基于GIS的广西中小河流山洪气象风险监测预警系统_梁维亮

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流域基础地理信息提取技术
中小河流山洪气象风险预警系统实现的核心
（ 关键 ） 技术主要是流域边界的确定和如何从一个大 区域的栅格或者离散化站点雨量分布文件中提取特 定流域边界所包含的格 （ 站 ） 点两个方面 。 流域边界 的确定借助 ArcGIS 软件系统 ； 边界内包含的格 （ 站 ） 点 则 通 过 编 写 程 序 利 用 坐 标 转 换 和 WIN32 下 的
广西地处云贵高原东南缘 ， 境内江河纵横 ， 水系 发达 ， 中小河流众多 ， 流域面积 50km 以上河流共有
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因素是降雨 。 许多研究山洪发生的方法都是针对山 洪泥石流发生与雨量 、 雨强的关系开展的 ［7－9］。 随着气象部门多时次 、 无缝隙立体监测网和精 细化预报体系的建立 ， 如何快速计算各流域的面雨 量 ， 进而与致洪临界面雨量对比 ， 确定中小河流山洪 地质灾害气象风险等级 ， 提高预警发布提前量 ， 是现 代气象业务建设亟待解决的问题
。 GIS 空间技
50km ） 里的山洪 ， 极易诱发泥石流 、 崩塌 、 滑坡等灾
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术的应用是解决流域面雨量精细化计算的有效途 径 ， 并已经研发出相应独立的山洪地质灾害业务应 用系统 ［12－15］， 对山 洪地质灾 害预报起到 一定的促进 作用 。 但是 ， 这些系统的开发脱离了气象业务的核心 平台 — —— MICAPS ， 不利于在各级气象台站的普及应
Baidu Nhomakorabea45
（3） 用 Raster Calculator 工具提取汇流累积量大
（1 ） 地球坐标转 换像素坐标 ， 将 ArcGIS 提取的
流域边界和站点的地球坐标经纬度值转换为逻辑坐 标 （ 屏幕坐标 ） 的像素值 ； （2 ） 利用 PtInRegion 判断是否为流域边界内的
象风险产品制作 、 三级集约化预报指导与订正和风 险预警发布的一体化业务系统 ， 有效推进中小河流 山洪地质灾害风险预警等级业务的业务化运行 。
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资料
（1 ） 使用的地理信息资料为国际农业研究磋商
小组的 CSI 地理空间数据网 （CGIAR－CSI ） 提供的
90 米分辨率的数字高程数据 （DEM ）。 （http ： ／ ／ srtm． csi．cgiar．org ／ ）；
量 ， 再用 Feature to Polyline 工具转换为 Polyline 矢
3．2
定 区 域 （比 如 流 域 、湖 泊 、水 库 的 集 雨 面 积 ）的 面 雨 量 。 这种情况下 ， 首先需要确定哪些雨量测站是处 在区域中的 。 人们通过人脑的主观判别方法很容易
就可以识别出来 ， 然而计算机很难完全模拟人脑的 不规则区域范围内的点 ， 处理起来就困难得多 ， 需要
4期
于阈值的网格 。 事实上 ， 汇流累积量对应着该处的水 流量 ， 因此可以设定一个阈值 ， 通过调整阈值来控制 所提取出的河流的大小 ； （4 ） 在河网上选定出水口 ， 提取流域范围 。 新建
并编辑一个 Point 矢量图层 ， 用 Watershed 工具计算 流域范围 ；
Feature 工具将河网转换为 Polyline 矢量 。 此时可对 Polyline 进行编辑 ， 以修正因平坦地形 、 洼地填充等
［10－11］
1210 条 ，总长 4．45 万 km。 流域面积 50～200km2 的小 河 流 有 984 条 ， 占 81．3％ ， 其 中 集 水 面 积 大 于 500km 的河流有 147 条 。 这些中小河流往往河网
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［1］
短小 ， 强降雨引起的洪水具有历时短 、 强度大的特 点， 特别是发生在山区溪 沟 （一般集雨 面积小于
