黃曉龍+沈潤平+師春香+王迪+楊曉+閆英

收稿日期：2013-03-20

作者簡介：黃曉龍(1981—) ，男，四川自貢人，助理工程師,碩士，研究方向：氣象資料處理與開發(fā)。

文章編號(hào)：1003-6199(2014)02-0121-05

摘 要：陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)以其格式多樣性、海量性為主要特征。以GIS二次開發(fā)組件ArcGIS Engine， ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫管理工具，利用C#、IDL編程語言，構(gòu)建土壤濕度同化數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫，并將氣象數(shù)據(jù)具有時(shí)間域、空間域和屬性域等多維屬性與GIS數(shù)據(jù)模型相結(jié)合，研制開發(fā)綜合分析處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土壤濕度同化輸入?yún)?shù)與輸出數(shù)據(jù)的空間分析與管理。系統(tǒng)能夠滿足陸面同化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析需求，為土壤濕度同化產(chǎn)品的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供強(qiáng)大的支撐。

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關(guān)鍵詞：土壤濕度;陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng);GIS;ArcGIS Engine

中圖分類號(hào)：P208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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Research and Development of the Comprehensive Analysis and Processing System on Soil Moisture Assimilation Data

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HUANG Xiaolong1,4,SHENRunping1,2,SHIChunxiang3,DI Wang2, YANG Xiaoyue2,YAN Ying2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China;

2.Shool of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing,Jiangsu 210044, China;

3.National Meteorological Information Center, Beijing 100081, China;

4.Sichuan Meteorological Information Center, Chengdu,Sichuan 610072, China)

Abstract:The input and output data of Soil Moisture Assimilation system was characterized by diversity, massiveness in format. By using the ArcGIS Engine as GIS application the development component, the ArcSDE as spatial database engine and SQL Server2005 as database management tools, the soil moisture assimilation data spatial database has been build. Comprehensive analysis and processing system the soil moisture assimilation data provides a new way for soil moisture assimilation data spatial analysis and statistics. The system can satisfy the demands of data processing and analysis for the Land Data Assimilation system and provide a powerful support to business applications of the soil moisture assimilation products.

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Key words:soil moisture;land data assimilation system;GIS;ArcGIS engine

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1 引 言

土壤濕度的研究對(duì)氣候、生態(tài)、水文、農(nóng)業(yè)等方面都有著重要意義［1］。陸面數(shù)據(jù)同化已日趨成為陸面過程、氣象和水文研究中的熱點(diǎn)和前沿［2］。陸面數(shù)據(jù)同化起步于20世紀(jì)90年代末期，在吸收了大氣數(shù)據(jù)同化和海洋數(shù)據(jù)同化方法的基礎(chǔ)上得到快速發(fā)展。最具代表性的是幾個(gè)大區(qū)域同化系統(tǒng)的建立［3-7］，包括：北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(NLDAS)、全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GL-DAS)、歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(ELDAS)，以及我國西部陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(WCLDAS)和中國區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)(China Land Soil Moisture Data Assimilation System，(CLSMDAS)［8］。

目前，土壤濕度同化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤濕度的模擬計(jì)算，但對(duì)其以其格式多樣性的海量輸入和輸出數(shù)據(jù)的處理與分析往往需要借助其他多種軟件工具來完成，不能對(duì)其海量多源數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，更不能實(shí)現(xiàn)對(duì)同化結(jié)果的時(shí)間與空間進(jìn)行分析以及驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System, GIS）提供了一個(gè)集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析為一體的可視化平臺(tái)環(huán)境，其優(yōu)勢在于能夠?qū)ν寥罎穸韧瘮?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)規(guī)范化的管理，并與數(shù)值模型計(jì)算相結(jié)合實(shí)現(xiàn)分析與處理，結(jié)果形象直觀地可視化表達(dá)。

本文利用.NET Framework開發(fā)平臺(tái)，以SQL Server為數(shù)據(jù)庫管理工具，ArcSDE作為空間數(shù)據(jù)庫引擎，基于組件式ArcGIS Engine二次開發(fā)技術(shù)，C#和IDL混合編程技術(shù)和空間數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)（Soil Moisture Assimilation Data Analysis and Processing System， SMAPS）的研制與開發(fā)，并應(yīng)用于中國區(qū)域陸面土壤濕度同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理，綜合分析與土壤濕度產(chǎn)品的驗(yàn)證評(píng)價(jià)及其土壤濕度產(chǎn)品的制作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)

陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)和參數(shù)集、陸面過程模型、數(shù)據(jù)同化方法、觀測數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)等構(gòu)成［3］［6］。SMAPS作為陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料處理與應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)同化數(shù)據(jù)處理與分析，土壤濕度產(chǎn)品的制作與分發(fā)。其中組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖 

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SMAPS采用客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）開發(fā)模式，利用ArcGIS Engine9.3二次開發(fā)組件提供的API；采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，外部應(yīng)用程序通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE API訪問空間數(shù)據(jù)。SMAPS包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)兩大層次。以空間和屬性數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，GIS提供的可視化平臺(tái)，空間統(tǒng)計(jì)與分析功能實(shí)現(xiàn)土壤濕度同化數(shù)據(jù)的分析與處理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫接口軟件實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用系統(tǒng)的共享，應(yīng)用系統(tǒng)以數(shù)據(jù)層為支撐，面向用戶實(shí)現(xiàn)資料的分析與處理，資料的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和決策等具體應(yīng)用。其中基礎(chǔ)功能主要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、更新、檢索與輸出等功能；應(yīng)用功能則主要是基于GIS平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)要素瀏覽、空間分析、統(tǒng)計(jì)分析、趨勢分析、報(bào)表生成與打印、專題圖顯示與打印功能模塊等前臺(tái)系統(tǒng)功能模塊，以及用戶管理、數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)入庫等后臺(tái)管理功能模塊。

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2014年3月

第33第2期黃曉龍等:土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理系統(tǒng)的研制與開發(fā)

2.2 系統(tǒng)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)劃分為三個(gè)平臺(tái)。GIS系統(tǒng)支撐平臺(tái)提供對(duì)數(shù)據(jù)的可視化、分析、統(tǒng)計(jì)和制圖等工具；數(shù)據(jù)庫管理平臺(tái)提供對(duì)各種數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出和查詢操作?？梢暬c綜合分析處理平臺(tái)著重從時(shí)間和空間兩方面分析模擬和同化兩種土壤濕度產(chǎn)品與大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)、同化數(shù)據(jù)和模型輸出結(jié)果變量之間相互關(guān)系，并進(jìn)行臺(tái)站資料的驗(yàn)證，揭示土壤濕度模擬的空間分布特征，并對(duì)土壤濕度與其他要素變量之間進(jìn)行相關(guān)性與評(píng)價(jià)。SMAPS內(nèi)容框架設(shè)計(jì)如圖2所示：

土壤濕度對(duì)比驗(yàn)證分析包括了土壤濕度同化產(chǎn)品與站點(diǎn)資料的相互比較，如相關(guān)性分析（簡單相關(guān)性，偏相關(guān)性分析）、誤差分析（差值比較，偏差分析）、站點(diǎn)時(shí)間趨勢分析等。土壤濕度時(shí)空間變化規(guī)律分析包括土壤濕度多層分布特征、空間統(tǒng)計(jì)（時(shí)間趨勢統(tǒng)計(jì)，空間分區(qū)統(tǒng)計(jì)）、空間計(jì)算（土壤濕度加權(quán)運(yùn)算）、插值分析（Kring，Spline，IDW）、等值線、閥值分析（差值、比值）等。土壤濕度影響因子分析包括驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、地表參數(shù)、觀測資料和同化結(jié)果其他要素對(duì)土壤濕度的相關(guān)性影響。同化系統(tǒng)輸入資料分析包括對(duì)大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)、地表參數(shù)和觀測數(shù)據(jù)的分析，如對(duì)AMSR-E微波亮溫資料的變量讀取、圖像顯示、值查詢；對(duì)大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)的每種要素的不同屬性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、顯示、數(shù)值查詢、空間分析、時(shí)間分析、基本的統(tǒng)計(jì)分析、制圖輸出等功能；對(duì)上述參數(shù)的時(shí)空間分布特征、分析、處理和查詢功能，將陸面模式的地表數(shù)據(jù)更直觀的表達(dá)給用戶。

