基于分類編碼的氣象預告圖自動生成系統設計與實現

摘要:航空氣象預報對實時性和準確行要求都非常高，該文針對實際的氣象報文數據，結合氣象圖形圖像學理論、氣象圖形和空間地理信息進行綜合分析，設計出一種可以根據氣象圖形分類編碼的自動生成氣象預告圖的預報平臺，同時對該系統平臺的實現難點和設計方法進行了較詳細的分析和探討，并給出了一個參考實現。

關鍵詞:氣象圖形學;分類編碼;空間地理信息;航空氣象預報

中圖分類號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3930-02

Design and Realization of An Automatic Producing Meteorology Graphic System Based on Sorting and Coding Graphic Data

JI Hui-jing1， MA Jun2， SHEN Lin2

(1.Kindergarten training school of Xinxiang， Weihui 453100， China; 2.College of Computer and Information Engineering， Henan University， Kaifeng 475004， China)

Abstract: Aeronautical Meteorology predict is more and more forcusing on real-time and accuracy today. By analysis meteorological data， meteorological image and space geographic information， especially to theory of meteorological computer graphics design an automatic producing meteorology graphic system. This paper discussed main parts in detail and gives a referece implementation.

Key words: meteorological graphics; sort-code; integrated geographic information; aviation weather forecast

1 引言

氣象信息是地理信息的重要組成部分，其時空特性，決定能否及時、準確的生產出氣象圖形圖像，對我國的航海、航空事業的發展有著重要意義。在實際的科學計算中，由計算機繪制的地理信息底圖是經過地理坐標投影變換得到的[1]。地理信息底圖在輸出窗口的每一個像素坐標點都精確的對應一個地理經緯度。這就與傳統的手動填圖方式:由填圖人員參照數據庫中氣象報文數據和在地理信息底圖上目測大概地理的范圍，用鼠標或輸入筆在這張地圖上手動填圖產生矛盾。由這種手動方式繪制的氣象預告圖與實際的天氣方位往往會出入很大，而且制圖效率也不高。

本文所介紹的氣象預告圖自動生成系統，針對解決傳統手動方式的弊端而設計，把氣象數據和空間地理信息有機的結合在一起，適用于雷暴、熱帶氣旋 、大范圍的沙暴以及突發性暴雨等重要天氣的及時訂正預報和跟蹤服務。對分析氣象的發生發展變化規律，提高氣象預報的工作質量及自動化水平有重要意義[2]。

2 氣象預告圖自動生成系統設計思想

1) 對地球表面進行劃分。將全球分為4塊，分別為:北半球——東半球、北半球——西半球、南半球——東半球和南半球——西半球。

2) 根據地理經緯度坐標的特點，再將每一個分塊細分成180×90 的經緯度網格，使得該網格對應于一個180×90的矩陣。矩陣中每一個元素ai，j對應于一個地理坐標的經緯網格節點，每兩個相鄰地理網格節點的徑向和緯向格距僅為1。

3) 把每一個經緯網格節點作為一個數據采樣點，對采樣后的數據進行插值、編碼，然后存入這個180×90的矩陣中。這也是系統設計的核心。

氣象預告圖自動生成系統流程如圖1所示。

3 氣象預告圖自動生成系統的核心技術

3.1 將氣象符號的表示方式按圖形分類編碼存儲

這類天氣描述:根據峰的類型給每一個經緯網格節點編碼，然后在各個線條上任取一點作為的種子節點存放在報文的首行，對無線條標志的經緯網格節點用零插值，最后把插值的結果存放在180×90矩陣中。

3) 區域型。如:積雨云、非積雨云。

這類天氣描述:先將采樣后的數據根據云狀、云量進行編碼，然后把各個云區高度層代號和云區的任一經緯網格節點作為種子存放在報文的首行，對無云區的經緯格點插值補零，最后把插值的結果存放在180×90的矩陣中。

