Využití GIS v hydrometeorologické stanici

Martin Stříž

Úvod

Český hydrometeorologický ústav (zkráceně ČHMÚ) společně s firmou ATACO spol. s r.o. od roku 1997 vytvářejí a postupně implementuji nový informační systém CLIDATA (zkráceně IS CLIDATA), určený pro meteorologické organizace. Tento nový informační systém v budoucnu nahradí dosud používaný systém CLICOM. Součástí IS CLIDATA bude využití geografických informačních systému, sloužící pro generování mapových výstupu a provádění různých analýz.
Tématem mé ročníkové práce je pomocí programovacího jazyka Avenue v prostředí ArcView 3.1 vytvořit:
  • aplikaci, která bude generovat synoptického pavouka (zkráceně SP)
  • aplikaci sloužící k vizualizaci plošných kontrol.

    • Seznámení s ČHMÚ

    Český hydrometeorologický ústav je speciálním ústavem pro obor meteorologie, klimatologie, hydrologie a ochrany ovzduší. Aby mohl dostát svým povinnostem a celostátně pro uvedené obory sledovat přírodní prostředí, vytváří rozsáhlé staniční sítě. V oboru meteorologie a klimatologie je jednou z nich síť dobrovolnických meteorologických stanic a druhou je síť stanic profesionálních.

    Rozložení stanic

    Nyní je rozložení stanic dáno následující specifikací. Existuje jedno centrum, které je umístěno v Praze, dále následuje systém poboček zastupujících vždy určitý geografický region. Výstižnější zřejmě bude vizuální popis této specifikace na obrázku

    Analýza současného stavu

    Informační systém ČHMÚ

    V minulosti ČHMÚ využíval informační sytém CLICOM, vytvořený v USA pro operační systém MS DOS. S vývojem informačních technologií a operačních systémů vznikla potřeba nové klimatologické databázové aplikace.
    Vývoj nového systému začal na počátku roku 1997 a byly stanoveny základní požadavky, které by měl systém splňovat

    Popisná charakteristika systému

    Systém obsahuje 7 základních částí – Metadata, Data, Povinné produkty, Ostatní produkty, Pořizování a kontrola, Systémová správa a CLICOM

    Metadata

    Část Metadata obsahuje veškeré popisné informace o meteorologických stanicích, pozorovaných prvcích a časových rozvrzích pozorování. V této části jsou rovněž definovány fyzickogeografické popisy okolí stanic a grafické informace o stanici. Jsou zde zavedeny tzv. časové rozvrhy pozorování a výpočtů pro jednotlivé meteorologické prvky – rozvrh pravidelných pozorování, klimatologický rozvrh pozorování a výpočtový rozvrh ( např. pro průměrné denní hodnoty, denní úhrn slunečního svitu apod. ) pro data, jejichž "vznik" nelze přiřadit časovému termínu.

    Data

    Zde jsou definovány datové struktury pro všechny typy měřených a pozorovaných dat. Hlavní datová struktura původně počítala s uložením klimatologických a pravidelných dat do jedné datové struktury, ale postupem času se tato varianta ukázala jako lichá a bylo nutno data rozdělit do dvou datových struktur. Další datová struktura slouží pro uložení meteorologických jevů a bouřek. Poslední datová struktura je určená pro ukládání informací o sondáži atmosféry.

    Povinné produkty

    V části povinné produkty jsou definovány výpočty hodnot, které nelze v klimatologické práci postrádat nebo které jsou nutné pro správnou práci celé aplikace (např. pro kontrolu klimatologických dat). Správce systému zde nejprve definuje strukturu výpočtu dekádních a měsíčních průměrů, úhrnů, maxim, minim a počtu dní s překročením nebo nedosažením definovaného limitu. Dále je zde definován seznam prvků a období pro výpočet dlouhodobých průměrů, extrémů a empirického rozdělení četnosti překročení ( používá se při kontrole klimatologických dat ) a je zde i výpočet normál.
    Výpočet výše uvedených hodnot probíhá automaticky, nezávisle na uživateli podle rozvrhů definovaných správcem systému. Uživatel s příslušným oprávněním má možnost provést výpočet dlouhodobých průměrů a extrémů pro vybrané prvky za nestandardní období (např. pro posudkovou činnost).

    Ostatní produkty

    Jsou zde definovány některé speciální klimatologické produkty, pro které nejsou k dispozici standardní nástroje. Jedná se například o výpočet větrných růžic, definování stálých dotazů apod.

    Pořizování a kontrola

    Ruční pořizování dat musí být řešeno také, nelze předpokládat 100 % automatizaci měřící sítě a stále existuje nutnost pořizování historických dat. Kontrola dat je řešena v několika úrovních.