圖2 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析處理

系統(tǒng)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)圖

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3 空間數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

SMAPS處理的數(shù)據(jù)資料主要包括有地理空間數(shù)據(jù)、模式輸出數(shù)據(jù)、驗(yàn)證數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。該數(shù)據(jù)有以下特點(diǎn)： ①數(shù)據(jù)量特別巨大。 ②數(shù)據(jù)種類繁多，包括：數(shù)值模式數(shù)據(jù)、衛(wèi)星產(chǎn)品數(shù)據(jù)、觀測資料等多種資料。③數(shù)據(jù)格式多樣化，包括NC、HDF、BMP、TIF、TXT等。

以CLSMDAS)為例，構(gòu)建SMAPS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其組成如圖3所示。CLSMDAS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)資料、空間和屬性數(shù)據(jù)庫3子個(gè)庫組成。其中數(shù)據(jù)資料庫存放模擬數(shù)值產(chǎn)品、大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)和同化觀測資料AMSR-E等均為NetCDF自描述格式，由于NetCDF文件格式所擁有的自描述特性，只需要提取每個(gè)NC文件描述信息建表放入屬性數(shù)據(jù)庫，滿足用戶快速查詢，數(shù)據(jù)內(nèi)容按文件格式存放；屬性數(shù)據(jù)庫存放統(tǒng)計(jì)信息、用戶信息和SDE連接信息等；土壤濕度柵格數(shù)據(jù)集通過ArcSDE放入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫中，在Geodatabase數(shù)據(jù)模型中，將柵格數(shù)據(jù)集分割成若干的塊，并對(duì)其壓縮以提高訪問和存儲(chǔ)的效率［9］。

圖3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成

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3.2 數(shù)據(jù)訪問

SMAPS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)土壤濕度產(chǎn)品空間資料庫的查詢從時(shí)間和空間兩方面進(jìn)行，獲得土壤同化結(jié)果產(chǎn)品。查詢過程如圖4所示?？砂床煌Y料分類查詢，將獲得同化資料的基本信息，如資料的經(jīng)緯度范圍信息，變量維度以及屬性。

ArcSDE將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以某種標(biāo)準(zhǔn)的格式集成在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，使得海量矢量、柵格的土壤濕度同化數(shù)據(jù)可以保存到數(shù)據(jù)庫中，存取速度卻非?？??；赟QLServer 2005配置ArcSDE后，生成以GDB_開頭的系統(tǒng)表，該系統(tǒng)表為SDE中數(shù)據(jù)信息的描述，可通過SQL語句查詢SDE中表GDB_ObjectClasses中所有己經(jīng)注冊(cè)過的表即可遍歷整個(gè)ArcSDE數(shù)據(jù)庫。例如：查詢所有同化每月土壤濕度產(chǎn)品：SelectCmd = "select * from GDB_ObjectClasses where Name like '%Ass_Mon%'"。SMAPS土壤濕度產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 土壤濕度同化數(shù)據(jù)綜合分析

處理數(shù)據(jù)庫資料查詢

圖5 土壤濕度產(chǎn)品瀏覽與查詢界面

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4 數(shù)據(jù)可視化與分析

GIS能夠?qū)Φ乩硇胚M(jìn)行提取、表現(xiàn)和傳輸，根據(jù)作用的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，可分為三類：①基于空間圖形的分析運(yùn)算；②基于非空間屬性數(shù)據(jù)的運(yùn)算；③空間與非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運(yùn)算。分析手段包括主要邏輯、代數(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)運(yùn)算。將GIS空間分析運(yùn)用于土壤濕度的空間分布特征、演變規(guī)律和空間地物間相互作用的研究，將有利于揭示土壤濕度的分布規(guī)律特征，其主要包括站點(diǎn)資料插值、等值線繪制、空間特征分布和空間統(tǒng)計(jì)等，其分析流程如圖6所示。4.1 站點(diǎn)插值與等值線繪制

