基于meteoinfo雷电可视化软件设计实现

基于MeteoInfo的雷电可视化软件设计与实现
樊 荣1朱卫星1冯志伟1
（1湖州市气象局，湖州，313000）
摘要：结合MeteoInfo[1]地理信息系统功能设计了雷电信息可视化软件，实现了对闪电定位数据的图形可视化。

阐述了该软件的模块化结构设计过程，给出了关键性技术描述，并展示了该软件的主要功能和产品结果。

这使得雷电相关工作人员能够直观地了解当前雷电分布规律，有针对性地采取防雷减灾措施，减少生命财产损失。

Abstract: In order to realize the visual analysis of lightning, lightning data visual software is developed based on meteoinfo’s GIS function. In the paper, modularized design process of the software is demonstrated, primary technological description is given, main functions and product results are illustrated. The software is useful for lightning related stuff in the aspects of acknowledging current lightning distribution discipline, taking effective lightning protect measures, reducing life and economical loss.
0引言
雷电灾害给人们的生命和财产带来很大的威胁，已经受到越来越多的关注[2-3]。

雷电的发生发展具有明显的时空特性，因此进行雷电数据的时空特征分析具有重要的意义。

闪电定位系统(LLS)资料应用于雷电灾害风险评估是目前较多的业务[4],主要是针对雷电时间、空间、强度等参数的致灾因子统计、分析。

比如雷击大地密度、地闪雷电流强度、地闪年月日变化等，从而确定雷电防护的方式及水平，以对致灾因子的风险进行控制，达到所要求的防护效率[5]。

随着计算机图形技术的迅猛发展，依托计算机强大的运算能力，图形可视化技术可以将大量无规则的气象信息迅速转化为直观的静态或动态图形呈现在气象工作者面前，为其更好的分析与理解数据、形成概念并发现规律提供了强有力的手段。

将雷电相关数据与计算机图形技术和地理信息系统进行整合，为雷电领域的相关研究提供良好的平台，同时也为GIS
与雷电专业领域的融合进行了有益的探索。

相关的学者对此做了有益的探索与尝试，并取得了一定的成果：路明月[6]等使用GIS进行了可视化地图组建设计与实现。

高燚[7]等提出了通过克里金插值法计算雷击大地密度。

1 软件功能及主要设计
MeteoInfo是一款由中国气象科学研究院研制的用于气象数据显示、分析的软件，它具有较强的综合数据图形显示、分析能力，操作简便、图形美观，同时，它支持多种气象数据格式，具备一些基本的GIS功能。

雷电可视化软件基于.Net框架，在微软集成开发环境Visual Studio2012下，按照C#语言标准编写，为了使处理算法和程序具有可移植性，编程实现了模块化结构设计。

雷电可视化软件以闪电定位系统(Lightning Location System，LLS)数据为数据基础，结合MeteoInfoC.dll和中国各行政级别地理信息系统地图，实现业务上以下功能。

1.1 业务功能
1.1.1 雷电灾害风险评估
1 作者简介：樊荣，男，1985年出生，安徽阜阳人。

主要研究方向：雷电灾害风险评估、雷电监测预警和计算机辅助防雷。

Email:*******************
在分析一个区域地闪密度时，要求能够结合地理信息系统组件，描绘该地区的闪电地理分布，能够运用电脑软件对地闪信息进行快速统计。

其中，雷击大地密度 (Ng，单位：次/(km2·a))，是反映某地区雷击密度的重要参数，也是雷电灾害风险评估业务中一项重要的参数[7]。

基于C#的应用如阿健和surfer接口技术实现对于Ng值计算结果的自动成图功能，既发挥C#功能强大、开发效率高等优点，又充分利用了surfer卓越的网格化和绘图能力，减少了绘制等值线图的手工劳动，从而大幅度节约了批量绘制等值线图的时间，提高了工作效率。