    Systémová správa

    Některé limity a hodnoty platné pro celou aplikaci v daném regionu jsou definovány v systémové tabulce. Jsou to například maximální a minimální nadmořská výška, geografické souřadnice, základní typ času, normálové období apod.
    Část CLICOM obsahuje pomocné a převodní moduly pro dříve používaný systém (CLICOM). Např.: Již existují naměřené hodnoty prvků, které jsou uloženy v datových strukturách minulého systému. Je třeba je naimportovat do datových struktur nového systému. To provádí jeden z modulů části CLICOM. Jelikož označení prvků ve starém systému bylo rozdílné, jsou v části CLICOM rovněž definovány konverzní vztahy mezi označením prvku ve starém a novém systému, apod.

    Cíl projektu

    Hlavním cílem tohoto projektu je, pomocí programového vybavení ArcView 3.1 naprogramovat:

    Datové zdroje

    Nejdůležitější součást geografického informačního systému jsou data. Pro vytvoření GIS aplikace byla použita tato data:

    Programové prostředky

    Pro realizaci tohoto projektu byly požadovány tyto programové prostředky

    Aplikace pro automatizované generování synoptické mapy

    Aplikace pracuje jako aplikační server, jehož účelem je zpracovat data získané měřícími stanicemi a předat výsledky. Vlastní zpracování je řízené množinou vstupních parametrů. Tyto parametry stejně jako vlastní zpracovávaná data jsou získávány dotazem z databáze spravované pomocí SŘBD ORACLE. Zpracování je plně autonomní a je zahájeno v okamžiku spuštění aplikace. Po vykonání všech činností specifikovaných tabulkou parametrů je činnost aplikace ukončena. Ke spuštění aplikace dochází z prostředí aplikace ORACLE.

    Datový model

    Datový model aplikace se v současné době skládá ze šesti tabulek:

    Tabulka Geography

    Tato tabulka slouží pro získání veškerých dat, která jsou spjata s geografickou polohou meteorologických stanic. Z této tabulky byla pro aplikaci využita tato pole:

    Tabulka Rdata_N

    V tabulce Rdata_N jsou uložená nepravidelná data. Použitá pole:

    Tabulka Rdata_R

    V tabulce Rdata_R jsou uložená pravidelná data. Použitá pole:

    Tabulka Gis_parameter

    V tabulce Gis_parameter jsou uložené parametry, které slouží pro běh aplikace.

    Použitá pole:

    Tabulka District

    V tabulce district jsou uloženy názvy okresů a identifikační čísla regionů.

    Použita pole:

    Tabulka Gis_region

    Tabulka gis_region slouží pro uložení identifikátoru regionu (např. 1) a jméno regionu (např. Severní Morava).

    Popis aplikace

    Z informačního systému CLIDATA se v určitých intervalech bude spouštět tato aplikace. Po spuštění aplikace dojde k automatizované činnosti podle vývojového diagramu

    Načtení tabulky parametru

    Z tabulky Gis_parameter musím načíst všechny záznamy, které jsou určeny pro konstrukci staničního modelu(Status=0, Method=3). Toho docílím pomocí SQL dotazu.

    SQL: Select * from Gis_parameter where status=0 and method=3

    Načtení parametrů

    Pro jednotlivé záznamy z tabulky parametrů načtu tato pole a jejich hodnoty uložím do globálních proměnných:

    Načtení stanic

    Pomocí načtených parametrů vyberu všechny stanice, pro které mám k dispozici data a vytvořím tabulku stanic, ze které vytvořím vrstvu stanic.

    Např.select name, latitude,ew_hemisphere, longitude, on_hemisphere eg_el_abbreviation, val10 from geography, Rdata_N whhere exists (select 1 from district where di_district=district and gr_region_id=1) and year='1998' and month='01' and time='14:00' and gh_id = eg_gh_id and begin_date<'10-01-98' and end_date>'10-01-98' and ( eg_el_Abbreviation='D10' or eg_el_Abbreviation='F' or eg_el_Abbreviation='P' or eg_el_Abbreviation= 'T' or eg_el_Abbreviation='O' )

    Vytvoření synoptického pavouka

    Pro všechny vybrané stanice, se začnou zobrazovat naměřené hodnoty ve formě symbolů.

    Protože pro prvek směr větru se symbol otáčí podle směru větru, je nutné umístit všechny ostatní symboly tak, aby se nepřekrývaly. Pro každý symbol jsem musel zjistit, pro jaké hodnoty směru větru musím umístění symbolu upravovat. Např. pro symbol odpovídající prvku teplota vzduchu, jsem měnil umístění, když směr vetru byl v intervalu 300 -360 stupňů. Umístění jednotlivých částí staničního modelu je na obrázku pouze přibližné. Symboly pro Staniční model je odlišný pro pravidelná a nepravidelná data

    Pomocí programu The Font Creator jsem si vytvořil dva fonty (formát true type font). Jeden font obsahuje symboly pro rychlost větru a symboly pro oblačnost (celkem 55 symbolů). Druhý font obsahuje zbývající symboly(146 symbolů).