站點(diǎn)資料往往受時(shí)間分辨率低和空間分布不均的影響，插值是實(shí)現(xiàn)其區(qū)域時(shí)空分布最為常用的基本方法［10-11］，也是建立其空間模型的前提之一。ArcGIS Engine中克里格(Kging)插值算法是建立在區(qū)域化變量和半變異函數(shù)基礎(chǔ)上的一系列對(duì)有限區(qū)域內(nèi)的區(qū)域化變量取值進(jìn)行線性無偏最小二乘估計(jì)的方法，適用條件是空間變量存在著空間相關(guān)性，較能為真實(shí)反映土壤濕度的空間分布［12］。基于GIS土壤濕度站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)柵格插值將生成一個(gè)連續(xù)的表面，包括柵格表面的生成和數(shù)據(jù)重采樣。以2006年5月18日農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)資料為例，進(jìn)行了普通Kring插值分析，進(jìn)行插值與擬合，生成等值線，如圖7（左）所示。站點(diǎn)資料插值分布如圖7（右）所示。

圖6 土壤濕度資料空間分析流程圖

圖7 2005年5月18日站點(diǎn)土壤濕度等值

線圖與柵格圖

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4.2 土壤濕度空間統(tǒng)計(jì)與分析

將多個(gè)柵格圖層，以相同的空間位置的柵格單元為處理單元。通過某種算法進(jìn)行變換，得到新的柵格數(shù)據(jù)圖層，它是建立復(fù)雜的應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的最基本方法。柵格計(jì)算，不僅可以方便的完成基于數(shù)學(xué)運(yùn)算，如：算術(shù)、布爾、關(guān)系和基于數(shù)學(xué)函數(shù)的運(yùn)算。ArcGIS提供了一套空間分析統(tǒng)計(jì)函數(shù)，能夠分析一些土壤濕度隨時(shí)間、單元之間的變化，也可以把不需要的信息過濾掉，揭示土壤濕度數(shù)據(jù)隱含的信息，能夠深層的揭示數(shù)據(jù)變化的規(guī)律。一般統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果可用于其它分析，也可用于數(shù)據(jù)的整理，使數(shù)據(jù)更容易理解。不同的統(tǒng)計(jì)函數(shù)應(yīng)用時(shí)所對(duì)應(yīng)的單元不一樣，常分為單元統(tǒng)計(jì)、鄰域統(tǒng)計(jì)和分類區(qū)統(tǒng)計(jì)。

陸面同化模型對(duì)土壤濕度的模擬采用分層模型來預(yù)報(bào)。CLSMDA將土壤采用指數(shù)分為不均勻的十層，為了與其他數(shù)據(jù)資料做驗(yàn)證和比較，常常需要以土層厚度為加權(quán)系數(shù)，得到相應(yīng)的土壤體積含水率空間分布。10CM體積含水率計(jì)算公式［13］：其中Hsoil(1)—Hsoil(4)分別表示1至4層的模擬值。

HSoil=(Hsoil(1)*0.00710064+Hsoil(2)*

(0.027925-0.00710064)+Hsoil(3)*(0.0622586-

0.02795)+Hsoil(4)*(0.10-0.622586)/0.1

ArcGIS Engine中的IMathOp、ILogicalOp、ITrigOp等接口實(shí)現(xiàn)基于象元的柵格統(tǒng)計(jì)與計(jì)算功能，用于土壤濕度同化結(jié)果時(shí)間和空間的統(tǒng)計(jì)。利用IRasterBand接口將每個(gè)時(shí)間的土壤濕度柵格圖層存儲(chǔ)為一個(gè)波段對(duì)象，IRasterBandCollection接口的AppendBand方法加入到波段集合當(dāng)中，再利用IlogicalOp編程接口的LocalStatistics方法實(shí)現(xiàn)土壤濕隨時(shí)間的變化情況的統(tǒng)計(jì)，如：年、季、月平均土壤濕度；在固定時(shí)間內(nèi)土壤濕度的變化范圍等。以每月同化結(jié)果統(tǒng)計(jì)2006年春、夏、秋、冬四季的平均土壤濕度，如圖8所示。

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圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）

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土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識(shí)別方法，包括圖像的差值與比值運(yùn)算，是將一個(gè)時(shí)間土壤濕度與另一個(gè)時(shí)間土壤濕度對(duì)應(yīng)的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級(jí)矢量邊界圖層對(duì)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。

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圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）

