馮天計(jì)，張繼權(quán)，馬齊云

(東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 東北師范大學(xué)自然災(zāi)害研究所，吉林 長(zhǎng)春 130024)

基于GIS的北方草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)研究*

馮天計(jì)，張繼權(quán)，馬齊云

(東北師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 東北師范大學(xué)自然災(zāi)害研究所，吉林 長(zhǎng)春 130024)

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及可視化技術(shù)構(gòu)建草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)，在草原地區(qū)抗旱減災(zāi)工作中具有重要的作用。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)對(duì)草原干旱進(jìn)行識(shí)別，采用Visual Studio 2010和ArcGIS Engine 10.2結(jié)合C#語(yǔ)言和GIS技術(shù)，研發(fā)出草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)。以松嫩草原為實(shí)證研究區(qū)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GIS瀏覽與災(zāi)情管理、草原干旱識(shí)別空間化和干旱識(shí)別結(jié)果可視化等功能。該系統(tǒng)的構(gòu)建可為草原地區(qū)干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，為區(qū)域干旱災(zāi)害管理提供科學(xué)參考。

草原干旱；干旱識(shí)別；SPEI指數(shù)；可視化系統(tǒng)

干旱幾乎遍布世界各地，頻繁地發(fā)生于各個(gè)歷史時(shí)期。全球每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60 ～ 80 億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它氣象災(zāi)害。草原干旱災(zāi)害是最嚴(yán)重的草原自然災(zāi)害之一，其頻繁發(fā)生不僅造成草原地區(qū)牧草生產(chǎn)力的減少，也會(huì)對(duì)區(qū)域畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的影響[1-2]。中國(guó)作為世界上草原資源最豐富的國(guó)家之一，草原總面積將近4 億hm2，占全國(guó)土地總面積的40%,主要分布在內(nèi)蒙古地區(qū)、東北西部、西北荒漠地區(qū)和青藏高原等干旱半干旱區(qū)域。近年來(lái)，全球氣候變暖的影響與人類活動(dòng)強(qiáng)度的增加，我國(guó)草原干旱災(zāi)害問(wèn)題日趨嚴(yán)重，表現(xiàn)在干旱災(zāi)害影響范圍逐步擴(kuò)大、干旱強(qiáng)度逐漸增加、干旱持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因干旱造成的畜牧業(yè)等損失也呈現(xiàn)波動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，直接威脅著我國(guó)的糧食安全和生態(tài)安全[3-4]。