     

     

    RDATA_R

    RDATA_N

    Popis a poznámky

    Dd

    		  

    D10, D

    Směr větru. Délka symbolu spolu se symbolem N vymezuje poloměr celkové velikosti staničního modelu. Směr symbolu určuje hodnota příslušného prvku <dd>. Pokud je rozsah prvku 0-360 je hodnota prvku přímo úhlem, pokud je rozsah prvku 0-36 je úhel dán vztahem <dd>*10. Pokud je <dd>=0, potom není symbol pro <dd> a <ff> zobrazen.

    Ff

    F

    F

    Rychlost větru. Symbol je kolmý na symbol prvku <dd> a jeho délka je maximálně 5 dílků (viz. Tabulka symbolů). Pro <ff> větší než 5 jsou symboly kombinovány (např. ff=7 znamená nejprve symbol pro ff=5 a pak symbol ff=2, který je umístěn blíže ke středu modelu).

    Ww

    S-WW

    		  

    Stav počasí. Symbol podle tabulky symbolů.

    CH

    S-Ch

    		  

    Druh vysoké oblačnosti. Symbol podle tabulky symbolů.

    CM

    S-Cm

    		  

    Druh střední oblačnosti. Symbol podle tabulky symbolů.

    CL

    S-Cl

    		  

    Druh nízké oblačnosti. Symbol podle tabulky symbolů.

    A

    A

    O

    Oblačnost. V tabulce RDATA_N je vyjádřena prvkem <O>, který je pro zobrazení nutno přepočítat podle vztahu O/10*8. Symbol podle tabulky symbolů.

    H

    S-H

    		  

    Výška nejnižší oblačnosti.

    PPP

    S-P

    P

    Tlak vzduchu zaokrouhlený na celé hPa. Pokud je P>1000, jsou zobrazeny jen poslední 3 číslice.

    Ppp

    S-PPP

    		  

    Tlaková změna v desetinách hPa.

    A

    fI S-PPP

    		  

    Flag tlakové změny. Symbol podle tabulky symbolů.

    Nh

    S-Nh

    		  

    Výška nejnižší oblačnosti.

    W1,2

    S-W1, S-W2

    		  

    Průběh počasí. Symbolem je zobrazena pouze vyšší hodnota ze dvou.

    Tabulka č. 1. Popis prvků staničního modelu

    Uložení výsledků

    Výslednou mapu uloží aplikace ve formátu JPEG do souboru, jehož název a cestu získám z položky OUTPUT_DIRECTORY a z položky DATETIME. V položce OUTPUT_DIRECTORY je například uloženo: 'D:\GIS\VRSTVY' a v položce DATETIME:'2000-03-12 07:00'. Z těchto údajů musím vytvořit adresář D:\GIS\VRSTVY\2000\03\12 do kterého uložím soubor 0700.jpg. Ukázka synoptické mapy, vygenerované pomoci této aplikace se zobrazena v obrázku

    Aplikace pro manuální generování synoptické mapy

    Tato aplikace je obdobou aplikace pro automatické generování synoptické mapy s tím rozdílem, že parametry se nebudou vybírat s tabulky GIS_PARAMETER, ale daný uživatel je bude pomocí vstupních formulářů vkládat sám.

    Datový model

    Datový model je stejný jako předchozí aplikace, s tím rozdílem že se nepoužívá tabulka GIS_PARAMETER.

    Popis aplikace

    Po spuštění aplikace bude uživatel vyzván, aby zadal do vstupního formuláře uživatelské jméno, heslo, název zdroje dat ODBC.

    Po zadání potřebných údajů do formuláře se po stisknutí tlačítka OK zobrazí formulář ve kterém si uživatel zadá parametry pro generování synoptického pavouka.

