CN102520464A - 区域积涝预报系统及其预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种积涝预报系统及其预报方法，属于计算机技术领域。本系统将雷达、积涝点自动站、易涝区域等信息集合到一起，供预报员调用。预报员结合地区的雷达回波图及模式数据显示判断未来时效内多个区域的1小时和3小时雨量值，并在地图上圈定降雨区域。预报员只需圈定所要预报的区域并输入雨量数据，系统自动将雨量数据与易涝等级数据结合起来分析出圈定区域和积涝点的积涝等级及积涝深度，最后将圈定区域根据积涝等级进行填色并导出圈定区域积涝点的积涝情况。本发明的系统通信可对多种气象数据进行显示，为预报员提供积涝预报分析及报表和制图输出，提高了预报人员的工作效率和预报准确性、及时性。

Description

区域积涝预报系统及其预报方法

技术领域

本发明涉及一种区域积涝预警系统，可以预警出圈定积涝区域及积涝点的积涝等级和积涝深度等信息，属于计算机软件开发技术领域。

背景技术

由于区域性的灾害性天气具有突发性、局地性和强度大的特点，尤其对于城市区域，强降水过程极易引起城市积涝，带来交通阻滞、出行困难、房屋进水、物品淹泡、生产停顿、地下建筑损失等一系列问题，生活污水排出困难会进一步引起环境污染、卫生条件恶化、疫病易于流行等问题，因此，迫切需要加强对城市强降雨形成机理进行研究，提高监测、预报与预警能力，提高强降雨预报准确率和精细化程度，提早预警信息发布时间，以便防汛排涝部门及时采取有效措施，减轻或避免城市积涝灾害造成的危害及损失。

现有技术中进行积涝预警采用的方法是根据地形和排水管道信息与公式结合设计的积涝预警系统，或者根据雷达信息、积涝点和自动站等信息通过公式进行人工的分析和预测。这些方法运用资料较单一，人工分析加大了预报员工作量，延长了预报工作时间，容易导致积涝预报准确性不高、工作效率低和预警发布不及时等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种区域积涝预报系统及其预报方法，可以进行多种气象数据的显示，为预报人员提供积涝预警分析的功能，代替人工通过公式手工分析各项信息，得出积涝信息，简化了工作流程，提高了预报人员工作效率和预报的准确性、及时性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种区域积涝预报系统，主要包含以下模块：

1.后台数据处理。后台数据自动处理模块主要完成对雷达数据以及模式数据的处理。通过对雷达数据解析与处理，将雷达数据可以与地理底图进行叠加显示。通过读取数据库中实时的雨量模式数据与空间数据关联，通过插值以及等值线的生成，将模式数据生成等值线供系统调用、显示。

2.地图基本操作。该功能为GIS(Geographic Information System，地理信息系统)的基本功能，基于GIS平台实现，包括地图的基本操作和地图的图层操作两部分。地图的基本操作模块提供了地图放大、缩小、漫游、全图显示等基本的地图操作。地图的图层操作则允许用户根据自己的兴趣有选择的将一部分图层显示，一部分图层隐藏，可以在地图数据和影像数据间进行切换。

3.系统配置管理。包括对积涝等级的管理以及积涝点的管理。方便业务人员调整对积涝等级的颜色显示以及管理人员进行管理维护工作。

4.气象数据显示。该模块完成了各类气象数据的实时显示功能，主要有站点雨量显示(1小时雨量，3小时雨量)、积涝点信息显示(1小时雨量，3小时雨量，积涝等级，积涝深度)、雷达数据的显示、模式数据等值线的显示。还可以显示站点雨量预警，对当前雨量值＞50mm的站点做闪烁显示提醒预报员加强注意。预报人员通过多角度、全方位、实时的对气象数据进行观察，可以更加准确的了解当前及未来的雨情，为科学的决策提供了依据。

5.积涝预报。预报人员通过在地图上圈定感兴趣的积涝点，输入圈定区域的未来1小时以及3小时雨量，即可完成对于感兴趣的积涝点的积涝分析(包含积涝等级、积涝深度)，并且可以完成对圈定区域的积涝等级的专题图生成。

