Scientia Geographica Sinica  2014 , 34 (6): 757-761 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.06.757

Orginal Article

一种基于GIS的预报降雨栅格动态生成方法初探

李喆1, 李永树1, 卓云2

1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川 成都 610031
2.四川省第二测绘地理信息工程院,四川 成都 610031

A Grid Dynamically Generated Method and Preliminary Inquiry for Rainfall Forecast Based on GIS

LI Zhe1, LI Yong-shu1, ZHUO Yun2

1.School of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu,Sichuan 610031, China
2.Sichuan Province Second Geographic Information Engineering Institute of Surveying and Mapping, Chengdu, Sichuan 610031, China

中图分类号:  F332.1

文献标识码:  A

文章编号:  1000-0690(2014)06-0757-05

收稿日期: 2013-07-9

修回日期:  2013-10-25

网络出版日期:  2014-06-10

版权声明:  2014 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献,在以下情况下可以自由使用:学术研究、学术交流、科研教学等,但不允许用于商业目的.

基金资助:  高等学校博士学科点专项科研基金(20100184110019)资助

作者简介:

作者简介:李喆(1984-),男,四川成都人,博士,工程师。主要研究方向为“3S”技术理论与应用研究。E-mail:turelizhe@163.com

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摘要

中国大部分地区的降雨监测点位布设稀少且分布不均,特别是大区域的降雨监测和预报存在着不准确现象。利用GIS技术,以都江堰市为研究区,结合降雨随海拔变化规律与实测降雨数据,初步建立了降雨随海拔高度变化的二次曲线计算公式和等高线对应转折拐点降雨图层,参考对比自定义降雨矩阵点图层生成的预报降雨栅格效果,最后在基于AE开发的山地平原过渡区土地生态安全预警系统中,依据等高线拐点降雨图层动态生成研究区降雨栅格,作为该系统下预警指标动态监测模块的主要指标因子,初步解决了研究区降雨监测点位少的情况下,全区预报降雨可视化程度低和局部预报准确度不高的问题,有效地提高了降雨预报的准确性和直观性。

关键词: 预报降雨 ; 矩阵处理 ; AE开发

Abstract

Rainfall in most parts of China laid monitoring sites scarce and unevenly distributed, especially in large areas of rainfall monitoring and forecasting inaccuracies phenomenon exists. Using GIS technology to Dujiangyan City, as the study area, combined with the altitude variation of rainfall and measured rainfall data, the initial establishment of rainfall variation with altitude quadratic formula and the corresponding contour turning inflection point rainfall layers, refer to the contrast from define the matrix point layer generated rainfall forecast rainfall raster effects, and finally the development of mountain plains based on the AE transition zone land ecological security early warning system, based on the layer contour inflection point rainfall rainfall grid dynamically generated in the study area as part of the system under dynamic monitoring of early warning indicators module's main index factors, has initially solved the rainfall monitoring sites in the study area few cases, the region and the local visualization forecast rainfall forecasting accuracy is not high, effectively improve the accuracy of rainfall forecasts intuitive.

Keywords: rainfall forecast ; matrix processing ; AE development

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李喆, 李永树, 卓云. 一种基于GIS的预报降雨栅格动态生成方法初探[J]. , 2014, 34(6): 757-761 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.06.757

LI Zhe, LI Yong-shu, ZHUO Yun. A Grid Dynamically Generated Method and Preliminary Inquiry for Rainfall Forecast Based on GIS[J]. Scientia Geographica Sinica, 2014, 34(6): 757-761 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2014.06.757

目前中国多数山地平原过渡区将降雨作为主要影响因子引入地质灾害预警系统[1-5]或者土地生态系统,但由于现设的降雨监测站点较为稀少,监测范围有限,且已有的降雨预报算法[6-8]和方法在实际应用中各有优劣,难以实时准确进行大范围区域的降雨监测和预报。

