朱傳林， 王學(xué)良， 柴 健， 楊仲江， 余田野

(1.湖北省防雷中心,湖北 武漢 430074; 2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044)

0 引 言

ArcGIS Engine是ESRI公司系列軟件中的桌面GIS開發(fā)組件，ArcGIS Engine提供了空間分析的相關(guān)方法，在空間插值方面支持常用的反距離加權(quán)法插值、樣條函數(shù)插值、克里金插值等插值方法。目前，一些學(xué)者已利用ArcEngine對降雨量的空間插值及等值線的繪制做了分析[1-4]，但國內(nèi)利用ArcEngine自動繪制閃電密度等值線尚未見相關(guān)報(bào)道。閃電密度分布是閃電活動規(guī)律中最基本的參數(shù)之一，表征一定區(qū)域閃電頻度的重要指標(biāo)，快速、精確地繪制閃電密度等值線，可以有針對性地對閃電密度較大的地區(qū)加強(qiáng)雷電防護(hù)，具有指導(dǎo)意義。

與閃電強(qiáng)度等值線比較，閃電強(qiáng)度等值線的繪制相對簡單，直接用ArcEngine組件進(jìn)行空間插值，生成連續(xù)的閃電強(qiáng)度柵格圖，再將閃電強(qiáng)度值相等的點(diǎn)連成強(qiáng)度等值線，而閃電密度數(shù)據(jù)是經(jīng)過原始數(shù)據(jù)加工而來，如何科學(xué)地統(tǒng)計(jì)出閃電密度數(shù)據(jù)也是本文要解決的關(guān)鍵問題之一。閃電密度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來之后，再借鑒閃電強(qiáng)度等值線的繪制方法繪制閃電密度等值線。

在富客戶端平臺(Eclipse Rich Client Platform,RCP)之上，首先利用降維思想將閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為閃電密度數(shù)據(jù)[5-6]，采用ArcEngine控件，基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，獲得全局空間范圍內(nèi)各個點(diǎn)位的閃電密度數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過插值、等值線提取等方法，搭建了閃電密度等值線的自動繪制系統(tǒng)。

1 降維思想

閃電定位系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)包含的最基本的四要素有：時間、經(jīng)度、緯度、強(qiáng)度。時間主要用于篩選出符合條件的閃電數(shù)據(jù)，在繪制二維等值線的過程中該要素是不用考慮的。因此，如何科學(xué)地利用閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)(包含經(jīng)度、緯度、強(qiáng)度，如表1所示)轉(zhuǎn)化為閃電密度數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、密度)是繪制閃電密度等值線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

表1 處理前的部分閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)

通常用網(wǎng)格的方法統(tǒng)計(jì)閃電密度，為了便于辨認(rèn)及定位網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格時，需要對網(wǎng)格各段的經(jīng)線方向、緯線方向賦予特定代號(稱之為經(jīng)度代號、緯度代號)。某一條閃電屬于哪一個網(wǎng)格需要與經(jīng)緯度網(wǎng)格邊界值做四次比較，定位當(dāng)前閃電記錄歸屬的網(wǎng)格后，賦予該條閃電網(wǎng)格的經(jīng)度代號、緯度代號，然后，經(jīng)度代號、緯度代號利用拼接的方式合并為一個代號，同時要保證其唯一性。經(jīng)過循環(huán)程序,用以上方法判斷以后，所有的原始數(shù)據(jù)都相應(yīng)增加了三個屬性，即經(jīng)度代號、緯度代號、唯一代號。最后，統(tǒng)計(jì)唯一性代號的個數(shù)，再除以網(wǎng)格面積及閃電年數(shù)，便可得到密度參數(shù)，如表2所示。

從以上分析可以看出，降維思想統(tǒng)計(jì)密度數(shù)據(jù)時主要分為兩個過程，①降維統(tǒng)計(jì)過程，從四次比較中提取出二維代碼，二維代碼組合為一維代碼，進(jìn)而對一維代碼統(tǒng)計(jì)的過程；②密度參數(shù)賦值過程，查找一維代碼的個數(shù)，除以相應(yīng)網(wǎng)格的平方公里數(shù)及閃電數(shù)據(jù)的年限后，再賦予閃電原始數(shù)據(jù)密度參數(shù)值。

