基于自研GIS的標準格式雷達基數據應用和預警系統的設計與實現

甄廷忠 江 龍 康道俊 孫俊奎 齊榮慶

1(昆明市氣象局 云南 昆明 650501) 2(西南林業大學土木工程學院 云南 昆明 650224) 3(昆明理工大學建筑工程學院 云南 昆明 650500)

0 引 言

新一代天氣雷達以其高精度的時空分辨率[1-2]，為臨近天氣預報和災害性天氣警報提供了重要的高質量的大氣觀測資料，充分利用好新一代天氣雷達探測數據，能提高災害性天氣的預報能力、氣象服務能力和防災減災能力[3]。隨著社會經濟發展，新一代多普勒天氣雷達觀測數據與精確而豐富的地理信息的融合，實時強天氣手機短信預警，精細化臨近預報等信息越來越受到基層業務人員和公眾的廣泛關注，如何將這些信息方便、快捷、高效、直觀地展示在氣象業務服務人員和公眾面前，已經成為氣象現代化建設中的迫切需要和重要內容[4-5]。

近年來，地理信息系統(GIS)被廣泛應用于氣象服務、道路交通管理、土地資源利用、智慧城市、大數據等領域中[6-10]。在GIS與雷達數據資料應用和預警方面，國內相關專家研究了GIS與雷達顯示控制系統的應用集成[11]，利用ArcGIS開發雷達地理信息系統的方法[12]和雷達圖像在WebGIS上的顯示技術[13-14]等。以往的研究和應用中，氣象部門業務系統大多使用專業軟件公司開發的收費GIS控件，需要氣象部門付費購買使用權限。如果使用破解版本，可能引起版權糾紛，對氣象業務服務造成影響；如果使用免費地圖服務(如百度地圖、高德地圖、天地圖等)會造成地圖目標物與雷達回波顏色重合，無法滿足氣象業務服務需求。因此開發擁有自主知識產權的GIS系統就非常有必要。

以往的雷達數據應用系統大多是基于雷達廠家自定義格式的基數據來研發的，缺乏數據統一性標準。2018年7月16日中國氣象局綜合觀測司發布了《組網天氣雷達數據流傳輸業務化方案》，方案要求2018年底實現全國天氣雷達基數據流傳輸業務化及標準格式雷達基數據業務應用。數據流傳輸和標準格式雷達基數據試運行一年多以來，中國氣象局并未配發標準格式雷達基數據的應用軟件，有必要開發一套基于標準格式雷達基數據的應用系統。氣象業務服務人員在天氣實況監測的過程中，無法做到全天候關注雷達監測資料，可能會造成重大天氣遺漏或預報服務失誤[15]，且雷達數據預警的方法較多[16-18]，因此有必要據此經驗并結合本地實際需要研發雷達預警系統。

基于上述多方面考量，根據地理信息系統在氣象行業的應用現狀、中國氣象局對標準格式雷達基數據的業務應用要求和各級氣象部門的預警需要，依托CIMISS數據環境，以昆明天氣雷達標準格式基數據為例，研發基于自研GIS的天氣雷達標準格式基數據應用和預警系統。

1 系統設計

1.1 設計思路

系統的核心業務問題是解決天氣雷達標準格式基數據在基層氣象部門的業務服務使用，在監測到設定區域有強回波天氣的同時，快速、準確地進行聲音預警，并將預警信息第一時間發送到業務值班人員手機上，引起值班人員重視。主要目的是推廣標準格式基數據應用的同時，降低值班人員工作壓力，提高工作效率。其設計理念是以數據為核心，以需求為導向，研究天氣雷達標準格式基數據獲取方式、數據存儲結構、圖像制作算法和地理信息數據源、投影方式、成圖方法，分析業務服務人員對預警條件、預警方式的需求。堅持預警范圍和預警條件可高度定制的原則，實現天氣雷達標準格式基數據雷達圖像和自主研制精細化地理信息系統的精確匹配和完美融合，觸發報警時以聲音報警和短信報警的方式，保證業務值班人員在任何時刻、任何地方都能準確、及時地收到強回波預警信息。

1.2 開發及運行環境

系統的開發環境為Microsoft Visual Studio 2010，只要安裝了Microsoft.NET Framework 4.0組件的計算機都可以運行并使用本系統。系統采用全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)[19]作為數據源，計算機需接入國家氣象業務內網通信系統[20-22]。

