基于GoogleEarth的气象多参数综合显示系统.pdf

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1、地理空间信息GEOSPATIAL INFORMATION第4期16Aug.,2010 Vol.8,No.4基于 Google Earth 的气象多参数综合显示系统周筠1-3，李展1，瞿1，李 哲1(1.成都信息工程学院 大气科学学院,四川 成都 610225；2.中国科学院大气物理研究所中层大气与全球环境探测实验室,北京 100029；3.西藏自治区气象局气象台,西藏 拉萨 850000)摘要：利用 Google Earth 平台，将天气过程中的雷电、红外云图、MICAPS 高空图以及 TMPA 降水资料，通过编写 KML/KMZ 文件，建立了气象多参数综合显示系统。该系统平台的建立，可在三维

2、空间中真实动态地再现天气的发生发展及演变过程。此平台将有利于灾害性天气成灾过程和物理机制的研究。关键词：Google Earth；地闪；多气象参数中图分类号：P208文献标志码:B文章编号:1672-4623(2010)04-0016-04Meteorological Multi-parameter Integrated DisplaySystem Based on Google EarthZHOU Yunjun1-3,LI Zhan1,QU Xing1,LI Zhe1(1.College of Atmospheric Sciences,Chengdu University of Inform

3、ation Technology,Chengdu 610225,China;2.Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Observatory of the Weather Bureau in Tibet Autonomous Region,Lhasa 850000,China)Abstract：Based on the platfor

4、m of Google Earth,a meteorological multi-parameter integrated display systemwasestablishedthrough writingtheKML/KMZfilesbyusingCloud-to-Groundlightning,IRcloud picture,high-levelsynoptic chart fromMICAPSand TMPA precipitation data in processes of weather.The systems establish-ment provided a way to

5、reappear the dynamic synoptic process in a real 3D space，and the huge information inthis platform offered a broad application perspective for monitoring and early warning the synoptic disaster.Key words:Google Earth;CG lightning;meteorological multi-parameter收稿日期：2009-10-26项目来源:中国科学院知识创新工程领域前沿项目（IAP

6、09314）；西藏强对流天气短时临近预报预警系统项目。1998 年 Al Gore1在美国加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球：21 世纪认识地球的方式”的讲演后,2005 年 6 月 Google 公司推出了 Google Earth 这款三维地球软件，马上得到全球众多用户的喜爱，目前这款软件全球约有超过 4 亿的装机量。由于其开放性及平台所提供的海量地理信息，GoogleEarth 迅速在各行各业得到广泛研究和扩展应用，特别是在交通、林业、电力、水利、地质、防震减灾等公共领域起到了良好的经济和社会效益。但是对其的研究应用多集中于公共领域，在科学研究特别是地球科学中的应用尚有待加强，国内目

7、前只在地质水利等领域开展了勘测及防灾的应用2、3，在大气科学目前少有研究应用。国外早在这款软件推出后的第二年（2006）及其之后每年，AGU（AmericanGeophysicalUnion）的年会都设立的一个分会场VirtualGlobes，主要就是利用GoogleEarth及其他类似平台对地球科学的研究成果进行直观展示。特别是 NASA、NOAA 等都已经开始相关工作，应用这款软件平台来展示最新成果和科学数据。利用GoogleEarth这一通用平台在时间及空间上对天气过程进行多参数重现，不仅有助于通过分析其发生发展和演变规律，进而对其进行预警预报；而且也可以极大地方便公众对于天气过程的了解

8、。目前虽然多数是利用GIS系统来开发其数据管理和显示系统4-5，但是其开发成本较高，显示效果也缺乏直观性。本文将介绍利用 Google Earth 提供的高分辨率的地理平台，对雷暴天气过程的天气背景、雷电与降水等要素在时空上完整再现。Aug.,2010 Vol.8,No.4地理空间信息GEOSPATIAL INFORMATION17第4期1方法与数据基于GoogleEarth的气象多参数综合显示系统实现的主要是按照kml文件的格式编写相应的数据文件。基本步骤主要包括预先处理原始资料或者绘图软件绘制的图片，然后根据数据种类和时空属性以及显示特征按照 kml 的说明文档编程输出数据的文本文档 km

