路明月， 劉 彬， 陳 旻， 王 軒， 鄭建琴， 毛遠(yuǎn)翔

(1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044；4. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 沙田 999077)

面向GIS表達(dá)與分析的氣象符號(hào)繪制庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

路明月1,3， 劉 彬1,3， 陳 旻2,4， 王 軒1,3， 鄭建琴1,3， 毛遠(yuǎn)翔1,3

(1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇省氣象災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023；3. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇 南京 210044；4. 香港中文大學(xué)太空與地球信息科學(xué)研究所，香港 沙田 999077)

針對(duì)目前地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件中對(duì)氣象符號(hào)支持的不足，通過(guò)對(duì)氣象領(lǐng)域中所涉及的符號(hào)進(jìn)行特征分析及其邏輯分類(lèi)，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的幾何空間數(shù)據(jù)模型，并采用不同的“樣式”表征具體的氣象符號(hào)，以“幾何對(duì)象+樣式”的形式完成氣象符號(hào)對(duì)象的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，基于GDI+實(shí)現(xiàn)各種氣象符號(hào)的矢量繪制，并封裝形成可供直接調(diào)用氣象矢量符號(hào)繪制庫(kù)，為基于GIS的氣象數(shù)據(jù)信息的表達(dá)和分析提供支撐。最后實(shí)例驗(yàn)證了本氣象符號(hào)繪制庫(kù)的正確性與實(shí)用性。

氣象符號(hào)；符號(hào)庫(kù)；地理信息系統(tǒng)；可視化

地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)以空間世界的表達(dá)分析為己任，尤其在空間數(shù)據(jù)分析方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因此借助 GIS實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象數(shù)據(jù)的表達(dá)描述以及分析具有重要意義，可以有效彌補(bǔ)氣象專(zhuān)業(yè)可視化工具在空間分析領(lǐng)域的不足。由于GIS與氣象領(lǐng)域多年來(lái)平行發(fā)展，目前 GIS在氣象數(shù)據(jù)的處理方面還有待完善，尤其是缺乏必要?dú)庀蠓?hào)庫(kù)的支持，使得 GIS難以直接對(duì)氣象信息進(jìn)行可視化表達(dá)[1-2]，給GIS與氣象領(lǐng)域的融合帶來(lái)很大阻礙。氣象符號(hào)是氣象信息表達(dá)的重要形式，也是實(shí)現(xiàn) GIS對(duì)氣象信息可視化的直接載體，目前主流的 GIS軟件平臺(tái)如ArcGIS等提供了豐富的符號(hào)繪制方法，但是在面向氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，尤其是符合氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域規(guī)范和習(xí)慣的氣象數(shù)據(jù)可視化表達(dá)方面還不能滿足專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用需求；而氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的可視化軟件如MICAPS[3]，MeteoInfo[4]等集成了可供用戶使用的氣象符號(hào)，但是沒(méi)有形成邏輯獨(dú)立、具有較高通用性以及可擴(kuò)展性的氣象圖形符號(hào)庫(kù)，難以與 GIS集成，并且這些氣象符號(hào)往往以圖片的形式存在，缺少必要的數(shù)據(jù)模型支持，難以進(jìn)行集成地理信息的空間分析。針對(duì)以上問(wèn)題，本文立足于氣象與 GIS的耦合，結(jié)合氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，以“幾何對(duì)象+樣式符號(hào)”為宏觀組織結(jié)構(gòu)，以點(diǎn)狀、線狀、以及面狀符號(hào)的主導(dǎo)對(duì)象構(gòu)建氣象符號(hào)繪制庫(kù)，提供封裝的繪制接口，滿足矢量天氣圖的制作需求，實(shí)現(xiàn)氣象信息的可視化表達(dá)，為基于GIS的氣象信息空間表達(dá)與分析奠定基礎(chǔ)，為氣象GIS的平臺(tái)建設(shè)提供可視化組件支持。

1 氣象符號(hào)邏輯分類(lèi)

根據(jù)氣象領(lǐng)域的制圖實(shí)際需要以及制圖習(xí)慣與規(guī)范，本文對(duì)氣象領(lǐng)域所涉及的符號(hào)進(jìn)行了深入調(diào)研分析[5]，參照地圖符號(hào)的分類(lèi)規(guī)則[6-12]，將氣象符號(hào)宏觀的邏輯分類(lèi)為氣象點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)和面狀符號(hào) 3大類(lèi)。點(diǎn)符號(hào)用于描述具有點(diǎn)狀特征的氣象數(shù)據(jù)，主要包括：云、霧、煙塵、沙、風(fēng)、雷電、雪、雨、氣壓系統(tǒng)等；線符號(hào)于描述具有線狀特征的氣象數(shù)據(jù)，主要包括：等值線、路徑線、分析線、鋒等 4大類(lèi)；面符號(hào)用于描述具有面域特征的氣象數(shù)據(jù)，主要包括：等值面、氣壓帶、氣候區(qū)、天氣現(xiàn)象以及自定義氣象面等。其每一種分類(lèi)都擁有自己具體的氣象符號(hào)分支，如云符號(hào)包含了具體的各種云總量符號(hào)、云形狀符號(hào)以及云時(shí)態(tài)符號(hào)等，可更準(zhǔn)確地描述出云對(duì)象的特征。具體分類(lèi)如表1所示。

