基于GIS的雷电灾害监测预警研究.docx
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基于GIS的雷电灾害监测预警研究
分类号:
P457.9UDC:
D10621-408-(2009)0566-0
密级:
公开编号:
2005021025
学位论文
基于GIS的雷电灾害监测预警研究
论文作者姓名:
申请学位专业:
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
论文提交日期:
年月日
基于GIS的雷电灾害监测预警研究
摘要
雷电是发生在大气中的瞬间放电过程。
雷电灾害是联合国公布的“最严重的十种自然灾害之一”,我国每年因雷击造成的人员伤亡约为3000—4000人,财产损失估计在50—100亿元左右。
历史经验表明,对雷电进行监测预警能够有效地减少雷电灾害。
与其它灾害性天气相比,雷电有发生时间短、频率高和影响范围广等特点。
利用地理信息系统(GIS)强大的空间地理数据分析处理能力,能够更加有效地为雷电灾害监测预警工作提供决策支持。
本文研究了一种基于GIS的雷电灾害监测预警系统的设计与实现方法。
利用在VisualBasic中添加MapX控件的方式设计雷电灾害监测预警系统,以已有的雷达回波资料为基础,从中提取出雷达回波强度和雷达回波顶高图像产品作为监测预报因子,利用图层叠加原理将雷达回波图像与实际地图相叠加,根据叠加后的图像分析监测各地对流天气的强度,判断是否有发生雷电灾害的可能,从而达到将GIS技术应用到雷电灾害监测预警的目的,努力探索GIS技术在雷电灾害监测预警方面的应用。
关键词:
雷电;地理信息系统;监测预警;VisualBasic;MapX
GIS-basedLightningdisasterMonitoringandEarlywarningResearch
Abstract
Lightningistheprocessofinstantaneousdischarge,whichtakesplaceintheatmosphere.Lightningispublished"oneofthetoptendisasters"bytheUnitedNations.Everyyearabout3000-4000Chinesediefromlightningandthepropertydamageisabout50-100billion.Historicalexperienceshowsthatmonitoringandearlywarningoflightningcanreducethelightningdisasterseffectively.
Comparedwithothersevereweather,lightningoccursinashorttimewithhighfrequencyandimpactofawiderange.Usingthepowerfulgeographicdataanalysisofgeographicinformationsystems(GIS)canbemoreeffectivetoprovidedecisionsupportforthelightningdisastermonitoringandearlywarning.
Inthisarticle,amethodofdesigningadisastermonitoringandearlywarningsystemisdescribed,basedonGISwithVisualBasicandMapX.Thesystemisonthebaseoftheexistingradarechodata,extractingtheradarechointensityandradarechotopheightimageproductsasmonitoringfactor.Thenthesystemsuperposestheradarechoimageontheactualmapwiththeprincipleoflayersuperposition.Afterthose,forecastersanalyzetheintensityofconvectiveweatheraroundandjudgewhetherthereisanypossibilityoflightningdisastersaccordingtotheimage,soastoachievethepurposeoflightningdisastermonitoringandearlywarning.TheauthorwillmakeeffortstoexploretheapplicationsofGIStechnologyinthelightningdisastersmonitoringandearlywarning.