6.报表及制图输出。完成对积涝点报表的输出以及积涝等级专题图的输出。

报表中包含积涝点名称、所在区域、积涝等级和积涝深度等信息。积涝等级专题图以色斑图的形式反映积涝点、所在区域、积涝等级和积涝深度等信息。

基于区域积涝预报系统的预报方法，其特征是，积涝分析预报包含以下步骤：

1)加载并显示自动站当前1小时以及3小时实时的雨量数据，由预报员选择预报时效和在地图上圈定待预报的积涝点区域；

2)预报员结合雷达回波数据预测并输入圈定积涝点区域未来1小时和3小时的雨量值；

3)积涝预报模块结合易涝等级和输入的未来雨量预测信息对圈定积涝点区域进行积涝分析；

4)以报表或专题图的形式输出所预报的区域的积涝等级和积涝深度。

步骤3)中积涝分析包含以下步骤：判断圈定区域是否相交，得到要预报的区域图层中包含拓扑关系对的集合的步骤，还包含从拓扑包含对T中取出待挖空的拓扑包含集合的步骤。

利用空间分析方法得到区域数据中含有拓扑包含关系集合对。若设输入的区域集合为：R＝{R_i|i＝1，n}。首先获取区域总的个数n。从R₁开始作为初始化分析区域，采取从后往前比对的方案，设最后一块区域为R_n。若R₁包含R_n则将R₁置于外部区域内，R_n置于内部区域内。否则将R_n置于外部区域内，R₁置于内部区域内，并将R₁以及R_n置于两两包含对集合中。依次比对R₁与R_n-1，R_n-2，……，R₂。此时内部循环结束。依次利用R₂与R_n-2，R_n-3……，R₃。直到R_n-1与R_n比对完为止。

依次从拓扑包含对T中取出待挖空的拓扑包含集合。从T₁开始，利用R_j与R_i做拓扑减操作，得到新的R′_j(R_j挖空后的区域)。依次判断T₁以后的区域(T₂，T₃……，T_n)中是否含有R_j若含有R_j则将R_j的区域更新为R′_j。依次遍历T₂，T₃……，T_n直到循环结束。

获取待分析的积涝点数据其集合为：F＝{F_i|i＝1，n}，其中n为积涝点的个数。循环遍历积涝点数据集合。设F_i为待分析的积涝点，利用挖空后的区域数据R′＝{R′_i|i＝1，2，3，....，n}，判断F_icR′_j是否成立。若成立表明F_i在区域R′_j中。将R′_j中的1小时雨量以及3小时雨量赋给F_i。循环遍历，此时得到所有积涝点1小时雨量以及3小时雨量。

读取城区易涝等级数据，得到积涝点所在区域的易涝程度，并且利用雨量，易涝等级-积涝等级对照表。最终分析得到积涝点的积涝等级以及积涝深度。

利用挖空后的区域数据R′＝{R′_i|i＝1，2，3，....，n}与易涝等级数据E＝{E_i|i＝1，2，3，....，m}进行空间相交运算，得到的分析结果为S＝{S_i|i＝1，2，3，....，t}，循环遍历S中的各个区域，并利用雨量，易涝等级-积涝等级对照表，可以计算出区域的积涝等级以及积涝深度。

本系统将雷达、积涝点自动站、易涝区域等信息集合到一个软件中，方便预报员调用各种气象信息，实时了解当前天气状况。

研究表明，1小时至3小时强降水是形成城市积涝的重要因素，因此，本系统运用易涝等级数据与未来1小时、未来3小时的雨量值结合得出未来积涝信息的自动化预报方法，由预报人员将选定区域的未来1小时雨量和3小时雨量输入系统，系统会自动生成未来1小时雨量和3小时雨量的分析图并与易涝区域等级图叠加显示，预报出选定区域及积涝点的积涝等级和深度，实现积涝预报自动化。