2 氣象符號(hào)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從空間幾何角度出發(fā)，符號(hào)可以看作是具有一定樣式的幾何對(duì)象的組合，因此幾何對(duì)象與樣式可以看作氣象符號(hào)的兩個(gè)基本構(gòu)建要素?；诖耍疚膹倪@兩方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)建對(duì)應(yīng)的幾何對(duì)象模型庫(kù)以及氣象符號(hào)樣式庫(kù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象符號(hào)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 氣象符號(hào)幾何模型庫(kù)設(shè)計(jì)

為了能夠更好地與 GIS集成，氣象符號(hào)幾何模型庫(kù)的設(shè)計(jì)在面向氣象信息可視化表達(dá)的同時(shí)，兼顧 GIS數(shù)據(jù)的分析功能。該類(lèi)庫(kù)宏觀上分為點(diǎn)類(lèi)、線類(lèi)、面類(lèi)3種幾何對(duì)象(圖1)。其中點(diǎn)類(lèi)分為單點(diǎn)與多點(diǎn)；線類(lèi)分為簡(jiǎn)單線段類(lèi)(主要包括圓弧、橢圓弧、線段等)和多段線類(lèi)(主要包括多義線、貝耶斯曲線和環(huán)等)；面類(lèi)分為簡(jiǎn)單的幾何面片類(lèi)(主要包括三角形、三角條帶、四邊形、六邊形等常見(jiàn)多邊形對(duì)象)和Polygon面類(lèi)(主要包括簡(jiǎn)單 Polygon類(lèi)、鏤空 Polygon類(lèi)以及待擴(kuò)充Polygon類(lèi))。這種邏輯分類(lèi)能夠適應(yīng)不同氣象符號(hào)的靈活表達(dá)，無(wú)論是簡(jiǎn)單的還是復(fù)雜的氣象符號(hào)，其在幾何形態(tài)上都可以通過(guò)這些基本幾何對(duì)象及其組合的方式實(shí)現(xiàn)。因此該幾何對(duì)象模型為氣象符號(hào)的構(gòu)建提供了必需的“空間骨架”，為氣象符號(hào)信息與地理信息的耦合分析提供支持。

2.2 氣象符號(hào)的樣式類(lèi)庫(kù)設(shè)計(jì)

空間幾何對(duì)象是符號(hào)的“骨架”，而樣式則是符號(hào)的外在表現(xiàn)。幾何對(duì)象結(jié)合不同的繪制樣式得到不同的符號(hào)。因此樣式與氣象符號(hào)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。本文根據(jù)氣象符號(hào)的邏輯分類(lèi)將樣式也宏觀分為對(duì)應(yīng)的 3類(lèi)：氣象點(diǎn)樣式、氣象線樣式和氣象面樣式。為了便于應(yīng)用，本研究中針對(duì)云、霧、煙塵、風(fēng)沙、風(fēng)(風(fēng)暴)、雷電、雪、雨、氣壓系統(tǒng)等分別設(shè)定對(duì)應(yīng)的特定樣式，并歸為點(diǎn)樣式類(lèi)中，每一類(lèi)中封裝其特定的屬性參數(shù)及操作方法。為等值線、路徑線、分析線、鋒也分別設(shè)定對(duì)應(yīng)的特定樣式，歸為線樣式一類(lèi)；并將其各自的線型、線寬、顏色等基本屬性及其函數(shù)成員封裝。針對(duì)等值面、氣壓帶、氣候區(qū)、天氣現(xiàn)象等面符號(hào)也設(shè)定各自特定的面樣式類(lèi)，對(duì)于每一種樣式類(lèi)都封裝其各自對(duì)應(yīng)的特定屬性參數(shù)及操作方法。這樣設(shè)計(jì)使其各司其職，具有更好的針對(duì)性，能夠靈活地應(yīng)對(duì)氣象領(lǐng)域?qū)Ψ?hào)的多方位需求。其對(duì)應(yīng)的樣式庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 氣象符號(hào)邏輯分類(lèi)

圖1 氣象符號(hào)庫(kù)的幾何對(duì)象模型關(guān)系圖

圖2 氣象符號(hào)樣式類(lèi)邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.3 氣象符號(hào)繪制庫(kù)的實(shí)現(xiàn)與封裝