1.3 系統結構

天氣雷達標準格式基數據應用和預警系統包括數據、功能和顯示控制三個模塊，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

數據模塊是以CIMISS數據資源平臺為雷達數據源，依托氣象數據統一服務接口(MUSIC)，實現標準格式雷達基數據的獲取；依托地理信息軟件的數據轉出接口獲取.mif、.mid格式的GIS數據；從谷歌地球中導出部分經緯度數據。功能模塊和顯示控制模塊即為本系統客戶端，功能模塊主要完成數據下載、數據讀取、數據處理、存儲管理、預警判定和發布、GIS數據解析、圖元繪制、透明圖層的實現和圖層控制等，顯示控制模塊主要完成雷達回波圖像、預警信息和自研GIS的融合顯示和控制。

2 核心功能模塊及技術

2.1 天氣雷達標準格式基數據解析

根據《天氣雷達基數據標準格式(V1.0版)》的規定，標準格式基數據分為多個區塊，每個區塊描述一組信息，如站點配置塊用來描述雷達站的信息，包括經緯度、天線架設高度等。標準格式基數據可分為公共數據塊和徑向數據塊兩部分，如表1所示。其中:N表示第N個仰角；M表示第M個徑向；K表示第K個數據類型；I表示徑向數據長度。公共數據塊用于提供數據站點信息、任務配置等公共信息；徑向數據塊用于存儲天氣雷達的探測資料，包括3個子塊：徑向頭，徑向數據頭，徑向數據。

表1 天氣雷達標準格式基數據的整體結構

標準格式中定義了各數據塊的結構體，根據各數據塊的順序分別讀取相應結構體大小的數據記錄[23]。數據類型是基于32位操作系統的C語言環境來定義，本系統基數據是在C#開發環境下讀取，由于C#和C在計算機內存中的存儲對齊方式不一樣，在讀取數據時需要在結構體前加入語句“[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack=8)]”來規定數據存儲對齊方式，并把C語言數據類型轉換為C#數據類型。標準格式雷達基數據按照存儲結構依次讀取公共數據塊、徑向數據塊，并按照相應的數據頭、徑向數據格式依次讀取每一個徑向的數據，直到所有數據讀取完畢即可。

2.2 雷達圖像繪制

雷達回波圖像的繪制技術已經比較成熟，包括屏幕坐標反查法、線段填充法[24]和弧線填充法[25]等。以上三種方法各有優劣，本系統采用描點填充法完成圖像制作,并根據實際需要作了修改和完善。首先根據雷達徑向距離庫數確定畫布大小，以昆明為例，徑向距離庫數為500，探測范圍即半徑為500像素的圓，畫布則為這個圓所在的最小外接正方形，即大小為1 000×1 000的位圖，如圖2所示。

圖2 雷達回波圖畫布示意圖

2.3 基礎GIS系統的自主研制

基礎地理信息系統(GIS)依托地理信息軟件的公共數據接口，將.tab格式的省、地(州/市)、縣、鄉鎮的地理信息數據轉換為.mif、.mid格式的經緯度點陣數據，從谷歌地球中導出行政村、自然村的經緯度數據，在C#開發環境下讀取經緯度點陣數據，實現地理信息圖層的繪制。行政村和自然村圖層的加入，大大豐富地理信息，提高地理信息的精細化程度。

2.3.1經緯度點陣數據的獲取

用地理信息軟件打開所需TAB格式的地理信息圖層，在菜單“表”的下拉菜單中選擇“轉出”功能，在彈出對話框中選擇轉出類型為“交換格式(*.mif)”，將地理信息圖層保存為.mif、.mid格式的經緯度點陣數據。從谷歌地球中導出行政村、自然村的經緯度數據，并將數據存儲為.mif、.mid格式的經緯度點。

2.3.2投影方式和坐標系轉換

等距圓柱投影是地圖投影中常見方法之一，它將地球的經緯線網格映射成平面上均勻的矩形網格,且橫縱坐標分別與經度差和緯度差成正比，即球面上經緯度坐標為λ和φ的點，對應在平面上的坐標為x和y，對應關系為x=cλ和y=c′φ[26](c和c′為常數)。因等距圓柱投影容易理解和實現，且適用于低緯度地區，所以本系統采用等距圓柱投影。坐標系的轉換包括在畫圖時將經緯度坐標轉換為平面坐標，在交互操作時將平面坐標轉換成經緯度坐標，轉換函數如下：

private Point LatitudeLongitude_to_ScreenPoint(PointF LatitudeLongitudePoint)

