气象领域的GIS应用

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气象领域的GIS应用
1 GIS在气象领域的应用
我国地域辽阔,地形地貌复杂,气象的时空分布差异大,自然灾害频繁。从古到今 我国人民既受益于天气,也受害于天气,与自然灾害进行了长期的斗争。随着经济的增长、人口的增加、环境的变化,气象问题越来越受到各级政府及人民的重视。 因此在传统调查、规划、管理技术的基础上引进先进的技术,将更有助于加快信息的获取、更新,促进气象行业的发展。
地理信息系统(GIS),作为一 门重要的空间信息技术,在越来越多的信息系统建设中发挥了重要作用。气象信息既包括空间地理信息,又包括大量与空间密不可分的气象属性信息。气象数据本质 上也是地理信息,因为气象中的风速、温度、气压等都是相对于具体的空间域和时间域而言,没有地理位置的气象要素是没有任何意义的。GIS技术优势在于可以 海量管理和查询气象信息,可以对地理空间数据进行分析处理,与数值模型计算相结合,还可以形象直观的可视化表达模型计算结果;GIS空间分析能力还可以与 气象信息技术相结合,提供空间和动态的地理信息,并采用一定模型为决策服务提供科学依据。因此,在气象领域中引入GIS系统具有非常重要的意义。
GIS 在气象领域的应用非常广泛,并不觉限于空间数据的管理发布,它辐射到整个系统的各个环节,从数据组织、存储、管理到功能的实现与应用,能够与气象业务充分 结合,为整个气象信息化系统提供一个全面的解决方案。GIS是一个功能强大的平台,针对气象领域的特点,提供数据组织策略、强大的GIS功能集成、丰富的 Web展现、三维渲染和遥感处理等功能。
2 基于GIS的数据组织
GIS平台数据管理机制能够克服异构和分布式带来的气象数据使用障碍,建立一个理想的应用环境,既可以保留数据异构和分布性的优势,同时也可以为更多资源共享、处理协同与任务合作方面的用户提供一致化的服务接口和方式。
2.1 分布式数据管理
基 于GIS的气象数据可以实现分布式数据管理,采取“纵向多级、横向网格”的组网方案。分布式数据的存取操作、增量式订阅和发布技术均采用面向“服务”方式 进行,充分体现“面向服务”的最新设计思想。通过面向“服务”设计思想和面向“地理实体”的数据模型相结合,增量式订阅和发布技术使网络节点之间、父节点 与子节点之间,因不同操作系统、不同数据库平台、不同数据大小而产生的“异构数据库”可实现增量更新与同步。
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图2-1 气象GIS平台分布式数据管理原理图
2.2 地理数据的组织和存储
可按照“地理数据库-数据集-类”这几个层次组织数据,以满足气象领域对不同专题数据的组织和管理需要。
图2-2 地理数据库数据组织
根 据这种数据组织方式,地理数据库拟采取基于文件和基于商业数据库两种存储策略。由于这两种存储策略支持相同的空间数据模型,并且具有共同的平台,因此在文 件和数据库之间能够实现无损的平滑的数据迁移,使得上层软件不会因为数据迁移而改变。同时,可采用中间件消除空间数据在语法结构方面的差异。
2.3 气象业务数据的组织
气象业务数据库主要存储与气象业务相关的信息,包括各类气象探测资料的传输情况,观测要素的实时信息及历史气象资料,另外还有气象台站的基本信息和气象指标数据等内容。
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气象业务服务领域最突出的特点就是实时业务居多,实时性要求较高。而且要满足准确的预报,就需要有大量的观测数据。全省乃至全国、全世界非常庞大的数据都需要存储并处理,加之现在的卫星遥感资料、雷达资料等,因此资料的存储、管理及查询就成为一大问题。
庞大的气象数据必须借助数据库管理系统来存储和管理。而分布式数据管理方案能够解决网络节点之间、父节点与子节点之间、不同平台不同系统之间数据不通问题。如此,分布式的气象业务数据与其他数据库数据将能有效进行互动。
3.4 与MICAPS数据的兼容
气 象业务领域另一重要数据来自预报业务平台MICAPS系统的数据文件。MICAPS经过多年的应用与发展,其数据文件已经成为气象领域目前应用最广泛的数 据交换格式,但这些格式均是目前通用GIS 软件不能共享与访问的。因此,GIS应用于气象领域,首先要解决的就是气象资料的数据转换问题。GIS中空间数据按矢量模型和栅格模型进行组织和管理,而 矢量数据又细分为点、线、面3种类型,同类型的矢量数据可以形成矢量图层。因此,MICAPS数据文件可以按照GIS的数据组织方式进行转换和管理。其中 MICAPS中1类、3 类、7类、8类、14类均可以转换成矢量数据进行读入,如转成要素类。而MICAPS中4类(如云图、 雷达以及模式输出产品)等则可以转换栅格数据。
MICAPS中14类数据存储了预报员交互产生的数据,是一种较为复杂的文件格式,它可以存储很多 信息,如普通线、封闭线、点符号、线符号、文本,而GIS平台数据组织却是不允许同一层中表达不同类型的矢量数据(如线和面要素存在于同一图层)。因此需 要将其转换的数据进行重新组织形成多个图层,并结合气象符号采用不同的专题方式进行渲染绘制。