易涝等级是通过各个区域地形、排水管道、公共基础设施系统等信息，经过气象人员和专家根据历年降雨的各地区的路名、点位、面积、深度和积水原因等信息分析汇总修正得出的，再结合输入的具体降雨量，能够更加精确地预测积涝信息，使积涝信息预测更加精确，实现预报工作自动化。

系统能够实现对选定的分析区域根据实际情况进行细化，更加准确无误地分析积涝情况。预报人员可以在已选定的分析区域内部或者外部选择要细化的区域继续进行分析，使分析出的数据更加准确无误。

系统还可设置更多人性化的提示设置，比如将当前雨量值＞50mm的站点做闪烁显示提醒预报员加强注意；在雷达数据的显示模块中可以过滤掉不需要的雷达杂波，便于预报员分析观看；在自动站显示模块中可以自动显示鼠标点击自动站的站点名、一小时雨量和三小时雨量；还可以对积涝等级自行定义、划分和描述，也可以对积涝点自行添加、删除和排序等等。

本发明所达到的有益效果：

本发明的系统将雷达数据、积涝点自动站、易涝区域等信息集合到一起，实现了积涝预报的自动化，免去人工通过公式手工分析各项信息，得出积涝信息，简化了工作流程，提高了预报人员的工作效率。可以对积涝信息进行预警，实时显示自动站的雨量，并通过报表和制图形式输出显示。通过一系列的分析处理后得出未来产生积涝的地区和等级，提高了预报的准确性和及时性，为相关部门及时采取相应的积涝应对措施提供了依据，可以为城市交通和居民生活及时提供积涝预警信息。

附图说明

图1是本发明积涝分析算法流程；

图2是获得圈定区域中拓扑包含对集合的流程图；

图3是对圈定区域的拓扑包含对集合挖空流程图；

图4是本发明3小时及6小时积涝预警分析计算流程图；

图5是本发明24小时及48小时积涝预警分析计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在区域积涝预报系统中，通过各个城区的区域地形、排水管道、公共基础设施系统等信息，气象人员和专家根据历年降雨的各地区的路名、点位、面积、深度和积水原因等信息分析汇总修正得出城区易涝等级图，将易涝等级分为0不易淹、1抗淹、2一般、3较易淹、4极易淹。如图1所示，为本发明积涝分析流程，预报员选择预报时效和圈定所要预报的区域(感兴趣区域)，在圈定预报区域的时候，系统会进行判断，圈定区域是否相交，是否继续圈定区域，并由预报员输入圈定区域未来1小时和3小时的雨量值，利用空间分析方法得到要预报的区域图层中包含拓扑关系对的集合，其详细流程如图2所示。依次从拓扑包含对T中取出待挖空的拓扑包含集合，其详细流程如图3所示。从而获取待分析的积涝点图层集合，循环遍历，此时得到所有积涝点1小时雨量以及3小时雨量。读取城区易涝等级数据，得到积涝点所在区域的易涝程度，并且利用雨量和易涝等级-积涝等级对照表，如表1所示，最终分析得到积涝点的积涝等级以及积涝深度。利用挖空后的要预报的区域数据与易涝等级数据进行空间相交运算，并利用雨量和易涝等级-积涝等级对照表，可以计算出区域的积涝等级以及积涝深度，如表2所示。最终完成对积涝点报表的输出以及积涝等级专题图的输出。

表1易涝等级-积涝等级对照表

输出包含两种形式，图片输出和报表输出。对于图片的输出应采用将获取积涝区域数据和挖空后的区域集合相交，得到感兴趣积涝区域积涝深度图层，再制作积涝深度专题图，这样就可以输出图片。对于报表的输出应采用获取积涝点数据和挖空后的区域集合进行拓扑包含，获取圈定区域内积涝点1小时雨量、3小时雨量、积涝等级，得到积涝点的积涝深度、积涝等级，这样就可以输出报表了。

表2积水深度、积涝等级的关系表

积水深度(厘米)	积涝等级	积水程度
			＜10	0级	无明显积水
10-20	1级	轻度积水，
			20-30	2级	中度积水，影响居民生活及交通出行
30-40	3级	重度积水，明显影响居民生活及交通出行
			＞40	4级	严重积水，严重影响居民生活，交通部分阻断

