基于Google Earth的城市實時天氣可視化系統(tǒng)

唐慧強，薛 莉

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京210044）

0 引 言

傳統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)多以文本、表格等單純的表現(xiàn)形式為主，對于公眾來說抽象難懂，缺乏直觀性。氣象要素，如濕度、風向風速、氣壓等均針對特定的時間和空間而言，因此氣象信息在某種意義上都是地理信息［1］。Google Earth系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng) （GIS）相比，其優(yōu)勢在于接口開放和數(shù)據(jù)的免維護，可視化表達效果好，并且是普及率較高的大眾化系統(tǒng)，因此，Google Earth適合于表達氣象信息。目前一般做法是利用天氣過程中的降水資料、紅外云圖等，編寫KML文件，在Google Earth平臺上顯示［2］，只是對歷史天氣狀況的再現(xiàn)而沒有顯示實時天氣情況。國外學者則多是利用包含雷達、臺風、降水量等信息的KMZ文件，在Google Earth上以多種顏色對應不同等級的方式表示天氣信息［3，4］，提供此KMZ文件的網(wǎng)站有預警決策支持系統(tǒng) （WDSS）、美國國家天氣服務中心 （NWS）等，雖然具有較好的實時性，但其表現(xiàn)形式不如公眾常見的云雨霧雪等景象直觀。本文通過C＃調(diào)用天氣預報Web服務，解析獲取天氣信息，基于粒子系統(tǒng)和物理模型模擬雨雪等天氣信息對應的場景。查詢時，Google Earth瞬間定位到所需城市，在該城市背景上呈現(xiàn)實時的天氣動畫，實現(xiàn)國內(nèi)主要城市天氣的三維動態(tài)可視化顯示。

1 降雨的理論及模型

1.1 粒子系統(tǒng)

粒子系統(tǒng)理論是迄今為止描述不規(guī)則物體最成熟的理論之一，依靠對粒子隨機過程的管理來充分體現(xiàn)無規(guī)則的模糊景物特征，粒子具有形狀、大小、位置等多種屬性。通過粒子的產(chǎn)生、成長、消亡、更新、繪制等過程，可以模擬云、雨、霧、雪等自然現(xiàn)象［5］。本文以下雨效果為例進行相關研究。

1.2 下雨效果的模擬

模擬下雨效果應考慮雨滴的形狀建模和運動建模兩方面，前者可采用元球模型構建，后者需考慮無風和有風環(huán)境下的運動。

（1）雨粒子的形狀建模

雨粒子形狀由其直徑d決定：d＜2 mm時，雨粒子為球狀；2 mm＜d＜6 mm 時，雨粒子為橢球狀；d＞6 mm 時，較大的雨粒子會分裂，變成諸多小圓球。鑒于此，雨粒子形狀可以使用元球模型來模擬，即對于d＜2 mm的雨滴，兩個元球融合成一個元球，雨滴增大時使二者圓心距增大，則漸漸變成橢球形雨粒子。此外，雨粒子降落過程中會發(fā)生碰撞，形成更大的雨粒子，當d＞6 mm時便會分裂。

為了保證雨粒子在裂合等一系列變化過程中表面的光滑性，模型中利用Wyvill的六次多項式勢函數(shù)［6］

對于多個元球，表面形狀用下式表示

式中：qi——元球的密度；fi——元球的勢函數(shù)；T0——極限值 （常數(shù)）。

通過確定T0便可以產(chǎn)生一個比較理想的雨粒子融合、變形、分裂的效果。

（2）雨粒子的運動建模

下雨時，往往風雨交加，雨粒子本身質(zhì)量又很小，受風的影響較大，因此重點討論雨粒子在有風情況下的運動。雨粒子直徑d＜6 mm時，在降落過程中形狀維持不變，近似為球狀，故只需考慮風力、水平方向粘滯阻力與雨粒子水平速度的關系。討論如下：