表2 降維程序處理后的部分閃電密度數(shù)據(jù)

注：C列即為經(jīng)度代號，D列為緯度代號，E列為一維代碼，F(xiàn)列為一維代碼的個數(shù)，G列為密度參數(shù)

2 自動繪制閃電密度等值線的流程

閃電原始數(shù)據(jù)通常是txt文本格式，為了方便統(tǒng)計(jì)查詢，需要將閃電原始數(shù)據(jù)經(jīng)Java語言處理之后導(dǎo)入到Oracle數(shù)據(jù)庫，然后利用SQL語句從數(shù)據(jù)庫中查詢出某區(qū)域的閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含經(jīng)度、緯度、電流強(qiáng)度。利用降維思想將閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為密度數(shù)據(jù)，這里的轉(zhuǎn)化過程有兩種方法：①利用Java語言實(shí)現(xiàn)降維思想的密度統(tǒng)計(jì)；②利用ArcEngine的Fishnet組件劃分網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)，再使用frequency函數(shù)實(shí)現(xiàn)一維代碼的統(tǒng)計(jì)，兩種方法實(shí)質(zhì)上一脈相承的。

將統(tǒng)計(jì)的閃電密度數(shù)據(jù)加載成shp格式點(diǎn)圖層，然后利用插值算法生成閃電密度柵格圖，結(jié)合shp格式地圖，用掩膜組件生成所需區(qū)域的閃電密度等值線。如圖1所示為繪制閃電密度度等值線的技術(shù)流程圖。其中：①利用Java語言對txt格式的閃電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成可以自動導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的sql語句；②基于Eclipse RCP平臺，采用Oracle數(shù)據(jù)庫按省份建立了全國的閃電資料數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與輸出的過程中要選擇相應(yīng)的省份，然后利用所研究區(qū)域的經(jīng)緯度初步篩選出該地區(qū)的閃電數(shù)據(jù)；③利用降維思想統(tǒng)計(jì)密度數(shù)據(jù)時，根據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)域合理的劃分網(wǎng)格，不宜過大也不宜過??；④將統(tǒng)計(jì)出的閃電密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS支持的dbf文件，有經(jīng)度、緯度、閃電密度3個字段；⑤將基數(shù)據(jù)加載到閃電密度數(shù)據(jù)圖層；⑥選用插值方法，對關(guān)聯(lián)后的閃電密度數(shù)據(jù)圖層的閃電密度字段進(jìn)行插值，生成閃電密度等值線[6-9]。

圖1 閃電密度等值線自動繪制流程

3 插值算法

3.1 反距離加權(quán)插值法

反距離加權(quán)插值法(Inverse Distance Weighting,IDW)以數(shù)據(jù)點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)的距離平方倒數(shù)作為權(quán)值，距離越大權(quán)值越小，反之則越大，具體算法如下[11-13]：

設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)，已知某坐標(biāo)值為Xi，Yi，Zi(i=1,2,…，n)，依據(jù)周圍離散點(diǎn)的值，通過距離加權(quán)值求z點(diǎn)值，則

IDW通過對鄰近區(qū)域的每個采樣點(diǎn)值平均運(yùn)算獲得內(nèi)插單元值。IDW是一個均分過程，這一方法要求離散點(diǎn)均勻分布，并且密集程度足以滿足在分析中反映局部變化。

反距離加權(quán)插值法優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，其插值的結(jié)果介于原始數(shù)據(jù)的最大值與最小值之間。其不足是沒有考慮數(shù)據(jù)場在空間的分布，有時會因?yàn)樵紨?shù)據(jù)的分布不均而導(dǎo)致估值產(chǎn)生偏差。所以，用這種插值結(jié)果繪出的等值線，平滑美觀，但與實(shí)際可能有一定出入。