9、l 文件，最后根据数据文件的组织结构汇总压缩成 zip 文件并修改后缀名为 kmz，从而制作出 GoogleEarth 可以读入显示并完成各种操作功能的数据文件。该系统主要使用的资料包括：MICAPS 系统天气、TMPA 降水及地闪资料。MICAPS 中资料主要为各个层次高度场的格点资料（第四类数据）、MM5 中各个层次风场的格点资料（第十一类数据）以及风云二卫星兰勃托投影下的红外云图资料（第十三类数据）。本文采用TRMM的 3B41RT资料，这是经过TRMM卫星TMI资料验证的对地静止地球轨道卫星GEO观测的红外资料，该资料的最大优点是具有比同类资料更高的时间分辨率（1h），这是它除具有较高

10、空间分辨率（0.25 0.25）外最显著的特征（ftp:/trmmopen.gsfc.nasa.gov）。Huffman 等6对 TMPA 资料的应用做过检验，认为 3B41RT 类资料对主要降水过程的落区探测与地面气象站观测的结果大体一致。白爱娟等7在对比 TMPA 降水量资料和中国气象站观测降水量资料的基础上，说明了 TMPA 资料适用于中纬度地区特别是高原及周边地区。此外，文中的地闪资料是由四川雷电监测定位系统观测得到的，其主要参量包括回击发生的精确时间、回击位置(经纬度)、陡度值、放电量峰值等8。2基于 Google Earth 的气象显示系统的技术基础2.1Google Earth

11、和 KML 概述GoogleEarth 作为地球浏览器，它通过调用 GoogleMaps 海量的高分辨率卫星影像显示城市街道、建筑分布、景点地标、交通工具等。由于其高度开放性，开始有越来越多的与空间有关的信息通过网络和KML文件都可以在这个浏览器查看。当前版本为 5.0beta，除免费版外，还有专业版和企业解决方案。KML（KeyholeMarkupLanguage）是基于 XML 语法标准的一种标记语言，采用标记结构，还有嵌套的元素和属性。根据 KML 语言编写的文件为 KML 文件，格式采用 XML 文件格式，应用于 Google Earth 等相关软件以显示地理空间数据。它具有以下优点：

12、1）数据用文本描述，结构简单易懂；2）文本数据（可包含图像文件）可压缩为 KMZ 格式，数据的容量较小；3）对于地理信息的显示样式丰富，并且支持 html 语言嵌套；4）数据可以实现动态链接，方便数据的网络存储；5）标准的开放性使得可以自定义更多功能。现在越来越多的 GIS 企业追随 Google 开始采用这种格式的数据进行地理数据的交互，它已经成为领域内的新的数据格式标准，目前最新使用的标准为 KML2.2 版本，并且由开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium,Inc.，简称 OGC）维护。本文使用的 KML 文件的标准说明参考 Google 官方 KML 使用

13、说明 KML Documentation（http:/ EarthKML 中文说明（http:/ 2008 年 9 月 23 日发生于四川境内的一次雷暴过程为例，实现本系统的相关功能效果的方法步骤。本系统主要需要点、等值线、流线、阴影等值线等几类元素的实现及其时空、效果属性的说明。1）闪电数据的标注主要通过 Point 实现。102008-09-23T00:00:11ZredpositiveclampToGround 103.1165,30.4626,0其属性说明了可见性为完全空间、可否打开为不可、时间标签、海拔模式为贴地、三维坐标位置。为区分正负地闪在文件中预先设定两种闪电显示图标方式“re

14、dpositive”和“bluenegtive”。正负闪图标方式可用设定。2）天气图中等值线通过 line 的方式的实现。在写kml文件之前需用MATLAB绘制经过平滑过的MICAPS第四类格点场数据的等值线，并且获取等值线上连续点的经纬度数据。利用风场的格点资料 MATLAB 绘图后除需获取流线的连续点数据，还须获取流线箭头的3 点位置。0#contourline055.0000,66.9338,053.8701,66.0000,055.0000,65.8164,0 57.5000,65.7633,0以上代码就表示连续 4 个点前后相连的线段，每个点用三维坐标表示。这样依次可以表示每条等值线

