GIS支持下的海洋水文气象信息成图模式的研究

第33卷第5期

2008年9月

测绘科学

Science of Surveying and M app ing

Vol .33No .5

Sep.

作者简介:赖剑菲(1979-),女,浙江建德人,助理馆员,硕士,现主要从事地理信息系统的应用与开发。E -mail:jflai@lib 1whu 1edu 1cn 收稿日期:2007-07-13

G I S 支持下的海洋水文气象信息成图模式的研究

赖剑菲①

,江　舟

②

(①武汉大学图书馆,武汉430072;②武汉虹旭信息技术有限责任公司,武汉430074)

【摘　要】针对海洋水文气象信息的显示需求,首先分析了其自身特点与表达习惯,并探讨了适合于海洋领域专

属信息可视化表达的成图模式。基于海洋基础环境数据的地理分布特性,利用专业GI S 软件A rcGI S 的基本成图功能,编程实现了海洋水文气象数据可视化成图的专业应用。丰富了海洋专属信息的表达方式和内容揭示,有效地支持了海洋应用。【关键词】海洋水文气象信息;可视化成图;A rcGI S;A rc Objects 组件【中图分类号】P282,P208 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2008)05-0180-05DO I:1013771/j 1issn 1100922307120081051064

1　引言

随着计算机图形技术的发展,GI S 技术的出现,以及三维立体、动画、多媒体和仿真等产品形式的出现,海洋信息的可视化表现已经开始从单一内容向多内容、从图表形式向基于地图的综合信息的可视化表达形式的过渡。尤其是将GI S 技术应用于海洋环境信息可视化领域,不仅直观形象、地理概念清晰,便于理解和分析海洋环境特征的分布情况,而且能较好地揭示地域性海洋环境现象的规律与本质,提高海洋部门的研究水平与工作效率。

本文是笔者结合所参与的某市海洋信息化管理的开发实践,从中提炼而成。文章针对海洋数据的多样性,依据各类信息表达的特点和一般习惯,设计了一套海洋水文气象信息可视化的成图模式,主要包括一维图、二维分布图、点聚图、玫瑰图、三维表现图等多种形式,应用A rcGI S 提供的底层组件,编程实现了对海洋水文气象领域中的一维、二维、三维信息的表达功能。

2　基本概念

211　数据内容

海洋水文气象学是海洋水文学与海洋气象学之间的一门交叉科学,它运用海洋气象学与海洋水文学的原理和方法来研究海水的物理性质和化学成分,以及海洋中风、浪、流的活动特点及其运动变化过程与规律。海洋水文气象观测数据是海洋水文气象学研究的主要依据,也是海洋预报、海洋环境灾害防御的重要信息来源。

现阶段,我国的海洋水文气象观测数据的获取主要有海洋台站观测、船舶观测和国际资料交流等几种方式。获得的数据主要包括以下几方面内容:

1)海水的基本特性信息:表层海水的盐度,温度和密度。

2)海洋风浪流信息:①海风:风速,风向;②海浪:波浪高度,波浪方向,波浪速度;③海流:流速,流向。

3)海洋环境专属信息:海洋上空大气的湿度、气压、

气温,露点温度,能见度,海发光,潮汐潮位等。

这些观测数据内容繁杂,格式多样,仅海洋气象观测数据的格式就多达40种。212　数据特征

归纳起来,海洋水文气象数据主要有以下几个特点:①数据实时性强;②数据种类繁多:按类别分,有海平面气压、气温、湿度、风能等海洋气象数据和海流、海浪、海水温度、海水盐度、水色、透明度等海洋水文数据;按时序分,有瞬时、逐时及各时段、月、季度、年、多年等统计数据;按数据来源分,有实测、计算、统计、预测等;③数据连续性、时序性强。这些数据大部分是按时间序列观测、统计、计算、搜索、整理、保存的;④数据规律性、周期性强。无论是长系列多年,还是短系列年内、季度内、月内,都有一定的周期性,有规律可查;⑤数据相关性强:观测站与观测站之间,同数据项各个时段之间,水文数据与气象数据之间存在着各种相关;⑥数据具有复杂性和不确定性:每一种水文气象数据都具有多重影响因素,各因素影响物理机制常常不明确。