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圖10 2010年5月省級(jí)平均土壤濕度分布

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5 系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 土壤濕度對(duì)比驗(yàn)證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗(yàn)證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅僅代表一個(gè)點(diǎn)值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行插值處理到站點(diǎn)數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點(diǎn)資料觀測時(shí)間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點(diǎn)上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點(diǎn)值，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行時(shí)間趨勢分析。將土壤濕度同化結(jié)果和模擬結(jié)果日、月尺度資料隨時(shí)間變化的站點(diǎn)趨勢分析，與觀測站資料進(jìn)行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結(jié)果，Sim：土壤濕度模擬結(jié)果）。 

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圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點(diǎn)資料

的趨勢對(duì)比分析

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5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對(duì)氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關(guān)鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對(duì)外服務(wù)的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號(hào)化和自由定制顏色的分類符號(hào)化對(duì)土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對(duì)濕度產(chǎn)品提供分級(jí)和顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)置土壤濕度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同范圍值給指定顏色進(jìn)行簡單符號(hào)化渲染。對(duì)2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。

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圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作

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6 結(jié)束語

基于GIS平臺(tái)的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺(tái)的建設(shè)，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關(guān)鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應(yīng)用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達(dá)，又能利用GIS強(qiáng)大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務(wù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實(shí)際業(yè)務(wù)需求。然而對(duì)于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，需要進(jìn)一步深入的研究。實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素在GIS中構(gòu)建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進(jìn)一步的深入探索，從而更好地實(shí)現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬柱國，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關(guān)系的研究進(jìn)展與展望［J］.地球科學(xué)進(jìn)展, 1999,14(3): 299-305.

［2］ 張秀英，江洪，韓英.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)及其在全球變化研究中的應(yīng)用［J］.遙感信息,2010(3)：135-143.

［3］ 黃春林，李新.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的研究綜述［J］. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2004（5）：424-430.

［4］ 汪薇，張瑛.陸面過程模式的研究進(jìn)展簡介［J］.氣象與減災(zāi)研究，2010（3）：1-6.

［5］ 劉惠明．陸面過程模型研究進(jìn)展簡介［J］.氣象研究與應(yīng)用．2009（12）：35-37.

［6］ 齊媛媛，陳瑩瑩，施建成.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理簡介［J］，遙感信息，2007（3）：93-97.

［7］ 李新，黃春林，車濤，等.中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)研究的進(jìn)展與前瞻［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2007（2）：163-173.

［8］ 師春香，謝正輝，錢輝，等.基于衛(wèi)星遙感資料的中國區(qū)域土壤濕度EnKF數(shù)據(jù)同化［J］，中國科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41（3）：375-385.

［9］ 沈林芳，劉仁義，劉南.基于SDEAPI的影像數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005(2)：24-2.

［10］袁愛民，王建源.氣候要素柵格化技術(shù)方法研究［J］.氣象，2006，32(6)：111-115.

［11］馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，11：13-20.

［12］馮仲科，空間數(shù)據(jù)的最佳內(nèi)插法(Kriging法)及其在GIS中應(yīng)用的構(gòu)想［J］.測繪科技動(dòng)態(tài)，1995，(3)：22-26.

［13］楊曉春.基于FY-2的大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)在土壤濕度模擬中的應(yīng)用［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2010.



圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）



土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識(shí)別方法，包括圖像的差值與比值運(yùn)算，是將一個(gè)時(shí)間土壤濕度與另一個(gè)時(shí)間土壤濕度對(duì)應(yīng)的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級(jí)矢量邊界圖層對(duì)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。



圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）





圖10 2010年5月省級(jí)平均土壤濕度分布



5 系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 土壤濕度對(duì)比驗(yàn)證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗(yàn)證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅僅代表一個(gè)點(diǎn)值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行插值處理到站點(diǎn)數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點(diǎn)資料觀測時(shí)間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點(diǎn)上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點(diǎn)值，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行時(shí)間趨勢分析。將土壤濕度同化結(jié)果和模擬結(jié)果日、月尺度資料隨時(shí)間變化的站點(diǎn)趨勢分析，與觀測站資料進(jìn)行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結(jié)果，Sim：土壤濕度模擬結(jié)果）。 



圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點(diǎn)資料

的趨勢對(duì)比分析



5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對(duì)氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關(guān)鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對(duì)外服務(wù)的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號(hào)化和自由定制顏色的分類符號(hào)化對(duì)土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對(duì)濕度產(chǎn)品提供分級(jí)和顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)置土壤濕度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同范圍值給指定顏色進(jìn)行簡單符號(hào)化渲染。對(duì)2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。





圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作

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6 結(jié)束語

基于GIS平臺(tái)的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺(tái)的建設(shè)，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關(guān)鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應(yīng)用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達(dá)，又能利用GIS強(qiáng)大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務(wù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實(shí)際業(yè)務(wù)需求。然而對(duì)于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，需要進(jìn)一步深入的研究。實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素在GIS中構(gòu)建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進(jìn)一步的深入探索，從而更好地實(shí)現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬柱國，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關(guān)系的研究進(jìn)展與展望［J］.地球科學(xué)進(jìn)展, 1999,14(3): 299-305.

［2］ 張秀英，江洪，韓英.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)及其在全球變化研究中的應(yīng)用［J］.遙感信息,2010(3)：135-143.

［3］ 黃春林，李新.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的研究綜述［J］. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2004（5）：424-430.

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［5］ 劉惠明．陸面過程模型研究進(jìn)展簡介［J］.氣象研究與應(yīng)用．2009（12）：35-37.

［6］ 齊媛媛，陳瑩瑩，施建成.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理簡介［J］，遙感信息，2007（3）：93-97.

［7］ 李新，黃春林，車濤，等.中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)研究的進(jìn)展與前瞻［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2007（2）：163-173.

［8］ 師春香，謝正輝，錢輝，等.基于衛(wèi)星遙感資料的中國區(qū)域土壤濕度EnKF數(shù)據(jù)同化［J］，中國科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41（3）：375-385.

［9］ 沈林芳，劉仁義，劉南.基于SDEAPI的影像數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005(2)：24-2.

［10］袁愛民，王建源.氣候要素柵格化技術(shù)方法研究［J］.氣象，2006，32(6)：111-115.

［11］馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，11：13-20.

［12］馮仲科，空間數(shù)據(jù)的最佳內(nèi)插法(Kriging法)及其在GIS中應(yīng)用的構(gòu)想［J］.測繪科技動(dòng)態(tài)，1995，(3)：22-26.

［13］楊曉春.基于FY-2的大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)在土壤濕度模擬中的應(yīng)用［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2010.

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圖8 2006年土壤濕度平均值分布（左上：春季；

右上：夏季；左下：秋季；右下：冬季）

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土壤濕度圖像代數(shù)一種比較簡單的變化區(qū)域及變化量的識(shí)別方法，包括圖像的差值與比值運(yùn)算，是將一個(gè)時(shí)間土壤濕度與另一個(gè)時(shí)間土壤濕度對(duì)應(yīng)的象元相減或者相除，從差值或比值圖像上勾畫出明顯的變化，如圖9所示。利用中國區(qū)域省級(jí)矢量邊界圖層對(duì)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。

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圖9 閾值分析（綠色代表大于閾值，黑色為小于閾值）

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圖10 2010年5月省級(jí)平均土壤濕度分布

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5 系統(tǒng)的應(yīng)用

5.1 土壤濕度對(duì)比驗(yàn)證分析

土壤濕度產(chǎn)品驗(yàn)證資料所采用的全國農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料，為站點(diǎn)數(shù)據(jù)，僅僅代表一個(gè)點(diǎn)值，與土壤濕度產(chǎn)品資料格點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析，主要有兩種方式：①土壤濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過插值處理，插值到與分析相匹配的網(wǎng)格上。②將土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行插值處理到站點(diǎn)數(shù)據(jù)上。農(nóng)業(yè)氣象站土壤濕度站點(diǎn)資料觀測時(shí)間和經(jīng)緯度信息，將土壤濕度產(chǎn)品雙線性內(nèi)插到站點(diǎn)上形成土壤濕度產(chǎn)品的站點(diǎn)值，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間的統(tǒng)一。將土壤濕度產(chǎn)品利用雙線性內(nèi)插到氣象站230個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行時(shí)間趨勢分析。將土壤濕度同化結(jié)果和模擬結(jié)果日、月尺度資料隨時(shí)間變化的站點(diǎn)趨勢分析，與觀測站資料進(jìn)行比較，如圖11所示（Sat：土壤濕度觀測站，Ass：土壤濕度同化結(jié)果，Sim：土壤濕度模擬結(jié)果）。 