{

//經緯度坐標轉換為平面坐標

Point ScreenPoint=new Point(0, 0);

int Min=ScreenPoint_Views_Width

float a=(float)LatitudeLongitude_Views_Height/(float)Min;

//每個點所占緯度

float b=(float)LatitudeLongitude_Views_Width/(float)Min;

//每個點所占經度

ScreenPoint.X=(int)((LatitudeLongitudePoint.X-LatitudeLongitude_Views_Center.X)/b+ScreenPoint_Views_Width/2.0f+0.5);

ScreenPoint.Y=(int)(ScreenPoint_Views_Height/2.0f-(LatitudeLongitudePoint.Y-LatitudeLongitude_Views_Center.Y)/a+0.5);

return ScreenPoint;

}

private PointF ScreenPoint_to_LatitudeLongitude(Point ScreenPoint)

{

//平面坐標轉換為經緯度坐標

PointF LatitudeLongitudePoint=new PointF(0f, 0f);

int Min=ScreenPoint_Views_Width

float a=(float)LatitudeLongitude_Views_Height/(float)Min;

//每個點所占緯度

float b=(float)LatitudeLongitude_Views_Width/(float)Min;

//每個點所占經度

LatitudeLongitudePoint.X=(ScreenPoint.X-ScreenPoint_Views_Width/2.0f)*b+LatitudeLongitude_Views_Center.X;

LatitudeLongitudePoint.Y=(ScreenPoint_Views_Height/2.0f-ScreenPoint.Y)*a+LatitudeLongitude_Views_Center.Y;

return LatitudeLongitudePoint;

}

2.3.3地理信息圖層的繪制

雷達回波圖像在地理信息系統中表現為面圖元，為避免雷達回波圖像和地理信息面圖元之間的顏色沖突，地理信息圖層全部采用點圖元和線圖元的形式繪制。

點圖元.mif、.mid文件結構如圖3所示，.mif文件包含文件頭、存儲要素和顯示信息三個部分。文件頭對點圖元的顯示沒有實際意義；存儲要素包括要素名稱和數據類型，與.mid文件的要素值對應，如要素“NAME”按照30個char字符類型存儲，存儲值如“曲靖”；顯示信息包括點圖元的類型標志“Point”、經緯度“103.794 7 25.496 166”和顯示圖標“Symbol(…)”，顯示圖標包括顯示圖標樣式、來源、大小等信息。在點圖元的繪制過程中，首先讀取.mif文件所有點的顯示信息，將點圖元經緯度轉換為平面坐標值A(x,y)，繪制顯示圖標到點A處，并根據要顯示的要素讀取相應的要素值，繪制于點A。

圖3 點圖元.mif、.mid文件結構圖

線圖元.mif文件結構如圖4所示，包含了文件頭、存儲要素和顯示信息三部分。文件頭和存儲要素對線圖元的顯示沒有實際意義，顯示信息部分包含線圖元類型標志“Pline”、線圖元包含的點個數“262”、點的經緯度和畫筆參數“Pen(…)”。在繪制線圖元的過程中，.mif文件包含系統所需的全部信息，.mid文件不用讀取。首先按行讀取.mif文件，讀取到類型標志“Pline”后，創建Point數組，存儲所有點的經緯度信息；讀取到畫筆參數“Pen(…)”后，創建畫筆連接所有的點，即完成線圖元的繪制。

圖4 線圖元.mif文件結構圖

2.3.4透明圖層的實現和圖層控制

在C#開發環境下，采用多個大小相同的PictureBox控件重疊，并從底層往上依次設置上層PictureBox的Parent屬性為下層PictureBox，即可實現圖層透明。通過“pictureBox.Image=bitmap”和“pictureBox.Image=null”實現圖層的顯示和隱藏控制。

2.3.5放大、縮小和拖動的實現

繪制地理信息時設置了顯示地圖的經緯度范圍和視圖中心點，對此經緯度范圍進行增大或縮小后重新繪制地理信息，從而實現地圖的放大和縮小功能。根據鼠標左鍵按下拖動時，截取顯示區視圖到PictureBox控件顯示，鼠標移動過程中通過移動PictureBox控件的位置實現視圖跟隨鼠標移動，放開鼠標左鍵時按照視圖中心點的最新位置重新繪圖，從而實現拖動功能。

