歷史天氣圖數(shù)字化與數(shù)據(jù)檢索應(yīng)用

1、王新華(國家氣象中心氣侯資料中心 ,北京100081)提要為了實現(xiàn)歷史天氣圖的機(jī)器瀏覽與檢索分析 ,采用先進(jìn)的圖形數(shù)字化技術(shù) ,對原紙張型歷史天氣圖進(jìn)行數(shù)字化處理及檢索應(yīng)用 。關(guān)鍵詞 : 歷史天氣圖數(shù)字化處理地理信息系統(tǒng)m ica ps引 言作為珍貴的歷史氣象資料 ,歷史天氣圖 基本上是以紙張圖和膠片兩種形式存儲的 。近年來隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)的普 及 ,信息的交流方式以基于計算機(jī)的數(shù)據(jù)文 件為主 。在此同時 ,氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)深入發(fā)展 ,氣象資料的收集 、加工 、處理手段和 業(yè)務(wù)流程發(fā)生了根本性的變化 ,1997 年開始 紙張圖形式被取消且天氣圖格式全部是基于 計算機(jī)的 m ica

2、 ps 圖形數(shù)據(jù)文件1 。廣大預(yù)報 、科研人員對于歷史天氣形勢的檢索 ,希 望看到便于機(jī)器瀏覽與分析的數(shù)字化文件 。為此我們采用當(dāng)前最先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù) ,對1976 1985 年 10 年 4 個 層 次 ( 500 h pa 、700 h pa 、850 h pa 及地面) 08 時的紙張型歷史 天氣圖進(jìn)行數(shù)字化 ,以適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要 。1 新型數(shù)字化技術(shù)的引用歷史天氣圖數(shù)字化的實質(zhì)就是把紙張型 天氣圖通過相應(yīng)的硬件和軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)文件 。111 數(shù)字化儀提起圖形的數(shù)字化 ,則掃描儀的柵格掃 描技術(shù)早已廣為人知而且是人們普遍認(rèn)可的 。目前圖形數(shù)字化還有另一種新型的比較部一并存入機(jī)器文件

3、中 。它的最大優(yōu)點是能較好地保持原圖原貌 ,但它所對應(yīng)的只是一 張類似于照片的“死圖”,目前還沒有較成熟 的軟件能對其數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分離 ( 無法區(qū)分哪里是等值線 ,哪里又是底圖) ,這必然對圖 形內(nèi)部的檢索造成了困難 。數(shù)字化儀矢量化技術(shù)通過相應(yīng)的軟件系 統(tǒng)及必要的人工參與 ,可以實現(xiàn)紙張圖中線條 、標(biāo)記及底圖的分層數(shù)字化 ,從而方便有效地對其矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分離 ,以便再作進(jìn)一步 的處理及分析 。根據(jù) m ica ps 系統(tǒng)及數(shù)據(jù) 檢索應(yīng)用的需要 ,我們確定了數(shù)字化儀作為歷史天氣圖數(shù)字化設(shè)備 。112 數(shù)字化軟件c i t ys ta r 與 in pu t 是兩個數(shù)字化軟 件 。in pu t

4、 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 較 早 , 而 c i t ys ta r (城市之星) 作為 gis ( geograp hical info r ma2tio n system) 地理信息系統(tǒng)的子系統(tǒng) ,是當(dāng)前成熟的一種商業(yè)數(shù)字化軟件 。我們最初認(rèn)為in pu t 需要的人工參與工作較少 ,這樣可以 節(jié)省人力 、物力 ,有希望在較短的時間內(nèi)拿出10 年 (19761985 年) 的數(shù)字化產(chǎn)品提供應(yīng)用 ,而 gis 的 c i t ys ta r 需要大量的 人 工 參與 ,工作人員會十分辛苦 。但隨著進(jìn)一步成熟的商業(yè)軟件只有 gis 能有效地表述和處理 , 而 in pu t 不 是 商 用 軟 件 ,

