精细化气象灾害预警系统的构建方法

[摘要]通过构建地理信息系统和用户数据库系统，以图形编程技术设计任意区域点画线选取功能；采用多边形夹角法建立"点与选取区域客观判定计算模型"，实现选定区域手机用户的甄别与提取；依托数据库编程技术建立融合地理信息系统的数据库，从而研究完成了精细化到0.01个经纬度的气象灾害预警系统，实现了对任意区域烟花生产用户的气象灾害预警。

[关键词]精细化 预警系统 构建方法

[中图分类号] P429 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-292-2

1引言

目前我国对气象灾害预警工作越来越重视，气象灾害预警信号的进入了规范化的管理，短信预警平台与日俱增，大型短信群发平台基本覆盖省级气象局，地市有少数气象局拥有中型短信群发平台，这些平台具有用户广，发送速率快等特点，但对特定区域，比如乡镇、村一级不具开展针对性的服务，即无法实现预警的精细化。众所周知，气象预警的范围与预报的难度成反比，范围越小，预警预报的难度越大。小范围的区域性预报和突发性的气象状况预报是世界公认的难题。目前国内外对公众预报预警的区域，基本上以县级行政区域以上为单位。我市气象预警预报实行的是全市范围内的统一，而我市地形复杂，各种灾害性的天气南北差异、地域性差异十分显著。对于上述这些时空分布极度不均匀的天气，按照全市统一预警信号势必造成空报或漏报，影响人们的生产生活。

随着多普勒雷达的普及应用，在短时临近预报方面作用越来越明显，实现突发性灾害的精细化预报已经可以实现，因此研究一套精细化预警信息群发系统具有很强的现实意义，如果能够实现精细化预警是一件得民心、有实效的大好事，同时也是一种新探索、新尝试。使精细化预警的“精确度”和“时效性”拥有了技术能力上的可能性，正是点点滴滴从传播到接收等诸多环节的“链接”与“覆盖”，精细化预警的社会网络和执行效率才“无障碍”实现了上通下达。为此我们研究开发了一套精细化气象灾害预警系统，系统开发主要包括自助地理信息系统、预警信息系统用户数据库、短信息群发系统和统一的软件平台四部分。

2技术方法

2.1自助地理信息系统的设计

要开展精细化区域预警，必须有一幅准确的背景地图，并且能够获取地图中的任意地理经纬度信息，为此，以Microsoft Visual Basic 6.0作为软件开发平台，地图的生成采用Line方法，即将地图分成若干段线条，用Line方法逐一绘制输出，因为我们常用的地理信息为经纬度坐标，而在软件设计时首先获得的是屏幕坐标，本例中以缇为单位，地图数据格式按照第一行为数据说明信息，其中第一个数据为经纬度数据的组数，下例中4表示下一行中有4对经纬度数据，也就是4个坐标点数据，第二行为经纬度数据对，萍乡地图数据格式如下：

4 207 274 1 65535

113.850 28.000 113.860 28.010 113.860 28.010 113.860 28.000

2 211 274 1 65535

113.920 28.000 113.860 28.000

……

所以当读取地图文件数据时，读取的是经纬度数据，但地图绘制输出时使用的是屏幕坐标，因此地图绘制时需要注意坐标的转换，绘制代码如下：

For i = 1 To number_point-1

Picture1.Line （（EX（i）-113.5）*9700，（28.01-EY（i））*9700）-（（EX（i+1）-113.5）*9700，（28.01-EY（i+1））*9700），&H0&

Next i

代码中113.5表示萍乡的最小的经度，28.01表示萍乡最大的纬度，是地图坐标的原点，数组EX（i）为读取地图文件中的经度数据，EY（i）为读取地图文件中的纬度数据，常数9700是可变的坐标转换系数，因为经纬度差值为很小的数，而地图的输出值为屏幕坐标，如直接将经纬度值作为屏幕坐标，输出的地图很小，必须放大后才能将绘制的地图适合屏幕大小，取坐标转换系数9700，当然实际应用中可根据需要设定，输出效果图略。相反要知道地图中任意位置的经纬度信息，则必须将屏幕坐标转换为经纬度坐标，设纬度为Y，经度为X，starty为任意拾取屏幕纵坐标，startx为任意拾取的屏幕横坐标，计算方法为：

Y=28.01-（starty）/9700

X=113.5+（startx）/9700

这样从经纬度坐标到地图的屏幕坐标和屏幕坐标到经纬度坐标实现了相互输出，形成了隐含在计算公式中的“自助”地理信息系统，这里所指的地理信息仅限于地图的经纬度信息，不包括地形高度等地理信息。

2.2预警区域选定的功能设计

生成背景地图后，要实现对区域的预警就必须设计对任意区域的选定功能，建立绘图区，首先通过鼠标拾取屏幕坐标，经计算后转换为经纬度坐标，当然计算时应当注意坐标转换系数的一致性，生成地图时为9700，在转换成经纬度坐标时相应要除以9700，这样才能保证自助地理信息的准确性，在鼠标的单击事件中将点击坐标处的经纬度保存为边界数据文件，将其记为TMP.TXT，再采用画线的方法，将连续点进行绘图输出，并最终完成区域的选定。

