基于GIS的雷电灾害监测预警研究.doc

分类号：分类号：P457.9 U D C：D10621-408-（2009）0566- 0 密密 级：公级：公 开开 编编 号：号：2005021025 学学 位位 论论 文文 基于基于 GIS 的雷电灾害监测预警研究的雷电灾害监测预警研究 论文作者姓名：论文作者姓名： 申请学位专业：申请学位专业： 申请学位类别：申请学位类别：工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名（职职称称） ： 论文提交日期：论文提交日期：年年 月月 日日 第 III 页 共 20 页 基于基于 GIS 的雷电灾害监测预警研究的雷电灾害监测预警研究 摘摘 要要 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 30004000 人，财产 损失估计在 50100 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 Visual Basic 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。 关键词关键词：雷电；地理信息系统；监测预警；Visual Basic；MapX GIS-based Lightning disaster Monitoring and Early warning Research Abstract Lightning is the process of instantaneous discharge, which takes place in the atmosphere. Lightning is published one of the top ten disasters by the United Nations. Every year about 3000-4000 Chinese die from lightning and the property damage is about 50-100 billion. Historical experience shows that monitoring and early warning of lightning can reduce the lightning disasters effectively. Compared with other severe weather, lightning occurs in a short time with high frequency and impact of a wide range. Using the powerful geographic data analysis of geographic information systems (GIS) can be more effective to provide decision support for the lightning disaster monitoring and early warning. In this article, a method of designing a disaster monitoring and early warning system is described, based on GIS with Visual Basic and MapX. The system is on the base of the existing radar echo data, extracting the radar echo intensity and radar echo top height image products as monitoring factor. Then the system superposes the radar echo image on the actual map with the principle of layer superposition. After those, forecasters analyze the intensity of convective weather around and judge whether there is any possibility of lightning disasters according to the image, so as to achieve the purpose of lightning disaster monitoring and early warning. The author will make efforts to explore the applications of GIS technology in the lightning disasters monitoring and early warning. Key words：Lightning; geographic information system; monitoring and early warning; Visual Basic; MapX 目目 录录 1 引言 .1 1.1课题研究的背景 .1 1.2课题研究的意义 .1 1.3课题研究的方法 .2 1.4本文的主要结构 .2 2 雷电的形成和监测预警原理 .3 2.1雷电的形成 .3 2.2雷电灾害监测预警的原理 .3 3 基于 GIS 的雷电灾害监测预警理论基础 .4 3.1GIS 综述.4 3.1.1GIS 简介 .4 3.1.2MapX 简介 .5 3.2雷达回波资料在雷电灾害监测预警方面的应用 .5 3.2.1雷达回波强度.5 3.2.2雷达回波顶高.7 3.3GIS 技术在雷电灾害监测预警方面的应用.8 3.3.1GIS 技术与雷达回波资料的结合运用 .8 3.3.2图层叠加原理.8 3.3.3VB+MapX 开发环境介绍 .9 4 基于 GIS 的雷电灾害监测预警的实现方法 .9 4.1系统设计 .9 4.1.1系统总体功能框图.9 4.1.2数据导入模块.11 4.1.3地图控制模块.11 4.1.4地图工具模块.11 4.1.5专题制图模块.12 4.1.6数据输出模块.13 4.2MAPINFO PROFESSIONAL应用.13 4.2.1MapInfo Professional 简介 .13 4.2.2利用 MapInfo Professional 转换雷达回波图.14 4.3图层叠加 .15 4.4结果分析 .16 5 结论 .18 5.1全文总结 .18 5.2前景展望 .19 参考文献 .20 致 谢 .21 附 录 .22 1 1 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 30004000 人，财产损失估计在 50100 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。 