大洋天气预报包装系统中自动生成等值线功能的实现

摘要：基于GIS的电视天气预报图文包装制作已成为电视气象节目制作技术的流行趋势，运用GIS技术将气象信息与地理信息融合，可直观、生动地反映气象要素的空间分布和时间变化，提高节目的视觉效果和科技含量。

关键词：GIS；气象节目；气象要素

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）28-6431-02

等值线图（色斑图）可直观反映气温、降水等要素的空间分布，因而经常在电视天气预报节目中被使用。但是由于目前很多国内的电视制作设备都无法实现等值线（色斑图）的自动绘制，只能以其他业务系统中生成的图形为参考手工绘制，这既费时费力又无法达到精确绘图。大洋天气预报包装制作播出系统DAURIC-Weather内嵌了建立在真三维空间下的地图系统，通过“手绘区域”功能可生成等值线（色斑图）。生成的等值线（色斑图）能够完全贴合在三维地图上，并能进行放大、缩小、漫游、旋转等功能。

DAURIC-Weather提供了2种等值线生成方法，一为手工绘制，通过手绘曲线工具绘制曲线；二为通过导入GIS数据可自动生成等值线。但是，由于GIS数据需要专门的软件输出，在实际工作中十分不便，如果直接采用站点数据则可更加提高工作效率，使得基于GIS的气象图形绘制和显示能够在日常节目中得到应用。为此，对大洋天气预报包装系统中的“手绘区域”进行了二次开发，使得系统能够实现等值线图的自动绘制功能。

1 功能设计

1.1 数据

数据类型为站点数据，格式为文本文件，数据包括每个站点的经纬度及要素值。

1.2 等值线间隔及颜色

分别按照1小时、3小时、24小时时段降雨量等级划分标准，设置等值线间隔及填充区域的颜色。（表1）

2 自动绘制等值线功能的实现

作为等值线分析的输入数据有两种， 网格化数据和离散点数据。对离散数据点可以先用某种插值方法形成网格数据， 然后再生成等值线。离散数据网格化的插值算法有很多，常用的有反距离权、Cressman插值法等。

2.1算法介绍

2.1.1 Cressman插值算法

Cressman 插值权重系数为Wij=（ Ri 2-d2）/（Ri2+d2）。当d>=Ri时，Wij=0，其中Ri为用户指定的影响半径，d为离散点到格点的二维或三维距离。经过每次比较插值点和实际资料的误差，生成订正值，直到订正值和实际资料的误差达到满意的精度时，可以进行下一步的计算。

在使用Cressman插值算法时，指定了三个参数：

1）网格步长（网格密度）：用来计算一共生成多少个网格点；

2）搜索个数：最少搜索几个离散点作为样本；

3）搜索半径：最大搜索范围，超出后自动停止；

其中搜索半径/网格步长，即搜索网格数，即为Cressman初始订正值。

2.1.2 IDW（Inverse Distance Weighted） 反距离权法空间插值算法

IDW是一种常用而简便的空间插值方法，它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。 设平面上分布一系列离散点，已知其坐标和值为Xi，Yi， Zi （i =1，2，...，n）通过距离加权值求z点值，z值见公式。

IDW通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元。这一方法要求离散点均匀分布，并且密度程度足以满足在分析中反映局部表面变化。

IDW方法提供两个分枝：IDW_Neighbour和IDW_Radius。DAURIC-Weather在使用IDW_Neighbour插值算法时，指定了两个参数：

1）网格步长（网格密度）：用来计算一共生成多少个网格点；

2）搜索个数：最少搜索几个离散点作为样本；

在使用IDW_Radius插值算法时，指定了三个参数：

1）网格步长（网格密度）：用来计算一共生成多少个网格点；

2）搜索个数：最少搜索几个离散点作为样本；

3）搜索半径：最大搜索范围，超出后自动停止；

2.1.3 两种插值算法比较

IDW方法简单实用，不同的气象数据具有不同的空间分布特征，比如温度的空间分布是连续的，而降水的空间分布是不连续的。IDW方法因此也提供两个分枝：IDW_Neighbour和IDW_Radius。前者插值出的格点数据都是有效值，而后者使用了搜索半径，插值出的格点数据可能包含无效数据（在搜索半径内没有站点数据）。

Cressman方法在气象中应用颇广。Cressman方法在每次迭代中也是有搜索半径，插值出的格点数据也可能有无效数据。如果是温度数据可以用IDW_Neighbour方法来插值，对于降水数据来说可以采用IDW_Radius或者Cressman方法。

这两种算法是气象行业中较为普遍，也是很常用的算法，不同的插值算法生成出的等值线效果也会有所差异，为了能够在屏幕上展现出更好的效果，提供了IDW_Neighbour、IDW_Radius、Cressman这三种插值算法选项来供用户选择，用户可根据需求来自行定义输出插件，使之更加满足自己的要求。

2.2实现过程

首先对站点数据进行解析，然后将解析后的站点数据、等值线值、插值类型、插值参数（网格步长、搜索个数、搜索半径等）传入第三方库wContour中进行计算，wContour通过计算，会输出每一个等值线值所包含的曲线组，拿到这个曲线组后，软件自动在后台

将该曲线组数据转换为地图内部的可渲染的数据格式。同时，根据该等值线值所对应的显示颜色，对该渲染数据进行高精度渲染，并将渲染结果根据相应区域的经纬度位置，作为地球纹理附着在地球上，从而形成三维等值线效果。

3 应用

在DAURIC-Weather中通过“手绘区域”中的“导入等值线数据”可自动绘制每1小时、每3小时及24小时雨量分布图，从而可动态显示雨量的动态变化，通过叠加在DAURIC-Weather的三维地图系统上，可实现图形的三维放大、缩小、旋转等效果，从而大大增强了节目的可视性。（图1）

4 小结

基于大洋Dauric-3DMaps模板制作模块制作出的天气预报画面根据有视觉冲击感，实现气象数据自动化生成色斑图，满足了气象节目对于高品质图表的要求。这套软件模块的广泛使用，将打破目前天气预报类节目人工绘制气象色斑图的原始模式，大大提高工作效率，使制作人员有更大的发挥空间，对气象节目中气象信息产品加工起到至关重要的作用。

参考文献：

[1] 庞君如，曹锐怡，王维一，等. [基于Morpho 3D系统制作气象影视服务图标类产品的研发初探] [J].北京：国家广播电影电视总局广播电视规划院信息研究所，2012.76.

[2] 张世强. 常用图形设计软件中适于地图制作的十个特性[J]；电子出版，1995（10）.