2.4 預 警

2.4.1預警指標

由于雷達基數據內包含地物、太陽輻射等非氣象回波[27]，為有效減少誤報情況的發生，預警指標采用反射率強度和高度組合的方式，反射率強度和高度為“且”的關系，即反射率強度達到閾值的同時回波高度也必須達到閾值，閾值為各用戶自定義設置。如“強度≥50 dBZ且高度≥4 km”，如果只需強度預警則把高度閾值設為0 km即可。

2.4.2預警范圍及其判定方法

預警范圍分為行政區劃邊界范圍和任意多邊形范圍。行政區劃邊界范圍是根據地理信息圖層中行政區劃邊界的.mif文件來確定的經緯度點陣集合，任意多邊形范圍是自定義工具獲取多邊形邊緣點的經緯度集合。通過判斷經緯度點是否位于經緯度點陣集合組成的封閉區域內來實現回波預警，代碼如下：

public static bool PointInRegion(PointF pt, PointF[]Pts)

{//判斷經緯度點pt是否在經緯度點陣集合Pts內

int j=0, cnt=0;

for(int i=0; i

{

j=(i==Pts.Length-1)? 0: j+1;

if((Pts[i].Y!=Pts[j].Y)&&(((pt.Y>=Pts[i].Y)&&(pt.Y=Pts[j].Y)&&(pt.Y

}

return(cnt % 2>0)? true: false;

}

2.4.3預警方式

預警方式分為聲音報警、圖像閃爍、預警信息顯示和短信報警。在觸發預警后警報位置會出現閃爍圖標，同時觸發聲音報警和手機短信報警。手機短信報警采用中國移動企信通(行業版)的動態鏈接庫進行二次開發來實現。

2.4.4預警流程

預警流程圖如圖5所示，循環基數據每個數據庫的數據，對達到預警指標且在預警范圍內的數據進行圖像閃爍、預警信息顯示和聲音預警，根據用戶設定來執行發送短信的操作。

圖5 預警流程圖

3 業務應用

基于自研GIS的天氣雷達標準格式基數據應用和預警系統已于2018年初在昆明全市氣象部門投入業務運行，經過一年多時間的實際運行和不斷完善，系統運行穩定可靠，可視化交互操作良好，系統運行界面如圖6所示。

圖6 系統運行界面

雷達數據和產品方面，系統支持基本反射率、基本速度、基本譜寬、組合反射率產品圖像和信息的實時顯示，也可以對歷史數據進行調取和顯示，支持雷達臺站信息、雷達系統信息、數據通信信息的顯示，支持動畫制作、加速播放、減速播放，支持一鍵跳轉到下一時刻(或上一時刻)等；強回波預警方面，系統支持強度和高度兩個預警指標，預警范圍可以由用戶選擇或者自定義任意多邊形區域，預警方式包括聲音預警、圖標閃爍預警和手機短信預警，可以人工或自動發送手機短信；GIS方面，支持線圖元和點圖元的分層顯示和控制，點圖元可以設置顯示圖標和顯示大小，地理信息包含省、地(州/市)、縣、鄉鎮、村(包括行政村和自然村)共五級，如圖7所示。

圖7 地理信息圖層控制

2018年10月7日，受南支槽影響，昆明地區出現強降水天氣過程。17點18分，昆明主城區雷達回波強度達到60 dBZ，高度達到5.4 km，回波強度和高度達到預警閾值且回波位于預警范圍內，觸發預警，在預警圖標閃爍(見圖6)和顯示預警信息的同時，可自動發送短信至值班員手機上，也可以手動編輯并發送短信至指定人員手機上，如圖8所示。

圖8 預警信息顯示和手機短信發送

4 結 語

基于自研GIS的天氣雷達標準格式基數據應用和預警系統以全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)為數據源，完成天氣雷達標準格式基數據的實時下載、解析和成圖，在全國范圍內較早實現天氣雷達標準格式基數據在基層氣象部門的業務應用。利用地理信息數據和谷歌地球部分地理信息數據，在C#開發環境下自主開發適合氣象行業使用的基礎地理信息系統，解決氣象部門缺乏自主知識產權的精細化地理信息系統的難題。在及時使用雷達監測數據的同時，以雷達回波強度和高度為指標，實現雷達強回波的實時聲音、圖像和短信預警，把業務值班人員從繁瑣且重復的天氣實況監測工作中解放出來，提高了工作效率，增強了強天氣精細化預警和臨近預報的能力。