2.3用户地理信息库设计

为了实现对选定区域烟花生产用户的统计，首先要构建带经纬度信息的用户库，数据库的字段设计主要有经度、纬度、手机号、姓名、县名、乡镇名、村名、厂名，其中经度、纬度、手机号三个字段为必须字段，在选定区域的号码筛选中要用到，其他字段主要是为了后台维护。

3区域用户的提取

3.1点与闭合区域位置关系的客观判定

关于点与闭合区域位置关系的判定问题，四川省气象局钟晓平老师曾做了点与闭合曲线所围区域关系的客观判定方法研究[1]，本文主要采用多边型夹角法来实现对选定区域用户的提取，首先需要判断用户是否在闭合区域内，因为选定封闭区域前面已经做了边界处理，存储了边界文件，用户库也具备了地理坐标信息数据，因此，每一个用户可以将其视为一个坐标点，封闭区域可以看成是一个多变形，如果用户坐标点在多边形内，则其为选定用户，反之则不是要挑选的用户。为了判别点与闭合多边形的位置关系，我们采用夹角法建立数学判别模型，设点A0为任意点，如果A0在多边形内，分别与各顶点A1、A2、……An相连构成夹角α1、α2、……αn，设β=α1+α2+……+αn，因为从点A0到闭合多边形上各顶点的连线必然扫过一个圆周角，所以β=Σαi=360°，如图1（a）所示，当然当点A0在多边形的边上时仍然满足这一条件；如果A0在多边形外，则β=Σαi≠360°，如图1（b）所示，注意闭合多边形的起点同时也是它的终点，应该参与两次计算。

3.2夹角的计算

在数学中夹角的定义为两条直线L1，L2相交构成四个角，它们是两对对顶角。为了区别这些角，我们把这两对对顶角中较小的一对角的其中一个，叫做L1与L2的夹角。夹角大于等于零度小于等于90度。所以我们在此所称的夹角并非严格意义上的夹角，是以任意已知点到顶点依次连线所构成的角，其取值范围可以是钝角也可以是锐角，因此在求算过程中要分以下几种情况。设已知点坐标为A0（X，Y），另外两个顶点坐标分别为A1（X（1），Y（1））、A2（X（2），Y（2）），直线A0A1与横轴的夹角为α1，直线A0A2与横轴的夹角为α2，两直线夹角为β。

当X（1）=X时，即如果直线两个端点的横坐标是一样的，它与横坐标的夹角就是90度，此时，α1=90

当X（1）≠X时

α1=180×arctg （（Y（1）-Y）/（X（1）-X））/3.14，算出直线的斜率[2]，并转换为角度，此时如果α1

第二条直线的处理方法同第一条直线：

如果X（2）=X，则α2=90，

当X（2）≠X时，

α2=180×arctg（（Y（2）-Y）/（X（2）-X））/3.14

如果α2

分两种情况计算两直线的夹角：

如果Y>Y（1），并且Y

否则，两直线的夹角β=|（α2-α1）|

3.3选定区域用户的提取

从上面用户数据库的建立可见，烟花生产用户数据库为全市的接收特定用户，而有了点与闭合区域位置关系的客观判定方法后，选定区域用户的提取就变得简单易行，基本思路是：以用户数据库为基础，依次读取用户记录，每当读取一条用户记录后，再进行子循环，将其与边界文件的每个顶点相连，计算夹角之和，如果等于360°，则选定为待发预警用户，否则排除在外，以此类推便可完成对选定区域的用户提取。对于多个选定区域，则将边界文件在不同区域的数据段加入区分识别码即可。

4精细化区域预警的实现

预警气象短信息的群发一般通过数据库来实现，只是构建数据库的方式不尽相同，在此采用Access数据库，建立名为Telcode.mdb数据库文件，并在数据库中构建短信发送任务表，表名为T_SendTask，表中分别设有DestNumber字段，用来记录发送号码，Content字段记录发送内容，SendPriority字段标记发送优先级，取值为1-32，越大优先级越高，MsgType字段区别信息类别，比如普通信息为0，SendFlag字段用来记录短信息的发送状态，0为待发信息，1为正在发送，2为发送成功，短信发送主要通过AT指令进行。

5小结

综上所述，精细化气象灾害预警辅助系统的构建主要分为三步：

（1）开发设计地理坐标系统和地图自动生成模块，以数学方法构建地理坐标与屏幕坐标进行转换的数学公式，在软件运行过程中跟随鼠标实时计算并输出经纬度信息，且与背景地图实现无缝叠加，形成了“自助”地理信息系统。

（2）通过编程实现在背景地图上进行点画线功能，从而可以以画线的方式进行任意预警区域的选定。

（3）依托数据库编程技术建立带经纬度信息的烟花生产用户数据库，采用多边形夹角法建立手机用户是否在选定区域的客观判定方法，当通过画线选定预警区域后，系统将对手机号码进行甄别，并帅选出需要接收预警信号的用户群体，而不在区域内的用户则被排除在服务之外，从而实现精细化区域预警。

参考文献

[1]钟晓平.点与闭合曲线所围区域关系的客观判定方法[J].应用气象学报，2003，14（1）：P125-128.

[2]陈锡志，何天鹏.两直线夹角公式及应用[J].中学理科，1995，Z2期：P19-20.