引用本文
施益强, 吴丽娜, 吴陈锋. 基于GIS的雷达数据三维可视化与预警系统设计与实现[J]. 国土资源遥感, 2013,25(1): 171-175
SHI Yiqiang, WU Lina, WU Chenfeng. Design and implementation of a 3D visualization and early warning system for Radar data based on GIS[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2013,25(1): 171-175  
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基于GIS的雷达数据三维可视化与预警系统设计与实现
施益强1, 吴丽娜1, 吴陈锋2
1.集美大学影像信息工程技术研究中心, 厦门 361021
2.厦门市气象局, 厦门 361012

第一作者简介: 施益强(1977-),男,讲师,硕士,研究方向为GIS与RS空间信息技术应用。E-mail:yqshi_2004@jmu.edu.cn。

收稿日期: 2012-05-17
基金: 厦门市气象局院校科技创新项目(编号: S08075)及福建高校服务海西建设重点项目(编号: 闽教高[2009]8号)共同资助
摘要

利用GIS空间分析方法,基于ArcGIS Engine与Microsoft VB.NET技术,设计实现新一代多普勒气象雷达数据三维可视化与预警分析系统。该系统可实现基于地理信息的雷达数据的坐标转换、统计与动态分析、三维可视化、自动预警、应急通信以及专题制图等主要功能。在多普勒雷达数据应用中首次建立了基于GIS空间分析的自动预警模型。实际应用表明,该系统可为精细化短时气象预报提供有效支持。

关键词: GIS; 多普勒气象雷达数据; 三维可视化; 预警模型; 应急通信
中图分类号:TP311P409 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2013)01-0171-05 doi: 10.6046/gtzyyg.2013.01.30
Design and implementation of a 3D visualization and early warning system for Radar data based on GIS
SHI Yiqiang1, WU Lina1, WU Chenfeng2
1.Research Center of Image Information Engineering and Technology, Jimei University, Xiamen 361021, China
2.Xiamen Meteorological Bureau, Xiamen 361012, China
Abstract

With the application of GIS spatial analysis method, a 3D visualization and early warning system is designed and developed for new generation Doppler meteorological Radar data based on the technology of ESRI ArcGIS Engine and Microsoft VB.net. This system has the main functions of automatic coordinate conversion, statistic and dynamic analysis, 3D visualization, automatic early warning, emergent communication, and special charting associated with geographic information. 3D visualization can provide weather forecasters with detailed terrain information. For the first time, the automatic early warning model is built for the application of Doppler meteorological Radar data, which is based on GIS spatial analysis. The results show that this system can provide a powerful support for refined short-time weather forecasting.

Keyword: GIS; Doppler meteorological Radar data; 3D visualization; early warning model; emergent communication
0 引言

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的, 没有地理位置的气象要素没有意义, 因此, 在一定程度上气象要素信息都是地理信息[1]。地理信息系统(GIS)是集空间数据采集、处理、管理、分析与显示于一体的空间决策信息系统, 其外在表现为计算机软硬件系统, 内涵是由计算机程序与地理数据组织而成的地理空间信息模型[2]。GIS应用于气象领域的优势在于: ①构建丰富地理空间数据, 对其进行空间分析与处理; ②与数值模型相结合, 形象直观可视化地表达模型计算结果。将其强大空间分析能力与气象信息技术相结合, 可提供空间和动态的地理信息, 为决策服务提供科学依据[3, 4]。GIS的三维地理信息与强大的空间分析等功能, 将使其在气象领域的应用进一步深入, 为精细化的气象预报提供更有力的支持。

新一代多普勒气象雷达系统由雷达数据采集系统(RDA)、雷达产品生成器(RPG)与主要用户终端(PUP)等构成, 对于灾害性天气, 特别是对强对流天气有着较强的监测能力[5]。PUP是气象预报人员的作业平台, 普遍存在着一些不足, 如系统界面不够友好, 采用的底图多为栅格地图, 精度较低, 所包含地理信息较少, 缺乏三维地形显示、自动预警以及应急通信等功能。业务人员常需借助纸质地图和个人经验进行强回波位置判断, 可能会造成预报位置与实际位置存在较大偏差, 难以实现灾害性天气精准预报, 给社会经济带来较大损失。因此, 研究利用GIS、遥感(RS)等空间信息技术, 结合计算机与通讯技术, 进行多普勒气象雷达系统的补充和完善具有很好的理论与应用价值。近年来研究人员在这方面开展了一些有益的探索[6, 7, 8, 9, 10, 11], 但是在将GIS与RS应用于多普勒气象雷达数据的处理与分析中, 还存在着地理数据精度不高, 缺少直观三维地理信息等缺点, 特别是在利用GIS空间分析方法建立预警模型等方面存在不足。

本文尝试利用GIS与RS技术构建气象地理空间信息与属性信息, 实现气象与基础地理数据的便捷管理; 通过雷达回波与精确地理数据的空间叠置分析, 提高各类突发性、灾害性天气的落区预报精度; 建立直观的雷达回波下垫面三维信息, 为研究各种天气的形成机制及其变化规律提供支持; 重点研究利用GIS空间分析方法, 建立自动预警模型, 并实现预警后快速便捷的应急通信。