本文采用GDI+繪圖接口，以參數(shù)化的方法實(shí)現(xiàn)氣象符號(hào)的底層繪制，GDI+是 Microsoft的新.NET Framework類(lèi)庫(kù)，用于圖形編程，提供的主要功能有矢量圖形輸出、光柵圖形輸出和文字排版等[13]。參數(shù)化的繪制方法具有繪制精度高和數(shù)據(jù)量小的優(yōu)點(diǎn)，有利于氣象符號(hào)類(lèi)庫(kù)的調(diào)用簡(jiǎn)易與高效，可以保證符號(hào)繪制的高質(zhì)量顯示[14-15]，因此本文選用矢量方式進(jìn)行符號(hào)的繪制，可以更好地表現(xiàn)氣象信息。

(1) 點(diǎn)符號(hào)的繪制。氣象點(diǎn)狀符號(hào)的繪制中主要進(jìn)行兩部分工作：①定位點(diǎn)的確定；②幾何對(duì)象的分解繪制。對(duì)于氣象點(diǎn)狀符號(hào)而言，其雖然代表點(diǎn)，但是其在表現(xiàn)上往往以“圖標(biāo)”的形式出現(xiàn)，具有一定“面積”，哪個(gè)部位是其所代表的點(diǎn)，需要先確定。在本圖形庫(kù)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于一般符號(hào)遵循幾何圖形的中心點(diǎn)為定位點(diǎn)的規(guī)則，也就是將該符號(hào)外包矩形的中心位置設(shè)為其定位點(diǎn)(圖3(a~b))。但是由于氣象數(shù)據(jù)的特殊性以及氣象領(lǐng)域的約定習(xí)慣，將風(fēng)符號(hào)定位點(diǎn)設(shè)定在風(fēng)羽的下端頂點(diǎn)(圖3(c))。對(duì)任一氣象點(diǎn)符號(hào)而言，其往往是由若干不同的單一幾何對(duì)象組合而成，如云量4的符號(hào)由圓、直角扇形以及線段組成(圖4)。因此，在確定了其定位點(diǎn)之后，則以定位點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，調(diào)用GDI+繪圖接口對(duì)各個(gè)單一幾何對(duì)象按照一定的縮放比例、角度等繪圖參數(shù)進(jìn)行繪制，形成組合的氣象點(diǎn)狀符號(hào)。

圖3 點(diǎn)狀氣象符號(hào)的定位點(diǎn)示意圖

圖4 云量4的符號(hào)組成

(2) 線符號(hào)的繪制。對(duì)于氣象線符號(hào)而言，是由兩個(gè)確定的點(diǎn)坐標(biāo)連接而成，這兩點(diǎn)之間的連線為定位線。氣象線符號(hào)往往也是由多個(gè)幾何對(duì)象組合而成，在繪制時(shí)首先根據(jù)坐標(biāo)確定定位線，

設(shè)置線型、排列韻律、線高(寬)、偏移量、顏色、透明度等屬性信息，然后沿定位線循環(huán)繪制輔助幾何對(duì)象。例如在繪制鋒線時(shí)，在定位線的方向上計(jì)算得到距離起始端點(diǎn)1/3和2/3長(zhǎng)度處的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，在這兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上繪制出定位線上的輔助幾何對(duì)象(圖5)。

圖5 暖鋒符號(hào)的分解及繪制示意圖

(3) 面符號(hào)的繪制。氣象面狀符號(hào)一般有一個(gè)有形或無(wú)形的封閉輪廓線，通過(guò)在輪廓范圍內(nèi)配置不同的充填內(nèi)容來(lái)表征不同的含義。因此在面符號(hào)的繪制中，其充填內(nèi)容是表征不同天氣信息的關(guān)鍵載體。根據(jù)氣象領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，在本文中重點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 3種不同的充填：①對(duì)于氣象面符號(hào)中的等值面、氣壓帶、氣候區(qū)等采用符合氣象領(lǐng)域習(xí)慣的特定色彩充填；②對(duì)于常用的天氣現(xiàn)象(如多云區(qū)域等)采用位圖充填，以更好地符合氣象領(lǐng)域的應(yīng)用習(xí)慣；③對(duì)于需要進(jìn)行特殊的氣象矢量符號(hào)充填的(如某區(qū)域的風(fēng)向圖等)，則在區(qū)域內(nèi)繪制氣象矢量符號(hào)進(jìn)行充填，本文中稱(chēng)之為自定義氣象符號(hào)充填。

