浅谈利用GIS技术完成农业气象灾害监测预警系统的分析

2021-12-23王晓楠李晓晨张立军吴振明李文枫李金霞黄峰华

农业工程与装备 2021年1期

张研，王晓楠，李晓晨，张立军，吴振明，李文枫，李金霞，黄峰华

(1.黑龙江省农业科学院农业遥感与信息研究所，黑龙江哈尔滨 150086，2. 黑龙江省农业科学院黑河分院，黑龙江黑河 164300)

随着全球气候变暖和北极冰川消融现象的发生，由此引发的气候异常现象成为了全球关注的焦点。我国农业生产由于受气候多变、气象灾害频发等因素的影响，遭受了重大损失，同时也在一定程度上影响了农业产业的可持续健康发展。为了有效应对洪涝、暴风雪等气象灾害，在未来农业的发展中应用 GIS技术构建农业气象灾害监测预警系统，应对频发的气象灾害，已成为未来农业的发展趋势。

1 构建农业气象灾害监测预警系统的思路

在开展农业气象灾害预防工作时，要做好天气预报、气象灾害发生时间等信息收集、确定工作，更要明确气象灾害影响的范围、具体的空间地理信息、气象属性信息等。而以 GIS技术为核心搭建的专项系统平台，可担此重任。所以，利用 GIS技术完成农业气象灾害动态监测预警系统的建设，可有效预防气象灾害。

2 GIS系统软件的优点及设计原则

严谨、准确、可靠的气象数据信息，对气象工作及相关业务的开展产生了重要的影响，将GIS技术引入气象业务中，有助于改善数据的连续性、共享性、稳定性，更能有效利用气象科学数据信息，满足农业发展期间防灾减灾的需求。目前，GIS系统软件包含地理数据丰富、功能较强等优点。采用 GIS技术能够在地图上详细显示农业气象灾害中的统计数据信息，有助于有效开展农业气象灾害监测预警工作。同时，在运用 GIS技术进行系统设计期间，还必须坚持可靠性、安全性等原则，才能提高系统的使用价值。[1]

3 系统总体构架分析

基于 GIS技术设计的 GIS地理信息系统主要由网络层、数据层、应用层三部分构成。一是网络层。它是系统运行的重要保障，涵盖网络系统及有关软硬件。二是数据层。其中包含用户数据、气象灾害预警等信息。三是应用层。主要负责供给天气预报信息、分析气象灾害天气状况、进行农作物气象灾害预警等。

4 基于 GIS技术的农业气象灾害监测预警系统关键技术解决方案与功能设计研究

(1)基于 GIS技术的农业气象灾害监测预警系统开发关键技术分析。一是以组件为核心的接口技术。COM属于微软公司顶级二进制通信规范，更是组件间相互接口的主要规范，负责组织所有软件组件、硬件组件通过统一标准完成交互。COM属于计算机间共同使用的二进制标准，COM组件带来的基础性结构，让凡是使用COM技术的设备均可通过此结构获取公共函数，其采用一类和平台没有关系并兼容二进制的语言 IDL进行定义，该接口能够使组件间、程序和组件及本地组件和远程组件间的功能实现调用。二是混合编程技术。通过大于等于 2种的计算机语言完成的应用程序开发过程即“混合编程”。目前，行业内部应用的程序设计语言种类十分丰富，优缺点各异。混合编程能够对各类程序设计的语言优势进行充分发挥，且在混合编程期间需要优先对混合编程最终制造的软件产品能否独立发布、是否以软件产品形式存在进行考虑。本次则采用 cft语言在.NET平台中为设计操作界面，通过混合编程技术调用由 C++语言编写的专业化处理程序，极大减少了重复代码的编写，从而缩短软件的开发时间，降低了成本，也提高了软件的通用性；应用数据库技术、Excel、Access等构建农业气象基础数据库；应用 GIS技术结合 C++、Visual Basic.NET构建农业气象灾害监测预警系统[2]。

(2)交换业务及共享数据问题。基于 GIS技术研发的各系统间存在的业务交换、共享数据始终是核心问题，通常要采用 SOA，即面向服务的体系结构处理相关问题。所谓面向服务的体系结构，即一种组件模型，具体操作中应基于需求分析，对应用程序各类功能单元进行定义(即服务)，所有服务均和中立接口、契约对应，并和实现服务的硬件平台、操作系统、编程语言呈相互独立关系。具体运用时，采用服务间定义连接接口与契约，让建立在各系统内的服务通过统一、通用的形式实现交互。此类具备中立特点的接口定义特征，被唤作“服务间松耦合”。

(3)围绕空间信息检索研究问题。通过比较GIS系统和市场上常见的制图系统可以发现，其主要差异在于 GIS的空间分析能力更为强大，并可对现实世界地理要素涉及的空间位置及关系进行充分表达，系统能通过空间分析技术完成农业气象灾害信息查询。首先，系统将实时库、历史库内全部观测站台采用地理坐标编码形式转化为空间数据，数据属性值则具备台站名称、类别等信息。检索数据信息期间，在业务系统内把台站以涂层形式进行加载，从而为用户基于空间区域气象要素进行检索提供便利。系统内要设计根据市、区、流域等各种区域划分的选择形式，方便用户根据区域挑选站台，以便完成某区域气象要素等值线图分析等工作。同时，空间分析技术也可以为农业气象灾情信息检索、气象灾害分析等操作提供便利服务。

