:第31卷第1期 JournalofGuanxiTeachersEducationUniversitNaturalScienceEditiongy
Mar.2014Vol.31No.1
()文章编号:1002G8743201401G0067G06
GIS技术在气象领域应用综述
23
,,杨桂菊1,石伟伟2,黄 骞3
∗
(广西师范学院,广西南宁51.30001;
)气象G广西南宁5北京超图软件股份有限公司,北京12.IS应用联合实验室,30001;3.00085
了国内外学者对G气象IS技术在气象行业应用及GIS关键技术在气象领域中的时空一体化的海量气象数据管理、数据展示分析、气象数据发布与共享、空间分析及辅助决策的应用,得出了GIS技术在气象领域中在海量多源实时数据管理能力、深层次分析决策能力及三维G为GIS气象应用中面临的强大的机遇与挑战,IS技术在气象行业的应用提供了科学参考.
关键词:气象;应用GIS;
摘 要:储存、管理、分析、显示能力已在气象领域中得到广泛应用.该文综述GIS凭借强大的空间数据采集、
中图分类号:P208 文献标识码:A
20世纪60年代末,RoerTomlinson和加拿大国土调查部门共同完成首个加拿大地理信息系统g
()),并提出地理信息系统(该系统也是世界上第一个地理信CGISGeorahicInformationSstem,GISgpy
1]
.在计算机、息系统,用于自然资源的管理和规划[虚拟现实等技术的发展推动下,GIS技术在40多年中得到了迅猛发展,凭借着它强大的海量数据管理能力和空间分析能力,在国土、水文、林业、农业、旅游、交通、房地产等行业得到广泛的应用.近几年G气象工作IS技术在气象领域的也应用越来越广泛,者开始认识到地理信息技术的使用价值,已将其广泛应用于历史气象资料的管理、显示、查询、自动制图、统计分析以及农业气候资源区划、气候建模分析评价等方面.
1 国外GIS技术在气象领域应用现状
式查看天气预报,浏览气象观测站点资料,到专业的气象分析预报、气象专家系统,气象信息与空间信息的结合已经密不可分.
好满足气象应用的需求.如美国国家大气研究中心NCAR(NationalCenterforAtmoshericReGp
)对于GsearchIS技术不断的研究与发展,2001年至今实现了应用GIS技术从最初的数据共享发展的更高的空间分析等气象应用的研究;空间信息基础2001年成立的COSTG719分别对空间数据互操作、设施、气象要素差值方法和应用模式进行了研究并取得了一系列的成果;NCAR与ESRI公司合作建立
2]
.平台上[
在国外,特别是美国和欧洲地区,GIS技术已经广泛应用于天气和气候领域.从直观的以地图的方
国外气象部门已和专业的G以解决能用GIS公司合作研制了专业的气象GIS模块,IS平台不能很
),了气象数据模型(很多气象专业分析模型和应用系统就建立在这样的GAtmoshericDataModelISp
3]
)者[通过改进I方法,该方法能够进一步消除地形坡DW方法形成一种命名为梯度加反距离平方(idg
国外不少学者还研究了针对气象行业的空间分析方法.在气象数据分析中,GerelovaM等学g
度和海拔的影响,提高了对选定区域气候数据生成的表面温度、压强的比较和分析的准确性.Yavuz
∗
中国科学院重点部署项目“新一代❋基金项目:
收稿日期:2013G12G12
)资助GIS的综合应用示范(KZZDGEWG07G01G001
作者简介:石伟伟(男,河南济源人,高级工程师,博士,主要从事智慧城市和国土、房产、统计等行业1976- ),
应用项目的设计和建设工作.
[]
反距离加权和完全正则样条插补三种GH,ErdoˇanS4应用了普通克里格法、IS环境地质统计技术空g
间内插方法对土耳其的年降水量进行插值,得出年度和月度降雨量分布趋势并证实了普通克里格法最
68
自然科学版 第3 广西师范学院学报:1卷
为适合,为水资源管理提供了重要的科学依据.
[]
,K基于GIS开发气象应用系统也是一个重要方面.BaiY,KanekoIobaashiH5等学者以日本y
东京为例,开发一个基于G用于管理气象观测数据和投影转换数据.IS的高效经济的数据管理工具,
借助G显示、ErdoˇanS7等基于GIS技术开发了洪水预报决策系统,IS空间分析、WebGIS技术实现g
了洪水信息的实时更新、发布和共享,为气象灾害监测预警提供信息支撑.
[]
[]该工具能够提供专门的气候变化信息,为非专业型政府机构提供决策支持.StefanescuV6、AKlnclH,
2 国内GIS技术在气象领域应用现状
气象数据管理、气象数据展示分析、气象数据发布和共享、空间分析和辅助决策四个方面.
