基于SuperMap GIS 的加密雨量自动分析与共享系统

来源：河北省气象局

开发单位：河北省唐山市气象局/衡水市气象局/张家口市气象局　　
应用单位：河北省气象局
联系人：方亚华　　
电话 010-82736655-8308
Email fangyh@supermap.com

1、背景介绍
　　近年来，气象部门广泛布点加密雨量站，大大提高了雨量探测精度和时效，我省到2006年要布点1700多个，并且在山区、沿海、水库等地区着重布点，如何应用如此大量的加密雨量信息、如何直观的表现雨量分布和影响，成为充分利用好自动雨量站资源的重要问题。地理信息系统（GIS）的应用是解决这一问题的最有效的手段。
　　地里信息系统在各行业应用越来越广泛，气象业务内容与地理信息关系密切，非常适合GIS的应用。针对我省雨量站建设应用，我们采用SuperMap GIS开发了加密雨量自动分析发布系统，以雨量地图的形式实现加密雨量资料全省共享，取得了良好的效果。

2、系统结构

图一 系统结构图

　　本项目充分利用原有的网络业务系统、数据库系统基础，引入SuperMap系统和技术对加密雨量站系统进行开发，系统结构如上图所示，由4个主要部分组成：
◆气象业务数据库系统：为各项气象业务系统的数据存贮中心，包括原有的气候数据库、实时库、灾情数据库以及加密雨量数据库，由多台SQL Server数据库系统组成。本项目大量数据、信息以数据库的形式存储，包括SuperMap自身的地理信息框架和各种地理图层、实时雨量图层、经过分析生成的等值线、栅格图层、各种地图等，都以数据库的形式存储在业务数据库系统中。使本项目很好的融入原有的大的业务体系中并实现良好的并发性。
◆地理信息空间数据集体系：数据集直接对应地图图层，是地理信息系统的基本单元，本项目中，我们选取或制作了与雨量开发和气象服务密切相关的地理、业务数据集30多个，首先是基本地理信息数据集，包括河北省1：25万地图中的地市县乡界、水库、各级河流、各级道路、河北省数字高程模型（DEM）等数据集；另外，我们制作了气象业务数据集，包括河北气象台站分布、加密站点分布、人影作业点分布、实时雨量数据集、各种时段雨量数据集、灾情数据集以及自动分析生成的雨量栅格数据集、等值线数据集等，所有这些数据集构成了各种雨量地图的框架基础；
◆自动处理部分：连接原始数据库和地理信息数据集，采用SuperMap Objects组件开发，对加密雨量等气象原始数据库进行实时检索，并对各业务图层数据集进行自动刷新，并自动完成离散站点雨量内插值分析和等值线提取以及相关的叠加分析和剪裁，生成河北省雨量分布栅格数据、雨量等值线并刷新相应的数据集，实现地图的自动更新。
◆信息发布：雨量地图定义，包括图层设置、专题图、显示风格设置、气象符号制作等，地图基于SuperMap IS.Net + IIS的Web服务器进行发布和共享，客户端基于浏览器就可实现实时雨量监控、雨量分析、空间查询、量算等功能，并通过水库、河流、路段、山体等地里位置关系进行有效的灾害预防等气象服务。部分页面效果截图如下图。

图二 降雨量效果截图

3、系统实现
　　◆数据框架与存储
　　SuperMap GIS为组件式系统，具有灵活的开发模式和很强的空间分析功能，在基于SuperMap GIS系统中，数据框架主要是由工作空间、数据源、数据集、地图等构成，他们之间的关系如下图。