1 结构与功能
1.1 总体结构

系统体系架构采用C/S模式, 主要包括雷达数据的GIS处理子系统和GIS应用分析子系统, 总体结构如图1所示。系统的GIS二次开发软件为ESRI的ArcGIS ArcEngine 9.2, 开发平台为Visual Studio 2005, 开发环境为VB.net, 空间数据库与属性数据库的构建采用Geodatabase 9.2与Access2003, 系统运行环境为Windows XP。

图1 系统总体结构Fig.1 The system frame

1.2 功能实现

1.2.1 雷达数据实时自动处理

GIS处理子系统可自动或批处理实时或历史的雷达数据, 通过坐标转换算法(封装为动态链接库DLL)读取以雷达站为中心的各径向不同距离处的雷达数据, 快速将其二进制数据存储在数组中, 根据数组构建多边形要素类存储于GIS数据库中, 并利用MapControl自动加载雷达数据图层并渲染、存图。

1.2.2 雷达滤波与数据管理

大量低等级回波可能会对预报形成干扰, 通过滤波功能将其过滤, 可突显高等级回波。设置雷达回波图层的透明度, 以便观察雷达回波覆盖区下的地形地貌等信息。实现对二维、三维地图的缩放、漫游、定位、查询、编辑等功能。雷达回波多边形个数非常多, 采用地图缓存技术以提高系统的运行速度。完成对基础地理空间数据及其属性数据、预警点和联系人信息等进行管理、备份、导出等操作。

1.2.3 回波统计与动态分析

实现对行政区域或自定义范围内的回波统计, 快速定量地以表格或柱状图显示各等级回波面积状况; 进行回波在时间段内的动态演示, 有助于预报作业人员直观地分析回波的演变过程及其时空特征, 对可能发生恶劣天气的地区进行预报。运用GDI绘图技术, 将不同仰角和不同高度的回波变化情况用不同颜色的线条绘制, 进行预警点的回波强度趋势分析。

1.2.4 雷达回波三维可视化

雷达回波与下垫面地形地貌有着密切的联系。以三维地形数据(DEM和遥感影像结合)为基础, 将雷达回波图层抬升到一定高度, 实现全方位、多角度的雷达回波显示, 辅助预报作业人员观察判断下垫面情况。ArcEngine 9.2无法进行三维地图的标注, 通过编写代码实现了三维地图及指北针等要素的标注, 并建立二维、三维地图的联动, 如在二维(或三维)地图中标示出感兴趣的位置时, 可在三维(或二维)地图中查看其相应的地理位置。

1.2.5 自动预警与应急通信

在电子地图上进行预警点设置, 利用预警模型自动进行预警监测。预警指数值与预警范围内的回波强度、面积及其与预警点的距离, 回波的顶高、组合反射率和垂直液态含水量等因素有关。当预警情况出现后, 系统将立即触发警报, 并自动将出现预警地区的联系人及其联系方式等信息导入应急通信模块, 业务人员可便捷快速地以发送短信或拨打电话等方式与预警点相关人员进行联系。

1.2.6 气象信息专题制图

专题图制作有自动与手动两种方式。利用自动功能可快捷地生成包含图名、指北针、图例、比例尺等要素的专题图; 手动制作方式可利用ArcGIS丰富的符号库, 自定义输出精美专题图。该模块充分利用ArcEngine丰富的专题图接口与方法, 实现气象地理信息专题图表的制作、打印与格式转换, 方便业务人员开会讨论或制作报告。专题图经格式转换后可用于网络气象信息服务的发布。

2 关键技术
2.1 极坐标转换

多普勒气象雷达数据的结构较为复杂, 以二进制存储于文件里, 文件前128位存储雷达数据的基本信息, 128位后记录雷达数据的起始、回波强度以及终止等信息, 其中所包含的极坐标形式并非GIS系统所能支持的。因此需将雷达数据解译到地理坐标系中, 并通过ArcGIS的ArcObjects接口转换导入地理信息数据库。假设λ S和ϕ S分别为雷达站的经纬度, 则雷达扫描范围内的任意一点P(用极坐标(R, θ )表示)对应的经纬度为(λ , ϕ ); S为中间量, 则雷达数据转换的经纬度坐标(λ , ϕ )计算方法为[6]

sinS=R6380×1-135R63802, (1)

cosS=1-(sinS)2, (2)

sin ϕ =sin ϕ S cos S+cos ϕ S sin S cos θ , (3)

ϕ =sin-1(sin ϕ S cos S+cos ϕ S sin S cos θ ), (4)

λ =λ S+sin-1(sin S sin θ /cos ϕ )。 (5)

