MeteoInfo:适用于气象数据可视化与分析的地理信息系统软件外文翻译资料

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MeteoInfo:适用于气象数据可视化与分析的地理信息系统软件

Y. Q. Wang

中国大气科学研究会大气化学研究院，中国 北京

摘要：MeteoInfo是一套为气象数据可视化和分析开发的软件工具，它包括一个用于终端用户的软件开发和桌面应用程序的.net类库。MeteoInfo也支持一些基本的GIS功能，它可以一些用气象数据格式如NetCDF数据格式和GRIB数据格式进行广泛地阅读。它可以利用系统提供的数据模型对网格和测站数据进行复杂的气象分析。它所包括的类库可以方便地用于处理空间和气象数据的软件例程。桌面应用程序具有用户友好的图形用户界面，是一种功能强大的工具来查看和检查气象数据集。meteoinfo也可以利用IronPython语言自动运行脚本。

关键词：气象数据；可视化；地理信息系统；类库

1. 介绍

气象和气候数据的可视化对于研究员和预报员理解和使用这些数据是至关重要的。这样的数据本质上属于空间变量，因此地理信息系统（GIS）的使用代表着一种有用的解决方案可以用于管理广阔的空间气象和气候数据管理。（2003查普曼和史容斯）。强大的映射能力是使得GIS在大气协会具有强大吸引力的一个主要因素(Ninyerola et al., 2000; Dyras and Serafin-Rek, 2005; Shipley, 2005)。基于层的可视化也支持气象数据集的各个方面的比较，同时，其GIS地理空间信息也将突出其空间性质。地理信息系统中大量基于地表位置的信息和地表分析功能，例如地形分析、土地利用变化、城市界面和水资源，使之可以服务于地表和大气之间的交互作用的研究。例如，基于GIS地形的分析对于来自传感器微波/成像的有关青藏高原降水数据的预估有着意义非常的促进作用(Yin et al., 2004)。地形分析也被用来使得路表温度的时空分析在整个英国西米德兰兹很流行(Bradley et al., 2002) 。空间分析能力是另一个推广了GIS在大气协会的应用的因素。例如地球统计学分析已经广泛应用于气候数据插值Lennon and Turner, 1995; Tveito and Foslash;rland, 1999; Tveito et al., 2005; Ustrnul and Czekierda, 2005)。鉴于地理信息系统具有这些功能，它已被应用在气象领域的许多方面，如预测模型验证方面(Feidas et al., 2007)，空气污染预报(Dai and Rocke, 2000; Elbir, 2004; Hochadel et al., 2006),农业气象区域化(Menkir et al., 2000; McKenney et al., 2001)，水文气象预报 (Bell and Moore, 1998) 和直接用作一个教学工具(Shipley, 2006）。尽管GIS的应用在气象学越来越流行(Dyras et al., 2005; Shipley, 2005)，然而对于气象学领域的大部分用户来说，商业GIS软件包通常都是非常昂贵而且操作复杂的。此外，他们不能够方便地处理一些流行的气象数据格式如GRIB和NetCDF。因此，大气科学界已经发展出一些定制的数据可视化和应用工具，如网格分析和显示系统（Grads）、ferret系统和NCAR命令语言（NCL）。这些工具通常使用命令行界面和与并且与地理信息系统联系并不紧密。虽然气候映射工具（CMT）是为解决气候映射问题而设计的（matuschek和matzarakis，2011），但其功能相当有限。组件的开发与地理信息系统的功能对于软件开发人员也是非常有用的，可以满足在气象领域的空间数据视图和分析需求(Rebolj and Sturm, 1999; Feidas et al., 2007; Tarhule et al., 2009; Wang et al., 2009)。假设该程序库包括GIS、气象数据分析功能，那么它将非常有益于程序和应用开发人员。因此，它被认为是一个值得花大力气去开发一个自由的基于组件的地理信息系统的软件套件，它可以支持目前最流行的气象数据格式，以方便地看到和分析气象数据，也可以提供基本的数学函数的网格和站的数据集。MeteoInfo 软件包的开发是为了促进结合GIS在气象领域的应用，为了提供了一个免费的软件工具的结果。它使用C # 将GIS技术应用于在气象数据可视化和分析中。MeteoInfo包括一个.NET类库应用于软件开发和终端用户使用的桌面程序。编写脚本的能力是由嵌入式IronPython提供。MeteoInfo由网站http://www.meteothinker.com提供。它的核心功能和气象关联分析就在于此。

1. 数据模型和支持的数据格式

2.1 数据模型

大气的自然属性都是三维（3D）的。这些特征在气象界经常应用的4维空间（4D，空间和时间）中是会改变的。在传统GIS运用中，这种动态的、多维的空间通常是通过正交投影和平面镶嵌抽象成二维静态（或2.5D，如数字高程模型）的。因此，现有的GIS应用在他们代表自然现象的时空动态能力方面是有限的（伯勒，1996；威廉和布伦斯基尔，2003）。动态多维地理信息系统的研究始于上世纪80年代中期。许多时空数据模型已被提出，如快照数据模型（阿姆斯壮，1988），时空复合模型（朗格伦和克里斯曼，1988），基于事件的模型（peuquet段，1995），和面向对象的数据模型（沃博伊斯，1992； Rapper and Liv-ingstone, 1995）。然而，气象数据模型已不在这样的时空数据模型完全实现。因此还需要进一步的研究，开发更适合于气象数据的数据模型，并实现这些模型在地理信息系统软件的应用。