5、 缺 乏 通 用 性 ;其二 , 與 in pu t 相比 , c i t ys ta r 不但 能更好地保持原圖信息 ,且精確度更高 。因 此 ,目前在工作中 ,我們多采用 c i t ys ta r 。113 gis2c i t ys ta r 分層數(shù)字化技術(shù)c i t ys ta r 分層數(shù)字化技術(shù)主要體現(xiàn) 在物理分層與邏輯分層上 。物理分層 : 數(shù)字化信息抽象為三種數(shù)學(xué) 概念 :點 、線 、面 。歷史天氣圖中等值線 、槽脊線 、鋒切變線和臺風(fēng)路徑以線表示 ; 冷暖中 心 、高低壓中心是以一個點坐標(biāo)表示 ;底圖則 以面來表示 。邏輯分層 :屬性相同的信息 (比如歷史天 氣圖中的所有等高線

6、信息) 作為一層進(jìn)行數(shù)字化 ,不但得到其坐標(biāo) ,同時也得到其屬性信息 ,以后利用 gis 空間數(shù)據(jù)庫還可對其屬性進(jìn)行編輯 。經(jīng)過以上兩個分層處理 ,一張歷史天氣 圖 (以高空圖為例) 即可分成四個層次分別進(jìn) 行數(shù)字化 ,即等溫線 、等高線 、槽線 、冷暖及高低壓中心 。2 歷史天氣圖數(shù)字化流程首先 ,庫存的紙張型歷史天氣圖經(jīng)過數(shù) 字化儀及相關(guān)軟件 ( gis 、in pu t) 的數(shù)字化 , 生成數(shù)據(jù)文件存儲于微機(jī)的磁盤上 ;其后 ,兩種格式 ( gis 、in pu t) 的數(shù)字化文件再經(jīng)過 格式轉(zhuǎn)換程序 ,統(tǒng)一為當(dāng)前預(yù)報員廣為使用 的 m ica ps (氣象信息人機(jī)交互處理系統(tǒng)) 格 式

7、 ;最后 ,歷史天氣圖在微機(jī)上實現(xiàn)檢索 ( 基 于 m ica ps 系統(tǒng)) 。流程圖見圖 1 。圖 1 歷史天氣圖數(shù)字化與應(yīng)用流程3歷史天氣圖數(shù)字化數(shù)據(jù)檢索歷史天氣圖數(shù)字化完成后 ,出現(xiàn)在我們 面前的一個新問題就是怎樣使它便于預(yù)報員檢索應(yīng)用 ,從而更好地為氣象預(yù)報和科研服務(wù) 。311格式轉(zhuǎn)換來已經(jīng)沒有了紙張繪圖 ,氣象預(yù)報員對實時天氣 圖 的 處 理 與 分 析 都 是 在 m ica ps 系統(tǒng)1下進(jìn)行的 ,為了實現(xiàn)歷史圖與實時天氣圖的統(tǒng)一 ,便于廣大預(yù)報員和科研人員對歷史圖的機(jī)器瀏覽和檢索 ,我們研制 in pu t , c i t ys ta r m ica ps (第十四類數(shù)據(jù)1 )

8、 的標(biāo)和球面投影 (經(jīng)緯度) ”的轉(zhuǎn)換 ,還有一些相關(guān)因素的考慮 ,包括 :歷史天氣圖的范圍 、縮 放系數(shù)及旋轉(zhuǎn)因子等 。x 1 = ( 22124546 - y / 48) ×co s ( - 5317)y 1 = - ( 22124546 - y / 48) ×sin ( - 5317)經(jīng)度 rl on 的取值分三種情況 ,如下 :當(dāng) x 1 < 010 且 y 1 010 時 :平 面 坐 標(biāo) ( x , y ) 經(jīng) 緯 度 ( rl on ,rl at ) 計算公式 (3) 和 (4) 如下 :首先設(shè)定兩個中間變量 x 1 , y 1 :+ x / 48 &#

9、215;sin ( - 5317)+ x / 48 ×co s ( - 5317)(1)(2)rl on = 18010/ 311415926/ 01716 ×( 311415926 + atan ( y1 / x 1 ) ) ;當(dāng) x 1 < 010 且 y 1 < 010 時 :rl on = 18010/ 311415926/ 01716 ×( - 311415926 + atan ( y1 / x 1 ) ) ;當(dāng) x 1 010 時 :rl on = 18010/ 311415926/ 01716 ×atan ( y1 / x 1

