摘要：在海洋氣象浮標站提供的海量海上氣象水文資料準確性不斷提高，對近海海域災(zāi)害性天氣和氣候變化預(yù)測預(yù)警能力的不斷增強的前提下，提出了以GIS技術(shù)作為系統(tǒng)基礎(chǔ)，選用C/S（Client/Sever）開發(fā)模式，以C#作為開發(fā)語言，設(shè)計了基于GIS的海洋氣象綜合觀測應(yīng)用平臺系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行效果良好，采用GIS技術(shù)極大地提高了系統(tǒng)的信息管理能力、動態(tài)分析能力以及對近海海域災(zāi)害性天氣的預(yù)警能力。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù)；C#；海洋氣象；觀測平臺；海域預(yù)警

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1492-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.055

Abstract： With the continuos improvemrnt of accuracy of marine meteorological and hydrological data provided by the marine meteorological buoy station and the increase of the ability to forecast and warn the coastal waters of disastrous weather and climate change， the system based on GIS was proposed. C/S （Client/Sever） was used as development mode and C# was used as development language of marine meteorological observation and application platform system based on GIS. Result of system operation showed that the system greatly improved the ability of managing information， dynamic analysis， and early warning of offshore waters.

Key words： GIS； C#； marine meteorological； observation platform；sea warning

21世紀人類面臨人口、資源和環(huán)境三大問題，而解決這些問題的關(guān)鍵因素是海洋，海洋對全球氣候和環(huán)境起到主導(dǎo)作用。在全球陸地資源日趨緊張、環(huán)境不斷惡化的今天，世界各國紛紛將目光轉(zhuǎn)向海洋。我國《國家中長期和科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》對海洋科技發(fā)展提出了中長期規(guī)劃，要求海洋科技為海洋經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展、海洋資源發(fā)展、海洋環(huán)境保護和減災(zāi)防災(zāi)等提供有效保障，提出了海洋事業(yè)的觀點，而海洋觀測是海洋事業(yè)的基礎(chǔ)。海洋觀測目的在于全面、及時、準確地掌握海洋環(huán)境的變化規(guī)律及了解人類活動對海洋環(huán)境的影響，為海洋開發(fā)、管理、保護提供依據(jù)[1]。開展海洋水文氣象觀測是對近海或者海岸附近海洋上的天氣條件和水文環(huán)境進行觀察和監(jiān)測，觀察項目包括氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水、潮汐和海水溫度以及海浪和海水鹽度等等，這些要素與人類生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，因此，開展海洋水文氣象觀測具有極其重要的意義。本研究設(shè)計的綜合觀測系統(tǒng)以GIS為核心技術(shù)，以C/S（Client/Sever）為開發(fā)模式，以C#為開發(fā)語言，極大地提高了系統(tǒng)的信息管理能力、動態(tài)分析能力，通過從后臺數(shù)據(jù)對海洋要素數(shù)據(jù)的提取、分析，將海洋水文氣象要素直觀簡潔地展示在平臺上，準確、及時、可靠地將各要素信息提供給預(yù)測預(yù)警的決策機構(gòu)，對于氣候變化研究和災(zāi)害預(yù)警、海洋工程建設(shè)、海洋能源開發(fā)、國防等方面具有極其重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