3.2 克立格插值法

克立格插值法有兩個步驟：①對空間數(shù)據(jù)場進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，即，首先了解空間數(shù)據(jù)場的性質(zhì)再提出變差函數(shù)模型；②在變差函數(shù)模型之上進(jìn)行克立格計(jì)算。依據(jù)空間數(shù)據(jù)場是否存在漂移，將克立格插值法分為普通克立格插值法和泛克立格插值法。其中，普通克立格插值法常稱為局部最優(yōu)線性無偏估計(jì)，其算法如下[13-14]:

(3)

其中，λi為待定加權(quán)系數(shù)。該算法與其它各種內(nèi)插法不同，克立格內(nèi)插法是根據(jù)無偏估計(jì)和方差最小兩項(xiàng)要求來確定上式中的加權(quán)系數(shù)λi的，故稱為最優(yōu)內(nèi)插法。

當(dāng)為無偏估計(jì)時，應(yīng)滿足,

(4)

(5)

克立格插值法考慮的因素較多，因此算法比較復(fù)雜，而且耗時較多；克立格插值過程中可能會產(chǎn)生負(fù)值，有時需要對負(fù)值區(qū)域進(jìn)行人為干預(yù)。

3.3 樣條函數(shù)插值法

樣條函數(shù)插值是采用特殊分段多項(xiàng)式進(jìn)行插值的形式，可以使用低階多項(xiàng)式樣條實(shí)現(xiàn)較小的插值誤差，可以修改少數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)配準(zhǔn)而不必重新計(jì)算整條曲線。該插值算法的缺點(diǎn)是樣條內(nèi)插的誤差不能直接估算，同時在實(shí)踐中要解決的問題是樣條塊的定義以及如何在三維空間中將這些“塊”拼成復(fù)雜曲面，又不引入原始曲面中所沒有的異?，F(xiàn)象等問題。

4 自動繪制閃電密度等值線的關(guān)鍵步驟

4.1 Java語言實(shí)現(xiàn)降維統(tǒng)計(jì)閃電密度數(shù)據(jù)

首先，根據(jù)區(qū)域的最大、最小經(jīng)緯度，獲取經(jīng)緯度的跨度，其代碼如下：

float longitudeSpan = maxlongitude-minlongitude;

float latitudeSpan= maxlatitude-minlatitude;

然后，利用經(jīng)緯度的跨度以及網(wǎng)格寬度，得到經(jīng)度、緯度方向的分段總數(shù)，其關(guān)鍵代碼如下：

int longitudetotalNUM= new

BigDecimal(longitudeSpan/(unit*getLatitudeChange())+"").intValue();

int latitudetotalNUM= new

BigDecimal(latitudeSpan/(unit*getLongitudeChange())+"").intValue();

其中，getLatitudeChange()、getLongitudeChange()兩個方法是用來獲取單位公里數(shù)對應(yīng)經(jīng)緯度的變化量。

接著，使用循環(huán)語句來判斷，當(dāng)前某一條閃電對應(yīng)的經(jīng)度代號及緯度代號，并將其結(jié)合成一維代碼，為保證一維代碼的唯一性，需要對緯度代號的位數(shù)進(jìn)行適當(dāng)判斷，采取經(jīng)緯代號乘以10的n次方的形式串接，這里的n是指緯度代號的位數(shù)，部分代碼如下：

if(latitudetotalNUM>=10&&latitudetotalNUM<100) {onecode =i*100+j; }

最后，將一維代碼的個數(shù)與網(wǎng)格公里數(shù)、閃電數(shù)據(jù)年限做除法運(yùn)算，得到密度參數(shù)值，并把最后的數(shù)據(jù)寫入到文件，其部分代碼如下：

double density=getDensity(countnumber,unit,year);

output.println(longitude+","+latitude","+ longitudecode+","+ latitudecode +","+onecode+","+density);

4.2 ArcEngine組件實(shí)現(xiàn)降維統(tǒng)計(jì)密度數(shù)據(jù)

(1) 閃電原始數(shù)據(jù)加載生成shp文件。將統(tǒng)計(jì)出的原始閃電數(shù)據(jù)加載生成shp格式點(diǎn)圖層，在點(diǎn)數(shù)據(jù)的加載過程中主要用IFeatureCursor、IFeatureBuffer、IFeature、BufferedReader等接口，首先利用IFeature Cursor、IFeatureBuffer接口獲取添加圖層緩沖區(qū)，然后用BufferedReader從文件中讀取數(shù)據(jù)，向IFields實(shí)例化對象中添加數(shù)據(jù)。其部分關(guān)鍵代碼如下：