Keywords:
Lightning;geographicinformationsystem;monitoringandearlywarning;VisualBasic;MapX
1引言
1.1课题研究的背景
雷电是发生在大气中的瞬间放电过程。
雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,因此常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风。
雷电灾害是联合国公布的“最严重的十种自然灾害之一”,全世界平均每分钟发生雷暴约2000次,每年因雷击造成的人员伤亡事故频繁发生。
我国地处温带和亚热带地区,雷暴活动十分频繁,全国有21个省会城市的年最多雷暴日超过50天,最多达到了134天,我国每年因雷击造成的人员伤亡约为3000—4000人,财产损失估计在50—100亿元左右。
雷电灾害严重威胁着我国社会公共安全和人民生命财产安全。
从国内外对雷电灾害的相关研究资料可以得出,要想有效地对雷电灾害进行防御,首要解决的问题是对雷电的发生进行有效的监测和预警。
当今世界很多国家都已经非常重视雷电的监测、研究和防御,全世界大部分国家都建立了雷电监测网,并注重雷电预警服务业务的开展。
我国的雷电定位监测技术是从80年代末开始发展起来的,目前气象部门已有300多个地闪定位系统探测子站,大部分省市都已具备了覆盖全省的地闪定位系统,并在雷电及对流性灾害天气过程的监测、雷电防护等多方面得到了广泛应用。
随着经济的发展,社会对雷电的预警预报服务的需求越来越高。
目前大部分省市都具有一定的雷电天气潜势预报和雷电临近预警服务能力。
但总体而言,我国在雷电预警预报方面的工作还比较薄弱,预警预报服务和业务产品还需要进一步加强。
1.2课题研究的意义
雷电灾害是我国仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害之后名列第三的气象灾害。
因此,国内迫切需要加强雷电探测、预测与防护方面的基础研究和技术创新,以便寻找出合理的雷电灾害监测和预警措施,在防雷减灾工作中发挥重要作用。
本课题就是从这一点出发,将GIS的相关技术融入到雷电监测和预警中,把雷达回波图像数据通过转换后导入系统,叠加在图层上,再根据叠加后的图像分析判断各地是否有发生雷暴的可能,从而为防雷减灾工作提供方便、直观的决策服务,达到对雷电灾害监测预警的目的。
1.3课题研究的方法
本课题研究的关键在于雷电灾害监测预警系统软件的设计。
经过综合考虑,本课题采用在VisualBasic中添加MapX控件的方式进行系统的设计,并利用MapInfoProfessional软件对雷达回波图像进行格式转换、配准等工作,再将图层导入系统进行图层叠加,最终经过分析达到雷电灾害监测预警的目的。
1.4本文的主要结构
本论文所完成的任务是对基于GIS的雷电灾害监测预警系统进行研究,设计了一个为本课题服务的软件,形成了一套比较完整有效的雷电灾害监测预警方案。
本论文在总体结构上共分为5章。
第1章引言,本章介绍了雷电灾害的严重性、雷电灾害监测预警的意义和国内外发展现状,并阐述了本课题的主要研究方法。
第2章雷电的形成和监测预警原理,本章在简要介绍雷电是怎样形成的基础上,阐述了雷电灾害监测预警的原理,其中提到了一种利用雷达回波强度和回波顶高判断雷电灾害发生可能性的方法。
第3章基于GIS的雷电灾害监测预警的理论基础,本章首先叙述了GIS和MapX的相关知识,然后详细说明了雷达回波资料在雷电灾害监测预警方面的应用,包括雷达回波强度和雷达回波顶高,最后阐述了GIS技术在本课题研究的雷电灾害监测预警系统中的应用。
第4章基于GIS的雷电灾害监测预警的实现方法,本章依据以上两章的理论为基础,详细阐述了本课题基于GIS的雷电灾害监测预警的实现方法,并对结果进行了分析,模拟了雷电预警。
第5章结论,对全文进行总结,并对本课题的前景进行展望。
2雷电的形成和监测预警原理
2.1雷电的形成
雷电是大气中的放电现象,雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,因此常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风。
积雨云顶部一般较高,可达20km,云的上部常有冰晶。
冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流等过程,使云中产生电荷。
云中电荷的分布较复杂,但总体而言,云的上部以正电荷为主,下部以负电荷为主。
因此,云的上、下部之间形成一个电位差。
当电位差达到一定程度后,就会产生放电,这就是我们常见的闪电现象。
