以GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统分析

简浩宇 邱楚晴

摘要：文章围绕以GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统，在简单分析了雷电灾害监测预警原理的基础之上，着重分析了雷电灾害监测预警系统具体的结构设计与相应功能的实现以供参考。

关键词：GIS技术；雷电灾害监测预警系统；设计与实现

前言

雷电作为自然灾害的一种，对于人们生产生活带来了严重的干扰与危害。与此同时，基于雷电发生时具有的时空性特点，可以在雷电灾害监测预警系统引入GIS（地理信息系统），对于实现对雷电灾害更加准确全面的监测预警分析具有重要的意义。

一、雷电灾害监测预警原理分析

（一）雷声识别

在讨论雷声识别前，首先要明确何为声音，声音从本质上来讲即由一种物质或多种物质振动产生，这种振动通过空气（或其他介质）分子传递到人耳朵的骨膜，并引发听小骨振动，随即刺激我们的听觉神经，由此我们便听到了“声音”。同理，雷声从本质上来讲也是由某种物质产生振动引起的，雷电分为“雷”与“电”，先是“打雷”，这一过程即是由云层中大量正负电核中和引起的，期间产生的能量非常巨大，随后便开始“放电”，放电介质是空气，大量的电流在空气中发生电离并放热，受热的空气或空气离子开始膨胀，由于不同空气或空气离子膨胀点具有一定的差异性，每一点膨胀速度并不相同，由此产生了振动，这些振动通过空气传递到人的耳朵，由此我们听到了雷声。在具体进行雷声计算时，一般会以声音在空气介质中的传播速度是 340 m / s为主要依据，在看到雷电发出的光后开始计时，根据这一数据来判断雷电大概所在位置范围，通过这种雷电识别方式，对于雷电灾害防范能够产生非常重要帮助作用。

（二）雷声方向测量

当下人们在雷声距离判定上，已经能够实现一个相对较为准确判断，但要想准确掌握雷电发生位置，根据距离显然是远远不够的，还需要进一步判别雷声的传递方向，在明确大致方向后，我们就可以结合雷电发生的距离，来对雷电发生位置有一个具体的把握，这对于雷电灾害监测预警系统建立具有非常重要的影响意义。但从目前研究来看，针对雷电方向的研究依然有待更进一步的深入，尚未达到更高的准确度要求，需要相关研究人员进一步做好分析与总结，不断缩减误差，提高准确率。

二、以GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统结构设计分析

（一）功能设计分析

该系统在具体功能设计方面，主要以各种雷电测量数据为依據，例如闪电定位数据、卫星数据、电场仪数据等，并在基于GIS的平台之上，进行雷电灾害监测预警系统功能设计分析。具体来说，该系统在功能设计上主要包含四个模块，一是雷电数据可视化监测功能模块，该功能模块主要是通过收集获取各种雷电监测数据，并将这些数据进行进一步转换，使其能够在GIS平台之上，实现统一的可视化显示，方便相关雷电专家能够通过更加直观的雷电测量数据显示，进行综合的分析，为其提供良好的信息支持。与此同时，通过这一模块，还能够实现实时的数据查询、叠加等操作。

二是雷电监测实时预警功能模块，该模块主要以某一时刻的各种雷电测量数据为依据，围绕这一时刻，进行雷电发生的后续预测。例如会预测在这一时刻的15min后，雷电发生概率，雷电发生位置等信息，并且这种预测有着固定的时间段，共四个，除了15min，余下三个时间段为30min、45min、60min。该模块还能够将预测的结果在每个行政区域进行滚动显示，针对于发生概率较高的区域，还能够提供自动警报服务。与此同时，围绕当日的预测数据，该模块能够实现基于GIS平台的地理信息检索查询等操作功能。

三是雷电发生历史资料分析功能模块，该模块主要负责雷电发生历史资料的存储与查询，能够完成对任意时刻不同雷电数据在地理信息系统之上的叠加分析，并以相应不同的雷电数据特征为依据，在基于地理信息平台之上实现多种分析与操作，例如以雷电发生频率数据为特征依据，实现对某个地区的雷电发生密度分析。