从现有情况来看,主要应用主要包括时空一体化的海量GIS在气象行业应用已取得实践性的成果,
2.1 2.1GIS技术在气象领域应用实践
国气象局预测减灾司在开展全国第三次农业气候区划试点工作时,就曾组织力量研究GIS在农业气候
由于通用G国内也开始研制专业的气象行业IS平台不能很好地满足气象行业GIS应用的需求,
国内G但也已进行了一些积极的探索.1中IS与气象结合的研究和应用起步稍晚,997—2000年,
区划中的应用.国内各级气象部门建立了大量的气象业务系统,基本上是以信息共享并配合MICAPS系统的一些功能实现,或者建立在对现有商业GIS软件的简单应用或二次开发之上.),中国气象局研发了气象地理信息系统(该平台针对气象行业的GGIS平台.2010年,MeteoGISIS应用和发展的需要,实现通用G形成了开发由GIS平台技术与气象领域行业应用模型的融合,IS数据引擎、组件、桌面软件及网络开发平台构成的、具有自主知识产权的气象GIS平台.MeteoGIS平台在国家各级气象部门开展了试用工作,取得了良好效果.
系统是基于GIS平台开发的面向农业气候区划产品制作与发布的专业气象应用系统.应用GIS来管理海量气象和气候观测资料,通过对气象和气候数据进行地形插值和气象观测资料的插值和网格化、区划产品制作流程的可视化建模分析,得出农业气候区划分析结果.借助GIS地图制图技术完成面向农业气候区划产品制作,依托WebGIS技术实现产品的发布与共享.
国家气象局组织设计和开发的甘肃省风能资源数据共享服务系统是气象数据共享分析的一个典型案例.该系统基于基础地理信息、风能资源专业观测网获取的观测要素数据、详查区域水平分辨率数值模拟计算结果)与风能资源评估产品数据,采用W1km×1km的风能资源参数(ebGIS等可视化技术实现风能信息图形化在线发布技术,为决策层、风能资源模拟与评估业务单位、风电场工程评价技术单位与社会大众提供不同层次的风能数据共享服务.象制图和分析应用、气象数据共享分析等.
在气象应用方面,中国气象局也建立了大量基于G包括G气IS的应用系统,IS和RS的结合应用、精细化农业气候区划产品制作与发布系统是基于GIS进行气象制图和分析应用的经典案例.该
FYG3气象卫星地面应用系统就是GIS和RS结合应用的一个典型案例.该系统的监测分析服务
)分系统(借助G图像处理及地理信息处理技术为国家级和省级气象局卫星遥感应MASIS的数据处理、用专业技术人员提供遥感监测分析和处理的工作平台,能够以人机交互方式生成各类遥感监测产品的同时为专业人员进一步深入遥感数据分析、统计提供工具.
2.2 应用GIS管理海量气象数据
应用.应用研究中已经初步实现了基于G格网数据和要素数据,建立了气象IS来存储气象离散数据、专题空间数据库.
海量数据存储技术在G气象部门已经利用GIS中已经比较成熟,IS实现了海量气象数据的管理和
第1期 杨桂菊,等:GIS技术在气象领域应用的机遇与挑战
69
9]管理方案,建立了气象数据库.傅希德等[基于Microsoft.NETC#平台和ArcGISEnine组件模式g
8]
何永健等学者[通过分析G存储方式及表达方法,依据空间数据库IS关键技术和气象数据种类、
的专业气象信息可视化处理系统设计开发,有效解决了MICAPS专业气象数据与GIS环境之间的转换、共享和安全控制问题,并具有良好的扩展性.象中心建立的风云系列卫星观测影像的归档数据库实现了海量空间数据一体化管理的同时也提供更加精确和符合要求的公共气象服务.
数据转换化G转换过程中需要耗费一定的系统时间,同时也存在着一定的数据损失,没IS的数据格式,有很好地解决GIS对于气象时态数据高效管理的问题.笔者认为,GIS需要能够实现对专业气象数据格式的直接读取,避免数据的转换,这是提升GIS管理气象数据效率的重要手段.
虽然现有利用G但大多数还是基于将气象IS来管理海量气象数据的研究取得了较多成果和案例,国家气象局信息中心建立的1∶5万基础地理信息数据库以及其他专题的空间数据库,国家卫星气
2.3 应用GIS展示分析气象数据
各类气象观测台站的位置和状态信息,或利用G预警或专业分析的结果是当前气IS来展示气象观测、象行业GIS应用研究的一个热点.