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圖11 土壤濕度同化產(chǎn)品與站點(diǎn)資料

的趨勢對(duì)比分析

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5.2 土壤濕度產(chǎn)品制作

隨著人類對(duì)氣候影響的不斷加深，氣候系統(tǒng)也變得異常脆弱，近年來各種氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生。土壤濕度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為關(guān)鍵的氣象要素之一，土壤濕度產(chǎn)品的制作是對(duì)外服務(wù)的重要工作。系統(tǒng)中，采用拉伸色帶符號(hào)化和自由定制顏色的分類符號(hào)化對(duì)土壤濕度產(chǎn)品著色方案，對(duì)濕度產(chǎn)品提供分級(jí)和顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)置土壤濕度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同范圍值給指定顏色進(jìn)行簡單符號(hào)化渲染。對(duì)2006年8月18日土壤濕度產(chǎn)品的制作如圖12所示。

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圖12 土壤濕度同化產(chǎn)品產(chǎn)品的制作

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6 結(jié)束語

基于GIS平臺(tái)的同化數(shù)據(jù)綜合分析處理平臺(tái)的建設(shè)，成功的解決了同化系統(tǒng)資料處理與分析的關(guān)鍵性問題，有效的降低了模式系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的管理難度，提高了數(shù)據(jù)應(yīng)用效率。將數(shù)據(jù)處理和分析工具集成到GIS系統(tǒng)環(huán)境中，既能完成模式要素的可視化與表達(dá)，又能利用GIS強(qiáng)大的空間分析滿足同化系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析需求，形成土壤濕度業(yè)務(wù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)能夠較好的滿足科研和實(shí)際業(yè)務(wù)需求。然而對(duì)于陸面同化系統(tǒng)來說，其數(shù)據(jù)量不僅龐大，而且數(shù)據(jù)格式多種多樣；如何實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間與屬性數(shù)據(jù)的組織與管理，滿足多種不同數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，需要進(jìn)一步深入的研究。實(shí)現(xiàn)各個(gè)要素在GIS中構(gòu)建其可視化方案，與地理要素的聯(lián)合分析與處理，需要進(jìn)一步的深入探索，從而更好地實(shí)現(xiàn)模式模擬產(chǎn)品的分析、分發(fā)和數(shù)據(jù)的共享服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 馬柱國，魏和林，符淙斌.土壤濕度與氣候變化關(guān)系的研究進(jìn)展與展望［J］.地球科學(xué)進(jìn)展, 1999,14(3): 299-305.

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［3］ 黃春林，李新.陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的研究綜述［J］. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2004（5）：424-430.

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［5］ 劉惠明．陸面過程模型研究進(jìn)展簡介［J］.氣象研究與應(yīng)用．2009（12）：35-37.

［6］ 齊媛媛，陳瑩瑩，施建成.歐洲陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和原理簡介［J］，遙感信息，2007（3）：93-97.

［7］ 李新，黃春林，車濤，等.中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)研究的進(jìn)展與前瞻［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，2007（2）：163-173.

［8］ 師春香，謝正輝，錢輝，等.基于衛(wèi)星遙感資料的中國區(qū)域土壤濕度EnKF數(shù)據(jù)同化［J］，中國科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41（3）：375-385.

［9］ 沈林芳，劉仁義，劉南.基于SDEAPI的影像數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2005(2)：24-2.

［10］袁愛民，王建源.氣候要素柵格化技術(shù)方法研究［J］.氣象，2006，32(6)：111-115.

［11］馬軒龍，李春娥，陳全功.基于GIS的氣象要素空間插值方法研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2008，11：13-20.

［12］馮仲科，空間數(shù)據(jù)的最佳內(nèi)插法(Kriging法)及其在GIS中應(yīng)用的構(gòu)想［J］.測繪科技動(dòng)態(tài)，1995，(3)：22-26.

［13］楊曉春.基于FY-2的大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)在土壤濕度模擬中的應(yīng)用［D］.南京：南京信息工程大學(xué)，2010.