IFeatureCursor featureCursor = featureClass.IFeatureClass_insert(true);

IFeatureBuffer featureBuffer = featureClass.createFeatureBuffer();

IFields fields = featureBuffer.getFields();

featureCursor.insertFeature(featureBuffer);

featureCursor.flush();

(2) 降維統(tǒng)計(jì)密度數(shù)據(jù)。首先用CreateFishnet接口根據(jù)研究的區(qū)域范圍劃分公里網(wǎng)格，該圖層與閃電原始數(shù)據(jù)圖層關(guān)聯(lián)后便獲得了一維代號，進(jìn)而利用Frequency接口統(tǒng)計(jì)一維代號的個數(shù)，然后CalculateField接口實(shí)現(xiàn)密度參數(shù)的計(jì)算，并添加密度參數(shù)字段，最后將計(jì)算的密度參數(shù)結(jié)果賦予該字段。其部分關(guān)鍵代碼如下：

createFishnet.setOriginCoord(originpoint);

frequency.setFrequencyFields("FID_onecode");

calculate.setExpression("[FREQUENCY]/"+(nuit*nuit*year)+"");

4.3 密度等值線的自動繪制

(1) 閃電強(qiáng)度數(shù)據(jù)的插值。以反距離加權(quán)平均插值為例。利用IInterpolationOp接口的IDW方法實(shí)現(xiàn)反距離加權(quán)插值，關(guān)鍵代碼如下，其中參數(shù)inFeatures為具有密度參數(shù)字段的shp文件的路徑；Output為輸出路徑；densityValue為閃電密度值，CellSize參數(shù)有圖片的大小來決定，power為冪參數(shù)，要求為正實(shí)數(shù)(默認(rèn)值為2)。

interpolationIDW.setInPointFeatures(inFeatures);

interpolationIDW.setOutRaster(Output);

interpolationIDW.setZField("densityValue");

interpolationIDW.setCellSize(new Double(LightningData2Image.cellsize));

interpolationIDW.setPower(2);

(2) 等值線的提取。使用Contour接口從插值后的柵格文件提取等值線，關(guān)鍵代碼如下。其中OutPolyinFeatures為插值后的閃電密度柵格圖，ContourInterval為密度等值線間隔，BaseContour為繪制等值線的起點(diǎn)。

contour.setInRaster(inFeatures);

contour.setContourInterval(10);

contour.setOutPolylineFeatures(Output);

contourtool.setBaseContour(0);

(3) 等值線的出圖。等值線的圖形輸出部分使用到的接口有PageLayoutControl、IMapGrid、IGridLabel等，IMapGrid用來添加經(jīng)緯度網(wǎng)格，IGridLabel用來添加文字等標(biāo)簽。部分關(guān)鍵代碼如下，其中的參數(shù)densityRect用來控制輸出圖片的大小，pageLayoutControl用于獲取當(dāng)前視圖，export對象實(shí)現(xiàn)閃電密度等值線圖形的輸出。

IEnvelope pEnvelope = new Envelope();

pEnvelope.putCoords(densityRect.left densityRect.bottom, densityRect.right densityRect.top);

pageLayoutControl.getActiveView().output(export.startExporting(), (int) export.getResolution(), densityRect,pageLayoutControl.getActiveView().getExtent(), pageCancle);

export.finishExporting();