]]]]1011912
、、、王欢[吕终亮[傅希德[罗艳青[等学者就利用GIS数据可视化技术成功的实现了表现形
空间可视化是GIS核心和基础的技术之一.如何利用GIS的可视化技术及地图功能直观的展现
式更丰富、空间分析更精确的综合气象服务产品及气象数据空间变化情况展示.
表达.M扩展了气象专业数据模型和气象专业数据集,实现了气象数据的eteoGIS针对气象行业需要,标准化显示、专题图制作和制图输出能力,并开发了多种气象通用和专用分析算法,实现了气象数据的三维显示和三维分析功能.
)中国气象局研发的气象地理信息系统(中,也已初步解决了气象信息在GMeteoGISIS中的可视化
2.4 应用WebGIS发布与共享气象数据
]]13]141516]
、、、来发布气象数据也是当前应用的一个热点.姚燕[方海涛[阮惠华[薛胜军[等学者等将该技
由于气象数据的公益属性,各个行业都对气象数据具有实际应用需求,因此,借助于WebGIS数据
术应用到气象业务系统当中,实现了气象数据的在线数据抽取、在线实时展示分析、发布与共享,为气象监测和预测工作提供参考.
2.5应用GIS对气象数据分析应用
应用于气象要素的统计分析、插值等工作.在天气预报、气候区划、人工影响天气、地质灾害气象预报、台风预报分析、气象灾害评估分析、气象站点选址分析等气象业务中都需要大量应用GIS分析功能.
张凯选等应用A冰雹天气、气温变化三个方面气象特rcGIS软件为分析工具对研究区域的降水量、
如地理统计分析扩展模块、网络分析、空间分析等都可以GIS系统提供了多种空间统计分析工具,
征进行分析论证,得出阜新多年气候变化特征及规律,为农业气候区划、气象灾害的预警、监测及评估提
17]
.薛丽芳等用G供辅助决策的意义[得到定量化和IS的空间分析功能分析龙眼生长的相关气候条件,18]
.张录青等精细化的广东省龙眼种植气候区划图,为农业种植规划部门及政府部门提供了参考依据[[9]
.制作出韶关市未来3、24和48h预报精细化地质灾害等级预报1
建立了基于基于G通过分析多种气象历史数据和实时数据,IS技术的韶关市地质灾害预报预警系统,GIS和RS技术相结合的分析决策应用是气象行业数据分析应用的另一个重要方面.该类应用主
要是在通用G针对气象专业应用开发专业的算法,来满足IS空间分析算法和遥感处理算法的基础上,气象预报以满足气象预报、决策分析等方面的应用.如国家气象中心开发的精细化农业区划产品制作
]202]
、与发布系统.王倩倩[刘维[等学者通过基于G进行农业气象数据的分析,取得IS和RS技术结合,
了良好的分析结果,对农业气候区划及农业灾害预警研究起到了重要作用.
70
自然科学版 第3 广西师范学院学报:1卷
3 GIS在气象行业应用面临的挑战
分析、海量数据管理、气象数据的发GIS技术的引入气象领域旨在能够较好地解决气象数据展示、布共享.总结前文研究现状,从气象数据的独特性及气象业务特点来看都对GIS在气象上的应用提出了挑战.在气象数据管理中,海量多源实时数据的管理、专业气象数据直接读写显示都对GIS技术提出了更多的要求.在气象数据分析和三维模拟中,与地形相结合的气象数据插值分析,气象灾害预测预警模型,气象灾害的影响评估,地空一体化的气象数据三维展示,天气现象模拟,雷达、云图、数值预报数据的三维空间分析将是未来研究的难点和热点.
3.1 海量多源实时数据管理
()专业G中气象数据在IS基础平台MeteoGISMeteoroloeorahicInformationSstem,MeteoGISgyGgpy
气象数据直接读写显示的研究已取得重要突破.MGIS平台中海量多源实时数据管理、eteoGIS是一个由空间数据引擎、开发组件、桌面软件和网络开发平台构成的大型行业G可以满足不同类IS基础平台,种通用G并可直接接入其他GIS格式数据、8大类气象专业格式数据和3种数据库引擎,IS系统所发布
[1,22]
.但当前关于气象数据直接读写的研究并不多,的WM支持多种数据格式、气象专S和WFS服务2
业数据格式的直接读写、海量矢量和影响数据的管理能力以及实时数据的接入和展现能力的研究还需
在由北京超图软件股份有限公司和中国气象局国家气象中心联合研发的具有完全自主知识产权的气象
当前气象数据大多都必须通过投影坐标处理机及数据格式转换才能在GIS平台中展示分析.但
型、不同级别的气象专业应用的开发需求.平台开发了基于G可以直接读取1DBGCLI气象数据引擎,8
进一步加强.