草原干旱災(zāi)害成因復(fù)雜，受自然因素與人為因素的綜合影響。目前，研究學(xué)者們通常采用干旱指標(biāo)來(lái)表征區(qū)域干旱強(qiáng)度，常見(jiàn)的氣候指標(biāo)主要有降水距平百分率指數(shù)(Pa)、標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)、正負(fù)距平指標(biāo)、BMDI 指標(biāo)、PDSI指數(shù)、Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降雨指標(biāo)(SPI)[5-6]。李春蘭等[7]以錫林郭勒盟草原為研究區(qū)域，利用SPI和Pa兩種干旱指數(shù)，對(duì)比分析了區(qū)域草原干旱災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性，并對(duì)干旱災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行區(qū)劃研究；張巧鳳等[8]以錫林郭勒盟草原為研究區(qū)域利用SPI指數(shù)，對(duì)區(qū)域1960-2013年干旱時(shí)空演變特征進(jìn)行分析；莊曉翠等[9]以新疆阿勒泰地區(qū)為研究區(qū)域，采用R、Z、K三種干旱指標(biāo)對(duì)區(qū)域干旱情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 結(jié)果表明只有考慮了蒸散作用的K指標(biāo)能較為客觀的反應(yīng)實(shí)際干旱情況，其他兩種指標(biāo)反應(yīng)的干旱程度較輕。標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI, standardize precipitation evapotranspiration index)是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的基礎(chǔ)加入潛在蒸散構(gòu)建的，具有多時(shí)空尺度的優(yōu)點(diǎn)[10]。該指數(shù)在我國(guó)各地均有很好的適用性，如王林等[11]利用SPI、PDSI與SPEI三種干旱指標(biāo)對(duì)歷史干旱事件進(jìn)行模擬并進(jìn)行了擬合度檢驗(yàn)，全面分析了SPEI指數(shù)在中國(guó)區(qū)域內(nèi)的適用性；張耀宗等[12]利用SPEI指數(shù)表征區(qū)域干旱強(qiáng)度，對(duì)寧夏地區(qū)1960-2012年干旱時(shí)空演變格局及其影響因素進(jìn)行了分析。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)干旱災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與及時(shí)預(yù)警，計(jì)算機(jī)技術(shù)及科學(xué)可視化技術(shù)在干旱災(zāi)害系統(tǒng)管理中的重要性日益凸顯。但當(dāng)前有關(guān)干旱系統(tǒng)的研究，較多針對(duì)傳統(tǒng)種植業(yè)作為研究對(duì)象，如李衛(wèi)寧等[13]以干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估為核心開發(fā)了基于GIS的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)；王瀟宇等[14]利用山東省濰坊市1971-2009年的氣象資料和干旱歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)等建立了干旱災(zāi)害評(píng)估模型，并開發(fā)了基于GIS的干旱評(píng)估系統(tǒng)；楊恒喜等[15]針對(duì)云南干旱，基于3S技術(shù)從旱災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)歷、監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、損失評(píng)估與防災(zāi)救災(zāi)措施等方面搭建了平臺(tái)框架。在草原干旱災(zāi)害系統(tǒng)研發(fā)方面，研究較多集中在草原干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)概念框架構(gòu)建方面，如卓義[16]利用降水在時(shí)間序列上的GAMMA分布概率函數(shù)為模型，基于遙感和GIS技術(shù)利用SPI指數(shù)對(duì)內(nèi)蒙古東部草原的干旱災(zāi)害進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)估；馬齊云等[17]構(gòu)建了草原干旱災(zāi)害災(zāi)情綜合數(shù)據(jù)庫(kù)及指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上提出了草原干旱災(zāi)害損失快速評(píng)估系統(tǒng)的概念框架。但是，當(dāng)前研究缺少草原干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)的研究，且主要集中在系統(tǒng)概念框架的探討方面。

松嫩草原分布于吉林與黑龍江兩省西部，是東北平原的主要組成部分，地處大陸性天氣與海洋季風(fēng)的交錯(cuò)地帶，屬于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)。當(dāng)前受氣候變化與人類活動(dòng)的影響，區(qū)域生態(tài)環(huán)境逐漸退化，尤其是頻繁發(fā)生的草原干旱災(zāi)害，嚴(yán)重制約著區(qū)域農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[18]?；诖?，本研究以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，采用ORACLE 11g數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用Visual Studio 2010和ArcGIS Engine 10.2平臺(tái)，建立北方草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)，并以松嫩草原為例進(jìn)行實(shí)證研究，以期為區(qū)域草原實(shí)時(shí)的干旱監(jiān)測(cè)與預(yù)警提供技術(shù)支持與科學(xué)的參考依據(jù)。

1 草原干旱識(shí)別指標(biāo)簡(jiǎn)介

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)是Vicente-Serrano等人[10]在2010年提出的，是在SPI指數(shù)基礎(chǔ)上引入了潛在蒸散項(xiàng)，是對(duì)降水量與潛在蒸散量差值序列的累積概率值進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。本研究選取SPEI指數(shù)對(duì)草原干旱進(jìn)行識(shí)別，該指數(shù)不僅考慮了降水對(duì)干旱的影響，同時(shí)對(duì)環(huán)境在不同溫度下的水分蒸散及其累積進(jìn)行了計(jì)算，從而更精確的反映出氣候?qū)Ω珊档淖饔门c制約關(guān)系[19]。綜上，SPEI指數(shù)適合對(duì)北方草原地區(qū)近年由于降水減少、溫度升高導(dǎo)致的草原干旱進(jìn)行分析和表征。