（2 ） 广西中尺度自动站网雨量资料和经纬度信 息； （3 ） 基于广西新一代雷达网基数据经 SWAN 反 演的定量降水估测和定量降水预报产品 ； （4 ）CMACast 下发的 EC 细网格雨量预报资料 ， 分辨率 0．25°×0．25° ， 时效 0～240h ， 其中 0～72h 为 3h 间隔 ；72～240h 为 6h 间隔 。
第 33 卷
第4期 期 4 2012 年 12 月
气
象
研
究
与
应
用
Vol.33 No.4 Dec. 2012
JOURNAL OF METEOROLOGICAL RESEARCH AND APPLICATION
文章编号 ：1673-8411 （2012 ） 04-0043-05
基于 GIS 的广西中小河流山洪气象风险监测预警系统
方法提取本区域的流域地理信息及确定阈值 ， 即可 生成本区域的面雨量产品和风险等级产品 ， 并通过 综合订正 ， 下发县级或直接对外发布气象风险等级 信息产品 。 整个业务流程体现 “ 指导 － 订正 － 反馈 ” 的 集约化现代气象业务特点 。
WIN32 的 API 技 术 实 现 中 小 河 流 山 洪 地 质 灾 害 气
Liang Wei－liang ， Huang Ming－ce ， Qu Mei－fang （Guangxi Province Meteorological Observatory ， Nanning Guangxi ， 530022 ） Abstract： Based on data from automatic rainfall station ， EC forecasting ， and radar ， a monitoring and warning system is built for the risk of geological flood disaster in a meteorological condition by using the ArcGIS， MICAPS， SWAN3．0 ， and comparison method． The visual warning and forecasting ， which is automatically generated by this system ， is conducive to monitoring and warning of lots of severe weather in 2012． It shows that the system can be applied in daily fine weather forecasting． Key words： ArcGIS； basin boundary ； MICAPS； SWAN3．0 ； risk rank
害 ， 已成为造成人员伤亡的主要自然灾害 ［2－3］。 已有 研究表明
［4－6］
： 山洪灾害的形成与气象 、 水文 、 地质等
条件密切相关 ， 是由地形地貌 、 地层岩性 、 降雨等许 多因素共同作用造成的结果 ， 其中最活跃 、 最主要的
收稿日期 ：2012-07-18 资助项目 ： 桂气科 ：201104 ； 桂气科 200705 ； 桂科攻 ：10123009－8 共同资助
API 技术实现 。 3．1
流域边界提取 在 ArcGIS 环境下基于 DEM 提取流域信息已经 有很多的研究 ， 总结了一套成熟的方法 ［16－17］。 基本的 思路如图 2 所示 。 首先对 DEM 进行预处理 。 最初始的 DEM 通常 需要剪切 ， 选取合适的剪切范围可以在保证信息完 整的前提下节约储存空间和计算时间 。 接着使用水 文工具集 （Hydrology ） 中的 Fill 工具对洼地进行填 充 ， 以避免造成水流逆流的情况 ， 影响河网的识别 。 至此预处理完成 ， 可以进行河网 、 边界的提取 。 河网和边界的提取大致可以分为 5 个步骤 ： （1 ） 用 Flow Direction 工 具 计 算 每 个 网 格 的 流 向 。 ArcGIS 通过每个格点相邻 8 个网格的高程计算 水流方向 。 需要注意的是相邻网格高程差别小 ， 即平 坦地形的情况下流向为随机 ， 对河网的识别有明显 影响 ； （2 ） 根据流向用 Flow Accumulation 工具计算每 个网格的汇流累积量 。 汇流累积量即上游汇水网格 数 ，表征上游有多少网格的水将汇流到此网格 ；
