基于GIS的宁夏干旱监测预警系统设计与应用

第３９卷第５期２０１１年１０月

气　象　科　技

ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩＣＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　

ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３９，Ｎｏ．５

Ｏｃｔ．２０１１

基于ＧＩＳ的宁夏干旱监测预警系统设计与应用

卫建国１　张晓煜１＊　张磊１　韩颖娟１　曹宁１　马国飞１　胡斌２

（１宁夏气象防灾减灾重点实验室，２宁夏气象技术装备中心，银川７５０００２

）摘要　宁夏干旱监测预警系统考虑了孕灾环境、致灾因子、承载体特征３个方面影响因素，以地理信息、遥感资料、作物特性、土壤特征等作为输入数据，通过综合模型进行监测预警。从系统框架模型、系统体系结构、数据处理流程、数据访问、系统功能５个方面对系统进行了设计，吸收了多个项目研究成果，建立了干旱监测预警模型，实现集气象数据收集、

处理、输出于一体的业务系统。通过具体实例验证了系统的可用性和运行效率。关键词　ＧＩＳ　干旱　监测预警系统

科技部社会公益研究专项“气候变化背景下宁夏干旱监测预警系统研究”（２００５ＤＩＢ３Ｊ１０３

）资助作者简介：卫建国，男，１９７３年，工程师，主研方向为农业气象遥感应用、图形图像、ＧＩＳ等业务系统开发，Ｅｍａｉｌ：ｗｅｉｊｉａｎ０２６９＠１６３．ｃｏｍ收稿日期：２０１０年４月２０日；定稿日期：２０１０年８月２３日＊通信作者，Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ＿ｘｙ

ｎｅｔ＠１６３．ｃｏｍ引言

干旱是宁夏农业最主要自然灾害之一，已经成为制约区域经济发展的主要瓶颈。对干旱的监测预警国内已经开展了大量研究，部分地区建立了相关监测预警系统。刘治国等将短期气候预测和气象资

料建立了业务系统［

１］

，金川等通过遥感资料反演ＰＤＩ指数监测干旱［２］

，冯锐等利用ＧＩＳ（

地理信息系统）

平台将地理信息数据、遥感、气象数据融为一体［３］。监测预警系统构建上，唐卫［４］、昭敏［５］基于

３Ｓ系统构架和评估对象提出了较好的实用模型。宁夏干旱监测预警系统应用ＧＩＳ技术开发主

要体现４个方面：①遥感数据反演与ＧＩＳ空间数据运算；②灾害区域空间数据分析与ＧＩＳ地理位置定位；③灾害决策与数据可视化制图（专题图制作）；④气象数据库与ＧＩＳ空间数据库联合应用。该系统研制与应用，使大量模型运算和数据反演能够在较短时间内完成，从而提高干旱监测预警效率。１　系统介绍１．１　监测预警模型

宁夏干旱监测预警系统（以下简称系统）是科技部社会公益研究专项“气候变化背景下宁夏干旱监测预警系统研究”

的科研成果。系统根据自然灾害系统理论，

将农业干旱灾害划分为孕灾环境、致灾因子、承灾体３类影响因子［６］

，其中，孕灾环境包含高

度、

坡度、坡向、土壤类型、干旱风险、农业投入水平６个因子；

致灾因子包含作物发育期水分满足率、前期干旱程度２个因子；承灾体因子包含作物水分适应性、作物当前发育期水分敏感系数、作物单产水平３个因子。这３类因子是对发生干旱的综合评价。系统采用影响因子累乘模型，在本地化参数的基础上，使用百分比值法、三角函数法、专家打分法等数值归一化方法，分层评价每类因子中的各个层，最后使用综合指数分类方法评价当前干旱发生情况。１．２　系统开发和运行环境

系统使用Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｖｉｓｕａｌ　

Ｃ＋＋６．０，在网络数据库ＭＳ－ＳＱＬＳＥＲＶＥＲ的支持下，采用Ｃ／Ｓ（客户／服务器）模式，嵌入Ｍａｐｏｂｊ

ｅｃｔｓ地理信息控件，使用Ｓｈａｐｅ文件支持系统ＧＩＳ资料访问，内置独立数据库访问模块，是一个集农业气象模型、数据库、ＧＩＳ、遥感（ＲＳ）和图形图像一体的综合系统。１．３　资料及格式