該指數(shù)主要計(jì)算過(guò)程有如下五個(gè)步驟：

(1)計(jì)算潛在蒸散發(fā)(PET)，即在供水充分的條件下地表蒸散發(fā)的能力，運(yùn)用Thornthwaite模型求得。

(2)計(jì)算水分虧缺，即月降水量和月潛在蒸散量之差，公式為：

Di=Pi-PETi。

(1)

式中：Di為水分虧缺，Pi為月降水量，PETi為月潛在蒸發(fā)量，單位均為mm。

(3)建立不同時(shí)間尺度的水分盈虧累積序列：

(2)

式中：n為計(jì)算次數(shù)，k為時(shí)間尺度(月)。

(4)將(3)式中所建立的序列用三參數(shù)邏輯回歸概率密度函數(shù)進(jìn)行擬合：

(3)

式中：f(x)為概率密度函數(shù)，α，β和γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和origin參數(shù)，通過(guò)線性矩陣法估算累計(jì)概率函數(shù)，公式為：

(4)

(5)對(duì)累積概率進(jìn)行正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，得到SPEI值：

(5)

根據(jù)前人研究對(duì)區(qū)域草原干旱程度進(jìn)行劃分[19]，劃分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 系統(tǒng)框架與數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)面向草原地區(qū)防旱抗旱需求，基于Windows 8.1操作系統(tǒng)開發(fā)，采用ORACLE 11g數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010和ArcGIS Engine 10.2，利用C#語(yǔ)言進(jìn)行GIS二次開發(fā)與集成，以松嫩草原為研究區(qū)域，以SPEI指數(shù)對(duì)區(qū)域草原干旱程度進(jìn)行識(shí)別，遵循易用性、直觀性、有效性和安全性等為基本原則，構(gòu)建出草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能主要有：GIS瀏覽與災(zāi)情管理子系統(tǒng)、草原干旱識(shí)別空間化子系統(tǒng)和干旱識(shí)別結(jié)果可視化子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)編寫時(shí)相對(duì)獨(dú)立，運(yùn)行時(shí)相互聯(lián)系。系統(tǒng)總體框架如圖1所示，根據(jù)模型驅(qū)動(dòng)決策支持系統(tǒng)概念，系統(tǒng)主要分為三個(gè)層次：最底端是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，中間是業(yè)務(wù)模型層，上端是用戶交互界面層。

表1 SPEI指數(shù)與干旱等級(jí)劃分

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)為：相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)與模型計(jì)算所需數(shù)據(jù)均儲(chǔ)存在相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)ArcSDE for Oracle(Spatial Database Engine，空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎)對(duì)所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、寫入和管理；采用C/S架構(gòu)，即客戶機(jī)/服務(wù)器架構(gòu)，用戶可以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算、結(jié)果輸出、系統(tǒng)維護(hù)等功能；MapObject通過(guò)ArcSDE組件鏈接各數(shù)據(jù)庫(kù)，可直接讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)，并可將計(jì)算結(jié)果直接寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，使用維護(hù)方便易行。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)基于歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)、歷史氣象數(shù)據(jù)、區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建區(qū)域草原干旱災(zāi)害綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括：空間圖形數(shù)據(jù)庫(kù)、人文經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)及臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有大量數(shù)據(jù)要讀取和寫入，為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，運(yùn)用ArcSDE for Oracle組件連接系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)。ArcSDE主要由ArcSDE服務(wù)器管理進(jìn)程、專用服務(wù)器進(jìn)程和ArcSDE客戶端組成。其中，ArcSDE服務(wù)器管理進(jìn)程用于監(jiān)聽客戶端的連接請(qǐng)求，專用服務(wù)器進(jìn)程用于建立客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，而ArcSDE客戶端用以實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作[20]。

值得注意的是，ArcSDE有應(yīng)用服務(wù)器連接和直接連接兩種方式，本系統(tǒng)采用直接連接方式連接數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用IPropertySet接口加載SDE數(shù)據(jù)庫(kù)。其優(yōu)點(diǎn)在于該連接方式可以在客戶端完成對(duì)數(shù)據(jù)的空間分析、編輯等操作，再把結(jié)果返回給數(shù)據(jù)庫(kù)，減少了數(shù)據(jù)庫(kù)的讀取，提高了系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。