实际应用中表明，在雷电灾害风险评估中采用该技术，能够方便、快捷的绘制出评估点附近的Ng分布等值线，为评估参数的选取提供了可视化的依据，具备广泛的应用范围[8]。

1.1.2 雷电公报
雷电公报是各级防雷中心开展中的业务。

针对计算机计算速度快的特点，软件可以依据海量闪电定位数据，对某行政区域范围内的闪电进行更为细致、详细的分析，最终以灵活的报表的形式展示出来。

经过简单后期处理，即可形成一份科学、严谨、美观的雷电公报。

1.1.3 地闪查询
结合地理信息系统，将闪电定位系统数据叠加到地图上，直观明了的观察到每一次地闪的经度、纬度、陡度、强度、误差等详细情况。

能够一目了然的了解落雷情况，可以开展辅助雷灾调查等一系列雷电相关业务。

图1 雷电可视化软件设计思维导图
2 软件的工程设计与实现
软件的整体处理流程主要分为三步骤：数据的读取及预处理（数据质量控制）、可视化图形产品的生成和显示，软件的处理流程如图2所示。

图2 软件整体处理流程图
2.1 数据预处理
闪电定位系统所记录下的闪电信息是气象和电力系统常用的重要基础数据，目前使用记事本格式（Txt）对闪电定位数据进行保存较为常见，但存在一些不足。

作为一项基础工作，以关系型数据库（MSSQL）为核心，进行数据库设计，提出一套技术解决方案存放、分析闪电定位数据，改善现存做法的缺陷。

具体做法是设计与建立Sql Server 数据库，通过C#开发程序，使得数据从txt 导入到Sql Server 数据库实现一键化操作。

用户只需选择好触发时间，程序会在指定时间启动，自动将最新的txt 源文件导入数据库，供调用、分析。

为规范化存储、高效分析、分权限管理闪电定位数据提供了一种简捷快速准确的方法，经过实践
验证这是一种可行的技术解决方案[9]。

从txt 导入数据库需要三个步骤，顺序图如下所示：
图3 地闪数据入库流程图
上传部分代码如所示：
public bool InsertStrikeToDataBase(LightningStrike_China strike_ChinaInput)
{
LightningStrikes strike=ConvertDllStrikeToDbStrike(strike_ChinaInput);
Bool succeedResult=false;
Try
{
Using(DataClasses1DataContext dataContextTmp=new DataClasses1DataContext())
{
var lightsTable=dataContextTmp.GetTable<LightningStrikes>();
lightsTable.InsertOnSubmit(strike);
dataContextTmp.SubmitChanges(ConflictMode.ContinueOnConflict);
succeedResult=true;
}
Catch(Exception ex)
{
logWriter.WriteLogFile(strike.ToString()+”;”+ex.ToString());
succeedResult=false;
}
Return succeedResult;
}
}
2.2 MeteoInfo相关技术点
2.2.1 闪电叠加
通过meteoInfo叠加底图，将地形图，闪电定位数据等叠加在地图上。