1.1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一門集計算機科學(xué)、信息學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科為一體的新型科學(xué)，是由計算機系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成的，是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個與地球表面有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。通過GIS技術(shù)可以將具有控件內(nèi)涵的數(shù)據(jù)按照實際的需要準確、真實、圖文并茂地展示出來。目前，GIS技術(shù)在各行各業(yè)的使用已經(jīng)趨于潮流化。當(dāng)前面向GIS開發(fā)方式主要有3種：獨立開發(fā)、宿主機二次開發(fā)、基于GIS組件的二次開發(fā)（表1）[3]。通過3種開發(fā)方式的比較，以基于GIS組件的二次開發(fā)方式對商業(yè)GIS工具軟件的依賴性弱，開發(fā)成本適中，GIS基本功能的實現(xiàn)難度適中，開發(fā)周期適中，對開發(fā)者要求低等優(yōu)勢被觀測平臺系統(tǒng)所選用。基于GIS組件的二次開發(fā)方式常用組件式GIS軟件包含ArcObject、ArcGIS Engine、MapObjects、MapX等，其中Arc GIS Engine以其伸縮性強、較強的獨立性（可以脫離ArcGIS平臺）、功能非常強大（包括數(shù)據(jù)添加、圖層顯示、特征和屬性查詢、空間分析、統(tǒng)計分析、內(nèi)容表、圖形編輯、專題制圖、地圖輸出等）優(yōu)勢被海洋氣象綜合應(yīng)用觀測平臺系統(tǒng)所選用[4]。系統(tǒng)在實施過程中主要使用到了MapControl、PageLayoutControl、TocControl、ToolbarControl等組件式控件，這種組件式的開發(fā)方式提高了系統(tǒng)的開發(fā)靈活性，系統(tǒng)的功能也易于擴展，同時系統(tǒng)的維護和安全性方面的維護也得到了保障。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.2.1 屬性數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)使用Oracle 10 g大型數(shù)據(jù)庫作為后臺數(shù)據(jù)庫，可以滿足海量水文氣象數(shù)據(jù)存儲需求，其極大地提升了系統(tǒng)的吞吐能力，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在處理氣象數(shù)據(jù)過程中，對海量數(shù)據(jù)能準確地備份、查詢檢索、氣象數(shù)據(jù)挖掘。在前期的數(shù)據(jù)處理中，針對海量水文氣象資料進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計[5，6]，主要包含用戶信息表、日志信息表、海洋站點基本信息表、站點狀態(tài)信息表、常規(guī)氣象要素表、海洋氣象要素表等，圖1為具體的數(shù)據(jù)庫設(shè)計圖。

1.2.2 空間數(shù)據(jù)庫 系統(tǒng)的基礎(chǔ)圖件大部分是以地圖的方式提供的，地圖的比例尺、投影方式、坐標系統(tǒng)各不相同。系統(tǒng)選用Arc/Info地理信息系統(tǒng)軟件核心拓展模塊ArcScan進行數(shù)據(jù)掃描并使其矢量化。所有數(shù)字化的圖件都將在Arc/Info下實現(xiàn)坐標轉(zhuǎn)換，投影以及建立空間拓撲結(jié)構(gòu)，最終轉(zhuǎn)化成ArcView的.shp格式矢量文件，所有的空間數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中都由ArcView控制。系統(tǒng)底圖china.max、一級河流、三級以上河流、國界、省界以及生成的 .shp圖層文件都是由ArcView機制進行控制。

1.3 海洋水文氣象數(shù)據(jù)資料類型及處理

1.3.1 數(shù)據(jù)資料類型 海洋氣象觀測站提供的數(shù)據(jù)類型繁多，內(nèi)容也比較豐富。按照內(nèi)容可以分為常規(guī)和特殊觀測資料，比如溫度、濕度、氣壓、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等就屬于常規(guī)觀測資料，雷達、衛(wèi)星云圖、全球定位系統(tǒng)等則屬于特殊觀測資料。本研究主要是針對海洋常規(guī)水文氣象觀測資料進行解析、挖掘、存儲，同時將海洋常規(guī)氣象資料與雷達、衛(wèi)星云圖等特殊觀測資料進行融合，得出有用的決策信息。

1.3.2 數(shù)據(jù)資料處理 數(shù)據(jù)資料是以txt文件形式存在，通過FTP/GPRS等方式傳遞到中心服務(wù)器，由于報文種類的多樣性系統(tǒng)采用了多線程的操作方式[7]，報文A使用相對應(yīng)的主線程、讀寫線程、解析線程、入庫線程。在解析線程過程中，使用了數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法如時間一致性、極值檢查、空間一致性、內(nèi)部一致性等，為進一步提高數(shù)據(jù)的準確性還使用了數(shù)據(jù)挖掘中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。另外，在使用多線程處理數(shù)據(jù)的過程中，一方面使用了線程同步機制，即處理數(shù)據(jù)的各線程依賴掃描主線程，需要掃描線程提供消息進行喚醒調(diào)用，而其他線程則是處于等待狀態(tài)。另一方面當(dāng)有若干個線程要使用共享資源時，又用到線程互斥機制，即任何時候最多只允許一個線程使用資源，其他要使用該資源的線程必須處于等待狀態(tài)，直到占用資源的線程釋放了該資源。

