化.同时,可以根据气象档案数据,结合地图自动生成气候分布区域图形以及三维图形.气象资源数据管理的具体功能是指,系统能够按日、旬、月、年对气象要素资料进行管理,可实现固定检索、任意时段的检索、查询、排序及输出等,并统计生成旬、月、年及多年平均气象资料,可为气候区域提供各种所需的基本气候数据.同时运用GIS可视化技术在电子地图上实现用户的定位查询,区域查询,图上查询,统计计算等.

2 系统功能设计

气象数据是由分布在不同地区的观测站观测数据并进行汇总,进行计算得来的.其中包括如下常用的字段:温度、压强、风力、云量、雨量等.这里需要强调的是,气象数据本身是时间空间兼顾的数据(四维数据),也就是说气象数据会随着时间和空间的变化而变化.由此可以想到气象数据首先在空间上呈现一个长方体形状,长方体内部分为很多层,同时每一层由网格点构成,这些网格点在实际当中就代表着每一个观测站,换句话说,每一个观测站将会每隔一定高度进行气象数据的采集,如果有很多观测站的话,就会形成一个体状数据格式.本文研究的气象信息系统的系统结构框架见图1.

图1 气象信息系统架构图

3 数据库设计

系统的核心就是建立空间数据库和属性数据库以及对数据库中的数据进行各类操作,而数据库的质量将直接影响以后分析的结果、研究的进展.空间分析可以说在很大程度上是基于数据的,数据的可靠性、数据量的大小对分析结果会产生直接的影响.本系统数据主要包括3个表,分别为:自动站属性表(见图2和图3)、数据表(见图4和图5)、错误信息表(见图6).自动站属性表存放站点属性信息,如站号、站名、经纬度以及传感器的相关信息等,数据表存放各种气象要素观测数据,包括温、湿、压、风能、雨量气象要素等实时观测数据以及观测时间等相关信息.

图2 自动站属性表结构

图3 自动站属性表数据

图4 气象数据表结构

图5 气象数据表数据

图6 错误信息表结构

错误信息表存放数据入库的过程中,出现的错误,由站号、站名和错误原因3个字段组成.

基于GIS的特点,数据库的设计我们可以在GIS软件中设计,GIS数据库的数据交换技术,可以与通用软件之间进行数据交换,实现数据共享.

4 系统实现

4.1 数据采集

数据的准确性和全面性是系统有效性的重要因素,因此数据采集是一项重要环节.本系统的开发需要气象的站点数据,并且需要一张较为准确的湖州市地图作为背景图.然后在这张背景区域图上,根据各站点的位置,绘制出各站的位置图,见图7.

图7 站点分布图

4.2 数据处理

由于原始数据种类繁多,而且结构各异,因此,对不同的原始数据采用不同的方法行提取、格式转换、检误剔错和内插外延,然后规范化管理.本研究主要采用统计分析GIS技术相结合的方法.在空间数据和属性数据的处理上,采用空间数据和属性数据统一放和管理.

气象数据和其它环境要素都是空间数据,信息量大,时间序列长,关系复杂,统计计算特别繁琐,数据的查询和提取效率很低,并且原始的气象资料都是以文本形式存放每一个气象要素都是一个独立的文件,不利于气象要素的整合和统计,气象资料的更新修改等后续工作更不易实现.

已经建成的32个自动气象站,由于数据格式不是标准的数据库格式,而是以文件形式存在,因此基于Visual C#.net和ADO数据库接入技术开发自动站自动、实时入库模块,对不同数据来源和数据格式进行处理,转换成设计好的数据格式入库.该模式每小时自动启动运行,保证观测数据的实时入库.

在数据库中读取被取站点的信息表,找到当前要进行入库的站点资料并进行定位.然后将该站点的原始数据文件进行拷贝.定位需要整理的资料,找到所需的字段并将其剥离出来,再对这些按气象规范定义所记录的特殊字符代码按照各自的转换公式进行处理,将其翻译成常见气象要素数值.这样当天所有时次的气象要素数值就已经整理出来了.然后开始入库操作.利用了 ADO组件中的Recordset对象进行处理.将上面得出的要素数值按每小时作为一条记录先于当前时间进行比较,若大于当前时间,说明该站点的数据有误,丢掉不用直接进入下一个站点的资料处理.若小于当前时间,再与库中的记录进行比较,如果比最新一次入库的时间大,说明是新记录,则直接入库,然后进行下一条记录的判断.如果比最新一次的入库的时间小,则说明该条记录已经入过库,丢掉不用,然后进行下一条记录的判断.该站点的资料处理完毕之后,判断已经处理的站点个数有没有超过全部的站点个数,如果未超过,说明还有站点没进行处理,则从头开始进行下一个站点的资料处理入库过程,直至全部站点资料入库.如果在入库过程中出现错误,则将出现的错误信息,包括站号、站名和错误原因等信息写入错误信息表中.以上的资料处理过程每小时进行一次,以保证系统数据库内的数据与最新观测到的数据同步,该程序放于后台自动执行.

4.3 数据显示

利用GIS的空间显示和空间分析功能,将自动站采集的气象要素数据实时地显示在相应的空间位置上,并与河流、道路、水库、行政区划等图层进行叠加,以柱状图、饼状图等表现形式,生动直观地展现在气象业务人员面前.同时可对各模块的数据进行分析,做出等值线,并可按时间顺序进行动态显示.主要模块按气象要素分为气温模块,气压模块,风模块,降水量模块,综合显示模块.

电子地图采用矢量与栅格数据格式相结合的空间数据表达方式.河流、区划、水库等地理信息采用矢量数据格式,以准确地表达地理实体的边界;地形、雨量分布采用了栅格数据格式,以便于绘制等值线分析.根据地图比例尺、单元网格大小将气象要素数值标注在公用或择独立的标注数据集之上,准确、快速、高效地生成各种指定的等值线.充分利用地理信息系统的浏览工具,如放大、缩小、自由缩放、漫游、全图等,实现分布图的无极缩放.

雨量专题地图,见图8和图9.其它如温度,湿度,风速,气压等的显示,由于篇幅所限,这里不再展示.

图8 雨量等级专题地图

图9 雨量柱状图

5 结 语

本研究基于组件式GIS软件和相关的开发平台,设计并开发一套气象自动站数据综合分析和处理系统,实现的功能主要包括实时气象监测、历史资料查询、预报结果计算输出、专题图(降水量、等温线、等压线等)制作等功能,并通过湖州市气象局的实际应用,验证了系统的可靠性和有效性.本系统实现了多种不同数据类型和数据格式的气象数据的转换和导入导出,实现了地图各图层的可视、可选择、可捕捉等图层管理,实现了气象要素包括雨量,温度,湿度,风速,气压等的专题地图制作功能,包括等值线图,统计柱状图等,展示了GIS技术在气象领域广阔的应用前景.

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