設F表示風力，f表示水平方向的粘滯阻力，根據(jù)流體力學可得

式中：ρ——流體密度；S——流速垂直方向和物體之間最大的橫截面積；Cd——阻力系數(shù)。

雷諾數(shù)用下式表示

式中：l——特征長度；η——流體的粘滯系數(shù)；v——物體的速度。

在0＜Re＜2×105的范圍內(nèi)，Cd與Re的關系為

對于球體，S＝πr2，l＝2r，當Re＜1時：

當103＜Re＜2×105時，Cd近似為0.4，則f＝0.2ρπr2v2，即球體所受阻力和v2成正比。雨滴降落接近地面時，其速度為：

（1）當Re＜1時

在水平阻力與風力的影響下，雨粒子的運動用下式表示

又因為v（0）＝0，解方程 （6）得

式中：ρw——水的密度；r——雨滴的半徑。

（2）當103＜Re＜2×105時

又由v（0）＝0，解方程 （9）得

式中：ρ——空氣的密度。

（3）當1＜Re＜103時，（1）（2）中對Cd的簡化不再適用。方程－F＝0的解是水平方向的雨滴終速度v，設函數(shù)f（v）＝－F，那么f（v））上跟隨v的增大而單調(diào)遞增，故可用牛頓切線法求方程－F＝0的近似解，最終得到雨滴的速度v。

基于上述對雨滴運動過程的分析，能夠得到比較真實的雨滴速度和加速度，以此作為粒子屬性，便于體現(xiàn)風力對雨的影響，從而增強真實感。繪制時，在每一滴雨滴位置上直接調(diào)用OpenGL的繪制函數(shù)生成雨滴。

2 系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術

2.1 Google Earth二次開發(fā)技術

Google Earth（GE）提供COM API作為公共接口，其中包括11個接口，最重要的一個是IApplicationGE，本文利用此接口控制GE程序的啟動、退出、地圖窗口句柄的獲 取 等 一 系 列 復 雜 操 作［7］。KML （keyhole markup language）類似于XML，描述了與地理要素相關的信息 （如點、線、面、文字描述、圖像等），可以被 Google Earth瀏覽［8］。

2.2 Weather Web Service

Web Service作為應用組件，以分布式架構的方式由Web網(wǎng)絡向服務需求者提供服務［9］，結構如圖1所示。本系統(tǒng)的天氣數(shù)據(jù)通過調(diào)用 Weather Web Service獲取，自動更新一次需2.5小時左右，可靠性高。實時及接下來三天的天氣狀況，通過調(diào)用getWeatherbyCityName函數(shù)，以查詢地點名稱為參數(shù)，可以輕松獲取。

大型起重作業(yè)必須編制《三措兩案》，并逐級審批。嚴格審核起重機械檢驗證明及作業(yè)人員的《特種作業(yè)操作證》，吊裝作業(yè)必須設專人指揮，指揮人員不得兼做其他工作，應認真觀察起重作業(yè)周圍環(huán)境，確保信號正確無誤，嚴禁吊裝物體從人的頭上越過或停留，遇大雨、雷電、大霧、風力6級以上等惡劣天氣，嚴禁露天起重作業(yè)。

圖1 Web Service體系結構

2.3 系統(tǒng)框架設計

城市實時天氣可視化顯示系統(tǒng)整體由三層架構組成，利用.NET技術開發(fā)整個系統(tǒng)的框架，Web服務作為業(yè)務中間件用于獲取實時天氣信息，SQL Server 2005保存城市的經(jīng)緯度等相關信息，OpenGL繪制雨雪等天氣效果?？蛻舳瞬捎肰S2008＋C＃.NET調(diào)用GE的接口函數(shù)，最終實現(xiàn)后臺所提取的業(yè)務數(shù)據(jù)及天氣動畫的疊加顯示。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結構