闪电的平均电流为3×104A,最大电流可达3×105A。
闪电的电压很高,约为108至109V。
一个中等强度雷暴的功率可达104kW,相当于一座小型核电站的输出功率。
放电过程中,由于闪道中温度骤增,使空气体积急剧膨胀,从而产生冲击波,导致强烈的雷鸣。
带有电荷的雷云与地面的突起物接近时,它们之间就发生激烈的放电。
在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。
这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。
雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难,尤其是近几年来,雷电灾害频繁发生,对国民经济造成的危害日趋严重。
2.2雷电灾害监测预警的原理
近20年来,由于对雷电现象的深入研究以及遥感遥测等技术的发展,在雷电探测特别是对地闪的监测和定位方面实现了突破。
目前,实时地闪探测技术已较为成熟,可以给出地闪发生的位置、强度、极性以及回击次数等信息[1]。
目前,国内外对雷电进行监测预警的方法有很多,但是鉴于雷电具有发生时间短、频率高、影响范围广和变化多样等特点,直接将国外现有研究成果用于我国的雷电监测预警工作显然是不切实际的。
而雷达是目前很多国家和地区都广泛架设了的一种探测设备。
它不仅观测结果达到一定的精细程度,能够反映云内粒子的宏观特征,而且探测周期短,两次扫描之间的间隔通常只有5—6分钟,这就为雷电的预警预报提供了空间结构上相对完整、时间上足够密集的数据。
因此,雷达资料也成为了目前条件下进行雷电监测预警的首选资料。
云中降水和起电有着密切关系,综合以往的研究经验,选用天气雷达的反射率因子和回波顶高来预报雷电的发生和雷电强度,是比较科学合理的。
反射率因子是描述对流程度的最直观的参量之一。
回波顶高也是衡量对流强烈程度的重要物理量,对流越强,雷电越强。
雷击灾害发生的可能性不但与闪电频数有关,还与闪电强度有关,闪电一般发生在回波强度≥40dBz、组合反射率≥45dBz、回波顶高≥12km的具有典型强对流特征的区域;回波强度越强、顶高越高,发生雷电的可能性越大,可能出现的雷电灾害越严重[2]。
3基于GIS的雷电灾害监测预警理论基础
3.1GIS综述
3.1.1GIS简介
地理信息系统(GeographicInformationSystem简称GIS)是20世纪60年代中期兴起的一门交叉边缘学科。
它利用计算机建立地理数据库,将空间地理分布状况及所具有的属性进行数字存储,建立数据管理系统,同时开发各种分析和处理功能,以便快速获取信息,并将处理结果以地图、图形及数据的形式表示出来,其核心是管理、计算、分析地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据库系统。
各种自然灾害的研究都要涉及到大量的空间数据和属性数据,GIS能方便地统一管理这些空间数据和属性数据,并提供数据的查询、检索、更新及维护操作。
GIS具有的强大空间分析和图形表达能力,可以直接为灾害监测预警和减灾工作提供决策服务。
如利用GIS的空间叠加分析能力,可以进行灾情的快速评估等等。
利用GIS空间建模功能,能够构建各种具有专业性、综合性、集成性的分析模型来完成具体的实际工作,解决以前只有靠专家才能解决的复杂专业问题。
综合天气雷达回波资料和GIS的强大空间分析能力,对雷电预警的落点和强度能够更有效准确地做出预测,对自然灾害的防灾减灾做出及时的预警和预报,把灾害造成的损失降低到最小程度[3]。
随着GIS在气象领域的开展,将GIS技术应用到雷电监测预警中,有着广阔的应用前景。
3.1.2MapX简介
MapX是MapInfo公司向用户提供的具有强大地图分析功能的32位OCX控件,它是一种基于Windows操作系统的标准控件,能支持绝大多数标准化开发环境,用户可以用VisualC++,VisualBasic,Delphi等语言进行开发,轻松地将地图功能嵌入到应用程序中,并且可以脱离MapInfo的软件平台运行。
MapX的主要功能包括:
显示MapInfo格式的地图;对地图进行放大、缩小、漫游、选择等操作;专题地图;图层控制;数据绑定;生成和编辑地图对象;简单地理查询等。
同时,MapX采用基于MapInfoProfessional的相同地图化技术,具有MapInfoProfessional绝大部分地图编辑和空间分析功能。
MapX还提供了各种工具、属性和方法,操作起来非常方便,因此近年来得到了迅猛发展。
3.2雷达回波资料在雷电灾害监测预警方面的应用
就目前国内外雷电灾害监测预警的发展现状来看,雷达无疑是最有效、最重要的工具。