通過(guò)研究其他相似系統(tǒng)和基于實(shí)際使用的需求，本系統(tǒng)所建立的4個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要功能介紹如下：

(1)空間圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。主要用于儲(chǔ)存研究區(qū)遙感圖像和柵格圖像等，不同時(shí)間尺度的草原降水圖，處理后的草原干旱風(fēng)險(xiǎn)圖等均儲(chǔ)存在此數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(2)人文經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要用于儲(chǔ)存歷史災(zāi)情信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、研究區(qū)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、抗災(zāi)物資數(shù)據(jù)、人文數(shù)據(jù)等等。

(3)干旱識(shí)別空間化數(shù)據(jù)庫(kù)。用于儲(chǔ)存SPEI指數(shù)計(jì)算中需要用到的數(shù)據(jù)，以及計(jì)算后的結(jié)果。

(4)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。用于儲(chǔ)存在系統(tǒng)運(yùn)行中的臨時(shí)數(shù)據(jù)包括計(jì)算時(shí)的中間數(shù)據(jù)、專題圖出圖時(shí)臨時(shí)數(shù)據(jù)等。

3 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

3.1 GIS瀏覽與災(zāi)情管理子系統(tǒng)

GIS瀏覽與災(zāi)情管理子系統(tǒng)的主要功能是方便整個(gè)研究區(qū)的地理信息與災(zāi)情信息的添加、查詢、顯示等。不僅可以圖文互動(dòng)的直觀的顯示研究區(qū)行政區(qū)劃、相關(guān)基礎(chǔ)地理屬性、觀測(cè)站站點(diǎn)位置等，還可方便用戶查詢歷史災(zāi)情信息、對(duì)歷史災(zāi)情進(jìn)行可視化顯示等功能，是構(gòu)成草原干旱災(zāi)害識(shí)別系統(tǒng)可視化界面的主要部分。該子系統(tǒng)主要由文件操作模塊、地圖瀏覽模塊和災(zāi)情管理模塊組成。

文件操作模塊分為兩部分，一部分負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)所需要的地圖文件進(jìn)行打開(.lyr，.shp，及.tif文件)、修改、保存、另存、輸出等操作；另一部分主要負(fù)責(zé)與圖層相關(guān)的操作，用于管理圖層文件與數(shù)據(jù)文件，由添加圖層、移除圖層、顯示屬性表、圖層可選與不可選等功能組成。該模塊實(shí)現(xiàn)了該子系統(tǒng)最基本的功能。

地圖瀏覽模塊主要完成地圖顯示、地圖漫游、地圖縮放(包括拉框縮放、滾輪縮放和按鍵縮放等三種縮放方式)、鷹眼地圖、全圖顯示、地圖要素選擇等功能，是系統(tǒng)可視化的核心，由主地圖和鷹眼地圖兩部分組成。鷹眼地圖和主地圖聯(lián)動(dòng)并實(shí)時(shí)同步，鷹眼地圖主要用于標(biāo)示主地圖當(dāng)前顯示的區(qū)域與整個(gè)研究區(qū)的位置關(guān)系，在鷹眼地圖上進(jìn)行拖動(dòng)點(diǎn)選等操作，主地圖也會(huì)同步更新顯示區(qū)域，可在放大倍數(shù)較大時(shí)快速選擇所需研究區(qū)域。界面如圖2所示。此外，本系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果可視化子系統(tǒng)也借助該模塊對(duì)干旱識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行顯示。