2.5 数据的可扩展性
随着气象业务体系不 断发展和完善,GIS平台不仅要处理已有的形式多样的各类数据,还有可能处理新领域、新类型的数据。针对这一问题,就需要设计一种数据连接器,来实现异构 数据跨平台互操作。数据连接器包含若干彼此独立的封装器,每个封装器对应一种数据源。对于每种新的数据源,系统需要做的只是构建相应的封装器。因此系统对 于支持的数据源种类具有很好的可扩展性。封装器的功能就是解析各种异构数据,通过模式抽取、数据抽取和数据转换把异构数据转换到统一的平台下,从而消除数 据异构性。
2.6数据的管理维护
在气象GIS平台数据管理中,结合业务需求利用粗粒度与细粒度内部的联系有机统一起来进行管理,如下图的 数据管理模型;气象数据的表现通过目录管理采用层次化的目录树统一管理数据;并根据气象业务领域实际情况,对特殊气象数据进行定时更新。同时,结合气象领 域数据特点,针对上述的数据组织,还提供了数据维护与安全机制,数据的清洗机制,提高平台的效率和质量。
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3 GIS应用的功能集成
GIS平台可提供极丰富的功能用于气象数据的处理和分析GIS数据;并通过制定标准的协议统一管理异构功能资源;依托于目录树的层次性对所有功能资源进行有效的分类查询、检索、管理;功能项能通过工作流灵活定制功能粒度。
3.1 功能基本组成
气象领域的GIS应用课提供以下三大类基本功能:基本地图操作功能、空间分析与统计功能、数据渲染功能。
1. 基本地图操作
气象GIS平台可提供一整套地图编辑工具来编辑修改地图中的地理实体对象,提供具有灵活方便的地图编辑功能,包括地图浏览、图层的操作与管理、图元的空间位置及参数修改、完备的查询功能、支持OLE拷贝、实现不同坐标参照的空间数据可视一体化等。
2. 空间分析与统计
空间分析功能提供空间度量功能、空间数据索引分析功能、空间数据内插功能、缓冲区分析、网络分析、拓扑分析、地形分析等。
图3-1-1原始离散点数据 图3-1-2反距离权重插值结果
图3-1-3 某地区降水栅格数据 图3-1-4 降水等值线图
3. 数据渲染
GIS平台可提供的气象数据渲染功能包括符号库定制、专题地图渲染和三维渲染。
专题渲染,就是以某种图案或颜色填充来表明地图对象(点、线、面)的某些信息(例如
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降雨量、受灾面积、损失程度、旱涝等级等)。气象GIS 可提供多种操作方式制作气象专题图,
包括多类型的专题图制作、多方位标注渲染和图层叠加显示(透明、卷帘、闪烁、多源多尺度
动态显示)。
图3-1-5 分段专题图示例 图3-1-6 饼状统计专题图示例
三维渲染主要负责气象专业数据的三维可视化。气象专业数据的可视化主要包括:云的模拟,
雨、雪、雹等效果的模拟,大气的压强、湿度、温度、气流等效果的模拟。
图3-1-7 温度数据示意图 图3-1-8 旋涡状气流的模拟
图3-1-9 风场数据模型 图3-1-10 地表风场数据图
3.2 其他功能与扩展
气象GIS 平台针对气象领域特点,可提供异构功能集成,解决数据互操作问题。随着功能的增
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多, 为功能管理带来诸多不便。为避免此类问题,气象GIS可采用层次化的目录树结构分类管理和组织功能,同时支持用户可以实现基于开发领域组织用户自己的功能 资源视图。在元数据方面,提供功能资源元数据库同时,支持功能扩展,即支持用户可自定义格式的功能目录表现、具体功能项的使用定义可随时定义即时应用、功 能目录树支持新功能和自定义功能的挂接等——最终实现可以根据用户的具体业务领域不断扩充。
4 气象GIS的Web展现
4.1 基于GIS的气象Web展现需求
随 着中国气象局在全国各地的探测项目、观测项目和测站仪器数量的增加,各类新增气象探测资料开始在全国气象通信信息系统中传输。快速增长的探测资料种类和数 量对监视资料的实时交换和统计业务提出了新要求。传统的通信监视信息系统只是简单地监视地面和高空人工编辑报,无法满足当代气象资料种类、格式、时效和用 途的要求。
为了实时监视到各种新增观测资料(如自动站、雨量站、沙尘暴、大气成分等)的收集情况及气象要素值的正确性,给各级气象业务管理部门和 实时业务单位提供一个可以更好、更方便地了解资料实时传输情况和要素信息的平台,在研究气象信息化现状及存在问题基础上,气象GIS平台提供基于 WebGIS的气象GIS数据表现功能。
4.2 气象GIS的Web展现功能
气象GIS数据表现建设是一个复杂的工程,从数据采集到气象 信息发布和分析决策,涉及到大量数据、复杂的软硬件环境和众多参与人员。在大量硬软件资源的支撑下,从通信网络到气象信息发布和分析决策,整个功能模块建 设包括如下几个方面:数据采集、数据处理、信息显示、信息查询、信息自动发布、信息分析和场景模拟。