因此,雷达资料也成为了目前条件下进行雷电灾害监测预警的首选资料。
随着雷达领域的发展,新一代多普勒雷达逐步取代了传统雷达,在灾害性天气监测、预警方面,发挥着不可替代的作用。
而对于雷电灾害的监测预警,其中主要用到了2个预报因子:
雷达回波强度和雷达回波顶高。
3.2.1雷达回波强度
在雷达探测中,雷达显示终端上出现的回波是多种多样的,大致可分为气象回波和非气象回波两大类。
在雷达探测中,主要关心的是气象回波的识别、分析和研究。
雷达气象回波是由雷达发射、经大气及其悬浮物散射而返回被雷达天线所接收的电磁波。
我们通常所说的雷达回波强度指的就是雷达气象回波的强度。
雷达回波强度通常用雷达反射率因子Z值来度量,而从回波形态特征也可以知道其回波强度[4]。
随着多普勒天气雷达获取的回波信息(包括强度、径向速度和速度谱宽信息)与有关天气现象之间关系的认识的不断深入,人们需要对上述信息作进一步的加工、计算和处理生成某些与气象有关的物理量,进而产生相关的数据或图像,总称为雷达产品[5]。
基本反射率和组合反射率就是对回波强度进行显示的图像产品。
如图3-1是CINRAD型S波段多普勒天气雷达的基本反射率图像产品。
图中不同的颜色代表了不同的回波强度,回波强度越强,则反射率越强,发生强对流天气的可能性也就越大。
通过国内外的研究表明,40dBz可以作为预测雷暴是否发生的一个特征回波强度。
40dBz回波强度是绝大多数发展较旺盛的单体都能够达到的强度,并且该强度的回波无论从出现时间、持续时间还是达到的高度都和非雷暴单体有着较明显的差异,因而是区分雷暴和非雷暴单体的一个较好雷达特征参量。
从图3-1可以看出某地的回波强度已经达到了61dBz,可以初步判断当地有发生雷电灾害的可能。
图3-1雷达基本发射率图像产品
3.2.2雷达回波顶高
一般而言,对流的强弱在一定程度上和回波伸展的高度有关,所以回波顶高产品可以用来分析估计雷达探测范围内不同地区的对流发展以及对流相对强弱的情况。
如图3-2是CINRAD型S波段多普勒天气雷达的回波顶高图像产品。
和回波强度一样,回波顶高也是衡量对流强烈程度的重要物理量。
对流越强,雷电越强,可能发生雷电灾害的可能性就越大。
历史经验表明,雷电往往发生在具有典型强对流特征的区域,而这些区域的回波顶高往往超过了12km。
从图3-2可以看出一些区域的回波顶高已经超过了12km,某地区的回波顶高甚至达到了16.8km,可以初步判断这些区域有发生雷电灾害的可能。
图3-2雷达回波顶高图像产品
3.3GIS技术在雷电灾害监测预警方面的应用
GIS技术具有强大的空间分析和图形表达能力,可以直接为灾害监测预警和减灾工作提供决策服务,这也使得GIS技术在气象领域得到了深入开展和广泛应用,也使得其在雷电灾害监测预警方面有着广阔的发展前景。
3.3.1GIS技术与雷达回波资料的结合运用
用传统方法分析雷达回波资料,虽然可以在一定程度上实现对雷电的监测、预警,但是并不直观、形象。
当气象工作人员在雷达回波图上监测到上述雷电预警因子时,并不能马上精确地知道是哪个地点,所以就很难及时地为防雷减灾工作提供决策服务,从而使雷电灾害监测预警工作的准确性和实时性大大降低。
GIS技术具有强大的空间分析和图形表达能力,可以实现对矢量地图的多种操作。
将雷达回波图像产品与相对应的矢量地图通过图层叠加的方法,整合在一起显示,就可以对各地发生雷电灾害的可能性进行直观的分析、判断,其精确度甚至可以精确到某条街道。
综合天气雷达回波资料和GIS的强大空间分析能力,能对雷电预警的落点和强度能够更有效准确地做出预测,能对雷电灾害的防灾减灾做出及时的预警和预报,把灾害造成的损失降低到最小程度。
3.3.2图层叠加原理
图像由图层组成,每一个图层都是由许多像素组成的,而图层又通过上下叠加的方式来组成整个图像。
图3-3图层叠加原理
如图3-3所示,想象图层是透明的,而每一层都包含了地图的不同部分,这些图层是一层层叠加,这样您就可以看到整个地图信息。
我们可以将雷达回波图像看作一个图层,而矢量地图是一个图层集合(包含了省界、地级边界等许多地图相关图层),利用图层叠加原理就可以将雷达回波图像与相对应的矢量地图整合在一起显示。
3.3.3VB+MapX开发环境介绍
VisualBasic(简称VB)是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言,可用于开发Windows环境下的各类应用程序。
它简单易学、效率高,且功能强大可以与Windows专业开发工具SDK相媲美。
而VB相对于其他高级语言还具有门槛低,入门容易的特点。
在本章开始已经介绍了MapX具有十分强大的地图处理功能,现在只需要在VB中添加MapX控件,用户就可以使用MapX强大的功能了。
