李家貴，王瑞富,，曹紅俊，趙少杰，段雅萍

（1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510；

2.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266510）

風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)工作最早開始于20 世紀(jì)20、30年代，早期的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)。直到20世紀(jì)50 年代數(shù)值預(yù)報(bào)才開始出現(xiàn)，其發(fā)展非常迅速，進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)值預(yù)報(bào)已是風(fēng)暴潮最主要的預(yù)報(bào)手段。數(shù)值預(yù)報(bào)具有試驗(yàn)費(fèi)用少、速度快、周期短等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)具有預(yù)報(bào)結(jié)果不直觀，不能生動形象地反映水動力現(xiàn)象等缺點(diǎn)[1]；并且數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果普遍是以靜態(tài)圖文的方式展現(xiàn)，而風(fēng)暴潮時(shí)空數(shù)據(jù)具有動態(tài)性、模糊性、時(shí)空過程性、時(shí)空粒度性等特點(diǎn)。因此，建立顯明精確的仿真圖形動態(tài)顯示系統(tǒng)是數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展方向之一[2-3]。

21世紀(jì)以來，由于服務(wù)目標(biāo)不同，風(fēng)暴潮研究與其他學(xué)科相交叉形成相應(yīng)分支，趨于精細(xì)化。隨著GIS在海洋方面的發(fā)展，風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)人員開始考慮利用GIS工具進(jìn)行風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展研究，風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)與GIS集成技術(shù)已成為風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的主要研究方向之一[4-5]。本文以GIS為開發(fā)平臺，對風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素在空間上和時(shí)間上的可視化進(jìn)行了研究。預(yù)報(bào)要素具有數(shù)據(jù)量大，存儲方式不同，表達(dá)要求差異較大的特點(diǎn)，而且是一個(gè)預(yù)報(bào)周期內(nèi)的時(shí)間序列產(chǎn)品，對海洋預(yù)報(bào)要素的表達(dá)提出了很高的要求。風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素表達(dá)，尤其是在空間和時(shí)間上準(zhǔn)確地顯示預(yù)報(bào)要素，是本文研究的重點(diǎn)[6]。

1 預(yù)報(bào)要素的數(shù)據(jù)類型

本文用到的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素包括流場、水位、海溫、波浪和風(fēng)場等，其中流場、風(fēng)場、波向是矢量場數(shù)據(jù)，用箭頭符號和風(fēng)矢符號渲染表達(dá)；海溫、水位、波高是格網(wǎng)數(shù)據(jù)，用類似于圖片形式的格網(wǎng)陣列渲染表達(dá)。

根據(jù)預(yù)報(bào)要素的不同顯示要求，將業(yè)務(wù)單位提供的預(yù)報(bào)信息原始數(shù)據(jù)（netcdf格式和二進(jìn)制格式）分別轉(zhuǎn)換成GIS平臺支持的數(shù)據(jù)格式，包括Shapefile、Personal Geodatabase、TIN、Raster等。其中，水位、海溫、波高等格網(wǎng)數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成TIN或Raster；流場、風(fēng)場、波向等矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換成Shapefile或Personal Geodatabase，具體轉(zhuǎn)換格式映射如表1所示。

表1 預(yù)報(bào)要素轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)類型

2 空間上的顯示控制

空間上的顯示控制主要針對流場、風(fēng)場、波向等矢量場。矢量場的空間范圍大、數(shù)據(jù)量大、顯示要素多，若全部顯示則非常密集，效果差且效率低，以流場為例，見圖1。

ArcGIS提供了圖層屬性的Definition Query功能，可自定義SQL語句進(jìn)行圖層顯示要素的顯示控制。風(fēng)暴潮系統(tǒng)基于ArcGIS上述功能，通過相關(guān)顯示控制，在保證準(zhǔn)確表達(dá)矢量場分布和變化的前提下，實(shí)現(xiàn)了不同比例尺下數(shù)據(jù)瀏覽的無級縮放、顯示數(shù)據(jù)的范圍控制等功能。顯示控制后流場的顯示要素如圖2所示。

