基于动态数据的不规则区域内雨情统计系统的研究

宋杰，姚家振

（安徽大学计算机科学与技术学院，安徽合肥 230601）

摘要：各省份、县域需要对雨水量进行监测和统计，对不同地区、不同时间的雨水量有所了解，从整体上把握变化特征，并分析趋势，从而对农业、工业用水进行相关决策.等值线的提取就是对大量的、离散的、有一定规律的几何量值，用数学方法插值并将具有相同量值的点变换成图的过程.因此可以设计一个软件，根据等值线服务模型，将大量的离散数据转换成直观的图像，提供准确的、多方面的、直观的雨量统计结果进行综合分析.

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关键词：雨水量；等值线；插值；统计结果

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）02-0010-02

引言

随着计算机技术的迅速发展，等值线的研究和绘制也应用到了越来越广泛的领域，尤其是在雨水量的监测统计方面.等值线的提取就是对大量的离散数据，用数学方法插值将具有相同量值的点变换成图的过程.它将三维信息显示于二维平面，是进行地理要素空间特征分析的强大工具，数据与图像的结合，使技术人员能够准确地把握数据变化的趋势，从而进行有效的分析，以便事先做出预测，确保准确及时的处理.可用于从总体上把握研究对象的空间变化特征，通过绘制相应的等值线图简单而直观地进行综合分析，是一种常用而有效的表达方法.通过绘制等值线图，可以非常直观地了解掌握各个时间段各个地点的雨量信息.

WebGIS是将传统的GIS技术和网络技术结合起来，将地理数据和GIS功能以网络服务的方式在网络上发布，使用户通过普通的浏览器就能够使用地理数据和GIS软件提供的强大功能.此系统通过各个基站录入雨量信息，通过查询相关的历史数据，可以进行有效的数据分析.运用专业的ArcGIS地理信息处理模型，使用离散数据的插值和拟合，以生动直观的图形化方式反映雨水量的时空分布规律，用户可根据各区域的基站信息及实际情况选择等值线的生成间距，使用掩膜手段解决边界问题，应用二次Bezier函数平滑等值线并进行标注，从而生成一个高精确的空间分析结果.

1 ArcGIS

ArcGIS是一个建设完整GIS的软件集合，它包含了一系列部署GIS的框架：ArcGIS Desktop、ArcGIS Engine、服务端GIS、移动GIS等.

2 Silverlight

Silverlight是一种新的Web呈现技术，能在各种平台上运行.借助该技术，可以拥有内容丰富、视觉效果绚丽的交互式体检，而且无论是在浏览器内、还是在桌面操作系统中，都可以获得这种一致的体验.Microsoft .Net4.0中的呈现技术xaml遵循WPF，是Silverlight呈现功能的基础.作为微软下一代企业应用程序解决方案，Silverlight 5.0还完善了在企业应用开发方面的特性，在用户界面内可以实现更流畅的动画效果，改进了字体渲染清晰度，支持PostScript矢量打印，改进了xaml解析性能，对启动和运行速度都进行了提升.

ArcGIS API for Silverlight是由美国Esri公司推出的，用于在Silverlight平台上开发WebGIS应用的一套编程接口.它通过REST接口访问ArcGIS Server发布的地图服务、影像服务、几何服务、地理处理服务、要素服务等.

3 研究过程及结果

3.1 使用WebService技术动态获取数据

WebService可以接收从Internet或者Internet上的其他系统中传递过来的请求，是一种轻量级的独立通讯技术.WebService技术使得运行在不同机器上的不同应用程序无需借助其他的第三方软件、硬件就可以相互交换数据.WebService具有平台无关性、编程语言无关性、兼容性良好等优点.因此可以使用WebService技术获取需要的数据进行下一步的处理，如表1所示.

各列分别表示测站编码、测站名.

3.2 使用Kriging（克里金）方法插值

克里金法是法国地理数学家Georges Matheron(1997)和南非矿业工程师D.G..Krige创立的地质统计学中矿品位的最佳内插方法，是一种对空间参数分布数据求最优、线性、无偏内插估计量的方法.

克里金法是在分析已测的形状、大小、空间位置相互关系，以及变异函数提供的结构信息的基础上，对待估点进行的一种无偏最优估计.由于最大限度的利用了空间取样所提供的各种信息，不仅考虑了样点的数据，还考虑其临近样点的数据，不仅考虑了待估样点与其临近已知样点的空间位置，还考虑了各临近样点的彼此之间的位置关系，同时利用了已有观测值空间分布的结构特征，因而克里金法比其他方法更准确.

克里金法以现有采样数据为基础，对邻近区域应用统计学线性模型(linearmodels)进行最优化插值和预测，其最优化的目标函数(objective fIlnctions)则为插值误差最小的插值函数.克里金法将待估计的函数值F(x，y)视为待估计点范围内的n个观测样本值Zi（i=1，…，n）的线性组合，即采用公式1：

其中，Wi(x,y)为权函数，n为观测点个数.

3.3 按掩膜提取

图像掩膜指的是用选定的图像、图形或物体来对需处理的图像（全部或局部）进行遮挡，来控制图像处理的区域或处理过程.图像掩膜可以用来提取感兴趣区，用预先制作的感兴趣区掩膜与待处理图像相乘，得到感兴趣区，感兴趣区内图像值保持不变，而区外图像值都为零.这样对于所需区域之外的等值线就可以被清除掉，而只保留感兴趣区域内的等值线.

3.4 使用Bezier函数进行平滑处理

如果不进行光滑处理，得到的等值线折角很大，不够光滑.实际中的等值线所反映的现象和地物通常要求是光滑曲线，因此需要对结果进行光滑处理，来满足实际的需求.本文利用二次Bezier函数进行光滑处理.

已知三点P0，P1，P2，其二次Bezier曲线为

P(u)=(1-u)2P0+2u(1-u)P1+u2P2(2)

其曲线示意图如图1，通过依次改变调和函数u(如以0.05为增量)的值, 将生成一系列的新数据点,将新的数据点连接生成的曲线,即为此三点之间的Bezier曲线.

如图2所示，对L1-L2-L3-L4使用二次Bezier曲线进行光滑处理时，依次取L1-L2-L3三个点得到曲线，但此时对于剩下的L3-L4段无法生成光滑的曲线，在L3处产生了尖点.因此取L1-L2、L2-L3、L3-L4的中点P1、P2、P3，然后由P1-L2-P2和P2-L3-P3分别作控制形，得到两条Bezier曲线，可知这两条曲线在P2处是光滑连接的.

3.5 对等值线进行标注处理

等值线的标注是为了使人们更方便地了解等值线图的每条等值线的信息，从而将等值线的高程值添加到等值线上.标注是一项十分复杂的工作，要考虑标注的合理性、正确性等.因而，等值线的标注已经成为等值线处理的一个重要方面.对于一条等值线分以下几种情况考虑：

（1）等值线只含有两个点P1（x1，y1）、P2（x2，y2）：标注位置Ps（xs，ys）选在两点之间，xs=x2+（x1-x2）/2，ys=y2+（y2-y1）/2；

（2）多个点的不封闭等值线，标注位置在首末两点P1（x1，y1）、Pn（xn，yn）；

（3）多个点的封闭等值线，标注位置选在起始点P1（x1，y1）（因为结束点和起始点重合）.