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 GE視圖的控制

IApplicationGE類中的GetMainHwnd（）函數(shù)和GetRenderHwnd（）函數(shù)分別用來實現(xiàn)客戶端的框架窗口句柄以及各子窗口句柄的獲取，方便將GE視圖嵌入到用戶自己的應用程序中［10－12］，達到與GE的良好交互。

此外，調(diào)用HookAPI.dll能夠屏蔽鼠標消息，完成對GE視圖的單雙擊響應，以及鼠標滾輪對GE 3D視圖的縮放及漫游控制。為了將當前視圖保存下來用于日后查看，可以調(diào)用GE的SaveScreenShot函數(shù)。

3.2 實時天氣信息的獲取

通過Weather Web Service獲取天氣信息的方法如下：

（1）在VS2008＋C＃.NET中的 “項目”上右擊 “添加服務引用”，從而引入Web Service；

（2）填寫 Web Service地址及相應命名空間。

核心代碼如下：

3.3 雨滴效果的繪制

通過對雨滴運動狀態(tài)的分析，確定雨滴的屬性，其中最為關鍵的是雨滴的速度和加速度，計算得出雨滴所處位置。為了體現(xiàn)風對于雨滴的影響，實時調(diào)整速度和加速度，得到新雨滴所處位置，利用OpenGL繪制函數(shù)在每滴雨滴位置上依據(jù)粒子系統(tǒng)理論繪制雨滴，同時賦予雨滴其他相關屬性，流程圖如圖3所示。

圖3 繪制流程

本系統(tǒng)采用VS2008＋C＃.NET開發(fā)，通過導入動態(tài)鏈接庫文件csgl.dll和csglnative.dll，就可以使用OpenGL三維圖形庫，此種方式調(diào)試容易、開發(fā)效率高［13］。具體操作方法如下：

（1）將csgl.dll和csglnative.dll拷貝到 C：＼ WINDOWS＼system32；

（2）在 “項目”上選擇 “添加引用”，導入csgl.dll；

（3）在C＃的程序開始，添加：using CsGL.OpenGL

經(jīng)過以上操作，便可以在程序中使用OpenGL的繪圖命令繪制雨滴效果了。

3.4 實驗結果與分析

3.2 節(jié)得到的包含天氣信息的字符串s，其中s［6］是當天天氣概況，分為不同的等級，如大雨、中雨、小雨、晴天等，以此為依據(jù)，查詢時，通過窗口句柄，將OpenGL繪制的對應天氣效果顯示在GE當前城市界面上，實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 實現(xiàn)效果

如圖4所示，圖4（a）為太倉在刮西北風時下中雨的畫面，圖4（b）為連云港在刮北風時下小雨的畫面，中間部分均是對應城市的背景，該背景隨著查詢城市的不同而動態(tài)改變。雨滴的飄落方向、雨滴大小依據(jù)查詢地點實時天氣信息的不同而動態(tài)更新。界面左側為國內(nèi)主要城市列表，右側以文字的形式顯示未來兩天的天氣預報，同時呈現(xiàn)實時天氣信息的文本信息和動畫效果。

4 結束語

本文設計的基于Google Earth的城市實時天氣可視化系統(tǒng)具有兩個方面的優(yōu)越性：（1）本系統(tǒng)憑借Google Earth三維地理信息系統(tǒng)平臺動態(tài)變換天氣效果顯示的背景，突破了傳統(tǒng)視景仿真在固定場景下出現(xiàn)的局限性；（2）本系統(tǒng)可以根據(jù)實時天氣信息動態(tài)改變天氣動畫，實現(xiàn)了天氣信息和地理信息的有機疊加，便于公眾對抽象天氣數(shù)據(jù)的理解。存在的不足是目前可以查詢340多個中國主要城市的天氣信息，在以后可以考慮采用其它Web服務增加可以查詢的地點數(shù)量，并且優(yōu)化模擬雨雪的模型。

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