据此,以都江堰市为研究区,以实测年月降水量为样本,结合研究区降雨和海拔的关联关系,初步构建了研究区预报降雨的模拟二次曲线高程—降雨计算公式,转换获取等高线转折拐点构成的预报降雨点图层。由于研究区仅有一个降雨监测站点,为提高全区预报降雨的可视化程度与局部预报的准确度,参考中国重点监测区域的监测点数目案例,利用已有降雨记录数据,自定义7×7的降雨监测矩阵点图层,同样利用设定点位的高度计算获取预报降雨值,采用考虑高程影响下插值效果好的克里格插值法[9,10],生成作为对比参考的矩阵预报降雨栅格。最后基于AE开发技术,选择等高线转折点图层插值生成降雨栅格的方法,在山地平原过渡区土地生态安全预警系统[11-15]的预警指标动态监测模块中开发实现降雨栅格动态生成,以期为多数地区降雨预报提供更为直观有效的方法,技术路线见图1

图1   技术路线

Fig.1   Technology roadmap

1 研究区预报降雨数据点图层构建

关于研究区数据的现状,除了大比例尺基础地质地理空间数据以外,已有的气象资料是按照年和月(图2)为单位记录的,主要为1990~2010年份数据。从详细定量应用生成和最终系统开发调用来讲,这种数据只能作为一个大概描述,虽然达不到详细至具体的日期和降雨数据使用的效果,但是作为一个流程开发预测生成的示意过程还是基本满足条件。研究区还有另外的特点,就是降水随海拔高度有相应的起伏变化(图3[6]

图2   都江堰市多年平均月降水量分布(牟林山等,2003)

Fig.2   Years of average monthly rainfall distribution of Dujiangyan City(Mou Linshan et al, 2003)

图3   都江堰市海拔高度与年降水量关系

Fig.3   Altitude and average annual precipitation’s relationship of Dujiangyan City

根据海拔高度和年均降水量,构建研究区海拔高度与降水的关系:

yi=-axi2+bxi+c(1)

式中,xi为高程i对应的自变量,yi为相应的因变量,abc为相应的参数。

关于两类点图层的具体构建,首先经GIS软件处理研究区等高线,得到等高线转折拐点图层(图4),系统开发调用时,主要根据等高线转折拐点图层的高程点高度,调用此公式计算获得预报降雨值,进行克里格插值。由于研究区仅有一个监测站点,为达到全区预报降雨的可控制对比效果,初步自定义了2009年7×7的降雨监测点矩阵(表1),根据降雨点矩阵转换得到矩阵点图层(图5),范围基本覆盖研究区西安80坐标系下最大最小范围的xy坐标,同样使用克里格细化插值生成降雨栅格作为参考,与对应的等高线转折拐点图层插值栅格进行对比,得到准确性和显著性更高的效果图。特别注意的是,两个方法的空间数据点图层都保留名为降雨量的double字段,以便保存对应计算的降雨预测值。

图4   研究区等高线图层对应转折点图层

Fig.4   Study area contour layers corresponds to turning layers

表1   7×7的降雨矩阵(mm)

Table 1   7×7 matrix of rainfall (mm)

1159.31168.11112.41145.71167.21099.6890.9
1211.31259.81287.11356.912131038.8923.2
1287.91238.91324.31367.51387.21200992.9
1247.31212.7125914541247.21148.11137.9
1198.51223.61177.11030.2990.91023.4924.6
1073.11032.41010999941.3923.5824.6
900.5873.2862776.3739.1729.1746.6

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图5   研究区等高线图层与降雨矩阵生成的点图层

Fig.5   Study area contour layers and layers of rainfall point matrix generation

2 预报降雨栅格生成效果对比

生成两种方法下对应的点图层后,不管是系统开发还是应用,都采用一定的插值方法生成栅格效果图[16],栅格坐标上的像元值代表了对应位置上的预测降雨量。现有插值方法主要分为考虑高程的多变量地学统计插值方法和不考虑高程的单变量插值方法,其中分别包括泰森多边形、反距离法、克里格法、距离权重法、一阶局部多项式法、二阶局部多项式法、样条函数法等方法。虎雄岗,谈树成[9]等人研究验证协同克里格插值是比较好的一种插值方式,本文主要采用克里格插值的方式应用和系统开发。