积水等级和积水深度也可由系统配置管理模块进行配置管理，可以自行定义、划分和描述。

实施例1

图4示出本发明3小时及6小时积涝预报分析流程：

1.系统通过加载自动站数据，来显示出1小时实时雨量、3小时实时雨量和站点名称，并结合雷达回波数据进行降水量的预测。一般降水强度与雷达回波强度有如下关系：

1)回波强度达到30-49dBZ以上才可能产生降水；

2)回波强度在50-54dBZ会造成短时强降水；

3)回波强度在55-59dBZ会短时造成局部暴雨并伴有大风、雷电或冰雹天气；

4)回波强度达到60dBZ会短时造成局部暴雨并伴有大风、大冰雹以及强雷电天气。

2.预报人员可以基于这些规则圈点相应的局部区域，并且预测未来1小时以及3小时的降水量。并将此分析得到的未来1小时雨量和3小时雨量数据输入系统。

3.利用空间分析方法得到区域数据中含有两两包含关系集合对，如图2。若设输入的区域集合为：R＝{R_i|i＝1，n}。首先获取区域总的个数n。从R₁开始作为初始化分析区域，采取从后往前比对的方案，设最后一块区域为R_n。若R₁包含R_n则将R₁置于外部区域内，R_n置于内部区域内。否则将R_n置于外部区域内，R₁置于内部区域内，并将R₁以及R_n置于两两包含对集合中。依次比对R₁与R_n-1，R_n-2……，R₂。此时内部循环结束。依次利用R₂与R_n-2，R_n-3……，R₃。直到R_n-1与R_n比对完为止。

4.依次从两两包含对T中取出待挖空的两两包含集合，如图3。从T₁开始，利用R_j与R_i做拓扑减操作，得到新的R′_j(R_j挖空后的区域)。依次判断T₁以后的区域(T₂，T₃……，T_n)中是否含有R_j若含有R_j则将R_j的区域更新为R′_j。依次遍历T₂，T₃……，T_n直到循环结束。

5.获取待分析的积涝点数据其集合为：F＝{F_i|i＝1，n}，其中n为积涝点的个数。循环遍历积涝点数据集合。设F_i为待分析的积涝点，利用挖空后的区域数据R′＝{R′_j|i＝1，2，3，....，n}，判断F_icR′_j是否成立。若成立表明F_i在区域R′_j中。将R′_j中的1小时雨量以及3小时雨量赋给F_i。循环遍历，此时得到所有积涝点1小时雨量以及3小时雨量。

6.读取城区易涝等级数据，得到积涝点所在区域的易涝程度，并且利用雨量、易涝等级-积涝等级对照表，最终分析得到积涝点的积涝等级以及积涝深度。

7.利用挖空后的区域数据R′＝{R′_j|i＝1，2，3，....，n}与易涝等级数据E＝{E_i|i＝1，2，3，....，m}进行空间相交运算，得到的分析结果为S＝{S_i|i＝1，2，3，....，t}，循环遍历S中的各个区域，并利用雨量，易涝等级-积涝等级对照表，可以计算出区域的积涝等级以及积涝深度。

最后输出报表或积涝等级专题图，达到对未来3小时、6小时积涝预警的作用。

实施例2

图5示出本发明24小时及48小时积涝预警分析流程，此流程与实施例1中3小时及6小时积涝预警分析流程大体一致，不同之处在于数据的获取阶段。系统通过加载模式数据，滚动实时显示出过去的24小时内每隔3小时降雨。预报人员结合雷达图对此进行判读来圈定积涝区域。之后系统进行分析易涝区域的方法和步骤与上述流程相同。

最后输出报表或积涝等级专题图，达到对未来24小时、48小时积涝预警的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种区域积涝预报系统，其特征是，包含以下模块：

