基于ArcGIS Engine的閃電定位資料查詢系統設計

趙生昊，劉恒毅，劉青松，余蜀豫

（1.重慶市防雷中心 重慶　401147；2.中國氣象科學研究院 北京　100081）

基于ArcGIS Engine的閃電定位資料查詢系統設計

趙生昊1，劉恒毅2，劉青松1，余蜀豫1

（1.重慶市防雷中心 重慶401147；2.中國氣象科學研究院 北京100081）

為了更加有效的利用重慶市全閃電定位系統資源，基于ArcGIS Engine開發組件設計了全閃電定位資料查詢系統。針對閃電資料的特點構造了定位信息空間數據庫，通過監控以及批量方式將閃電定位資料存儲在數據庫中；針對閃電定位資料的應用場景，使用網絡地圖作為顯示地圖，結合屬性及空間查詢設計了完善的閃電信息查詢方式，使用符號化及地圖提示增加了應用的互動性及易用性。通過實際應用可知，該查詢系統高效易用，能夠很好的服務于防雷工作。關鍵詞：閃電定位系統；地理數據庫；ArcGIS Engine；GIS

隨著信息化與數字化程度的不斷提高，雷電災害所波及的范圍越來越廣，引發的經濟損失也越來越大，對雷電活動的監測及預報，是減少雷電災害的有效手段。閃電探測定位系統作為雷電監測研究領域的核心，近年來在國內外發展迅速，在重慶市已經有兩套閃電定位系統先后投入運行，即ADTD閃電定位系統和目前正在試運行的全閃電定位系統，其中全閃電定位系統[1]增加了對云閃的監測，在中小尺度災害性天氣過程的實時監測和預警預報方面具有重要的意義。

閃電定位信息數據量巨大且有著鮮明的時空特性，在實現有效的閃電監測手段的同時，通過GIS技術將定位資料地理信息化，并在此基礎上進行閃電信息的數據管理、可視化、查詢分析等[2-4]，既是客觀需求，也能更加有效的利用閃電定位資源，使其在研究雷電特征、雷電災情評估、建筑物防雷設計方面發揮更大的作用。體系，如圖1所示，分別為采集層、數據層及應用層。采集層即全閃電定位系統，包括一個中心站和諸多探測子站，之間通過氣象內網連接，探測子站不間斷地將采集數據傳回中心站，中心站通過定位程序實時處理子站回傳數據從而獲得閃電的各項參數。應用層通過界面提供對閃電資料的查詢、分析，并將結果以圖形化展示出來。數據層包括一個標準的地理信息數據庫，數據庫承接采集層和應用層，可以為閃電信息的存儲及查詢提供接口，還包括一個用于顯示地圖的地圖服務。本文中的開發主要針對數據層和應用層。

1　系統架構

通過需求分析，可以將閃電資料查詢系統分為3層結構

圖1　系統架構圖Fig.1　System architecture diagram

2　閃電定位資料的存儲

2.1定位資料數據庫設計

目前，全閃電定位系統的定位數據采用TXT文本格式存儲，定位程序每1分鐘產生一個記錄格式化閃電信息的txt文件，TXT文件雖然有著不錯的兼容性，但其不利于高效的數據分析，管理不便且不支持網絡并發讀取，且閃電定位資料信息量巨大，在此基礎上要進行特定時間段及特定區域的閃電信息查詢基本上是不可能的。SQL Server是目前廣泛應用的大型多線程關系型數據庫，執行效率較高，硬件要求低，易于開發維護，在2008版本中更是提供了原生的對空間數據的全面支持，可以通過內置方法進行空間形狀的構造、操作及關系查詢。

使用ArcMap在SQL Server中建立企業地理數據庫并建立一個點要素類 （表），要素表作為要素類可直接被ArcGIS讀取，為加快加載速度，要素表只包含默認的OBJECTID、SHAPE以及用于渲染的放電類型字段。隨后建立一個屬性表，屬性表包括定位結果中的閃電特征參數，如時間、經緯度、強度、陡度、誤差等，兩個表之間關系如圖2所示。因為閃電資料分析中經常希望查詢某一行政區劃內的閃電，因此可以在入庫時使用 SQL Server內建的幾何關系函數STIntersects確定閃電所屬的行政區劃范圍，可大大加快查詢速度。

圖2　閃電資料數據庫表關系圖Fig.2　Table relationships of lightning database

2.2閃電數據入庫

閃電數據向數據庫中的存儲可以分為即時和批量兩種方式，即時入庫方式監控TXT定位文件的生成，生成后立即進行入庫操作；批量入庫是針對某些文件的一次性批量入庫。每條閃電信息的各項參數是按格式逐行放置在TXT定位文件中，因此可以循環讀取并解析出各項參數進行入庫操作。