圖2 鷹眼地圖模塊與主地圖界面

災(zāi)情管理模塊主要用于顯示研究區(qū)范圍內(nèi)的歷史災(zāi)情，可按時(shí)間、地點(diǎn)等屬性查詢歷史災(zāi)情。同時(shí)，該子系統(tǒng)與識(shí)別結(jié)果可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)相聯(lián)系，計(jì)算后生成的識(shí)別結(jié)果儲(chǔ)存在該數(shù)據(jù)庫(kù)中。該模塊主要有區(qū)域歷史干旱信息查詢、各行政區(qū)干旱信息查詢和模糊查詢等功能組成。歷史干旱數(shù)據(jù)查詢用于查詢整個(gè)研究區(qū)不同時(shí)期下的干旱數(shù)據(jù)；各行政區(qū)干旱信息查詢用于查詢確定區(qū)域的歷年干旱數(shù)據(jù)；模糊查詢運(yùn)用IQueryFliter接口中的WhereClause方法定義屬性查詢條件，對(duì)有數(shù)據(jù)庫(kù)操作基礎(chǔ)的用戶提供了方便快速的查詢方法，不僅可以查詢不同時(shí)空的干旱信息，還可以對(duì)特定的SPEI值對(duì)應(yīng)的不同干旱程度區(qū)域直接進(jìn)行搜索。根據(jù)屬性信息查詢模塊如圖3所示。

圖3 模糊查詢模塊

3.2 草原干旱識(shí)別空間化子系統(tǒng)

草原干旱識(shí)別空間化子系統(tǒng)是整個(gè)北方草原干旱識(shí)別系統(tǒng)的核心部分，用于實(shí)現(xiàn)SPEI指數(shù)計(jì)算及其空間展布功能。整體運(yùn)行流程是運(yùn)用各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的歷年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)與月平均溫度數(shù)據(jù)計(jì)算得到各觀測(cè)站所在點(diǎn)的SPEI指數(shù)，然后利用空間插值技術(shù)對(duì)其他像元干旱情況進(jìn)行插值，實(shí)現(xiàn)干旱識(shí)別尺度從各個(gè)觀測(cè)站到整個(gè)區(qū)域的轉(zhuǎn)換。

3.2.1 SPEI指數(shù)計(jì)算

本系統(tǒng)基于SPEI指數(shù)對(duì)草原干旱進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)封裝方法對(duì)SPEI計(jì)算器進(jìn)行了封裝調(diào)用，即使用gcc對(duì)spei_source進(jìn)行編譯，將其封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(.dll)，在C#語(yǔ)言下通過(guò)P/Invoke來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其spei.c文件中main()函數(shù)的調(diào)用，主要代碼為：

[DllImport (“spei.dll”, EntryPoint = “main”)]
private static extern int Main(int argc, char *argv);

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)各觀測(cè)站1960-2014年的SPEI指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將其寫入到純文本文件內(nèi)，文件前四行分別為研究站名稱、研究站緯度、第一個(gè)數(shù)據(jù)的日期、季節(jié)尺度，第五行開始是研究站所觀測(cè)的逐月降水量和平均溫度，以分號(hào)為間隔。計(jì)算后將結(jié)果寫入到模型計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)的history_SPEI表中，保存格式依次是研究站名稱、緯度、SPEI初始日期、設(shè)定的計(jì)算間隔(1、2、3…12，本系統(tǒng)的歷史干旱數(shù)據(jù)所采用的計(jì)算間隔為1，即按月計(jì)算)和所計(jì)算出的SPEI指數(shù)。

對(duì)于今后實(shí)時(shí)觀測(cè)所需要添加的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，調(diào)用基于SPEI_source函數(shù)，在數(shù)據(jù)輸入窗口選擇研究站，輸入觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間、逐月降水量及月平均溫度，氣候數(shù)據(jù)以“/”間隔， 輸入的數(shù)據(jù)會(huì)按格式儲(chǔ)存在以研究站和第一個(gè)日期命名的純文本文件中，計(jì)算時(shí)在彈出的DOS窗口中輸入形如：SPEI計(jì)算間隔、輸入文件名稱和輸出文件名稱的命令，如圖4所示。計(jì)算后的SPEI值按格式儲(chǔ)存在模型計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)的added_SPEI表中。