1.4 等值線插值算法的分析與選擇

在數(shù)據(jù)處理過程中，為直觀簡潔地反映海洋水文氣象要素的變化特征，系統(tǒng)采用等值線法將制圖對象（氣壓、溫度、風(fēng)速等）數(shù)量指標值相等的各點連成平滑曲線，由地圖上標出的表示制圖對象數(shù)量的各點，采用內(nèi)插法找出各整數(shù)點繪制而成。

1.4.1 綜合比較使用插值算法 GIS中常用的地理空間插值方法有很多種，系統(tǒng)主要綜合使用了如下3種插值方法[8]：

1）距離加權(quán)倒數(shù)空間插值法（IDW）。距離加權(quán)倒數(shù)空間插值法基于地理學(xué)第一定律距離相近區(qū)域相似性高于距離較遠區(qū)域的相似性，其缺點在于不能對誤差進行估計，其表達式如下：

式中，Z是估計值；Z i是第i（i=1，...，n）個樣本；di是距離；P是距離的冪，其顯著影響內(nèi)插的結(jié)果，選擇標準是最小平均絕對誤差，距離的冪越高，內(nèi)插結(jié)果越具有平滑的效果。

2）克里格空間插值法（OK）?？死锔窨臻g插值法源于地統(tǒng)計學(xué)，最初用于地質(zhì)找礦，該法是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)特點，對未采樣的區(qū)域化變量的取值進行線性無偏最優(yōu)估計，其表達式如下：

式中，Z為待估計的氣象數(shù)據(jù)柵格值，？姿i為賦予站點氣象數(shù)據(jù)的一組權(quán)重系數(shù)，n為用于氣象數(shù)據(jù)插值的站點數(shù)目，Z（xi）為站點的氣象數(shù)據(jù)值。

3）樣條函數(shù)法（SPLINE）。該方法適用于變化平緩的表面區(qū)域，屬于精確插值方法，其目的在于尋找一個平面，使它滿足最優(yōu)平滑原則，也就是說利用樣本點擬合連續(xù)光滑曲線，使其表面曲率最小，其表達式如下：

式中，Z氣象要素的預(yù)測值，n為樣本值，？姿i是一系列線性方程解所確定的系數(shù)，？酌i是估計點到第i個樣本點的距離。

通過對3種插值算法分別對需要插值處理的要素進行測試比較，最終確定了對各要素插值算法的選擇。最終系統(tǒng)選擇混合使用這3種插值算法對研究海洋區(qū)域內(nèi)其他未知區(qū)域的特征數(shù)據(jù)進行地理空間信息的推理和估計，從而構(gòu)建一個連續(xù)的地理特征表面分布。

1.4.2 等值線平滑擬合算法選擇 根據(jù)上述算法得到排列好的等值線控制點序列，如果不經(jīng)過曲線擬合，繪制出來的等值線將是折線，故為了得到平滑的等值線，必須編寫曲線擬合程序。選擇使用3次B樣條曲線擬合算法。設(shè)求得控制點坐標序列為Pi（xi，yi）。P（t）是沿曲線的位置向量，那么基于B樣條的曲線可表示為：

式中，參數(shù)值t的范圍及結(jié)點值Xi定義如下：0≤t≤n-k+2，若1n，則Xi=n-k+2。而i的范圍為0≤i≤n+k。由于（6）式中的分母有可能是0，故設(shè)定0/0=1，一般選用3次B樣條函數(shù)即可得到滿意結(jié)果。