由于观测、编码、发报和传输中的诸多因素,造成海洋资料存在各种各样的错情,这些错情直接影响资料的使用价值,所以在资料处理过程中,必须采用各种数据质量控制的方法,对有关的要素进行质量控制,提高成图数据的质量,保证可视化信息成果的准确性与可靠性。

3　G I S 支持工具简介

本项研究采用ESR I 公司的A rcGI S 专业软件系统,应用该软件底层的A rc Objects (简称AO )组件和可视化编程语言V isual Basic 进行组件式二次开发。A rcGI S 软件系列是一个全面的、完善的、可伸缩的GI S 软件平台,无论是单用户,还是多用户,无论是在桌面端、服务器端、互联网还是野外操作,都可以通过A rcGI S 构建地理信息系统。AO 组件是A rcGI S 家族中应用程序A rc Map 、A rcCatal og 和A rcS 2cene 的开发平台,是基于微软的组件对象模型(C OM )技术开发的一系列C OM 组件集。它提供了1800多个单独的基于C OM 的组件,几百个具有良好文档说明的接口和数千个方法,其中囊括了A rc I nfo 和A rc V ie w 中实现的所有功能,功能之强大和体系之庞大都是一般GI S 开发工具所不及的。同时,开发人员还可以使用任何一种兼容C OM 的编程语言扩展AO 组件,定制符合自己要求的组件。本文运用VB 对AO 组件中的2个高级通用控件M apContr ol 和Scene V iewer,进行个性化定制和功能开发,分别实现了对一维、二维可视化所成图和三维可视化所成图的视图显示及操作功能。

　第5期赖剑菲等　GI S支持下的海洋水文气象信息成图模式的研究

4　可视化成图设计与实现

411　可视化成图分类

海洋水文气象信息可视化所成图,按照不同的标准,可进行以下两种分类:

1)依据海洋环境特征或现象的描述方式,我们可以将图划分为静态图和动态图两种类型:

静态图:针对一些特征现象进行统计分析,用固定的统计图表、统计图的形式表现。通常在海洋信息领域,使用较多的统计图表有折线图、柱状图等形式,统计图则多采用饼图、风玫瑰图等形式。饼图、风玫瑰图等量化图形工具,往往都以地理海图为背景,这样不仅能清晰地表现某个要素的海域空间分布特征,而且能揭示出不同观测点之间或者同一观测点不同观测数据之间的差异性和对比性。

动态图:用以描述复杂的海洋动态变化现象。即将动态变化过程按照时间序列有序地展示,变化过程的表达或者借助于色彩、符号的变化,或者借助于依时间顺序地图序列的依次显示,通过这些手段来表现海洋水文气象特征现象随时间的演变过程。

2)按照所表达信息的维度特征(包括时空维度和要素维度),可以将图划分为一维图,二维图,三维图,多维图几种类型:

一维图:表示某一海洋要素随时间或另一要素特征的变化而变化的统计图。如点图、曲线图、折线图等。

二维图:表示某一海洋要素随二维空间特征的变化而变化的统计图。如二维平面分布图、二维断面分布图等。

三维图:用(X,Y,Z)三维坐标来表示要素的三维特征。不仅包括一般意义上的三维图概念,即第三维Z值表示地形高度值,这里还特别提出一种栅格三维表现图,用于直观地表示海洋表面观测值的3D景观。通常,第三维的数值表示海洋水文气象特征的属性值。属性值的值域跨度越大,相应的三维图的立体感越强,其量化表现力也就越强。

多维图:主要用于表达区域内某几个要素特征的分布与统计状况。它同时结合了时空维度和要素维度,所表达的信息维度在三维以上(不包括三维),如玫瑰图等。

312　几种可视化成图方式的设计与实现

由于传统的成图方式多为简单的图表,这里重点针对玫瑰图和3D表现图两种成图模式进行详细阐述,主要围绕成图概念,适用的信息对象,生成原理,成图过程,具体实现等几方面展开。最后,简单介绍了包括一维图、二维分布图以及点聚图在内的其他几种成图方式。以上内容均只以海洋水文气象数据为对象。