发布共享向深层次的分析决策转变3.2 数据管理、
来自于有限气象站点的气象数据都是通过插值方法生成连续分布的空间信息.传统的气象要素插值方法已经无法满足气象数据深层次分析精度的要求.地形因素对气象要素分析具有重要的影响,在气象数据插值分析模型中将五个影响气象要素的地形变量(高程、坡度、坡向、离海岸线的距离和离相对西边的距离)作为影响因子来考虑.将更多的可能会影响到插值分析结果的地形因素考虑进去,将会大大提高水文预报,年、季降水空间分布,气候空间分布的影响的分析等气象数据分析的结果精度.这种
]23
.气象模型如灾害评与地形因素相结合的插值方法是气象插值方法发展的一个主要趋势和突破点[
[4]
.通过模型对气象灾估、大气环境影响评价模型等与G将是气象GIS的结合,IS发展重要路线之一2
害进行模拟、风险评估和风险管理是气象GIS向深层次的分析主体内容.当前对气象灾害的研究的重
点和难点主要是减灾工程阶段和风险管理阶段,气象灾害研究的最终目的是能够通过对灾害风险的管理以减少或者消除气象灾害.通过气象灾害与气象风险因子之间进行回归分析和相关性分析,为深层次决策分析,进行风险管理提供重要依据.
25~29]
从目前专家学者[对气象灾害预测预报模型及影响评估的研究结果来看,总体表现为灾害预测
预报结果受多重因素的交互影响,预备准确性差、有待进一步提高.而气象灾害风险的管理大多停留在减灾应急阶段,今后的研究必须把单纯的数据管理及数据发布提升到深层次的分析决策及气象减灾工程的高度,从而掌握气象风险管理的主动性.
3.3 三维GIS在气象中的应用
30]
.目前,们从抽象思维走向形象思维分析气象探测数据[如何将天气预报数据用可视化的方式展示给
气象探测数据在三维地理空间体视化分析是气象探测数据分析技术一个重要发展方向,可以使人
用户已渐渐成为天气/气象信息服务的发展趋势.这急切需要有三维GIS所提供的三维数据分析和表达.例如地空一体化的气象数据三维展示,天气现象的模拟,雷达、云图、数值预报数据的三维空间分析等就密切需要三维GIS的支撑.
第1期 杨桂菊,等:GIS技术在气象领域应用的机遇与挑战
71
4 结 语
]31
,示,还存在着地理数据精度不高,缺少直观三维地理信息等缺点[没有能够将气象数据的空间信息与
当前对气象数据的三维显示已取得一定进展,但这些三维的表达紧紧是对上空气象数据的三维显
地形信息结合形成地空一体化三维展示.加上在利用GIS空间分析方法建立分析模型等方面存在不
]32
.所以雷达、足[云图、数值预报数据的三维空间分析面临巨大挑战.
许多学者对各类天气现象模拟进行研究,但对特殊气象如雨、雪等没有仿真,或者说没有很成功的仿真.在雷达、云图三维模拟中,将这些数据转换成为立体模型,添加地形、物体等实体模型,再在复杂
33]
.背景场景中进行模拟,进行动态仿真,这将是未来工作的重点研究方向[
()在海量数据管理中,海量多源实时数据的数据的直接读取、存储和显示将是气象领域研究工作1
的热点;
()对单纯的海量数据管理、共享发布应向气象灾害进行模拟、风险评估和风险管理等更深层次决2
策分析及气象减灾工程发展以满足当今各项气象服务和切实加强气象防灾减灾体系建设为重点的要求;
()引入地形因素模型的雷达、云图、数值预报数据的三维空间分析并进行模拟和动态仿真以更好3
为气象服务工作提供更高精度的分析结果,这将作为未来工作的重点研究方向.另外,随着云计算技术应用的不断深入,云计算应用于气象领域为气象数据海量数据存储管理和分布式处理将带来另一番崭新的景象.
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,reviousresearchonGIStechnololiedinthemeteoroloicalfieldsuchasthemanaementofpgyappgg
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12233
,,HUANYANGGuiGuSHIWeiGweiGQianj
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,
,,theinteratedsatial-temoraldatadataanalsisanddatasharinsatialanalsisandalicationgppygpypp
,ofdecisionaidsthisarticledemonstratestheabilitiesofGIStechnoloanainultivariatedataingymggmcurrenttimeanddeenalsisindecisionmakinswellastheoortunitiesandchallenesofGISpaygappgtionresearchofGIStechnolointhemeteoroloicalfield.gyg:;KeordsGIS;meteoroloalicationgyppyW
technolointhemeteoroloindustr.AndthearticleprovidesscientificreferencesforthealicaGgygyypp
[责任编辑:黄天放]
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