图三 数据组织结构

图四 雨量差值流程图

　　对于数据存储，我们利用SuperMap支持的SQLPlus数据引擎，建立SQLPlus数据源，利用SQL Server完善的系统功能实现良好的并发访问和安全控制功能。在SQLPlus数据源中，数据集表现为数据库表，存储空间数据和属性信息主体。在本系统中，数据集主要包括河北省地理信息数据集和雨量站点、等值线等业务数据集。数据集对应的图层叠加成为地图，实现气象数据在地理信息上的叠加显示。数据集是我们进行开发和操作的主体，我们设定的基本雨量数据集有3个，分别存储实时雨量、24小时雨量、48小时雨量。其结构包含空间几何字段和雨量、站号等属性字段。
　　◆时段雨量分布图
　　24、48小时雨量是服务重点，我们基于SuperMap Objects开发了时段雨量自动分析功能，每天定时生成24、48小时雨量分布图（栅格数据集），其过程为：对雨量图进行栅格化处理，并针对雨量作范围分段专题图。
　　雨量栅格化是通过对雨量点数据集作内插值来实现，经过对多种插方法的测试，我们选用克吕金插值。所用主要控件为SuperWorkspace、SuperAnalyst。
　　为保证插值效果，对雨量数据进行异常值控制非常必要，我们主要作了两个方面：首先过滤去除野值和用于表示站点故障的标示值；另外，有效性判断是从雨量数据集中获取有效雨量站点个数，站点个数少于5个，则跳过插值过程，不生成栅格图。
　　◆等值线提取
　　在插值生成栅格图的基础上，对栅格图进行进一步的表面分析，根据雨量大小提取等值线。　　SuperMap Objects支持3种等值线提取：等值距提取、按值提取、按点提取。我们根据服务惯例，采用按值提取方式，按照小雨、中雨、大雨等量级进行等直线提取，所用控件方法：
SuperAnalyst.SurfaceAnalyst.Surface.IsolineByValue(raster,rain,s)
　　其中：raster为已经生成的栅格数据集，rain为用于提取等值线的雨量值，s为等值线的平滑度。生成的每一条等值线都加入建好的线数据集中，构成完整的等值线图层。
　　◆数据集的剪裁
　　栅格图和等值线图都需要按照河北省版图（面数据集）进行剪裁，获得河北省界内的地图数据集。

4、气象信息地图的定义
　　为直观表现全省雨量分布情况，我们充分利用河北省1：25万地图丰富的图层：水库、河流、各级公路、铁路、河北三维地形影像图等，最大限度的体现降水与地理信息的位置关系和可能带来的影响，为雨情服务和灾情预警提供有力依据。雨量地图分为两类：
　　实时雨量监控图
　　实时雨量在地理信息图层上叠加，每5分钟刷新雨量，用于雨量监控。
　　24、48时段雨量图
　　时段雨量、等值线、主要地理信息、雨量分布栅格图的叠加，用于自动形成雨情服务材料、评估各区域总的降雨情况及造成的影响。
关于专题图
　　专题图在地图中起着非常关键的作用：地图中站点雨量值的显现必须依靠标签专题图来实现。同样，对于河流、公路等图层，根据其名字作标签专题图，以在地图上显示河流、公路的同时标示其名称。对插值获得的栅格图，根据栅格像素高度（雨量值）作范围分段专题图，形成雨量分布图的效果。

5、地图的发布
　　地图一旦定义并保存后，就可以在SuperMap IS.Net服务器中进行发布，SuperMap IS.Net基于WEB网页的方式，并提供放大、缩小、按图层查询、图层消隐控值、鹰眼漫游等功能，客户端基于浏览器无需任何插件进行浏览、打印。实现雨量资料的高质量共享。

6、需要注意的问题
　　地图的自动刷新问题
　　地图一旦定义、存贮并发布，其各图层的更新通过在后台更新对应的数据集来实现。对于实时雨量图层，我们通过数据库编程每5分钟由原始气象数据库更新实时雨量数据集中各站点雨量值；24、48小时雨量数据集每天8：00更新。但等值线图和栅格图层无法直接更新数据集，我们采用先删除数据集再重新生成同名数据集的方法，数据集的更新直接反映为地图的更新。
地图丢失问题
　　 SuperMap GIS中，定义好的地图保存在工作空间中，因此，地图定义或修改后，首先要对地图进行保存之外，还必须重新保存工作空间，否则，会有地图丢失现象。
等值线的过滤
　　 按值提取等值线，由于雨量数据的原因，有时会生成一些很小的等值线，在地图上表现为一些离散的点，有必要进行过滤，只保留主要的等值线。我们采用的方法是：对等值线数据集按照等值线长度值筛选，选取长度大于10000米的等值线记录集并重新保存等值线数据集。
地图信息分级显示控制
　　 本项目中，为了直观的显示雨量与地理的关系，地图中都设置了比较丰富图层，但在地图缩小显示时过多的信息拥挤，无法分辨，为此，我们对每个图层信息设置分级显示控制，如河流名称只有在地图放大显示到一定比例时才开始显示，否则只显示河流形状。地图缩小所显示的信息量逐渐减少，只保留主要信息。

7、结束语
　　 通过对各个环节的精心设计和编程，并充分利用河北省地理信息数据，实现了原始气象信息和地理信息结合和基于WEB的发布应用。整个过程全部自动完成。为充分应用加密雨量站资料进行水库、交通、地质灾害等预报服务提供更直观精确的依据。相同的方法已经应用到温度、灾情、气候资料等其他资料的共享开发上。但SuperMap GIS的应用开发潜力还很大，更多的分析功能有待于进一步的开发应用。