以GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統分析

簡浩宇 邱楚晴

摘要：文章圍繞以GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統，在簡單分析了雷電災害監測預警原理的基礎之上，著重分析了雷電災害監測預警系統具體的結構設計與相應功能的實現以供參考。

關鍵詞：GIS技術；雷電災害監測預警系統；設計與實現

前言

雷電作為自然災害的一種，對于人們生產生活帶來了嚴重的干擾與危害。與此同時，基于雷電發生時具有的時空性特點，可以在雷電災害監測預警系統引入GIS（地理信息系統），對于實現對雷電災害更加準確全面的監測預警分析具有重要的意義。

一、雷電災害監測預警原理分析

（一）雷聲識別

在討論雷聲識別前，首先要明確何為聲音，聲音從本質上來講即由一種物質或多種物質振動產生，這種振動通過空氣（或其他介質）分子傳遞到人耳朵的骨膜，并引發聽小骨振動，隨即刺激我們的聽覺神經，由此我們便聽到了“聲音”。同理，雷聲從本質上來講也是由某種物質產生振動引起的，雷電分為“雷”與“電”，先是“打雷”，這一過程即是由云層中大量正負電核中和引起的，期間產生的能量非常巨大，隨后便開始“放電”，放電介質是空氣，大量的電流在空氣中發生電離并放熱，受熱的空氣或空氣離子開始膨脹，由于不同空氣或空氣離子膨脹點具有一定的差異性，每一點膨脹速度并不相同，由此產生了振動，這些振動通過空氣傳遞到人的耳朵，由此我們聽到了雷聲。在具體進行雷聲計算時，一般會以聲音在空氣介質中的傳播速度是 340 m / s為主要依據，在看到雷電發出的光后開始計時，根據這一數據來判斷雷電大概所在位置范圍，通過這種雷電識別方式，對于雷電災害防范能夠產生非常重要幫助作用。

（二）雷聲方向測量

當下人們在雷聲距離判定上，已經能夠實現一個相對較為準確判斷，但要想準確掌握雷電發生位置，根據距離顯然是遠遠不夠的，還需要進一步判別雷聲的傳遞方向，在明確大致方向后，我們就可以結合雷電發生的距離，來對雷電發生位置有一個具體的把握，這對于雷電災害監測預警系統建立具有非常重要的影響意義。但從目前研究來看，針對雷電方向的研究依然有待更進一步的深入，尚未達到更高的準確度要求，需要相關研究人員進一步做好分析與總結，不斷縮減誤差，提高準確率。

二、以GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統結構設計分析

（一）功能設計分析

該系統在具體功能設計方面，主要以各種雷電測量數據為依據，例如閃電定位數據、衛星數據、電場儀數據等，并在基于GIS的平臺之上，進行雷電災害監測預警系統功能設計分析。具體來說，該系統在功能設計上主要包含四個模塊，一是雷電數據可視化監測功能模塊，該功能模塊主要是通過收集獲取各種雷電監測數據，并將這些數據進行進一步轉換，使其能夠在GIS平臺之上，實現統一的可視化顯示，方便相關雷電專家能夠通過更加直觀的雷電測量數據顯示，進行綜合的分析，為其提供良好的信息支持。與此同時，通過這一模塊，還能夠實現實時的數據查詢、疊加等操作。

二是雷電監測實時預警功能模塊，該模塊主要以某一時刻的各種雷電測量數據為依據，圍繞這一時刻，進行雷電發生的后續預測。例如會預測在這一時刻的15min后，雷電發生概率，雷電發生位置等信息，并且這種預測有著固定的時間段，共四個，除了15min，余下三個時間段為30min、45min、60min。該模塊還能夠將預測的結果在每個行政區域進行滾動顯示，針對于發生概率較高的區域，還能夠提供自動警報服務。與此同時，圍繞當日的預測數據，該模塊能夠實現基于GIS平臺的地理信息檢索查詢等操作功能。

三是雷電發生歷史資料分析功能模塊，該模塊主要負責雷電發生歷史資料的存儲與查詢，能夠完成對任意時刻不同雷電數據在地理信息系統之上的疊加分析，并以相應不同的雷電數據特征為依據，在基于地理信息平臺之上實現多種分析與操作，例如以雷電發生頻率數據為特征依據，實現對某個地區的雷電發生密度分析。