3 结果的验证及评价

因自定义的降雨点矩阵根据公式(1)计算降雨预测值,受监测点的矩阵排列位置和数目限制,直接降低了研究区地形及其高度下预报降雨的准确性,所以构建的降雨矩阵只作为参考对比的方法。最终对比两种模拟栅格图的局部准确度,由于采用2009年已有数据模拟2010年预报降雨栅格图,对比2010年气象站已有存库数据进行采样后方差计算检验,等高线转折拐点图层插值生成栅格(图6)比预报降雨矩阵插值生成栅格(图7)更为接近实际情况,而克里格法细化插值生成栅格的结果,已经证明各种方差标准差等交叉验证数据较小[9],所以本文系统开发主要采用转换等高线得到等高线转折点图层,按照高程计算降雨量,得到点位的降雨量值,最后插值生成模拟栅格。

图6   等高线与转折拐点图层插值生成栅格对比

Fig.6   Generate raster layer contrast of contour and turning inflection point with interpolation

图7   等高线与预报降雨矩阵插值生成栅格对比

Fig.7   Contrast to contours and interpolation raster of forecasting rainfall matrix

4 基于AE的降雨栅格生成模块

本文的背景是以都江堰市为研究区,开发了一套山地平原过渡区土地生态安全预警系统[12],系统主要分为4个大功能模块,这里的动态生成预报降雨栅格是其中预警指标动态监测模块中指标因子动态刷新的重要部分,由于牵涉到后面警情综合评价模块的使用,最后所有指标因子都需要归一化为(0,1)区间的范围值。

1) 系统的架构是Microsoft visual studio 2008开发平台,C#开发语言,ArcGIS 9.3地图平台。数据的主要参考坐标系是西安80坐标系,数据的主要格式主要通过Geodatabase统一组织,进行ArcEngine9.3的二次开发,后台数据库为SqlServer2005,空间数据模型引擎通道为ArcSDEfor SqlServer2005。

2) 开发的主要过程主要为:

① 安装部署好所有需要的软件,包括第三方美化控件;② 测试ArcSde for SqlServer2005的连接与稳定性;③ 设计和美化系统的主要功能模块界面;④ 完成基本所有的功能;⑤ 系统测试与打包部署。

3) 开发实现降雨栅格动态生成的过程为:

① 连接读取SDE对象分别获取降雨模块所需要的点图层类;② 根据高程动态计算等高线转折拐点的预报年降雨量,重新赋值后保存结果类;③ 根据用户的选择,分别读取系统界面的降雨点图层、雨量字段设置、插值方法以及生成的相元大小参数;④ 程序主要使用AE的类RasterInterpolationOp的IInterpolationOp Interface接口,接口下包括样条函数插值spline、克里格插值Krige等插值法函数,这里系统读取了降雨量赋值处理好的降雨点图层,根据用户选择的参数,采用克里格插值(Krige方法)插值生成预报降雨栅格;⑤ 按照行政区裁剪clip生成好的栅格,得到相同范围的预报降雨栅格,和其它因子一样进行标准化处理,重分类预报降雨栅格图;⑥ 程序界面动态加载预报降雨栅格图。

5 结 论

研究了等高线转折拐点图层和自定义降雨矩阵点图层生成研究区预报降雨栅格的过程,依据构建的二次多项式计算所有点位随高程变化的年降雨量,再按照克里格法细化插值生成研究区范围内的预报降雨栅格,和已有降雨库存数据进行局部准确度对比,证明依据等高线转折点插值模拟降雨栅格更为接近实际值,最后在AE开发的山地平原过渡区土地生态安全预警系统中,实现预警指标动态监测模块的预报降雨栅格因子动态生成,与系统模块中其它因子同样标准化后作为主要指标因子加载使用。该GIS方法构建预报降雨栅格简练、灵活性强、可控制度高,能够提高降雨预报的准确性,在中国大多数区域都具有推广与应用价值。

The authors have declared that no competing interests exist.


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