用VB添加MapX控件进行开发,用户可以随心所欲设计软件系统界面,不需编写大量代码去描述界面元素的外观和位置,而只要把预先建立的对象加载到屏幕上你所希望的位置即可。
4基于GIS的雷电灾害监测预警的实现方法
4.1系统设计
4.1.1系统总体功能框图
如图4-1所示是雷电灾害监测预警系统的总体功能框图。
系统拥有基本的地图控制功能,能够导入预先制作好的.GST格式地图集和.TAB格式图层,并且可以将经过处理的地图以栅格图片的方式输出,便于信息的发布。
同时,系统还拥有专题制图功能,可以将已制作好的.TAB格式图层里包含的数据信息,以各种类型的专题图的形式展现出来。
图4-1雷电灾害监测预警系统总体功能框图
系统的整体界面如图4-2所示。
本系统的主要划分为:
数据导入、地图控制、地图工具、专题制图和数据输出5个功能模块,下面将分别对这5个功能模块作介绍。
图4-2雷电灾害监测预警系统界面
4.1.2数据导入模块
此功能模块首先实现了.GST格式地图集导入功能,可以导入已制作好各种矢量地图集。
作为雷电灾害监测预警系统,需要分析处理地理范围广阔,此功能使得本系统可以根据不同地理位置导入相对应的地图集,系统具有很好的通用性。
其次此功能模块还实现了加载.TAB格式图层的功能,并可以任意控制图层的位置,为系统服务。
前文已经提到,本雷电灾害监测预警系统用到雷电判据主要来自雷达回波图像产品,此功能使得本系统可以根据需要加载已制作好的.TAB格式的雷达回波图像图层,并和矢量地图集叠加显示,从而达到了直观分析判断雷电灾害可能性的目的。
4.1.3地图控制模块
此功能模块实现了基本的地图操作功能,包括地图的放大、缩小、平移、居中显示、单选、复选、复位以及图层控制等功能。
并能在状态栏上实时显示当前鼠标位置的经纬度信息。
这些功能使得工作人员能够十分方便的操作控制地图,能够更加准确地判断雷电发生的地点,能够更加及时地发出雷电灾害预警警报。
4.1.4地图工具模块
此功能模块旨在为工作人员提供一些常用工具,进一步为雷电灾害监测预警服务。
图形标注工具可以让工作人员在发现可能发生雷电灾害的区域时给予及时的标注;地名标注工具可以标注出可能发生雷电灾害地区的名字;画线工具可以使工作人员在地图上画出各种辅助线,方便他们的工作;文字注释工具可以用文字完成图形和线条难以表达的意思,便于信息的发布;测距工具可以方便地测量出两地之间的实际距离,为雷电预警和雷电防灾减灾工作提供进一步支持。
而通过编辑菜单下属性的修改,还可以改变图形、线条和文字的样式,极大地丰富了系统的功能。
图4-3给出了这些地图工具的展示。
图4-3地图工具模块功能展示
4.1.5专题制图模块
图4-4专题制图模块功能展示
专题制图是用于分析和可视化数据的一种强大方法。
利用颜色阴影、填充图案、符号等,以可视化的形式显示数据。
根据数据中的特定值将这些颜色、图案或符号分配给地图对象,可以创建不同的专题地图。
利用MapX,可以创建拥有以下主题类型的专题地图:
值范围、分级符号、点密度、个别值以及柱状图和饼状图。
如图4-4是专题制图模块功能展示。
图中绘制出了2006年1至10月湖南省雷电发生时段的范围专题图,图中统计出了在2006年1至10月期间,湖南省雷电在各分时段发生地次数,并在地图上以特定的符号将雷电发生地位置显示出来。
符号和专题图属性还可以用专门的属性设置进行修改。
专题制图功能可以使.TAB格式图层所包含数据信息以各种统计图形的形式展现在地图上,使得工作人员可以更加形象地对雷电历史数据进行分析研究。
4.1.6数据输出模块
此功能模块以两种方式实现数据的输出。
第一种方式是将修改过的地图以.GST格式地图集的形式保存输出,使得工作人员可以直接调用以前的工作成果进行分析研究;第二种方式是将某一图层包括专题图等以栅格图像(包括BMP格式、JPG格式和GIF格式)的形式输出,用于信息发布。
4.2MapInfoProfessional应用
4.2.1MapInfoProfessional简介
MapInfoProfessional是美国MapInfo公司开发的、目前世界上比较完备、功能强大、全面直观的桌面地理信息系统。
同时,也是一套强大的基于Windows平台的地图化信息解决方案。
使用MapInfoProfessional,提供地图绘制、编辑、地理分析、网格影像等功能。
利用MapInfo提供的最佳决策支持系统,商业分析专家和GIS专家可以方便地将数据和地理信息的关系直观的展现。
本课题主要用到MapInfoProfessional的栅格图像处理功能,将栅格图像形式的雷达回波图像进行处理,转换为.
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