系统使用的资料有：①存放在网络数据库中的常规气象观测资料（主要包含逐日降水量、日照、气温、气压等）；②ＧＩＳ本地ｓｈａｐｅ矢量文件（区域边界）

，区划成果二进制栅格资料（土壤类型、作物分类、农业投入、单产水平、风险区划等）；③１ｋｍ分辨率ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ遥感卫星ＬＤ文件；④输出常用图像（ｊｐｇ、ｂｍｐ、ｅｍｐ文件）、表格（Ｅｘｃｅｌ文件）、文本（ｔｘｔ文件）、等值线结果（ｃｏｎ定制文件）

、色版图结果（Ｓｂｔ定制文件）和定位格式（ｂｍｐ

ｗ文件）；⑤系

统配置资料ＩＮＩ文件（站点位置信息、数据库访问信息、作物发育期及特性、模型参数、图例设置等）。２　系统框架模型

系统框架模型（图１）由低到高分别由数据存储层、

低（底）层技术方法和高层系统功能层组成。数据存储层有图形数据库（ｓｈａｐｅ文件）、产品数据库、资料数据库以及资料控制模型。低（底）层技术方通过ＶＣ＋＋语言开发或使用具有独立功能的通用组件，包括地理信息组件（Ａｒｃ　ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ组件）、图表组件（Ｍｓｃｈａｒ或第３方图表控件）、数据库访问组件（ＯＬＥ　ＤＢ、ＡＤＯ等）等。高层系统功能分为两部分：①系统自带功能，例如：产品输出和系统管理等；②干旱监测、

预警各类模型，随专业业务应用不同，该部分可封装其他的业务模型。

该模型通过以下技术处理来满足实际需要：①在数据存储中，通过转化非标准数据到资料数据中，利用数据库强大的数据存储和处理能力支持系统运行；同时将产品和相关地理信息资料也纳入数据库管理，方便数据共享。②在分层系统框架中，将功能相对独立通用组件公开其开发接口，支持系统二次开发，满足不同地域业务需要。③在框架顶层实现各功能模块集成，

各专业模块封装各类应用模型，通过接口和系统集成在一起

。

图１　系统框架模型３　系统体系结构设计

系统体系结构（图２）中，第１层由常用气象资

料、ＥＯＳ／ＭＯＤＩＳ资料（含本地ＧＩＳ资料）

、土壤和作物特性数据以及模型参数组成，主要提供模型本地背景数据。第２层是业务逻辑层，负责数据反演和模型计算。主要任务包含：

各站降水量空间插值、遥感土壤水分反演、作物发育期和土壤储水量资料栅格化等，

通过对各层资料的数据归一化处理，统一带入干旱检测预警模型。第３层为数据表达层，运算结果通过数据存储输出二进制数据和图像格式，该数据通过分类指标对干旱结果进行等级分类，最终结合本地ＧＩＳ数据统一展示。４　数据流程及处理

由于系统数据层运算相对复杂，因此需要对各层数据之间进行流程规划。根据系统模型的特点，综合系统体系结构，将数据划分为４个部分处理（图３

），以使整个运算思路比较清晰。孕灾环境模型：第１部分以孕灾环境模型为中心，初始输入数据有两个基本内容：①本地地理信息数据，包含：区域高程、坡度、坡向、区域边界等；②社会环境影响因素，包含：区域干旱风险、农业投入水平、土壤含水量属性等。各层数据需要进行栅格化处理，并按照每次数据特点采用适当的归一化处理方法。

致灾因子模型：第２部分以致灾因子模型为中心，初始输入数据有：各站降水量、遥感资料、作物发育期模型。土壤含水量通过遥感资料使用归一化植被指数法（ＮＤＶＩ）反演得到，作物需水量需要逐日计算作物蒸散（ＥＴ０）乘以作物系数（ＫＣ）得到，以上数据降水量和作物需水需要进行空间栅格化处理。作物分类根据ＳＰＯＴ卫星资料监督分类的结果，主要分类作物包括小麦、玉米、水稻、草地、森林等。

承灾体模型：第３部分以承灾体模型为中心，初始输入数据有：各作物水分适应性、作物发育阶段水分敏感性、作物区域内单产水平等数据。以上资料通过栅格归一化处理后进入承灾体模型。

预警模型：第４部分以区域干旱监测预警模型为中心，统一将以上３部分数据进行运算。鉴于监测预警结果从该部分输出，故将ＧＩＳ数据表达和数

据存储合并纳入处理。数据表达包含分类指标、数据输出（二进制）、图形图像输出。最终将结果会同本地地理特征一并显示到界面上，实现ＧＩＳ、ＲＳ、监测预警完整结合。

６

３６气 象 科 技 第３９卷