15、。对于每个条等值线需标注线值，可以使用 point 的方式在开口线的两头或者闭合线的最北端标注。此时图标方式大小为 0，而在 Placemark 添加名称属性如588，这样标注的地方只会数字显示而没有图标。为做到动画显示时的连续性，对这类有时间间隔的数据需采用时间段标签的时间属性说明，时间段的确定需依照当前数据的时次和数据的时间间隔选取。3）阴影等值线通过地理图片标注的方法实现。将四边沿经纬线的矩形图片覆盖到相应区域，图片文件支持的格式包括 JPG、PNG、GIF、TIFF。用 MATLAB、GrADS 等绘图软件绘制出无边框的图片后，用以下代码即可把图片覆盖到相应经纬度区域的球面。gsmap

16、_rain_e.20080923.1800.png60-601800href 引用的 png 图片文件为 KML 文件中同文件夹内的本地图片。用这种方法可以添加红外云图、降水数据、卫星轨道数据等。在 MATLAB 输出 PNG 图片是可以对没有数据的像素设定其透明度 Alpha 为 0，其他像素为 1。如此有数据分布的位置有相应颜色的表示数值，而无数据或者缺测位置则透明可看到地表。2.3数据文件的组织结构制作好的 KML 文件既可以单独在 GoogleEarth 中打开，也可以添加到一个文件夹中统一另存为一个KMZ文件。具体的操作见 Google Earth 关于文件的使用说明，或者在编写文件

17、时，将相关的数据段放到一个标签内。对于一次过程如果闪电数据过大，全部写为一个KML 文件会造成 Google Earth 读入数据速度过慢。处理这种大量数据的导入，须先分多段制作多个 KML 文件，然后使用数据的网络连接方法编写一个 KML 文件将所有数据汇集，当然数据的链接地址可以是本地地址。这样打开这个汇总文件后，GoogleEarth 会依次读入连接中数据文件，克服了一次导入大量数据的阻塞问题。具体方法为依次添加标签，即添加一个网络文件夹，在该标签内依次添加链接地址*，*为所连接的分段数据的地址。3基于 Google Earth 的气象显示系统的功能制作好 KML/KMZ 数据文件后就可

18、以使用 GoogleEarth 打开并对数据进行操作。打开 GoogleEarth 软件，选取制作好的“9.23”雷暴过程的地闪数据和降水数据，界面如图 1 所示。目前由于主要使用 GoogleEarth这一公共平台打开数据，对数据的操作缺乏气象专业性。但是即便如此，GoogleEarth 中提供的强大功能可以满足对数据的基本操作。图 1添加闪电资料和降水资料的系统界面在位置框中可以对打开的当前文件和对象勾选、取消，使图层显示、消隐。也可以在其中按快捷键 Ctrl+F 查找数据。对于当前选中高亮的文件或对象，调节下部的滑动框可以设置图层的透明度，方便当前显示多个数据图层时对比查看。通过设置不同

19、数据的高度层次，可以实现多层数据在三维空间的立体显示，并且可以使用视图右侧的控制杆灵活操作视图的视角远近方位，做到真正的数据的三维真实展现。另一个重要功能是数据的动画显示。当选择的数据有时间属性，视图上侧的时间控制栏可以会显示与两个时间标杆之间时间段上有时间重叠的元素。该系统除具有三维空间定位，两点距离测量等常用地理信息功能，其更大的特色在这个平台所包含的含量地理信息。从海陆分布，到陆地和海底三维地形地形地貌、Aug.,2010 Vol.8,No.4地理空间信息GEOSPATIAL INFORMATION19第4期水系山脉分布，再到各级行政边界、详细的海陆空交通路线，最后到众多的旅游景点、交通

20、枢纽、教育机构、行政单位、工业基地等的精确标注。这些海量的地理信息除了可以通过网络实时数据更新，而且对一些目标可以实现实时跟踪。由于在重要地区都有大量高分辨率的卫星影像，对于闪电这样的精确定位信息更是有不可替代的应用价值。配合时间上的动画功能和其他气象要素的显示，可以给出雷暴天气过程中，天气背景、降水及闪电发生及演变之间的关系，天气系统的大致移动方向和速度，从而有利于发展雷暴预警预报的方法。该系统的应用将对民航、电力、航空、交通等重点防雷领域的防雷监测和雷电预警有广泛实用的应用前景。4结语本文利用 GoogleEarth 平台，选用天气过程中的地闪、红外云图、MICAPS 高空图以及降水资料，