圖4 DOS界面下SPEI計(jì)算窗口

3.2.2 SPEI指數(shù)空間展布

系統(tǒng)利用空間插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)尺度計(jì)算的SPEI指數(shù)空間展布至整個(gè)區(qū)域的過(guò)程。空間插值技術(shù)通過(guò)假定空間分布現(xiàn)象具有的空間相關(guān)性，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)方法等預(yù)測(cè)柵格數(shù)據(jù)中其他相鄰單元的值，插值結(jié)果將分離的點(diǎn)計(jì)算生成連續(xù)的面，是一種常用的技術(shù)手段。主要的空間插值方法有：反距離權(quán)重法(IDW)、克里金法(Krige)、樣條函數(shù)法(Spline)、趨勢(shì)面法(Trend)、自然鄰域法(Nature Neighbor)、通過(guò)文件實(shí)現(xiàn)地形轉(zhuǎn)柵格(Topo To Raster By File)和變異函數(shù)法(Variogram)等，在ArcGIS Engine中的Raster Interpolation OpClass就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)空間插值的類，該類有兩個(gè)主要接口：IRasterAnalysisEnvironment接口和IInterpolationOp2接口，前者用于設(shè)置空間分析環(huán)境，后者實(shí)現(xiàn)了上述7種空間插值方法。

考慮到研究區(qū)地形特征與各個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布，本系統(tǒng)采用反距離權(quán)重法進(jìn)行空間插值，該方法用樣本點(diǎn)與插值點(diǎn)之間的距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，距離越近權(quán)重越大[18,21]。調(diào)用IRasterAnalysisEnvironment接口，設(shè)置像元大小為1km×1km，處理范圍是整個(gè)研究區(qū)，調(diào)用IFeatureClassDescriptor接口的Create方法將Z值設(shè)為SPEI指數(shù)，調(diào)用IRasterRadius接口設(shè)置搜索半徑為固定值或變量，然后使用IInterpolationOp2接口的IDW方法返回IDW的插值結(jié)果，最后將各個(gè)柵格通過(guò)空間插值運(yùn)算得到的SPEI指數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成整個(gè)研究區(qū)干旱識(shí)別的計(jì)算過(guò)程。插值結(jié)果以2007年4月為例(圖6)。

圖5 SPEI指數(shù)空間插值結(jié)果(以2007年4月為例)

圖6 分級(jí)色彩符號(hào)化專題圖

圖7 專題圖保存類型選擇窗口

3.3 識(shí)別結(jié)果可視化子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于完成干旱識(shí)別結(jié)果的專題圖出圖和地圖整飾與輸出功能，主要包含專題圖模塊與地圖模板輸出模塊。可實(shí)現(xiàn)查詢不同行政區(qū)劃逐年逐月份的干旱程度的查詢，為抗旱減災(zāi)決策者提供更加直觀與準(zhǔn)確的結(jié)果。

專題圖模塊主要通過(guò)Class Breaks Renderer類實(shí)現(xiàn)分級(jí)色彩符號(hào)化功能。該功能將要素屬性分成若干級(jí)別再用不同的顏色表示出來(lái)，本系統(tǒng)中可選擇按照SPEI指數(shù)或干旱等級(jí)進(jìn)行劃分，用Field屬性設(shè)置劃分標(biāo)準(zhǔn)按照干旱等級(jí)劃分不同干旱標(biāo)準(zhǔn)，用Break Count屬性設(shè)置需要分級(jí)的個(gè)數(shù)，然后疊加區(qū)域行政區(qū)劃圖。以2007年6月為例，SPEI分級(jí)及區(qū)劃結(jié)果參見(jiàn)圖6。