41211　玫瑰图的设计与实现

4121111　玫瑰图的设计

在海洋领域,形形色色的海洋环境信息需要作统计与分析,玫瑰图是一种比较有代表性的水文气象信息统计方法,它可以同时表现方位特征和数量特征,是一种常用的海图类型。将圆做等分的分割,计算统计数据落在每一分割区的数量,依此可画出玫瑰图。

根据不同的统计对象,玫瑰图可编绘成不同内容的统计图,主要有风玫瑰图、浪玫瑰图和流玫瑰图三种。其中风玫瑰图是关于海风风向、风频和风速的统计图,浪玫瑰图是关于波浪方向、浪频和平均波高的统计图,流玫瑰图是关于海流流向、流频率和流速的统计图。通过它们可以得知当地风浪流的基本状况。常用的有用于表示风向、风频、风能的风玫瑰图。风、浪、流玫瑰图(也称频率图)的生成原理基本相同,只是在表示方式与表示内容上有所差别。主要思路是:首先用格网覆盖统计区,将统计区划分为若干个方区;然后逐一统计每个方区内各个方位(通常是8个或者16个方位)的相关数据,落在同一方区内的观测点数据按照方位依次累加,得到各个方位的各项统计值;最后在各个方区内绘制对应海区的专题玫瑰图。

平均风速、流速和波高的表示方式很多,这里采用如下方式表示:

【风】使用射线表示,平均风速的大小用射线的长短来表示。将各个方位的频次统计值标记在对应的射线旁边。6级以上、8级以上风的对应观测值需作单独统计。

【浪】可沿用过去的表示法,即将相邻方位的射线终端用折线相连,但在射线终端标记该方位的频次统计值。波高3m以上、6m以上的对应观测值需作单独统计。

【流】在射线终端加一个箭头表示流向,在箭头边填写相应数值。

须注意的是,风和浪用来向,流用去向。另外,玫瑰图属于统计图范畴,为了保证统计结果的准确性,编绘风、浪、流玫瑰图要求有足够多的观测资料,资料少则误差大,不宜使用。

4121112　玫瑰图的实现

按照风、浪、流玫瑰图的生成原理,玫瑰图的实现过程总体可分为以下两个阶段:

1)资料的统计计算阶段

第一步:划分方区

一般按经纬线划分为若干个1°×1°方区(根据资料数量、海区特征以及具体的要求,方区划分可大可小)。方区编码以便于数据存取为宜。每个方区为一独立统计单位。海区中若有长期观测站(如海洋站、气象站等),最好单独统计,因为长期观测站数据较准确可靠,可作为比较的标准。

第二步:统计数据

统计顺序为:逐月(或季节代表月)、逐方区进行统计。例如统计一个月的资料,应采集历年的月数据,统计完一个方区之后再统计下一个方区,统计完整个海区之后再统计下一个月。统计时按风(浪、流)方向归类为16方位(16方位表见表1)和静稳(若方向不定,方向不定一般速度或波高都较小,可近似作0,若速度或波高较大而方向不定,应是数据有误,应舍弃不参与统计),分别统计各方位的次数(也称频数)和静稳次数以及各方位风速(流速或波高)的累加值。

表1　16方位表

方位i01234567

角度(°)02215456715901121513515715方向N NNE NE NEN E ESE SE SSE 方位i89101112131415

角度(°)18020215225247152702921531533715方向S SS W S W W S W W WNW NW NNW

统计时,数据按如下顺序逐个判断计算:

①检查是否静稳。若是静稳,则静稳次数Nc增加1次;

②非静稳计算方位:

i=取整数(取整数(方向角度/2215)+015)(i= 0,1,2, (15)

方向指风向、流向或波向,取整数时只取小数点前的整数(不用四舍五入),i值如果是16应取为0;

③统计方区数据。若数据落在i方位,则累计时只要将i方位的次数N

i

增加1次,同时将风速(流速或波高)

累加入V

i

。

对于风速、浪高的统计,还需各自进行另外单独的判

181