2.2 自动预警

基于GIS空间分析方法, 建立自动预警模型。以预警点位置为中心, 预警范围半径为R, 预警范围内雷达回波多边形面积为A, 回波与预警点距离为L, 回波顶高为H, 组合反射率为C, 垂直液态含水量为V, 回波强度的危险性权重为W; H0, C0, V0为回波的顶高、组合反射率和垂直液态含水量的参考值(与季节有关), 系统允许用户对参考值进行调整; 此外, 用户可设置参与预警模型的回波强度、顶高及垂直液态含水量的下限, 低于此下限的回波不参与计算, 这可优化模型的计算, 避免地物回波干扰。以预警范围内3个回波综合影响为例, 预警点的预警指数为

P=A1 RH1C1V1L1H0C0V0W1+A2 RH2C2V2L2H0C0V0W2+A3 RH3C3V3L3H0C0V0W3, (6)

因此, 预警范围内n个多边形回波的综合预警指数为

P= ∑i=1nRAiHiCiViWiLiH0C0V0。 (7)

从上述模型可知, 回波强度越高, 垂直液态含水量越大, 顶高越高, 面积越大, 距离预警点越近, 则预警指数越大, 反之亦然。业务人员可设置预警指数阈值, 达到或超过阈值系统即可自动报警(图2为自动预警系统界面, 红点为警报发生点, 具体地理位置可在系统右下角提示框查看)。此外, 该模型还可应用于人工增雨作业指导, 通过设置具备作业条件的有效半径、回波强度、高度和V值, 同时设定预警指数值, 达到设置值即可进行作业, 使得人工增雨作业不用过度依赖雷达观测员的指导, 节省增雨作业的人力、物力和财力投入。

图2 自动预警功能界面Fig.2 Function interface of automatic early warning

2.3 应急通信

对预警点自动监测过程中, 当警报出现后, 系统可实时自动调用应急通信模块, 快速向有关人员发出警报信息。业务人员利用该模块可快速与预警点相关人员进行联系沟通, 省去查找联系人及其联系方式的麻烦, 亦可让系统自动与发生警报点的人员发送短信(图3)。该模块应用微软通信控制(microsoft communication control)技术, 通过编程使系统应用程序与通信设备建立稳定连接, 运用AT(Attention)指令操纵通信设备, 实现通过计算机应用程序操控手机等通信设备的功能(呼叫、短信以及传真等)。

图3 应急通信功能界面Fig.3 Function interface of emergency communication

3 实际应用

图4为闽南地区一次强对流天气过程的雷达回波与三维地形叠加效果图。系统允许用户对任意等级回波进行过滤, 图5为过滤了低于45 dBz的回波后的效果图; 图5— 7中红色圈对应同一范围的回波, 图6和图7为图5放大后的效果图, 图6从东南方向以45° 俯角观察的效果, 图7为从西侧以30° 俯角观察的效果。

图4 雷达回波三维可视化效果图Fig.4 3D Visualization of Radar echo

图5 雷达回波滤波效果图Fig.5 Radar echo filtering

图6 图5的局部放大效果(从东南45° 俯视)Fig.6 Partial enlargement of figure 5 (45° looking down from south-east)

图7 图5的局部放大效果(从西30° 俯视)Fig.7 Partial enlargement of figure 5 (30° looking down from west)

从图中可知, 回波从西向东移至漳州龙海东侧的山脉附近, 受地形的抬升作用, 回波强烈发展, 回波中心增强至65 dBz, 导致该区域出现强雷雨和大风天气。上述分析表明, 将雷达回波与三维地理信息叠加, 业务人员可以任意旋转叠加后的视图, 及时全方位了解回波移动方向上的地形地貌, 为分析未来回波演变趋势提供更加充分的依据。

4 结论

1) 构建了空间精度高、属性信息丰富的地理数据, 实现了基于GIS与RS三维地理信息的雷达数据可视化, 便于预报人员快速准确地获取雷达回波所处的精确地理位置及其下垫面地形地貌信息, 有利于提高灾害性天气落区的精确性, 同时也有利于研究雷达回波发展趋势与下垫面之间的关系。

2) 建立了基于GIS空间分析方法的雷达回波自动预警模型, 并实现应急通信功能。利用自动预警模型进行实时的监测预警, 为精细化短时临近天气预报与气象灾害风险预测提供支持; 通过应急通信模块可及时、便捷地进行通信告警, 避免传统手工费时查找警报区域联系人及其联系方式等不便, 实现呼叫、传真和群发短信等功能。

3) 针对多普勒气象雷达PUP平台的一些不足, 本系统实现了气象信息与地理数据的便捷管理, 并具有回波统计、动态分析及专题信息输出等功能, 可进行雷达回波在时空上的动态变化推演及趋势分析; 基于ArcGIS Engine和VB.net平台进行二次开发, 系统具有界面友好、功能丰富、稳定性高以及可扩展性好等优势。

4) 系统的稳定性和实用性已在实际应用中得到了检验, 但仍存在一些不足, 如预警模型未考虑回波移动态势对预警点的影响, 结合多种雷达产品进行预警; 雷达回波三维可视中需进一步考虑回波自身的真实高度等要素。

The authors have declared that no competing interests exist.

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