2 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 Visual Basic 中添加 MapX 控件的方式进行系统的设计，并利用 MapInfo Professional 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。 3 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 20 km，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 3104A，最大电流可达 3105A。闪电的电压很高，约为 108至 109 V。一个中 等强度雷暴的功率可达 104 kW，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56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， 4 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 3.1 GIS 综述 3.1.1 GIS 简介 地理信息系统（Geographic Information System 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 5 监测预警中，有着广阔的应用前景。 3.1.2 MapX 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 Visual C+，Visual Basic，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 MapInfo Professional 的相同地图化技术，具有 MapInfo Professional 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） 6 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。 7 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12 km。从图3-2可以看出一 些区域的回波顶高已经超过了12 km，某地区的回波顶高甚至达到了16.8 km，可 以初步判断这些区域有发生雷电灾害的可能。 8 图 3-2 雷达回波顶高图像产品 3.3 GIS 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。 3.3.1 GIS 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。 9 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。 3.3.3 VB+MapX 开发环境介绍 Visual Basic（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 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。 10 系 统 总 体 功 能 设 计 数据导入 地图工具 专题制图 地图控制 输入.GST地图集功能 加载.TAB图层功能 地图的放大、缩小、平 移、复位、选择等功能 测距功能、画线功能、 图形标注、文本标注、 地名标注功能 针对地图集里的各个图 层制作各种专题图 数据输出 保存.GST地图集功能 输出栅格图片功能 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 11 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。 12 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 13 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。 4.2 MapInfo Professional 应用 4.2.1 MapInfo Professional 简介 MapInfo Professional 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 MapInfo Professional，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 MapInfo Professional 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.TAB 格式图层。具体方法在下节中介绍。 14 4.2.2 利用 MapInfo Professional 转换雷达回波图 想要将栅格图像形式的雷达回波图像转换为 MapX 可以显示的.TAB 格式图 层，而且要与雷达探测的实际地理地图相对应，则必须要根据实际的经纬度坐标， 对栅格图像形式的雷达回波图像进行配准，如图 4-5 所示。 图 4-5 雷达回波图像配准 对栅格图像进行配准的时候至少要找 3 个点对应地输入它们的真实经纬度坐 标，这样才能使配准后的图像能以.TAB 格式图层形式在地图上的正确位置显示。 本课题雷达回波图像配准的精确度直接决定了本雷电灾害监测预警系统工作的精 确性，所以，配准工作十分重要。从图 4-5 可以看出，图像配准用了四个点，且 每个点的经纬度都是经过精确测量和计算得到的，精确度达到了小数点后 6 位， 可以说，本雷电灾害监测预警系统的工作还是比较精确的。 雷达回波图像经过配准后，还要经过对比度、亮度和透明度等处理，才能导 入系统，和相关地图叠加显示。如图 4-6 所示是一转换完成的雷达回波.TAB 格式 图层。 15 图 4-6 转换完成的雷达回波图像（组合反射率） 4.3 图层叠加 将转换完成的.TAB 格式的雷达回波图层导入到雷电灾害监测预警系统，利 用图层控制进行调整，最终的叠加显示结果如图 4-7 所示。 