四是其他相应辅助功能模块。该模块主要服务于上述三种功能的实现，即提供上述三种功能实现的辅助功能，例如对于预测信息的生成与归档；帮助设置重点预警区域以及负责预警信息发送；处理过期的雷电数据资料；制作不同雷电信息专题图；生成基于GIS的雷电灾害监测预警系统运行日志等。

（二）系统架构设计分析

为更好的实现系统模块功能，需要做好系统整体架构设计。本系统的系统架构设计框架体系如图一所示，共分为3层逻辑结构层，不同逻辑结构层之间不仅有效实现了业务结构分离，同时在结构层具体实现方面也有效实现了分离，能够分布于不同机器设备之中，从而使得系统整体数据运行及计算压力得到有效的缓解，使得系统整体运行稳定性得到了有效的增强。具体来说，“自内而外”主要逻辑结构层内容包含如下：

一是数据处理层，主要处理的数据对象包括地理信息数据、自动站数据、雷达数据、卫星数据、闪点定位数据等。上述这些数据结构不同，来源各异，因此数据处理层即是要对这些不同的数据进行统一的处理分析，实现数据格式的统一转换，完成与GIS平台的无缝对接。另一方面，还要结合各种数据资料，做好雷电预测模型的整合，实现各个时间段的雷电发生概率预测信息分析，并进一步整合至地理空间信息平台之上，实现基于不同地区的雷电发生概率分析。此外还需要将这些预测结果信息传递给数据存储层，做好信息的组织存储。

二是数据存储层，主要负责接受来自数据处理成传递的各种雷电预测结果信息，并按照提升的方式进行统一的存储、组织、管理，并负责实现相应对雷电预测结果信息的查询等操作，在该数据存储层下，使得不同类型结构的雷电预测结果数据统一变为GIS形式的数据，并能够与GIS平台实现无缝对接，为人们提供基于地理信息平台之上更加直观的数据查询、检索等服务。

三是客户操作层，主要是在数据存储层的基础之上，将各种GIS格式数据进一步整合处理，实现相应数据的可视化表达。该逻辑层主要包含两种功能展现，一种是实时发布基于地理信息平台的直观具体的雷电数据预测结果，并根据结果对相关地区进行雷电灾害预警提示；另一种是对以往的历史雷电预测资料信息进行处理分析。

图一：系统逻辑结构层设计示意图

三、以GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统结构实现

首先，该系统在具体实现上，依托的开发环境如下：主要开发语言为C#语言，基于WindowsXP系统，以ArcGIS为平台，开发数据库为SqlServer数据库，整体架构与C/S架构与B/S架构的结合体。

其次，在基于GIS平台的雷电预测数据统一转换处理方面，主要是根据不同的数据类型特征，完成相应的GIS形式数据转换。例如对于基于“场”类型的数据，如卫星数据、雷达数据等，将其转换为GIS对应的栅格数据格式；针对位置特征比较突出的数据，例如闪点定位数据，将其转换为GIS对应矢量数据格式，从而将各种不同类型的数据都转换为相应的GIS数据格式，实现雷电数据信息与GIS平台的无缝整合对接。

最后，在基于GIS平台的雷电预测数据组织管理方面，系统采用SqlServer数据库具备的空間数据库模型“FileGeoDataBase”进行统一的存储、组织、管理、在具体管理上，针对于不同类型的雷电数据（如雷达卫星格栅数据、闪电定位矢量数据），数据库采取的是“分布存储，集中管理”方式，实现不同空间数据在数据库中相关对应关系建立，有效实现了数据查询、检索等操作功能。具体数据存储模型如图二所示。

四、总结

综上所述，基于GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统建立是一种非常复杂且专业的过程，需要相关工作人员一定要明确雷电灾害监测预警原理，进一步加强对以GIS技术为支撑的雷电灾害监测预警系统结构设计与实现分析，在实际工作中，善于观察分析，解决GIS技术与雷电数据处理之间存在的各种问题，从而有效提升雷电灾害监测预警系统运行稳定性，进一步提升相关雷电监测预警工作开展水平与质量，为社会经济发展提供更为强大的保障。

参考文献：

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