地圖整飾輸出模塊主要用于修飾地圖和以JPG、PDF等格式輸出整飾后的地圖，輸出的地圖不僅要有地理數(shù)據(jù)的符號(hào)化顯示，還要包含圖例、比例尺、指北針等要素，該模塊就是用來(lái)在PageLayout中對(duì)地圖進(jìn)行修飾的。地圖整飾用到的這些要素都包含在MapSurround對(duì)象當(dāng)中，此類要素均與地圖動(dòng)態(tài)相關(guān)。圖例由LegendItem類和Legend類實(shí)現(xiàn)，指北針由MarkerNorthArrow類實(shí)現(xiàn)，比例尺由ScaleBar類實(shí)現(xiàn)，地圖格網(wǎng)使用MapGrid對(duì)象進(jìn)行添加，和其他整飾要素不同的是，由于AE本身的限制，地圖格網(wǎng)只能在PageLayout視圖中使用。在實(shí)際地使用中，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要，輸出JPG、PDF、TIF等格式的專題圖文件，如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)及可視化技術(shù)，面向草原牧區(qū)抗旱減災(zāi)的現(xiàn)實(shí)需求，以Windows 8.1為操作平臺(tái)，采用Visual Studio 2010和ArcGIS Engine 10.2結(jié)合C#語(yǔ)言和GIS技術(shù)，通過(guò)SPEI指數(shù)對(duì)區(qū)域草原干旱情況進(jìn)行識(shí)別，研發(fā)出了北方草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)。以松嫩草原為例進(jìn)行實(shí)證研究，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GIS瀏覽與災(zāi)情管理、草原干旱識(shí)別空間化和干旱識(shí)別結(jié)果可視化等功能。不同用戶可按照實(shí)際需求，基于實(shí)時(shí)觀測(cè)的SPEI指數(shù)，實(shí)現(xiàn)草原地區(qū)干旱災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警，可為草原地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)部門制定防災(zāi)減災(zāi)策略，進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)及水資源合理優(yōu)化布局等工作提供更科學(xué)具體的幫助。

此外，本系統(tǒng)還存在一些不足，有待進(jìn)一步完善。如草原干旱識(shí)別主要依靠區(qū)域降水及溫度等觀測(cè)數(shù)據(jù)，隨著當(dāng)前遙感技術(shù)的飛速發(fā)展及其產(chǎn)品的大規(guī)模應(yīng)用，可考慮在以后利用實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)耦合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的遙感數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)內(nèi)集成封裝，可進(jìn)一步為區(qū)域抗旱減災(zāi)提供科學(xué)的依據(jù)；在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用Activex等插件技術(shù)，也可實(shí)現(xiàn)干旱監(jiān)測(cè)及預(yù)警信息實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，進(jìn)一步提高區(qū)域居民的抗旱意識(shí)；在后續(xù)追加完善的功能中，也可以加入針對(duì)性的抗旱建議等信息，從而形成一個(gè)更加完善的輔助決策系統(tǒng)體系。

[1] 王宏, 李曉兵, 李霞, 等. 中國(guó)北方草原對(duì)氣候干旱的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(1):172-182.

[2] 馬齊云, 張繼權(quán), 王永芳, 等. 內(nèi)蒙古牧區(qū)牧草生長(zhǎng)季干旱特征及預(yù)測(cè)研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016, 30(7): 157-163.

[3] 張巧鳳. 錫林郭勒草原干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2016.

[4] 郭中小, 賈利民, 李振剛, 等. 干旱草原水資源利用問(wèn)題研究[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2012.

[5] 李柏貞, 周廣勝. 干旱指標(biāo)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(5):1043-1052.

[6] 趙麗, 馮寶平, 張書花. 國(guó)內(nèi)外干旱及干旱指標(biāo)研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(8):345-348.

[7] 李春蘭, 張繼權(quán), 俞立中, 等. 錫林郭勒草原干旱災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[C]// 風(fēng)險(xiǎn)分析和危機(jī)反應(yīng)中的信息技術(shù)-中國(guó)災(zāi)害防御協(xié)會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析專業(yè)委員會(huì)年會(huì)，2014.

[8] 張巧鳳, 劉桂香, 于紅博, 等. 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的錫林郭勒盟干旱特征分析[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2015, 24(5):119-128.

[9] 莊曉翠, 楊森, 趙正波, 等. 干旱指標(biāo)及其在新疆阿勒泰地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用[J]. 災(zāi)害學(xué), 2010, 25(3):81-85.

[10] Vicenteserrano S M, Beguería S, Lópezmoreno J I. A multiscalar drought index sensitive to global warming: the standardized precipitation evapotranspiration index [J]. Journal of Climate, 2010, 23(7):1696-1718.