A Monitoring and Warning System base on the ArcGIS for the Risk of Geological Flood Disaster in Small and Medium－sized River Basins in Guangxi under the Meteorological Conditions
这种感知意识 、 逻辑分析和判断能力 。 若要确定某个 借助计算机图形学中的相交判别 、 区域填充等技术
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梁维亮 ， 黄明策 ， 屈梅芳 ： 基于 GIS 的广西中小河流山洪气象风险监测预警系统
梁维亮 ， 黄明策 ， 屈梅芳
（ 广西气象台 ， 广西 南宁 530022 ） 摘 要 ： 基于中尺度自动站雨量资料 、 欧洲中心 （EC ） 细网格数值预报雨量资 料 、 广 西 雷 达 数 据 ， 利 用 ArcGIS 提 取 河 流
边界地理信息 ， 通过用 MICAPS 、SWAN3．0 系统二次开发 ， 数值模式产品应用 ， 面雨量对比等方法建立广西中小河流山 洪气象风险监测预警系统 。 系统能自动生成各种气象要素的可视化警报 、 预报产品 ， 经过在 2012 年汛期若干天气过程 的应用显示了较好的监测预警作用 ， 可以应用到精细化天气预报业务中 。 关键词 ：ArcGIS ； 流域边界 ；MICAPS ；SWAN3．0 ； 风险等级 中图分类号 ：TP31 文献标识码 ：A
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系统总框架和业务化流程
MICAPS 系统的功能优势主要体现在气象资料
的分析处理上 ， 对地理信息只是提供基本的显示功 能 。 为了在 MICAPS 系统中正确识别雨量站点或降 水预报格点分属哪些流域 ， 并利用算法计算流域内 的面雨量 ， 与前期统计的致灾面雨量阈值进行对比 判别 ， 最终形成风险等级产品 ， 需要 利用 ArcGIS 系 统对河流的地理信息进行前处理 ， 将 ArcGIS 输出的 流 域 地 理 信 息 转 换 成 MICAPS 系 统 的 内 置 地 理 信 息 ， 扩充 MICAPS 功能 ， 最后借助于 MICAPS 对栅格 数据 、 线条数据的分析功能实现风险等级的订正发 布 。 整个系统的框架如图 1 所示 ： 整个系统基于 C ／ S 构架设计 ，在服务器端实现自动站雨量 、 雷达估 （ 预 ） 测降水 、 数值预报雨量数据的下载 、 解码 、 雨量插值 计算 、 面雨量计算 、 风险等级计算等任务 。 服务器端 形成 3 种产品 （MICAPS 第 4 类或 14 类格式 ）： 一是 分辨率 1km 的网格化 雨量资料 ； 二 是根据 ArcGIS 系统前处理提供的地理信息 （ 流域边界 、 流域内站点 信息 ） 计算得到的流域面雨量产品 ； 三是根据普查 、 统计历史灾害资料得到的阈值确定的风险等级指导 产品 。 三种产品全部推送到市级服务器或在区级客 户端上显示 。 市局根据本行政区流域信息 ， 用同样的
原因可能会造成的河道识别错误。 修正后，用
Feature Vertices to Point 工具将河流转换成 Point 矢
量 ， 最后在图层属性中添加两列 ， 分别计算河流点的 经度和纬度 ， 输出为文本格式 。 而对于流域边界 ， 则
需 要 先 用 Raster to Polygon 工 具 转 换 为 Polygon 矢 量 ， 然后用相同的方法进行修正和提取经纬度 。
作者简介 ： 梁维亮 （1983－ ）， 男 ， 广西南宁人 ， 硕士 ， 工程师 ， 从事短时临近预报工作 。
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气象研究与应用
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用 ， 也给新资料的应用扩展带来困难 ， 阻碍了预报业 务集约化发展 。 本研究从解决这一问题出发 ， 在我国 气象业务主要平台 MICAPS 框架内 ， 利用 GIS 技术 、