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图4-2-1 模块基本架构图
该功能模块支持DEM高程数据、影像数据、矢量数据和3d Max建模数据,从数据采集、处理、发布显示到各种应用,提供功能强大、内容丰富的Web展现功能。
图4-2-2 真三维数字地球Web显示模拟图 图4-2-3 影像和高程显示
图4-2-4 影像显示 图4-2-5 某日0时气象云图
气 象数据Web共享与发布体系气象信息采集与获取体系气象数据Web管理与信息分析体系政府面向政府、专业机构、研究机构等专业机构研究机构公众气象Web 数据采集子模块气象Web数据处理子模块气象Web信息显示子模块Web信息查询子模块Web信息自动发布子模块Web信息分析子模块Internet通 用核心气象功能仓库气象数据仓库气象业务数据库社会经济数据库地理信息数据库气象GIS平台数据表现大型GIS和数据库支持的气象数据信息共享与发布体系 场景模拟子模块
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图4-2-6 某一时段某省日天气情况模拟 图4-2-7 某时段某地区降水百分比分布
图4-2-8 坡度分析模拟图 图4-2-9 雷达扫描模拟图
5 气象GIS的三维渲染
5.1 气象GIS的三维渲染需求
随 着国民经济的发展,气象服务越来越贴近社会活动的各方面,直接关系到亿万人民的生活、国民经济的持续发展和国家安全。通常情况下,气象工作者将二维的层状 数据人为叠加来进行分析,而运用三维可视化,可让气象工作者从大量二维图像计算中解脱出来,让他们的精力集中于预报所需的实际数值。利用三维模块可以将从 气球、地面站、雷达、飞机和卫星等收集来的大量数据进行显示和处理,并在此基础上及时跟踪和评估当地的重要气象情况,利用动画模块则更可以将一个时期的气 象数据回放,动态展示数据变化趋势,从而及时准确地做出决策。
5.2 气象GIS的三维渲染功能
气象GIS的三维渲染功能是一个三维空间数据的综合处理模块,可提供开放式的、可扩展的三维处理功能。该模块基于气象GIS平台功能资源,整个功能建设主要包括:三维可视化、气象三维空间数据库管理、三维场景漫游、三维地形绘制、气象数据专业建模工具、气象三维辅助分析。
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图5-2-1 模块基本架构图
图5-2-2 大数据量地形绘制示例 图5-2-3风场数据模型
图5-2-4 风暴模拟图 图5-2-5 属性模型的剖切
通 用核心气象功能仓库气象数据仓库气象业务数据库社会经济数据库地理信息数据库三维可视化模块三维空间数据库管理三维场景漫游气象数据建模模块三维分析决策 模块大型GIS和数据库支持的气象三维开发平台面向气象专业、气象研究机构、大众„„气象局大众„„科研院所应用层气象GIS平
台三维模块三维地形绘制模块
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6 气象GIS的遥感处理
6.1 气象GIS的遥感处理需求
近 年来,在气象业务和研究领域里,一系列新型的探测大气的技术系统正陆续出现,例如微波气象雷达、激光雷达、声雷达、以及气象卫星和微波、红外、可见光辐射 等等,这类探测技术统称为大气遥感探测。它已经为我们提供了一系列丰富多彩的大气图像和定量信息,逐步满足各部门对气象资料的迫切需要。遥感技术的不断发 展,给气象应用提供了一个新的平台,对气象数据大规模、快速的监测与处理提出了新的要求。
为了实时监测各种气象要素,给各级气象业务管理部门和单位提供一个可以更好、更方便地实时了解资料要素信息的平台,解决各级部门在实际中遇到的问题,可构建一个气象GIS平台遥感模块。用户可以录入、查询、显示、管理各种气象数据信息。
6.2 气象GIS的遥感处理功能
GIS 平台遥感模块设计根据气象行业的相关标准,结合气象行业的相关数据特点及其数据处理流程,建立起功能与界面相分离的应用系统;同时具有良好的开放性和可扩 展性,支持后期的影像数据分析及行业相关专题信息提取功能的集成。气象GIS的遥感处理功能包括遥感数据的录入、存储与管理、显示、查询、裁剪、分析和遥 感数据增强等。
图6-2-1 气象数据多层面管理 图6-2-2 多源数据管理
图6-2-3 矢量数据在图像上的显示 图6-2-4 多源影像数据的融合显示
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图6-2-5 FY3数据显示 图6-2-6 按采集时间的影像查询
7 总结与展望
目 前GIS在气象领域的应用越来越普及,更多的气象工作者开始认识到地理信息系统技术的使用价值,无论是在气象资料管理、农业气候区划、气候状况跟踪、气象 灾害评估、大气成分变化趋势预测,以及气象建模分析评价及提供辅助决策方面,地理信息系统都发挥着不可替代的作用。随着气象事业发展战略的实施和“3S” 集成技术的发展,GIS 技术在气象领域的应用必将迎来一个迅速发展的崭新阶段。

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