[11] 王林, 陳文. 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)在中國(guó)干旱監(jiān)測(cè)的適用性分析[J]. 高原氣象, 2014, 33(2):423-431.

[12] 張耀宗, 張勃, 劉艷艷, 等. 1960-2012年寧夏強(qiáng)干旱時(shí)空格局及影響因素分析[J]. 災(zāi)害學(xué), 2016，31(1):120-127.

[13] 李衛(wèi)寧, 匡昭敏, 盧遠(yuǎn), 等. 基于GIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 39(28):17296-17298.

[14] 王瀟宇, 沙莎, 何永健. 基于GIS的氣象干旱評(píng)估系統(tǒng)研究——以山東省濰坊市為例[J]. 氣象與減災(zāi)研究, 2010, 33(4):43-47.

[15] 楊恒喜, 史正濤, 谷曉梅. 3S技術(shù)支持下的云南旱災(zāi)損失實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)研究[J]. 環(huán)境研究與監(jiān)測(cè), 2010(2):9-14.

[16] 卓義. 基于遙感與GIS技術(shù)的內(nèi)蒙古東部草原地區(qū)干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估研究[D]. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 2011.

[17] 馬齊云, 張繼權(quán), 王蕊, 等. 基于3S 技術(shù)的草原牧區(qū)旱災(zāi)損失快速評(píng)估系統(tǒng)初探[C]// 大數(shù)據(jù)時(shí)代的風(fēng)險(xiǎn)分析和危機(jī)反應(yīng). 2016.

[18] MA Qiyun, ZHANG Jiquan, SUN Caiyun, et al. Changes of reference evapotranspiration and its relationship to dry/wet conditions based on the aridity index in the Songnen Grassland, Northeast China[J]. Water, 2017, 9(5), 316-333.

[19] 高蓓, 姜彤, 蘇布達(dá), 等. 基于SPEI的1961-2012年?yáng)|北地區(qū)干旱演變特征分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2014, 35(6):656-662.

[20] 牟乃夏, 王海銀,李 丹, 等. ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)開發(fā)教程—基于C#.NET[M].北京: 測(cè)繪出版社, 2015:75-76.

[21] Ashraf M, Routray J K. Spatio-temporal characteristics of precipitation and drought in Balochistan Province, Pakistan[J]. Natural Hazards, 2015, 77, 229-254.

Abstract:The visualization system of grassland drought identification was developed based on computer technology and visualization technology. The system plays an important role in drought resisting in grassland area. In this paper, the standardized precipitation-evapotranspiration index was used to identify grassland drought. By using of the Visual Studio 2010 and ArcGIS Engine 10.2 software coupled with C# language programming and GIS technology, the visualization system of grassland drought identification was constructed. The Songnen Grassland in northern China was taken as study area, and the visualization system was utilized to GIS browse and disaster management, spatialization and visualization of the result of grassland drought identification. This system can be used as technology support for monitoring grassland drought and scientific reference for the management of grassland drought disaster.

Key words:grassland drought; drought identification; SPEI index; visualization system

GIS-based Visualization System for Grassland Drought Identification in Northern China

FENG Tianji, ZHANG Jiquan and MA Qiyun

(SchoolofEnvironment,NortheastNormalUniversity,InstituteofNaturalDisasterResearch,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China)

馮天計(jì)，張繼權(quán)，馬齊云. 基于GIS的北方草原干旱識(shí)別可視化系統(tǒng)研究[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(4)：202-207. [FENG Tianji，ZHANG Jiquan and MA Qiyun. GIS-based Visualization System for Grassland Drought Identification in Northern China[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：202-207.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.034.]

X43；S540.1 ；S812.1;P334

A

1000-811X(2017)04-0202-06

2017-03-08

2017-05-08

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題( 2013BAK05B02，2013BAK05B01)

馮天計(jì)(1993-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事生態(tài)安全評(píng)價(jià)與自然災(zāi)害預(yù)警等方面研究.E-mail：fengtj449@ nenu.edu.cn

張繼權(quán)(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事區(qū)域?yàn)?zāi)害與生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)警與應(yīng)急管理研究．E-mail: zhangjq022@ nenu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.034