    Popis tlačítek

    Zobrazení celého tématu

    Zobrazení aktivního tématu

    Zobrazení formuláře pro vkládání parametrů

    Uložení obrázku

    Vytištění obrázku

    Zmenšení měřítka

    Zvětšení měřítka

    Posun mapy

    Aplikace pro vizualizací plošných kontrol databáze CLIDATA

    Aplikace slouží pro vizuální kontrolu vypočtených intervalů, do kterých daný prvek patří. Intervaly naměřených hodnot jsou klasifikovány do 17 tříd (0 až 16). Princip výpočtu je zjištění do kterého intervalu patří každá hodnota z tabulky Rdata_R (Rdata_N). Hranice intervalů jsou dány hodnotami v tabulce Edata (tabulka ve které jsou uložené dlouhodobé průměrné hodnoty naměřených prvku).

    interval

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    16

    hodnota

    >

    26.1

    24.2

    23.8

    22.4

    20.9

    19.5

    17.9

    16.8

    15.1

    14.2

    12.7

    2.5

    1.7

    1.4

    1.2

    <

    Tabulka : Hodnoty intervalů pro prvek T, měsíc 6, stanici P1PKAR01

    Hodnota naměřeného prvku T (teplota vzduchu) je 21.9 °C a patří tedy do intervalu 5.

    Jestliže naměřená hodnota prvku leží v krajním intervalu (tj. 0 nebo 16), tak se na mapě nezobrazí symbol reprezentující daný interval, ale naměřená hodnota prvku v dané meteorologické stanici. Uživatel zkontroluje vytvořenou mapu. Jestliže zobrazený interval pro danou stanici bude rozdílný od intervalů okolních stanic, tak si pomocí dotazu na meteorologickou stanicí ověří správnost dat. Chyby mohou vzniknout například při vkládání dat do databáze. Tímto postupem si uživatel může zkontrolovat všechny prvky.

    Datový model

    Datový model aplikace se skládá ze čtyř tabulek.

    Tabulka Qcgis

    V této tabulce jsou uložena data, která jsou připravena pro vizuální kontrolu.

    Z této tabulky byla pro aplikaci využita tato pole:

    Popis aplikace

    Po spuštění aplikace bude uživatel vyzván, aby zadal do vstupního formuláře

    (obr. A) rok a měsíc pro který chce provést kontrolu.

    Po zadání těchto údajů, se zobrazí formulář (obr. B), ve kterém uživatel zadá prvek který chce zkontrolovat.

    Poté se zobrazí vygenerovaná vrstva intervalů pro první den.

    Popis tlačítek

    Zobrazení legendy

    Zobrazení informací o vrstvě

    Zmenšení měřítka

    Zvětšení měřítka

    Posun mapy

    Informace o naměřených hodnotách

    Pomocí tlačítka se zobrazí formulář , ve kterém jsou zaznamenány časové údaje, název prvku, naměřené hodnoty prvku pro vybranou stanici, naměřené hodnoty prvku pro nejbližší čtyři stanice. Vedle těchto hodnot se zobrazí hodnoty předcházejích dvou termínů.

    Pomocí tlačítka si může uživatel vygenerovat další vrstvu intervalů.

    Tlačítko slouží pro modifikaci naměřené hodnoty .

    Po ukončení prohlížení map je z tabulky Qcgis vymazáno všechno co již bylo prohlédnuto.

    Závěr

    Cílem tohoto projektu, bylo vytvořit aplikace v  prostředí ArcView 3.1, které se budou spouštět z informačního systému CLIDATA, což je specializovaný informační systém pro meteorologické organizace. Při vytváření aplikace je důležité, aby bylo možno aplikaci využít i pro jiné meteorologické organizace ve světe. Například aplikace může být lokalizována pro libovolnou zemi. IS CLIDATA existuje bude existovat tabulka , ve které budou uložena názvy položek, formulářů, chybové hlášení atd. Vždy tato tabulka bude mít alespoň jeden záznam a to pro anglickou lokalizaci. Daný stát si sám může přidat další záznam ve svém jazyce. Do konce roku 2000 budou IS CLIDATA i mé vytvořené aplikace využívat tyto meteorologické organizace:

    První instalace aplikace nastala v prosinci 1999 v ostravské pobočce ČHMÚ, ale pouze pro generování synoptické mapy z nepravidelných dat. Po úspěšné instalaci jsme začal připravovat aplikaci i na pravidelná data. Poté jsem naprogramoval aplikaci pro manuální generování synoptické mapy. Od února 2000 jsem začal pracovat na aplikaci pro vizualizaci plošných kontrol a v současné době jsou naprogramované všechny tři aplikace (automatické generování synoptické mapy, manuální generování synoptické mapy, vizualizace plošných kontrol).

    Do budoucna je zapotřebí ještě vytvořit aplikace:

    Použitá literatura

    [1] Stříž, M.: Využití GIS v hydrometeorologickém ústavě, VŠB-TU Ostrava 1999

    [2] Kuchařík,M.: Povětrnostní příprava,část II., UJEP Brno,Brno 1986

    [3] Hersan,M.:Replikační procesy ČHMÚ,VŠB-TU Ostrava 1998

    [4] ESRI: Avenue,Customization and Application Develepment for ArcView GIS,1997

    [5] ESRI: Informace z www.esri.com