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，前兩種方法可以直接調(diào)用GDI+內(nèi)置的方法進(jìn)行；在自定義氣象符號(hào)充填時(shí)，需要確定區(qū)域內(nèi)氣象符號(hào)的繪制位置。本文采用外包矩形格網(wǎng)劃分的方式進(jìn)行，即根據(jù)充填符號(hào)的大小對(duì)充填區(qū)域的外包矩形進(jìn)行網(wǎng)格等距或自定義距離分割，然后針對(duì)網(wǎng)格的交點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行判斷，確定其是否在充填區(qū)域內(nèi)，如果在則以該交點(diǎn)為定位點(diǎn)進(jìn)行特定氣象符號(hào)的繪制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自定義氣象符號(hào)的充填繪制(圖6)。

圖6 自定義符號(hào)充填示意圖

在此基礎(chǔ)上，本文采用面向?qū)ο蟮姆椒?，設(shè)計(jì)了氣象符號(hào)繪制類(lèi)，將上述繪制方法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)與封裝，提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，為氣象符號(hào)庫(kù)的共享使用提供條件。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文采用 C#語(yǔ)言結(jié)合 GDI+圖形繪制接口自主研發(fā)了氣象 GIS可視化原型系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)建的氣象符號(hào)庫(kù)進(jìn)行了逐一驗(yàn)證：首先針對(duì)不同的氣象點(diǎn)符號(hào)以及線符號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證性羅列繪制(圖7(a))，同時(shí)針對(duì)不同的行政區(qū)域進(jìn)行了雷暴、風(fēng)、雨夾雪等自定義氣象面域符號(hào)的繪制(圖7(b))，得到正確的繪制結(jié)果。該原型系統(tǒng)對(duì)接了氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的氣象信息綜合處理系統(tǒng)(meteorological information comprehensive analysis and process system, MICAPS)各類(lèi)數(shù)據(jù)，基于構(gòu)建的氣象符號(hào)庫(kù)以MICAPS第1類(lèi)數(shù)據(jù)(2006年04月12日05時(shí)的地面觀測(cè)云總量數(shù)據(jù)，如圖8(a))以及第4類(lèi)數(shù)據(jù)(2014年06月01日02時(shí)海平面氣壓場(chǎng)數(shù)據(jù)，如圖 8(b))為例進(jìn)行了可視化繪制，取得正確的繪制結(jié)果，驗(yàn)證了本研究的正確性與適用性。

圖7 部分氣象符號(hào)的繪制效果圖

圖8 基于氣象符號(hào)繪制庫(kù)的MICAPS第1類(lèi)和第4類(lèi)數(shù)據(jù)可視化效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)目前 GIS無(wú)法直接表達(dá)處理氣象數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，結(jié)合行業(yè)規(guī)范及專(zhuān)業(yè)應(yīng)用習(xí)慣深入分析了氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的符號(hào)特征并進(jìn)行了邏輯分類(lèi)，面向 GIS的表達(dá)分析進(jìn)行了氣象符號(hào)繪制庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為 GIS與氣象專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的融合進(jìn)行了有益的探索，為氣象數(shù)據(jù)的 GIS表達(dá)分析奠定了基礎(chǔ)。但是本文中所涉及的符號(hào)多為氣象領(lǐng)域目前常用符號(hào)，依然有一些比較生僻的符號(hào)沒(méi)有容納進(jìn)來(lái)，并且繪制過(guò)程中如何進(jìn)一步提高繪制速度等問(wèn)題將隨著本研究的深入得到進(jìn)一步解決。

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Design and Implementation of Meteorological Symbol Library for GIS Visualization and Analysis

Lu Mingyue1,3, Liu Bin1,3, Chen Min2,4, Wang Xuan1,3, Zheng Jianqin1,3, Mao Yuanxiang1,3

(1. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Disaster, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment, Ministry of Education of PRC, Nanjing Normal University, Nanjing Jiangsu 210023, China; 3. Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing Jiangsu 210044, China; 4. Institute of Space and Earth Information Science, The Chinese University of Hong Kong, Shatin Hong Kong 999077, China)

Geographic information system (GIS) can’t deal with meteorological data directly due to the shortage of necessary meteorological symbol library currently. Therefore, this article analyzes the characteristics of commonly used meteorological symbols and logically classifies the symbols into three types (symbol based on point, symbol based on line, symbol based on area) considering the professional criterion as well as the meteorological application. Then the corresponding spatial geometry models and symbol styles are also constructed to build the meteorological symbol library in the form of the “geometry+style”. All the meteorological symbols in the library are drawn successfully based on GDI+, and packaged as drawing library for GIS usage. The meteorological symbol library constructed in this paper provides support for the presentation and analysis of the meteorological information based on GIS. Keywords: meteorological symbol; symbol library; geographic information system; visualization

P 454; TP 319

10.11996/JG.j.2095-302X.2016050592

A

2095-302X(2016)05-0592-06

2016-04-27；定稿日期：2016-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40901244)

路明月(1978–)，男，江蘇徐州人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)闅庀驡IS與氣象空間重構(gòu)。E-mail：lumingyue@nuist.edu.cn