若Pi（t）定義為第i段曲線，Pi為控制點序列， 則有3次B樣條曲線的矩陣表示式如下：

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

基于GIS的海洋氣象綜合觀測應(yīng)用平臺系統(tǒng)設(shè)計是指通過人機交互的方式，對基于多種檢測手段（采集器和人工等）獲取的海洋水文氣象數(shù)據(jù)資料進行時間序列變化趨勢分析、空間分布及變化趨勢分析、海洋環(huán)境分析并結(jié)合GIS技術(shù)動態(tài)顯示，通過友好的圖形化界面表現(xiàn)出來，最后以此統(tǒng)計信息作為決策的依據(jù)。對于海洋氣象綜合觀測應(yīng)用平臺系統(tǒng)設(shè)計主要是指系統(tǒng)的總體設(shè)計以及各個數(shù)據(jù)模型設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到系統(tǒng)對完善的編輯功能以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負載太高，安全性、穩(wěn)定性、拓展要求較高，本系統(tǒng)選擇使用C/S（Client/Sever）開發(fā)方式，其三層架構(gòu)模式[9]如下圖3所示，避免B/S模式下的編輯功能拓展的完善性不強，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量負載過大等局限的瓶頸。

1）表示層。系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)主界面、操作對話框，其中多文檔系統(tǒng)主窗體由基本菜單項、圖件管理器、數(shù)據(jù)庫管理器構(gòu)成系統(tǒng)主界面，子窗體由圖層控制模塊、站點管理模塊、要素折線圖模塊、動態(tài)展示模塊構(gòu)成。

2）邏輯層。包括核心開源制圖ZedGraph類庫和Engine提供的具體操作地圖的類庫如GeoDatabase類庫、GISClient類庫、DataSourcesFile類庫、3DAnalyst類庫等，這些類庫將配合系統(tǒng)實現(xiàn)制圖，動態(tài)展示等功能[11]。

3）數(shù)據(jù)層。包括底層數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)文件、GIS二次開發(fā)平臺空間數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫訪問類DataAccess。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程經(jīng)過4個層次進行，包含從底層到頂層依次連接的設(shè)備層、通信解析層、匯聚處理層和表示層（圖4）。

1）設(shè)備層。設(shè)備層與通信解析層通過GPRS或3G/4G網(wǎng)絡(luò)進行遠程通信。設(shè)備層實現(xiàn)各氣象自動站的無縫接入，該層兼容了基準站、基本站、一般站、區(qū)域站及衛(wèi)星通信站等，將數(shù)據(jù)通過上述方式傳遞給通信解析層。

2）通信解析層。通信解析層在整個系統(tǒng)框架中起到承上啟下的作用，通過防火墻實現(xiàn)自動氣象站數(shù)據(jù)和中心服務(wù)站的通信和數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)解析為該層核心功能。

3）匯聚處理層。匯聚處理層實現(xiàn)對通信解析層傳入的數(shù)據(jù)進行收集和質(zhì)量控制，最后進行入庫處理。

4）表示層。表示層實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理狀態(tài)的監(jiān)視記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、參數(shù)管理、數(shù)據(jù)庫備份、文件處理、文件傳輸。數(shù)據(jù)采集在設(shè)備層完成，數(shù)據(jù)預(yù)處理在通信解析層完成，數(shù)據(jù)質(zhì)控、分類以及入庫在匯聚處理層完成。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)基于GIS的海洋氣象綜合觀測應(yīng)用平臺系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求，需對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要功能進行合理設(shè)計，對用戶界面進行友好性、方便性、直觀性統(tǒng)一設(shè)計，系統(tǒng)主要設(shè)計包含如下模塊。

1）數(shù)據(jù)庫操作模塊。此模塊主要用于控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的連接，登錄數(shù)據(jù)庫身份驗證包括數(shù)據(jù)源、用戶名、密碼、服務(wù)器圖層路徑設(shè)置等。通過對上述設(shè)置的修改可以實現(xiàn)對后臺數(shù)據(jù)庫、圖層文件數(shù)據(jù)庫以及空間數(shù)據(jù)庫的連接。

2）站點基本信息Tip展示模塊。利用GIS技術(shù)中閃爍Tip框提示的方式實現(xiàn)觀測平臺系統(tǒng)近海海域站點信息的查詢，包括區(qū)站號、經(jīng)度、緯度、觀測平臺海拔高度、采集器型號等。

3）站點信息管理模塊。該模塊包含刪除歷史文件、站點統(tǒng)計信息、站點信息管理3個子模塊，實現(xiàn)對站點正常和異常狀態(tài)信息統(tǒng)計、站點信息的查詢、添加、刪除、修改、站點信息導(dǎo)入等。