目前，一个可行的和有效的方法是建立一个综合性的软件工具，可以处理4D气象数据与传统的矢量和栅格GIS数据的能力。在这种情况下，4D气象数据模型和2D，2.5D GIS数据模型是相互独立的，他们是在单独的数据分析功能的实现的。他们之间的链接是从4D气象数据分析结果中创建2D或2.5D的矢量或栅格图层。这种创建的GIS图层可以可视化和进一步分析，也可以充分利用GIS的空间分析方法。

2.2 支持的数据格式

作为气象学的GIS软件，MeteoInfo 是为了支持气象学和GIS中几种常用的数据格式而开发的。ESRI形状文件是一种广泛使用的应用于GIS软件的地理空间矢量数据格式，它储存着几何点、折线和多边形，及其相关的属性信息。meteoinfo支持梯度定义的地图数据——Shapefile，和自定义的WMF的地图数据。除了矢量数据，meteoinfo也通过应用地理位置世界文件支持BMP，JPG，TIFF、PNG和GIF图像数据格式。目前MeteoInfo 支持的气象数据格式都被详细列在表1中，包括数据类型、文件类型、译码水平、发展组织和初级用户。本章的其余部分总结了这些格式。NetCDF是一套软件库和自描述的、独立于机器的数据格式，它支持创建，访问，和阵列化科学数据共享。它常用于在气候学、气象学和海洋学，尤其是四维栅格数据集的模型输出。一些公约，如气候和预测（CF）合作的海洋/大气研究数据服务（coards），已经被用来促进由NetCDF API创建的文件之间的交换和共享。这种数据格式可以被很多软件包支持。比如NCL、 GrADS、 NCO (Zender, 2008) 和ArcGIS。在气象学中，拥有CF公约的格点数据可以被访问。从WRF和CMAQ中输出的NetCDF 数据可以被支持。GRIB是气象上常用的存储和交换历史和预测的气象格点数据的数据格式。它是世界气象组织为了基础系统而规范的。目前，GRIB有两个版本的操作用法。根据第一个版本格式化的数据慢慢向第二个版本转变。GRIB是一个可以自我描述的二进制格式数据，并且所有数据都被打包了提高存储效率。

表1 MeteoInfo支持的气象数据格式

在Grads数据格式中，原始二进制数据和元数据都被储存在不同的文件中。元数据文件被称为数据描述文件，并包含一个完整的二进制数据的描述，以及用于解码工具、如在哪里找到的数据、以及如何读取它的指令。Grads数据格式和软件都是由全球环境与社会研究所（IGES）开发和维持的。HDF-EOS（分层数据格式–地球观测系统）是一个自我描述的基于HDF文件格式的为各种不同机器之间的数据传输的系统。它是一个用以存储从EOS卫星收集的数据的标准格式。hdf-eos5的基础是HDF5数据模型。ARL包装数据格式是应用于NOAA空气资源实验室的。一个ARL压缩数据文件包括一系列的固定长度的适用于每一个气象变量的记录。记录被安排在一个时间序列的表面场，在上空气场后面。每个记录包含一个ASCII码头，其次跟着包装的每一个字节的二进制数据，网格点。HYSPLIT（混合单粒子拉格朗日轨迹）模型是计算气团轨迹和ARL使用输入气象数据复杂分散模拟包数据格式中很流行（Draxler和赫斯，1998）。MeteoInfo也支持输出轨迹，浓度和粒子数据格式。MICAPS（气象信息综合分析处理系统）是一个可操作的数据可视化软件工具适用于中国气象局（CMA）的预报员们。它定义了各种表面上的观测，如气象数据格式输出模型，卫星观测和台风路径。MeteoInfo 同时也支持一些ASCII站数据和格点数据格式以满足在一定条件下使用简单的和可读的数据的需求。地面天气预是一个数字代码，世界气象组织称之为FM-12，它用于汇报人工或自动气象站的天气观测。METAR是一个有着特定时间的机场气象观测要素的描述的航空例行天气报告。它通过国际民用航空组织（ICAO）高度标准化。目前MeteoInfo支持的只有周期计数据NOAA（http://weather.noaa.gov/weather/metar.shtml）。NOAA ISH是世界范围的以小时为单位的与天气有关的数据库。其经度/纬度垫站数据是由MeteoInfo定义的。它支持两种ASCII格点数据格式：ESRI ASCII网格数据和Surfer ASCII格点数据格式。

3、 MeteoInfo 类库组件

MeteoInfo 类库是软件的核心。它包括多源数据的读/写和分析、图层管理、绘制，投影的主要组成部分，地图和布局控制。类库主要的命名空间和类如图1所示。装配的命名空间是MeteoInfoC，包括数据、形状、层、地图、对象、布局的主要空间，投影和地理过程。每个命名空间在下文都给出了详细的解释。

3.1 数据

每个数据命名空间有两个子命名空间

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