后台数据处理模块：对雷达数据以及模式数据进行处理，对雷达数据解析与处理，将雷达数据与地理底图进行叠加；读取数据库中实时的雨量模式数据与空间数据关联，将模式数据生成等值线供系统调用、显示；

地图基本操作模块：基于GIS平台，为用户提供地图的基本操作和地图的图层操作；

系统配置管理模块：配置管理积涝等级以及积涝点信息；

气象数据显示模块：对气象数据中自动站雨量、积涝点信息、雷达数据、模式数据的等值线进行实时显示；

积涝预报模块：预报人员通过在地图上圈定待预报的积涝点，输入预测的圈定区域未来1小时以及3小时降雨量，由积涝预报模块结合易涝等级和输入的未来雨量预测信息对待预报的积涝点进行积涝分析；

报表及制图输出模块：对积涝分析结果以报表或积涝等级专题图的形式进行输出。

2.根据权利要求1所述的区域积涝预报系统，其特征是，所述易涝等级通过各个区域地形、排水管道、公共基础设施系统信息，经过气象人员和专家根据历年降雨的各地区的路名、点位、面积、深度和积水原因的信息进行分析汇总修正得出，所述易涝等级数据预先设置于系统数据库中。

3.基于权利要求2所述的区域积涝预报系统的预报方法，其特征是，积涝分析预报包含以下步骤：

1)加载并显示自动站当前1小时以及3小时实时的雨量数据，由预报员选择预报时效和在地图上圈定待预报的积涝点区域；

2)预报员结合雷达回波数据预测并输入圈定积涝点区域未来1小时和3小时的雨量值；

3)积涝预报模块结合易涝等级和输入的未来雨量预测信息对圈定积涝点区域进行积涝分析；

4)以报表或专题图的形式输出所预报的区域的积涝等级和积涝深度。

4.根据权利要求3所述的区域积涝预报方法，其特征是，步骤3)中积涝分析包含以下步骤：判断圈定区域是否相交，得到要预报的区域图层中包含拓扑关系对的集合的步骤，还包含从拓扑包含对T中取出待挖空的拓扑包含集合的步骤。

5.根据权利要求4所述的区域积涝预报方法，其特征是，得到要预报的区域图层中包含拓扑关系对的集合的过程为：

若设输入的区域集合为：R＝{R_i|i＝1，n}，首先获取区域总的个数n；从R₁开始作为初始化分析区域，采取从后往前比对的方案，设最后一块区域为R_n，若R₁包含R_n则将R₁置于外部区域内，R_n置于内部区域内；否则将R_n置于外部区域内，R₁置于内部区域内，并将R₁以及R_n置于拓扑包含对集合中，依次比对R₁与R_n-1，R_n-2……，R₂。此时内部循环结束；依次利用R₂与R_n-2，R_n-3……，R₃，直到R_n-1与R_n比对完为止。

6.根据权利要求5所述的区域积涝预报方法，其特征是，从T₁开始，利用R_j与R_i做拓扑减操作，得到新的R_j挖空后的区域R′_j；依次判断T₁以后的区域T₂，T₃……，T_n中是否含有R_j，若含有R_j则将R_j的区域更新为R′_j；依次遍历T₂，T₃……，T_n，直到循环结束；

7.根据权利要求6所述的区域积涝预报方法，其特征是，获取待分析的积涝点数据其集合为：F＝{F_i|i＝1，…，n})，循环遍历积涝点数据集合；设F_i为待分析的积涝点，利用挖空后的区域数据R′＝{R′_i|i＝1，2，3，....，n}，判断F_icR′_j是否成立；若成立表明F_i在区域R′_j中；将R′_j中的1小时雨量以及3小时雨量赋给F_i；循环遍历，此时得到所有积涝点1小时雨量以及3小时雨量；

利用挖空后的区域数据R′＝{R′_i|i＝1，2，3，....，n}与易涝等级数据E＝{E_i|i＝1，2，3，....，m}进行空间相交运算，得到的分析结果为S＝{S_i|i＝1，2，3，....，t}，循环遍历S中的各个区域，并利用雨量和易涝等级，计算出区域的积涝等级以及积涝深度。

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