10、) ;緯度 rl at 的取值 :rl at = ( 311415926/ 4 - atan ( tan ( 311415926/ 12) ×pow ( ( sqrt ( x 1 × x 1 +y1 ×y 1 ) / ( 4449109/ 250) ) , 110/ 01716) ) ) ×210 ×18010/ 311415926(3)(4)歷史天氣圖的范圍是紙張?zhí)鞖鈭D經(jīng)緯度范圍的大小 ,此項因素不是一個固定值 ,幾年 有一個變化 ;縮放系數(shù)經(jīng)實驗分析定為 118 ;旋轉(zhuǎn)因子是為了使某一區(qū)域的天氣圖能夠方便地顯示在屏幕中央便于用戶使用 ,特選

11、取 一個角度使圖形旋轉(zhuǎn) 。312 天氣圖檢索m ica ps 系統(tǒng)主要應(yīng)用于準(zhǔn)實時的天氣 預(yù)報業(yè)務(wù)中 ,它在檢索方面可以說是一個空 白 。天氣圖檢索系統(tǒng)是在數(shù)字化工作及 m i2ca ps 基礎(chǔ)上開發(fā)的 ,適用于經(jīng)數(shù)字化 、格式 轉(zhuǎn)換的歷史天氣圖及現(xiàn)今 m ica ps 形式的實時天氣圖 。 天氣圖檢索系統(tǒng)采用當(dāng)前流行的 d el2p h i 4 作為編程平臺2 。大量應(yīng)用 d el p h i 語言的多媒體及組件設(shè)計技術(shù) ,系統(tǒng)擁有美 觀 、友好的用戶界面 。系統(tǒng)主要功能是 :通過對年 、月 、日 、圖層等字段進(jìn)行指定 ,用戶即可 準(zhǔn)確 、快捷地在計算機(jī) m ica ps 系統(tǒng)中對天 氣圖進(jìn)

12、行檢索分析 。檢索實例見圖 2 。熟的數(shù)字化技術(shù) (數(shù)字化儀對圖形的矢量化 ,gis 地理信息系統(tǒng)) 。高效性 :歷史天氣圖對于氣象預(yù)報及 科研人員都有著重大的參考價值 ,數(shù)字化的 完成徹底實現(xiàn)了從一張張堆積在庫房的“死 板”的紙張資料向“靈活”的機(jī)內(nèi)信息化文件 的有效轉(zhuǎn)換 ,檢索系統(tǒng)的研制更方便了預(yù)報員及科研人員對天氣圖資料的聯(lián)機(jī)瀏覽檢 索 ,大大提高了預(yù)報員及科研人員的工作效 率 ,更實現(xiàn)了與實時天氣圖的統(tǒng)一接軌 。準(zhǔn)確性 :數(shù)字化的歷史天氣圖其準(zhǔn)確 性與可靠性都得到了許多氣象專家及預(yù)報員的好評與認(rèn)可 。實用性 :歷史天氣圖數(shù)字化工作來自 于業(yè)務(wù) 、科研 ,最后的產(chǎn)品也將服務(wù)于業(yè)務(wù)和 科研

13、 。5 結(jié) 語紙張歷史天氣圖數(shù)字化與檢索系統(tǒng)的研 制 ,標(biāo)志著歷史天氣圖存檔及今后的廣泛應(yīng) 用真正 、全面地進(jìn)行了一次“質(zhì)”的飛躍 ,這對圖 2 1984 年 1 月 31 日 08 時 850 h pa 歷史天氣圖(高度場) 在 m ica ps 系統(tǒng)中檢索實例歷史天氣圖的數(shù)字化技術(shù)還有很大的提高空間 (例如格點資料反演技術(shù)) ; 歷史天氣 圖的數(shù)字化產(chǎn)品的深開發(fā)還有待繼續(xù) ( 例如矢量數(shù)據(jù)分析 ,氣象地理信息及屬性的定義 、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化等) 。這些工作都有很重要的業(yè)務(wù)價值 。參考文獻(xiàn)1 m ica ps 用戶手冊. 中國氣象局重點工程辦公室出版.2000 年.2 吳旭東 , 余濤編著. d

14、elp hi 310/ 410 多媒體與數(shù)據(jù)庫編 程. 北京 :清華大學(xué)出版社 ,1999 年.digitized histo rical synop tic chart s and it s ret rieval systemwang xinhua( climate data center ,nmc 100081)abstractin o rder to scan and ret rieve histo rical synap tic chart s o n co mp uter ,wit h advanced technique of grap hic digitizing ,a digitized histo rical synop tic chart and it s ret riev