構(gòu)建三維雨量面軟件的研究與開發(fā)

郭曉東　王世濤　趙斐苗

[摘要]該應(yīng)用軟件采用Borland公司C++Builder6和OpenGL開發(fā)軟件,利用Delaunay三角形插入算法,完成了三維雨量面的模擬生成,具備三維雨量面的等雨量線和點雨量輸出的基本功能。

[關(guān)鍵詞]三維雨量面 Delaunay GIS OpenGL Bitmap

我國是一個農(nóng)業(yè)大國,對自然氣候依賴比較重,容易受到農(nóng)業(yè)災(zāi)害的影響。農(nóng)業(yè)災(zāi)害最常規(guī)的表現(xiàn)形式就是干旱或洪澇災(zāi)害,而干旱、洪澇災(zāi)害的重要指標之一就是面雨量。如果能及時掌握了比較準確的面雨量,對于農(nóng)業(yè)的抵抗災(zāi)害、江河的抗洪能力以及水庫的蓄洪規(guī)模都具有重要的意義。

隨著非常規(guī)探測技術(shù)的迅猛發(fā)展,以自動氣象站降水觀測資料為主,結(jié)合雷達、衛(wèi)星估測降水資料輔助修正模式正在形成,通過資料融合、四維同化來進行估算已成為流域面雨量估算技術(shù)的發(fā)展趨勢。而以GIS為平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示一體化管理則代表了面雨量業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展方向。通過水文模擬與水文觀測的比較,可以對面雨量估算結(jié)果進行間接檢驗。如何將雨量和上述資料融合在一起,提高降水量精度和降水數(shù)量的預(yù)測,是一個亟待探討和研究的重要問題。

三維雨量面,顧名思義就是固定時間段固定區(qū)域內(nèi)任意一點上的降水不流失,整個區(qū)域所有點降水將形成一個立體的降水體。在不考慮地貌特征,認為地表是均勻平整的情況下,水體的上表面就是該區(qū)域某時段內(nèi)的三維雨量面。構(gòu)建三維雨量面要求有大量的數(shù)據(jù)支撐。

三維雨量面可以更直觀的反映面雨量的分布特征,善于表現(xiàn)降水空間分布的復(fù)雜性,同時可以非常方便的加入或融合到GIS系統(tǒng)中去。如果結(jié)合GIS地理信息提供的地貌資料,風場、溫度場、氣壓場等綜合資料,可以進一步揭示空間信息與降雨之間的關(guān)系,大大提高降水量預(yù)測的精度,還可以準確估算流域的平均降水量,從而更好的預(yù)測、預(yù)警災(zāi)情,對于農(nóng)業(yè)的抵抗災(zāi)害、江河的抗洪能力以及水庫的蓄洪規(guī)模都具有重要的意義。

本文采用利用Borland公司的C++Builder6和OpenGL三維開發(fā)軟件(如圖1所示),開發(fā)設(shè)計了河南省雨量面模擬、分析軟件,再現(xiàn)了河南省某時段的三維雨量面,現(xiàn)簡介如下。

一、雨量面的數(shù)據(jù)支持

三維雨量面的構(gòu)建必須有大量的數(shù)據(jù)作為支撐,必須選取合適的插入法。經(jīng)比較,本文選取了Delaunay三角形插值法。它是氣象部門和GIS研究都常用的一種插值方法,其優(yōu)點如下:

1.三角形插值法可以較好地表現(xiàn)雨量、地形、地貌和物體表面形狀特征,準確性可以滿足要求;作為主要的數(shù)字地形模型表示法,它的生成算法已趨于成熟。

2.三角網(wǎng)保證了相同的觀測站點生成的三角形插值圖像唯一,可重復(fù)性好。易于更新,可適應(yīng)各種分布密度的數(shù)據(jù),減小運算量。

3.結(jié)構(gòu)良好,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,數(shù)據(jù)冗余度小,存儲效率高,可以表示線性特征和迭加任意形狀的區(qū)域邊界。

4.三角網(wǎng)三角形數(shù)據(jù)可以直接用于三維物體的軟件生成。

本文將河南省121個氣象觀測臺站作為插入點,根據(jù)經(jīng)緯度利用三角形插值法生成了河南省二維delaunay三角形網(wǎng)絡(luò)。程序設(shè)計過程如下圖所示。

如圖3所示,為生成的二維Delaunay三角形網(wǎng)絡(luò)。

二、三維開發(fā)軟件的選擇及技術(shù)開發(fā)

構(gòu)建三維的雨量面,常規(guī)的程序開發(fā)軟件難以實現(xiàn),更難以將多個面、場疊加,最好采用專業(yè)的三維開發(fā)軟件。當前最主流的三維開發(fā)軟件有DirectX和OpenGL,是兩款非常優(yōu)秀的軟件。由于氣象部門數(shù)據(jù)運算需求,經(jīng)常要在UNIX、LIUNX等操作系統(tǒng)下操作,鑒于OpenGL(Open Graphic Library)具有良好的程序通用性和可移植性,本文選擇了采用OpenGL來解決面雨量的三維顯示。

三、雨量面的分析

本文對于三維雨量面的分析分析包含最基本的功能,主要有兩點:點雨量的獲取和等雨量線的獲取。

1.點雨量的獲取。點雨量的獲取非常簡單。我們只要知道了需要查找的點坐標位置,即可獲得需要的坐標點上像素顏色,顏色和雨量之間關(guān)系換算即可得到該點雨量。

2.等雨量線的獲取。

等雨量線是一種等值線。等值線是聯(lián)結(jié)具有相同數(shù)量指標的空間分布現(xiàn)象與二維平面的圖形,不同數(shù)值的等值線組成的圖形可以精確表示自然現(xiàn)象的垂直變化和水平方向的強弱差異,是一項重要的分析指標。由于空間的限制,等值線可以是閉合的也可以是不閉合的。等值線一般不相交。

本文提出一種新穎的等值線獲取方法,就是通過對比位圖色彩值來獲取等值線。上文構(gòu)建了三維的雨量面,同時生成輸出該雨量面的彩色正視圖。正視圖是三維雨量面在水平面上的正投影。由于雨量面是內(nèi)部連續(xù)的,雨量與色彩值是線性相關(guān)的,相同雨量值色彩值必定相同,在色彩值相同的地方,必定存在等雨量線。我們可以開發(fā)編寫軟件,通過對雨量面正投影位圖的色彩分析,通過過濾生成等雨量線,設(shè)置多個雨量段對應(yīng)的顏色段閥,通過與非運算,篩去不符合閥值的點,即可輕易獲得任意等雨量線,僅生成一次雨量面,即可完成所有任務(wù),對于生成的等雨量線還可以方便保存為位圖。程序編寫過程如下。

四、結(jié)論

本文通過采用Delaunay三角形插值方法,保證了三維雨量面的數(shù)據(jù)需求;采用了OpenGL技術(shù),完成了三維雨量面的生成;采用位圖分析技術(shù)來獲取三維雨量面上的點雨量輸出和任意等雨量線的輸出,將格點插入轉(zhuǎn)換為對位圖的處理,完成了雨量面的基本數(shù)據(jù)輸出,不受格點限制,減輕了計算量,提高了工作效率。同時并為下一步引入GIS地面系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

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