并通过选择按钮
查看每次闪电的详细信息。

图4 闪电数据叠加效果图
叠加部分代码如下所示：
private void DrawStrikesSourcePositive(List<LightningStrike_Standard> _strikesSourcePositive)
{
//New layer
VectorLayer aLayer = new VectorLayer(ShapeTypes.Point);
yerName = layerNamePositive;
aLayer.LegendScheme = LegendManage.CreateSingleSymbolLegendScheme(ShapeTypes.Point, Color.Red, 10);
((PointBreak)aLayer.LegendScheme.LegendBreaks[0]).MarkerType = MarkerType.Character;
((PointBreak)aLayer.LegendScheme.LegendBreaks[0]).CharIndex = 43;
aLayer.Visible = true;
//Add fields
aLayer.EditAddField("日期时间", typeof(DateTime));
aLayer.EditAddField("经度", typeof(double));
aLayer.EditAddField("纬度", typeof(double));
aLayer.EditAddField("强度", typeof(double));
aLayer.EditAddField("陡度", typeof(double));
aLayer.EditAddField("误差", typeof(double));
aLayer.EditAddField("探测方式", typeof(string));
foreach (IStrike_Standard tmpStrike in _strikesSourcePositive)
{
PointShape aPS = new PointShape();
PointD aPoint = new PointD();
aPoint.X = tmpStrike.Longitude;
aPoint.Y = titude;
aPS.Point = aPoint;
int shapeNum = aLayer.ShapeNum;
if (aLayer.EditInsertShape(aPS, shapeNum))
{
//Edit record value
aLayer.EditCellValue("日期时间", shapeNum, tmpStrike.DateAndTime);
aLayer.EditCellValue("经度", shapeNum, aPoint.X);
aLayer.EditCellValue("纬度", shapeNum, aPoint.Y);
aLayer.EditCellValue("强度", shapeNum, tmpStrike.Intensity);
aLayer.EditCellValue("陡度", shapeNum, tmpStrike.Slope);
aLayer.EditCellValue("误差", shapeNum, tmpStrike.Error);
aLayer.EditCellValue("探测方式", shapeNum, tmpStrike.LocationMode);
}
}
//Add layer
targetLayerLegend.ActiveMapFrame.AddLayer(aLayer);
targetLayerLegend.ActiveMapFrame.MapView.PaintLayers();
targetLayerLegend.Refresh();
}
2.2.2等值线图绘制问题
通过meteoinfo提供的反距离加权插值(IDW)插值的方式，实现雷电分布的插值效果。

赵海波[10]等发现反距离权重插值、克里金插值对于城区气象要素插值分析较为适宜。

其中反距离权重插值对城市气温插值分析效果明显比其它方法好,对城市降水、连续降水插值效果也较好。

差值效果如下图所示。

图5 插值效果图
3 闪电数据结构
LLS数据是雷电可视化软件的主要数据来源。

经过软件设计，设计并实现其统一接口，放置在编程时候出现思路和结构的混乱。

LLS数据结构图如下所示。

图6 雷电标准程序化接口图
4结论
本文从各级防雷业务部门的基本需求出发，设计了雷电可视化软件。

服务于如下业务：1雷电灾害风险评估；2雷电公报；3雷电可视化。

由于闪电定位数据量大、excel分析手段效率低、出错率高。

雷电可视化软件能够很好地解决这些问题，提供一种集成化、高效化、精确化的办公形式。

通过计算机形式，分别实现上文描述功能，由各地气象部门提供闪电定位数据，数据库管理等技术手段。

雷电可视化软件可以有效的降低各地气象部门重复研发投入，产生社会和经济效益。

随着后续工作的深入，还可以在上文技术基础上开发出更为使用和多样的可视化气象产品，为以后精细化对雷电进行统计、分析、预警提供了技术基础和保障。

参考文献：
[1] Y.Q. Wang. MeteoInfo: GIS software for meteorological data visualization and analysis[J]. Meteorological Applications,2012
[2] 李文选.雷电及其灾害的预防[J].南京:现代农业科技,2009,2:292-294.
[3] 尹娜.雷电危害风险评估研究[D].南京,南京信息工程大学硕士毕业论文,2006.
[4] 邓雪娇,铁学煕,吴兑,等. 大城市气溶胶对光化辐射通量及臭氧的影响研究(Ⅱ)—数值试验分析[J].广东气象，2006,28(4):5-11.
[5] 林逸峰. 闪电定位系统资料的应用[J]. 广东气象,2011,33(2):62-63.
[6] 路明月,张其林,甘文强等. 基于GIS的雷电数据可视化地图组件设计与实现[J].气象科技,2011,39(6):823-827
[7] 樊荣,肖稳安,高燚等. 雷击大地密度的计算与软件实现[J].气象科技,2011,39(6):709-713
[8] 高燚,劳小青,李健生等. 雷电灾害风险评估中雷击大地年平均密度的计算[J].气象研究与应用,2009,30(3):69-70
[9] 樊荣,马金福,李京校等. 数据库技术在闪电定位系统中的应用[J]. 2013,33(6):115-117
[10] 赵海波. 基于GIS的城市气象监测要素差值分析研究[D].昆明理工大学.2010。