圖1 流場顯示要素全部顯示效果圖

圖2 顯示控制后流場顯示要素的效果圖

不同比例尺下數(shù)據(jù)瀏覽的無級縮放是指通過顯示控制，實(shí)現(xiàn)矢量場顯示要素隨比例尺變化而變化的方法。在保證準(zhǔn)確表達(dá)矢量場分布和變化的前提下，該方法對矢量場顯示要素進(jìn)行抽稀控制，不僅能美化顯示效果，還能提高顯示效率。

顯示數(shù)據(jù)的范圍控制是指只對屏幕范圍內(nèi)的矢量場數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示繪制，屏幕范圍外的矢量場數(shù)據(jù)不予顯示繪制。通過該方法可解決矢量場數(shù)據(jù)量大、全部顯示效率低的問題。

流場與波向、風(fēng)場的數(shù)據(jù)特點(diǎn)與存儲格式都有所不同，鑒于此，風(fēng)暴潮系統(tǒng)分別從不同比例尺下的無級縮放、顯示數(shù)據(jù)的范圍控制兩方面設(shè)計(jì)了兩套顯示控制方案。

1）流場的顯示控制。流場數(shù)據(jù)在前期處理過程中添加了3個(gè)字段，分別為scamin、X和Y，其中scamin字段值為比例尺分母，X、Y字段值為矢量點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。scamin字段用于控制矢量點(diǎn)在當(dāng)前比例尺下是否顯示，X、Y字段用于判斷矢量點(diǎn)是否在當(dāng)前屏幕范圍內(nèi)，若在則顯示，不在則不顯示。Definition Query功能的SQL語句為：

pSQL=x∈(xmin,xmax) and y∈(ymin,ymax) and scamin>mapScale

其中，xmin、xmax、ymin、ymax分別為當(dāng)前屏幕的X、Y的最大最小值；mapScale為當(dāng)前比例尺的分母。

2）波向與風(fēng)場的顯示控制。風(fēng)場、波浪數(shù)據(jù)在前期處理過程中添加了2個(gè)字段，分別為i和j。其中，i 字段為矢量點(diǎn)的行號，j字段為矢量點(diǎn)的列號。風(fēng)場、波浪數(shù)據(jù)矢量點(diǎn)的位置、數(shù)量、間隔都是固定不變的，所以矢量點(diǎn)的i、j字段值也是不變的。通過i、j字段值進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，便可對矢量點(diǎn)在當(dāng)前比例尺下和當(dāng)前屏幕范圍內(nèi)是否顯示進(jìn)行控制。Definition Query功能的SQL語句為：

pSQL=i∈(imin,imax) and j∈(jmin,jmax) and i mod levelInteval=0 and j mod levelInteval=0

其中，

式中，Xmin、Xmax、Ymin、Ymax為當(dāng)前屏幕X、Y的最大最小值；xmin、ymin為風(fēng)場、波向數(shù)據(jù)的緯度最小值和經(jīng)度最小值；inteval為矢量點(diǎn)之間的間距。

通過風(fēng)場、波向的矢量點(diǎn)密度分布試驗(yàn)，設(shè)定了20級區(qū)間[mapScaleminmapScalemax]；判斷當(dāng)前屏幕比例尺mapScale分母所在的區(qū)間范圍，確定levelInteval值。

3 時(shí)間上的動態(tài)表達(dá)

基于ArcGIS的多圖層疊加顯示和制圖輸出功能，使用trackbar控件顯示和控制播放進(jìn)度，如圖3所示；使用timer控件實(shí)現(xiàn)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素的動態(tài)播放，為風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素的動態(tài)表達(dá)提供了兩種實(shí)現(xiàn)方案。