一般來講，在ArcGIS Engine開發中，要素類的插入通過ICursor以及 IBuffer接口進行，但在實際使用中，由于ArcEngine的內存管理存在諸多不完善的地方，當進行大批量數據插入操作時，很容易耗盡系統資源導致運行遲緩，因此考慮使用SQL語句直接插入。其中要素表SHAPE字段使用geometry類型存儲，可使用SQL Server內置方法geometry:: STGeomFromText（）由經緯度生成，為保證OBJECTID字段唯一性，使用地理數據庫內置存儲過程next_newid獲得每個要素ID；由于每條閃電數據的波形名稱具有唯一性，屬性表以波形名為主鍵并建立唯一索引，以對應的OBJECTID為外鍵，然后進行其他各項插入，并以此在數據庫內建立一個存儲過程。

C#中的FileSystemWatcher控件能夠監控指定文件或目錄的文件的創建、刪除、改動、重命名等活動，可以動態地定義需要監控的文件類型及文件屬性改動的類型，所以可使用FileSystemWatcher控件監控存放TXT定位數據的文件夾，如果有TXT定位文件被創建則讀取解析調用存儲過程進行插入操作，由于FileSystemWatcher在單獨線程中進行事件處理，即便在多個TXT定位文件同時生成的情況下也能做到即時入庫。入庫成功的文件可以刪除或者轉移到其他文件夾，以方便對沒有及時入庫或是入庫失敗的文件進行后續處理。具體流程如圖3所示。

圖3　閃電資料存儲流程圖Fig.3　Flow chart of the lightning data storage

3　閃電定位資料的查詢及顯示

3.1底圖選擇

底圖即地圖中最基本的地物外形數據及一定的相關附加信息（例如道路名，河流名等），在閃電定位數據的顯示使用底圖可以增加直觀性[5]。在以往的GIS應用中，一般采用包括地形（數字高程模型）、水系、交通、行政區劃 （包括縣界及市、縣、鄉鎮 、村地理位置）等信息的矢量地圖作為底圖，但在實際應用中，往往希望知道閃電發生的確切位置，比如某市某區某小區，通過一般途徑獲得的矢量地圖信息通常不能如此完善，或是比較滯后。而網絡地圖服務如百度地圖、谷歌地圖等信息全面，更新迅速，適合作為底圖使用。涉及到商業授權因素，Arc Engine并不直接提供使用網絡地圖服務的接口。因此可以使用GIS服務器（如ArcGIS Server、GeoServer等）自建一個WMTS地圖服務，通過解析網絡地圖服務的URL下載各層級下的地圖切片來組織緩存，客戶端通過ArcEngine的IWMTSLayer接口調用此地圖服務并顯示出來，效果如圖4所示。

圖4　定位資料顯示界面Fig.4　The lightning data display interface

3.2查詢功能實現

ArcGIS 10中引入了查詢圖層（QueryLayer）的新特性，查詢圖層是一個由 SQL查詢定義的圖層或獨立表，可以通過定義SQL語句來創建查詢圖層，并將結果集以圖層或獨立表的形式 （取決于查詢本身）添加到 ArcMap中。與以往的Definition Query方式比較，查詢圖層查詢功能強大，可以隨時修改查詢條件，可以自定義感興趣的字段。

閃電信息的查詢總體上可以稱為屬性查詢及空間查詢兩種方式的結合[6]。在使用查詢圖層的情況下，屬性查詢較為簡單，直接構造SQL語句即可，空間查詢則較復雜，如果是基于行政區劃的查詢可以依前文所敘，在入庫時將獲得閃電發生地點，可以轉為屬性查詢；但在實際使用中，往往希望查詢某個地點附近范圍內的閃電或是一個小區區域內的閃電信息，如果使用ArcEngine中提供的接口，在屬性查詢的結果集中采用Spatial Filter（空間過濾），則效率比較低下，SQL Server中內置了空間關系方法可以進行空間查詢，但需要將查詢區域轉換為 SQL Server可以識別的形狀，因此可以在ArcEngine中將需查詢的范圍構造為Polygon，通過IWKB接口轉為二進制流，最后在SQL Server中以STGeomFromWKB方法將查詢區域還原并與閃電進行相交查詢，這樣就有效提高了查詢效率。查詢界面如圖5所示。

3.3要素符號化及地圖提示（Map Tips）

要素的符號化決定著要素以何種面目展現給使用者，具有重要意義。就本文所利用的全閃電定位系統定位數據舉例，其可探測到閃電的類型有云閃（IC）、地閃（CG）以及窄脈沖袖珍放電（NBE）3種，每種閃電又具有正負兩種極性，為便于觀察分析，需要用不同的符號將其渲染出來[7]，在此種種類明確的情況下，適合使用UniqueValueRenderer（唯一值渲染）進行查詢圖層符號化，指定閃電類型為渲染字段，通過IColor 與ICharacterMarkerSymbol接口設置每種閃電的顏色及符號；如果希望將閃電以不同的時間段、高度、強度進行符號化染，則適合使用ClassBreakRenderer（分級著色）。