4）站點歷史信息記錄模塊。該模塊用于對常規(guī)要素、海洋要素基本信息的查詢以及備份導(dǎo)出，為分析海洋氣候變化規(guī)律提供直接數(shù)據(jù)依據(jù)。數(shù)據(jù)獲取的方式有兩種，分鐘要素和整點時間要素。

5）海洋要素變化曲線模塊。該模塊主要是基于時間跨度對海洋要素進行分析，平臺使用ZedGraph將要素按照時間制圖，對近海海域氣象要素隨時間變化規(guī)律進行分析，這對于海洋氣象要素信息數(shù)據(jù)挖掘、未來預(yù)報預(yù)警提供有力的評估基礎(chǔ)。

6）要素數(shù)據(jù)最近記錄查詢模塊。該模塊主要方便觀測人員能夠?qū)崟r對最近數(shù)據(jù)進行檢索查詢以傳遞最新訊息。

7）要素動畫展示模塊。該模塊是基于空間跨度對海洋要素進行分析，主要是按照要素分布的強度和密度，把檢測值相同的點用線連接起來形成等值線，在空間地理信息基礎(chǔ)上對近海海域的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析推算，實際是按照每秒刷新（風(fēng)速、溫度、氣壓等）柵格圖層方式進行操作[10]。

8）其他子模塊。包括鷹眼子模塊用于控制地圖視野，海區(qū)選擇子模塊可以實現(xiàn)對多種近海海域站點的定位選擇，在菜單中包括對地圖的放大、縮小、拖動、全視野、框選放大、框選縮小等，顯示浮標站點在指定時間點溫度、氣壓、波浪分布狀況及畫面顯示等功能。主菜單模塊中包含頁面設(shè)置、打印預(yù)覽、打印、系統(tǒng)設(shè)置等功能，在地圖模塊中有底圖和制版兩個子功能以及對系統(tǒng)登錄時間、當(dāng)前坐標、比例尺的記錄。系統(tǒng)基于時間跨度和空間跨度對海洋要素數(shù)據(jù)進行檢索、分析、評價以及管理，借助分析的結(jié)果信息可以在很大程度上反映海洋環(huán)境質(zhì)量和變化規(guī)律，為決策機構(gòu)預(yù)警提供可靠的依據(jù)。圖5為系統(tǒng)總體設(shè)計框架圖。

3 系統(tǒng)的運行

系統(tǒng)采用C#語言和最新的.NET技術(shù)編程，同時結(jié)合Oracle 10 g大型數(shù)據(jù)庫，提高了系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力，并大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)的復(fù)雜性，系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及拓展性提供了很大的保障。其次使用了GIS技術(shù)（二次開發(fā)Engine組庫）對多種圖層類型的數(shù)據(jù)進行處理，其中動態(tài)生成并刷新地圖的方式非常直觀簡潔地將海洋信息變化趨勢展示出來，提高了系統(tǒng)的使用性[11]。系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows 7，實際運行效果表明系統(tǒng)各項性能良好，能夠滿足客戶的基本需求。系統(tǒng)部分運行效果圖如圖6、圖7所示。

4 小結(jié)

基于GIS的海洋氣象綜合觀測應(yīng)用平臺系統(tǒng)設(shè)計目的在于滿足環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)分析以及海洋自身管理的需要，實現(xiàn)對海洋要素數(shù)據(jù)的分析和評估，提高海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)測的準確性。該平臺優(yōu)勢在于：①對采集器采集的數(shù)據(jù)進行合理的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；②采用多線程的操作方式對海量數(shù)據(jù)進行入庫處理；③采用數(shù)據(jù)插值算法對海洋氣象數(shù)據(jù)進行推理和估計。

由于系統(tǒng)涉及到要素數(shù)據(jù)量較大、內(nèi)容復(fù)雜、圖層數(shù)據(jù)生成量大，系統(tǒng)在運行過程中還存在數(shù)據(jù)處理速度緩慢的問題，未來系統(tǒng)將在數(shù)據(jù)處理、代碼優(yōu)化等方面作進一步的完善。

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