(4)工作流引擎问题。工作流引擎采用分析、抽象业务及公文流转，清晰划分了不变、变化的部分，可以方便用户采用可视化工具操作、修改事项流程、修改流程环节表单、设置流程环节涉及的角色等，满足了应对不断变化的需求，且工作流管理系统具备的流程监控、查询系统模块，有效支持了用户优化流程，实现了调度管理工作效率的提升。

(5)评估模型插件技术问题分析。GIS技术具备强大的空间建模能力，比如栅格分析、缓冲区分析、影响范围分析等均对构建农业气象灾害天气损失评估模型有利。不过因为模型具备可变性、复杂性、多样性等特点，为了能够适应不断变化的现实情况，用户则需要经常对模型与模型应用数据进行修改。在特定模型参数运用中，即便能使用配置文件实现，不过一旦使用的模型发生改变，那么在配置文件上进行对应修改则很难实现。所以，在系统设计时要通过 COM插件技术改善系统适应性、可扩展性。插件利用自定义标准化结构和主程序通讯，存在基本参数，启动调用，及把模型计算结果实施可视化的显示接口，而且系统还具备修改、删除模型等相关的管理功能。

(6)数据模型存在的统一、交互问题。利用 GIS技术完成的农业气象灾害监测预警系统需要具备实现共享信息资源、实现管理规范化的能力。所以，在实际操作中，可利用IEC提供的公共信息模型完成数据模型的统一、建造，该模型属于国际通用的数据统一模型与流行性解决方案，可有效支持数据交互、统一，降低了维护工作的强度。[3]该系统具备的功能如下：一是监测预警发布点地理信息导入功能，让各信息点自动、准确地显示在地图上；二是可在地图上确定闭合区域范围，发布监测预警；三是把预报灾害强度分布图和地图重叠，从而在地图中展示不同灾害强度覆盖、影响的具体区域，同时，可同步展开各种强度的灾害预警工作；四是利用不同的颜色标记不同强度灾害影响的地区，从而通过不同颜色进行监测预警、提示；五是能够随时查看所选区域里各发布点的综合信息；六是能够提供短信平台、电子公告牌等各类接口；七是具备查询历史监测预警发布信息的功能，如可满足用户查询监测预警发布时间、灾害强度、具体位置等信息的需求。

5 设置系统安全保障机制

(1)加密数据。做好数据加密对 GIS系统数据运用的安全性十分重要，一般可采用信息加密工作创建、管理钥匙，完成信息及文件传输、归档等加密需求[4]。

(2)防控病毒。在病毒防控中，可将 360杀毒软件等主流防毒软件安装在服务器端，借助杀毒软件的主动防控功能，对系统中的病毒进行筛查、消杀，对系统外准备入侵的病毒进行一定程度的防御。

(3)防黑客服务。该服务需要从安全漏洞修复、系统入侵紧急响应、系统及数据库的安全监测、实施入侵监控等几个方面入手。

(4)系统的备份、恢复。实践操作中，要及时做好系统内各层次信息的备份，并及时对备份进行更新，更要保证恢复措施使用的有效性，可将计算机系统需要的数据、信息进行及时恢复。若基础地理信息数据变化较小，则每季度备份一次即可；若属于关系型业务专题数据，则需要按照每周增量备份、每月全盘备份的方案进行处理，这样才能为系统数据及时恢复提供保障。

6 系统功能分析

(1)气象和农情信息监测模块的分析。该模块涵盖特色农业范围中的气象与农田信息采集、传输状况，如气象和农情信息采集及传输功能能在规定范围内将温湿度及有关信息显示出来，特别是可以对降水等气象要素数据进行精确显示，随后数据库接收软件数据，并收入数据库完成数据更新。

(2)精细化气象预报产品模块分析。参照欧美通用的数值模式，利用最优化集成法客观解释集成成员，构建多模式状态，打造精细化水平高的降水、温湿度等预报类产品。

(3)气象灾害预警模块。一是气象灾害预警模块。该模块借助自动化气象站实时监测数据、精细化预报天气信息，并根据农业气象灾害标准计算气象灾害等级。同时，利用气象和农情信息采集、传输装置具备的功能，可将天气现象、气象灾害精准地演示出来，最终利用反演形式验证、修正天气现象与气象灾害等级，并输出具体结果。[5]二是模块功能与界面。此模块可对特色农业气象灾害进行预警，而且用户可自选时长、时间、气象要素等参数信息。同时，预警产品可以通过图形、文字形式进行展现，从而将具体的信息提供给农业气象服务人员及农业有关部门开展工作。

(4)数据查询及管理模块。数据库内收集了农业气象灾害统计数据、各年度气象数据信息及精细化天气预报客观产品区数据、特色农业气象灾害指标体系等，所以具备强大的查询及检索数据信息的功能。