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

閃電密度是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估中重要的量化指標(biāo)之一，為了更好地實(shí)現(xiàn)閃電密度等值線的自動繪制，本文采用Eclipse RCP技術(shù)搭建了自動繪制閃電密度等值線的軟件平臺，選用了跨平臺的Java語言編寫。該軟件選用Oracle數(shù)據(jù)庫建立了全國的閃電資料數(shù)據(jù)庫，txt格式的原始閃電數(shù)據(jù)可以自動入庫，同時需要注意的是需要選擇與數(shù)據(jù)相應(yīng)的省份以及閃電定位儀型號(如圖2所示)，以保證數(shù)據(jù)的正常導(dǎo)入。考慮到閃電數(shù)據(jù)入庫是一個相當(dāng)耗時的過程，加入了Job后臺任務(wù)并發(fā)處理機(jī)制，數(shù)據(jù)在入庫的過程中不會出現(xiàn)“假死機(jī)”現(xiàn)象，同時也不影響用戶的其他操作。當(dāng)數(shù)據(jù)入庫結(jié)束時，要用對話框提醒用戶，因?yàn)樵诜荱I線程內(nèi)不能直接進(jìn)行UI處理，采用了異步處理機(jī)制，即使用Display.getDefault().asyncExec(new Runnable())語句進(jìn)行UI彈出對話框，給使用者良好的體驗(yàn)效果[15-16]。

圖2 閃電數(shù)據(jù)入庫

本實(shí)驗(yàn)以武漢地區(qū)為例繪制武漢地區(qū)的閃電密度等值線，首先將湖北省的閃電原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入庫，使用閃電數(shù)據(jù)庫查詢功能可以查詢數(shù)據(jù)的起止時間以及根據(jù)起止時間查詢數(shù)據(jù)量等，如圖3所示。在某些特殊情況下，如：由于誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)導(dǎo)入了，可以利用閃電數(shù)據(jù)庫的管理功能將該省份的數(shù)據(jù)刪除，然后再重新入庫。如圖4所示。

圖3 閃電數(shù)據(jù)的查詢

繪制武漢地區(qū)的閃電密度等值線時，系統(tǒng)根據(jù)所選擇的起止時間查詢出該地區(qū)的所有閃電數(shù)據(jù)(主要包括閃電時間、經(jīng)緯度、強(qiáng)度等要素)并將其寫入到指定路徑的txt文件，通過預(yù)先設(shè)定的降維統(tǒng)計(jì)密度數(shù)據(jù)的方法，系統(tǒng)會自動選擇“Java語言”或是“ArcEngine組件”進(jìn)行密度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將得到的包含密度參數(shù)的shp文件通過反距離加權(quán)插值方法自動繪制出閃電密度柵格圖(如圖5所示)，再用Contour組件從密度柵格文件中提取出閃電密度等值線，圖6為其局部放大平滑后的圖，然后利用武漢地區(qū)的地圖掩膜出該區(qū)域的等值線，通過掩膜等工具就可以把研究區(qū)域以外的數(shù)據(jù)剔除，只保留地圖之內(nèi)的等值線數(shù)據(jù)。圖形輸出時需要通過pageLayoutControl獲取當(dāng)前活動的視圖，輸出的圖形支持多種格式，如jpg、tiff、emf、gif等，值得一提的是在圖形輸出時設(shè)置了一些手動選項(xiàng)，用戶可以根據(jù)個人需要進(jìn)行定制圖名、圖例、單位、指北針、比例尺，及調(diào)整網(wǎng)格大小等。

圖4 閃電數(shù)據(jù)的管理

圖5 閃電密度柵格圖

圖6 閃電密度等值線

6 結(jié) 語

本文運(yùn)用Oracle數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)出武漢地區(qū)的閃電數(shù)據(jù)，利用降維思想將閃電原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為閃電密度數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS Engine提供的空間插值方法分析了閃電密度等值線的自動繪制步驟并給出了關(guān)鍵步驟的主要程序代碼，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了閃電密度等值線的自動繪制模塊，該模塊在武漢地區(qū)地理信息系統(tǒng)中得到應(yīng)用并取得較好的效果。

在實(shí)際的應(yīng)用中，如果沒有shp格式地圖，等值線區(qū)域?qū)⑹且粋€矩形區(qū)域。為了更好地結(jié)合地圖繪制等值線，可以結(jié)合Google Earth做進(jìn)一步的開發(fā)，把Google Earth下載的影像圖進(jìn)行矢量化，進(jìn)而可定制特定區(qū)域的閃電密度等值線。

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