這樣就把一定時效和地理空間范圍內的所有氣象圖形數據都存儲于3個180×90經緯網格矩陣中，實現了分類存儲。圖2是區域型存儲結構示意。

圖2中經緯網格節點的不同數據類型用大小、形狀不同黑點表示。

1) 邊界種子節點識別算法(以區域型為例):

從報文首行取出種子點，對經緯網格矩陣按照徑向和緯向進行掃描，如果如果種子點不是四連通，就把種子節點直接作為邊界種子節點，并記錄掃描的方向，算法轉入步驟b;

否則就把緯向的右(左)鄰節點作為新的種子點，重新掃描。

2) 基于邊界種子節點的邊界識別掃描算法:

從邊界種子節點的上一次掃描方向出發，順時針(或逆時針)掃描直至發現第一個鄰接點為止。

如果邊界數組的隊頭節點不等于該節點，將該鄰接點加入到邊界數組中，記錄本次掃描的方向，將該節點作為下一次掃描的邊界種子節點，算法轉入步驟b;

否則退出循環，邊界識別結束。

3.3 繪制地理信息底圖

Mercator(麥卡托)投影，即等角正切圓柱投影--多用于赤道和低緯地區，在地圖上具有保持方向和角度正確的優點，所以墨卡托投影地圖常用作航海圖和航空圖底圖。上圖2的矩形網格就是由地理空間的經緯線經過Mercator投影投影變形得到[4]。

Mercator投影計算:取零子午線或自定義原點經線(L0)與赤道交點的投影為原點，零子午線或自定義原點經線的投影為縱坐標X軸，赤道的投影為橫坐標Y軸，構成墨卡托平面直角坐標系。

墨卡托投影正解公式:(B，L)→(X，Y)，標準緯度B0，原點緯度0，原點經度L0

3.4 繪制氣象預告圖

利用Mercator投影正解轉換公式，將掃描經緯網格所得的邊界數組中的邊界節點轉

換成直角坐標點，然后根據氣象符號的類型用相應曲線或扇形線順次連接這些離散的直角坐標點。同樣也可以利用反解公式對氣象圖像中對氣象數據進行反演跟蹤[5]。

4 結束語

航運氣象預告圖現在已經廣泛的應用于氣象服務和科研工作中，隨著衛星、雷達等大量的氣象數據資料的出現，各種智能化預報系統的開發也就越來越成為時代的需求，但是氣象圖形圖像的計算機顯示應用處理卻是一個復雜的圖形圖像處理過程。

本系統在解決傳統手動繪圖的各種弊端基礎上，對氣象圖形圖像的數據描述、邊界識別和自動繪制進行了比較全面的分析、設計，把氣象數據與空間地理信息更緊密的結合在一起[6]。提高了利用氣象數據資料繪制氣象圖形效率，有力地輔助了天氣預報和氣候預測工作。同時把該氣象預告圖與衛星云圖結合，在航運等重要天氣預報服務中，更準確的判斷中尺度天氣系統的強弱變化，并做出精準的預報。使得氣象預報在監測災害性天氣變化中比以往制圖更加快捷、準確。

參考文獻:

[1] Verhoeye J，De Wulf R.Land cover mapping at sub-pixel scales using linear optimization techniques[J].Remote Sensing of Environment，2002，79:96-104.

[2] Foster I，Kessehnan C .rhe Grid:Blueprint for a New Computing Infrastructure [M].Morgan Kaufmann，l999.

[3] 中國氣象局監測網絡司.地面氣象電碼手冊[M].北京:氣象出版社，1999:1-33，53-71.

[4] 王繼志、湯桂生.氣象圖形顯示原理及方法[M].北京:科學出版社，1991.

[5] 沈文海，趙芳，高華云，等.國家級氣象資料存儲榆索系統的建立[J].應用氣象學報，2004，15(6):727-736.

[6] 胡明寶，高太長，湯達章.多普勒天氣雷達資料分析與應用[M].北京:解放軍出版社，2000:52.