圖5　閃電資料查詢界面Fig.5　The lightning data query interface

ArcEngine提供了Map Tips功能，即鼠標在地圖控件上懸停時，對指定圖層[8]在此位置要素的指定字段顯示提示文本。默認情況下，僅支持指定一個字段的顯示，對于定位信息來說顯然是不夠的。FeatureLayer實現的IDisplay Expression Properties接口支持VBScript和Jscript格式的文本顯示，通過此接口，可以同時顯示多個字段的信息，如圖3所示，方便隨時了解感興趣的閃電的各種參數，增強了軟件的互動性。

3.4屬性表的顯示及導出

通過屬性表可以概覽查詢結果中各條閃電的屬性信息[9]，進行排序、篩選、導出等操作，導出的數據可以在其他軟件中進行進一步的處理。屬性表的顯示比較容易實現，實際開發中，可以實例化一個DataTalble，添加需要顯示的字段，需要注意的是應將各字段的數據類型與ArcEngine數據類型相匹配，利用ITable接口引出查詢結果圖層要素類，并使用游標將其屬性循環插入，最后使用C#的DataGridViewer控件綁定DataTable并顯示之。將DataGridViewer導出到Excel表格的方法有很多，在此不再贅述。

4　結束語

本文所實現的閃電定位資料查詢系統，基于 ArcGIS Engine開發組件，從全局著眼，對閃電資料存儲管理，圖形化、分析等各環節，提出了解決思路，特別是在數據存儲及空間查詢方面，并沒有完全依賴于ArcGIS Engine，而是兼顧兼容性與效率性做出了一些改進，能夠快速實現大量數據的查詢顯示。在實際使用中，還可以此為基礎，增加一些諸如動態實時顯示、專題圖表繪制等功能，最大化的利用閃電定位資料，使其更好地為防雷服務提供科學依據。

[1]董萬勝，張義軍，王濤，等.A New VLF-VHF Dual Band Lightning Detection and Location System in China and the Preliminary Results[C].第十一屆中國科協年會中國國際防雷減災論壇，2009.

[2]荊平.基于C#的地理信息系統設計與開發[M].北京:清華大學出版社，2013.

[3]樊榮，馬金福，李京校，等.數據庫技術在閃電定位系統中的應用[J].計算機應用，2013，33:115-117.

[4]石嵐，關作正，徐麗娜，等.基于GIS技術的呼倫貝爾地區雷電監測及應用[J].內蒙古大學學報：自然科學版，2009，40（1）:113-118.

[5]張澄鋮，邱新法，何永健.基于Flex和Google Map的雷電數據可視化研究[J].地理空間信息，2012，10（5）:67-69.

[6]蘭小機，王飛，彭濤.基于ArcGIS Engine的查詢信息系統的設計與實現[J].金屬礦山，2008（2）:112-114.

[7]王瑜，閆沫.基于LabWindows CVI的扭矩扳手數據處理系統的設計與實現[J].電子設計工程，2014（1）:51-53.

[8]劉鐸，黃曉燕.基于Direct3D技術的VTS雷達PPI顯示優化設計[J].電子科技，2014（5）:5-7，11.

[9]張偉昆，黃煒，張大偉.基于多信號屬性表建模提高測試性設計方法[J].測控技術，2015（9）:46-49.

Design of lighting position data query system based on ArcGIS Engine

ZHAO Sheng-hao1，LIU Heng-yi2，LIU Qing-song1，YU Shu-yu1
（1.Lightning Protection Center of Chongqing，Chongqing 401147，China；2.Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China）

In order to use of the lightning locating system resources more effective in Chongqing，based on ArcGIS Engine Developer components，launch the research from the application of three-dimensional lightning location data.According to the characteristics of location data to construct the lightning information spatial database，store location data in to the database by batch mode or monitor mode；for application scenarios of lightning location data，using the network map service as a display map，combined with attributes query and spatial query designing the complete lightning information query mode，use symbolic and map tips increase application's usability.Through the practical application，the query system is efficient and easy to use on lightning protection service.

lightning position system；geodatabase；ArcGIS Engine；GIS

TN915

A

1674－6236（2016）01-0016-03

2015-04-22稿件編號：201504249

國家公益性行業科研專項（GYHY201306069）；重慶市氣象局青年基金項目（QNJJ-201409）

趙生昊（1984—），男，重慶人，碩士，工程師。研究方向：雷電防護。