圖3 播放控制工具條中的trackbar控件

1）基于ArcGIS多圖層疊加顯示功能。該方案通過控制圖層屬性Visible是否可見，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)要素的動態(tài)表達(dá)。其優(yōu)點(diǎn)是在預(yù)報(bào)要素動態(tài)播放的過程中，可進(jìn)行放大、縮小、移動等地圖操作，方便預(yù)報(bào)人員了解更詳細(xì)的信息；缺點(diǎn)是由于ArcGIS圖層刷新機(jī)制的原因，矢量場數(shù)據(jù)反應(yīng)速度較慢，不能快速動態(tài)播放，播放速度局限在1 s左右，再快會出現(xiàn)漏掉個(gè)別圖層顯示的問題。

2）基于ArcGIS制圖輸出功能。該方案先進(jìn)行預(yù)處理，將需要動態(tài)表達(dá)的區(qū)域進(jìn)行制圖輸出，生成一系列圖片，再控制這些圖片播放以實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)要素的動態(tài)表達(dá)。其優(yōu)點(diǎn)是解決了矢量場數(shù)據(jù)播放速度慢的問題；缺點(diǎn)是不能進(jìn)行相關(guān)地圖操作，且需要一定的預(yù)處理時(shí)間。

針對上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，風(fēng)暴潮系統(tǒng)采取了一些措施進(jìn)行整合彌補(bǔ)。一方面，設(shè)計(jì)了出圖標(biāo)簽功能，預(yù)報(bào)人員可事先完成制圖輸出等預(yù)處理，并保存出圖標(biāo)簽，使用時(shí)可直接通過出圖標(biāo)簽查看，不必再進(jìn)行預(yù)處理；另一方面，實(shí)現(xiàn)了兩種方案trackbar控件與timer控件的關(guān)聯(lián)，在預(yù)報(bào)要素的動態(tài)播放過程中可隨時(shí)進(jìn)行兩種方案的切換，預(yù)報(bào)要素的顯示效果一樣。

4 效果展現(xiàn)

在時(shí)間上進(jìn)行動態(tài)播放，空間上進(jìn)行顯示控制，是風(fēng)暴潮系統(tǒng)的亮點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)。本文以流場為例，通過3幅圖分別對空間顯示控制和時(shí)間動態(tài)播放兩個(gè)方面進(jìn)行效果展現(xiàn)。

1）空間顯示控制。圖4為不同比例尺下同一區(qū)域流場的顯示效果圖，隨著比例尺的放大，顯示要素逐漸增多，尤以河流處最為明顯。預(yù)報(bào)要素的空間顯示控制，最終實(shí)現(xiàn)了不同比例尺下，顯示要素的抽稀，既不影響預(yù)報(bào)要素的準(zhǔn)確表達(dá)，又能美化顯示效果。

2）時(shí)間動態(tài)播放。圖5為流場23、24、25時(shí)刻的渲染效果圖，正在用播放控制工具條進(jìn)行動態(tài)播放，3幅圖連起來看可明顯觀察到兩個(gè)渦旋的變化趨勢。預(yù)報(bào)要素的時(shí)間動態(tài)播放，最終表達(dá)了流場的動態(tài)變化。

圖4 不同比例尺下的流場顯示

圖5 不同時(shí)刻下的流場顯示

5 結(jié) 語

本文主要對風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素在空間和時(shí)間上的可視化進(jìn)行了研究，其中顯示控制主要針對矢量場，根據(jù)矢量場數(shù)據(jù)特點(diǎn)，分別采取了基于scamin、X、Y字段和基于i、j字段的兩種控制方案；動態(tài)表達(dá)利用trackbar控件和timer控件，分別基于ArcGIS的多圖層疊加顯示功能和制圖輸出功能，采取兩種方案實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)要素的動態(tài)播放，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過出圖標(biāo)簽功能和trackbar控件關(guān)聯(lián)的方式，最終實(shí)現(xiàn)了兩種方案的整合彌補(bǔ)。本文由于時(shí)間和水平有限，雖已盡量優(yōu)化風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)要素的顯示效率，但還有進(jìn)一步的提升空間。

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