四是其他相應輔助功能模塊。該模塊主要服務于上述三種功能的實現，即提供上述三種功能實現的輔助功能，例如對于預測信息的生成與歸檔；幫助設置重點預警區域以及負責預警信息發送；處理過期的雷電數據資料；制作不同雷電信息專題圖；生成基于GIS的雷電災害監測預警系統運行日志等。

（二）系統架構設計分析

為更好的實現系統模塊功能，需要做好系統整體架構設計。本系統的系統架構設計框架體系如圖一所示，共分為3層邏輯結構層，不同邏輯結構層之間不僅有效實現了業務結構分離，同時在結構層具體實現方面也有效實現了分離，能夠分布于不同機器設備之中，從而使得系統整體數據運行及計算壓力得到有效的緩解，使得系統整體運行穩定性得到了有效的增強。具體來說，“自內而外”主要邏輯結構層內容包含如下：

一是數據處理層，主要處理的數據對象包括地理信息數據、自動站數據、雷達數據、衛星數據、閃點定位數據等。上述這些數據結構不同，來源各異，因此數據處理層即是要對這些不同的數據進行統一的處理分析，實現數據格式的統一轉換，完成與GIS平臺的無縫對接。另一方面，還要結合各種數據資料，做好雷電預測模型的整合，實現各個時間段的雷電發生概率預測信息分析，并進一步整合至地理空間信息平臺之上，實現基于不同地區的雷電發生概率分析。此外還需要將這些預測結果信息傳遞給數據存儲層，做好信息的組織存儲。

二是數據存儲層，主要負責接受來自數據處理成傳遞的各種雷電預測結果信息，并按照提升的方式進行統一的存儲、組織、管理，并負責實現相應對雷電預測結果信息的查詢等操作，在該數據存儲層下，使得不同類型結構的雷電預測結果數據統一變為GIS形式的數據，并能夠與GIS平臺實現無縫對接，為人們提供基于地理信息平臺之上更加直觀的數據查詢、檢索等服務。

三是客戶操作層，主要是在數據存儲層的基礎之上，將各種GIS格式數據進一步整合處理，實現相應數據的可視化表達。該邏輯層主要包含兩種功能展現，一種是實時發布基于地理信息平臺的直觀具體的雷電數據預測結果，并根據結果對相關地區進行雷電災害預警提示；另一種是對以往的歷史雷電預測資料信息進行處理分析。

圖一：系統邏輯結構層設計示意圖

三、以GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統結構實現

首先，該系統在具體實現上，依托的開發環境如下：主要開發語言為C#語言，基于WindowsXP系統，以ArcGIS為平臺，開發數據庫為SqlServer數據庫，整體架構與C/S架構與B/S架構的結合體。

其次，在基于GIS平臺的雷電預測數據統一轉換處理方面，主要是根據不同的數據類型特征，完成相應的GIS形式數據轉換。例如對于基于“場”類型的數據，如衛星數據、雷達數據等，將其轉換為GIS對應的柵格數據格式；針對位置特征比較突出的數據，例如閃點定位數據，將其轉換為GIS對應矢量數據格式，從而將各種不同類型的數據都轉換為相應的GIS數據格式，實現雷電數據信息與GIS平臺的無縫整合對接。

最后，在基于GIS平臺的雷電預測數據組織管理方面，系統采用SqlServer數據庫具備的空間數據庫模型“FileGeoDataBase”進行統一的存儲、組織、管理、在具體管理上，針對于不同類型的雷電數據（如雷達衛星格柵數據、閃電定位矢量數據），數據庫采取的是“分布存儲，集中管理”方式，實現不同空間數據在數據庫中相關對應關系建立，有效實現了數據查詢、檢索等操作功能。具體數據存儲模型如圖二所示。

四、總結

綜上所述，基于GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統建立是一種非常復雜且專業的過程，需要相關工作人員一定要明確雷電災害監測預警原理，進一步加強對以GIS技術為支撐的雷電災害監測預警系統結構設計與實現分析，在實際工作中，善于觀察分析，解決GIS技術與雷電數據處理之間存在的各種問題，從而有效提升雷電災害監測預警系統運行穩定性，進一步提升相關雷電監測預警工作開展水平與質量，為社會經濟發展提供更為強大的保障。

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