图 4-7 雷达组合反射率图像与实际地图叠加显示 16 4.4 结果分析 图 4-7 叠加显示的雷达回波图像是 2007 年 6 月 24 日 23 点 12 分的是组合反 射率图像产品，其色调和对应的雷达回波强度如表 4-1 所示。 表 4-1 雷达组合反射率图像产品色调与回波强度关系 色调回波强度(dBz) 蓝色 520 绿色2035 黄色3550 红色5065 紫色6575 从图 4-7 可以看出在湖南省新宁县附近区域出现了大于 50dBz 的强回波，需 要进一步分析。现在将地图放大，如图 4-8 所示。 图 4-8 为进一步分析将地图放大 从图 4-8 分析得出，强回波中心位于新宁县西南约 16 公里，东经 110.7、 北纬 26.2的一个叫“夫夷水”的地区，该地区的最大雷达回波强度已经达到 17 58dBz,为进一步判断发生雷电灾害的可能性，需要进一步分析该地区的雷达回波 顶高图像。 按照上述方法将同一时刻的雷达回波顶高图像产品用 MapInfo Professional 进 行转换，并在地图上叠加显示，再将地图放大到所关心的地区，如图 4-9 所示。 图 4-9 雷达回波顶高图像与实际地图叠加显示 雷达回波顶高图像产品的色调和回波顶高的对应关系如表 4-2 所示。 表 4-2 雷达回波顶高图像产品色调和回波顶高的关系 色调回波顶高(km) 蓝色 29 绿色 914 黄色 1417 红色 1720 结合图 4-9 和表 4-2 可以得出， “夫夷水”地区有部分区域的回波顶高已超过 12 km，最高达到了 12.5 km，具有强对流天气特征。综合回波强度和回波顶高分 18 析，可以判断出“夫夷水”地区发生强对流雷雨天气的可能性很大，有发生雷电 灾害的可能性，应该向该地区发出雷电预警信号，提醒该地区做好防雷减灾工作。 5 结论 5.1 全文总结 我国的雷电灾害具有发生频次多、范围广、危害严重、社会影响大的特点， 雷电灾害严重威胁着我国的社会公共安全和人民生命财产安全。做好防雷减灾工 作，不仅是安全生产不可缺少的重要环节，也是经济建设、社会发展和人民生命 财产安全的重要保障，是维护社会稳定的大事。 实践证明，对雷电进行有效地监测和预警是减少雷电灾害的最有效途径。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，我国雷电预警预报准的确性还不够，短时雷电监测、预警能力还比较薄弱， 预警预报服务业务产品还需要进一步加强。 近年来 GIS 技术的迅速发展，使得将 GIS 技术应用于雷电灾害监测预警成为 可能。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。 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。 本课题就是从这一点出发，努力将 GIS 技术与雷电灾害监测预警相结合，用 在 Visual Basic 中添加 MapX 控件的方式设计了一个功能比较完善的雷电灾害监 测预警系统。利用 MapInfo Professional 软件将雷达回波栅格图像进行配准、透明 调整等一系列处理后，生成.TAB 格式的图层文件，再将其导入雷电灾害监测预 警系统当中，通过图层控制最终实现了雷达回波图像和实际地理地图的叠加显示。 19 同时通过系统中的各种地图控制功能，使工作人员能够更加方便、直观地分析发 生雷电灾害的可能性，大大提高了雷电监测预警的工作效率。 但是，由于开发条件所限制，本系统也存在一些不足之处。如系统工作地实 时性不够。由于系统没有和探测雷达直接通信的功能，只能利用现有的雷达回波 资料，所以本系统还不能用于雷电灾害的实时监测预警。另外，由于本人精力有 限，虽然经过多次调试，但是系统的某些地方仍然可能存在不足，希望大家批评 指正。 5.2 前景展望 GIS 技术的迅速发展，使得 GIS 技术在雷电灾害监测预警方面得到越来越广 泛的运用，也将会为我国的防雷减灾工作起到积极的推进作用。就目前我国的雷 电灾害监测预警现状来看，雷电监测的准确性还不够，雷电预警的实时性也还有 待加强，难以满足目前社会对雷电监测预警预报业务的需求。 从我国的实际情况出发，发展具有独立知识产权的卫星空间综合探测设备和 地面闪电探测设备，开发和完善全国闪电监测网的综合定位技术，不断改进闪电 探测系统的定位精度和探测效率。同时，以 GIS 技术为基础建立公众雷电服务系 统，开发适应公众需求、内容丰富的雷电信息产品，为森林防火、电力、交通、 航空航天、国防与军事、石油等应用部门提供更高质量的雷电信息应用产品。并 结合不同行业的特殊要求，提供专业雷电预警、灾害等级的科学评估和决策分析 系统，为国民经济建设服务。我认为是本课题今后的研究发展方向。 20 参考文献 1 都百万,王保强.雷电监测方法的研究.成都信息工程学院学报,2007,22(增刊):74-78 2 张腾飞，尹丽云，许迎杰等.2007 年 58 月云南省雷电活动特点和致灾因子分析.灾害学, 2009,24（1）：73-79 3 陈正江,汤国安,任晓东.地理信息系统设计与开发.北京:科学出版社,2005 4 张培昌，杜秉玉，戴铁丕.雷达气象学.北京：气象出版社,2001,272-274 5 何建新.现代天气雷达.成都：电子科技大学出版社,2004,274-277 6 孙燕燕,沈建国.强雷暴预报.北京：气象出版社,2001 7 宋培国,李林,杨慧娟.基于 GIS 技术的雷电监测系统.自然灾害学报,2006,15(6):72-76 8 谭浩强.Visual Basic 6.0 程序设计案例教程.北京：清华大学出版社,2008 9 齐锐.用 MapX 开发地理信息系统.北京：清华大学出版社.2003 10 罗启云,罗毅.数字化地理信息系统 MapInfo 应用大全.北京：希望电子出版社,2001 21 附 录 1：最终系统界面 2：主要程序 Private Sub Form_Load() Map1.CreateCustomTool RULERTOOLID, miToolTypeLine, miSizeCursor 创建插入图层 Dim newlayer As Layer Set newlayer = Map1.Layers.CreateLayer(temporary layer, , 1) newlayer.Editable = True Set Map1.Layers.InsertionLayer = newlayer Map1.Title.Visible = False 不显示标题 Combo1.AddItem 范围专题图 （miThemeRanged） Combo1.AddItem 柱状专题图 （miThemeBarChart） Combo1.AddItem 饼状专题图