21、将这些资料按照 KML 文件编写方式制作出 Google Earth 的KML/KMZ 文件，并在该平台显示以及完成各项功能操作。GoogleEarth 作为一个开放的地理信息平台，可以方便添加各种气象要素数据。该系统平台的建立，可以在三维空间中真实动态地再现天气过程，并且其提供的海量信息。本文工作中建立的基于GoogleEarth的气象多参数综合显示系统只是通过 KML 文件的编写而在 GoogleEarth 软件平台上建立的，更多针对气象需要的功能需要调用 GoogleMaps 提供的 API 接口编写软件来实现。参考文献1Al Gore.The Digital Earth:Underst

22、anding Our Planet in the 21stCentury EB/OL.http:/digitalearth.Gsfc.nasa.gov/vp/VP19980131,html.2008-12-022刘群义,钟嘉奇,刘北.Google earth在水利工程管理中的应用J.黑龙江水利科技,2006,34(2)：144-1473余丰华,姜云.GoogleEarth在浙江省地质灾害管理中的应用J.地质灾害与环境保护,2007,18(3):98-1034贾,吴岚,钟志农.基于GIS的闪电定位数据的分析方法J.兵工自动化,2007,26(08):92-965石岚,关作正,徐丽娜,等.基于GI

23、S技术的呼伦贝尔地区雷电监测及应用 J.内蒙古大学学报:自然科学版,2009,40(1):113-1186Huffman G J,Adler R F,Bolvin D,et al.The TRMM Multi-sat-ellite Precipitation Analysis:Quasi-global,Multi-year,Combin-ed-sensor Precipitation Estimates at Fine ScaleJ.Journal of Hy-drometeorology,2007,8,(1):38-557白爱娟,刘长海,刘晓东.TRMM多卫星降水分析资料揭示的青藏高原及其周

24、边地区夏季降水日变化J.地球物理学报,2008,51(3):704-7148邵戎,刘婷立,彭涛.四川雷电监测定位系统简介J.四川气象,2007,27(4):28-30第一作者简介：周筠珺，博士,教授，主要从事大气电学及云雾物理的研究。（上接第 15 页）（a）数字正射影像（b）数字地面模型（5 m 间隔）图 2GeoEye-1 获取的数字测绘产品展开一系列的实验，对不同布点方案的定位精度进行研究，并和 IKONOS 影像进行对比分析。实验结果表明，RPC 模型具有较好的稳定性，用少量的地面控制点即可以有效地消除 RPC 模型中的系统误差，可替代以共线条件为基础的严格几何模型用于摄影测量处理。G

25、eoEy-1图像的定位精度可将近 0.50 m，高程优于 1 m，定位精度相比 IKONOS 有了大幅提高，可以满足公路勘察选线 12 000 测图精度要求。参考文献1谢青,陆宇红,魏富恒.IKONOS 卫星影像立体测图中有理函数模型的研究J.测绘与空间地理信息,2009,32(1):187-1902巩丹超,张永生.有理函数模型的解算与应用J.测绘学院学报,2003,20(1):39-423Fraser C.S&.Ravanbakhsh M.Geo-reference Performance ofGEOEYE-1:Early Indications of MetricPerformanceC.

26、ISPRS High-Resolution Earth Imaging for Geospatial Informa-tion Workshop,Hannover Germany,June 2-5,2009,page 1-64Fraser,C,.Hanley H.B.Bias Compensation in Rational Functionsfor Ikonos Satellite ImageryJ.PE&RS,2003,69(1):53-575Fraser C.S.,Hanley H.B.Bias-compensated RPCs for SensorOrientation of High-resolution Satellite ImageryJ.PE&RS,2005,71(8):909-9156Grodecki J,Dial G.Block Adjustment of High Resolution Satel-lite Images Described by Rational FunctionsJ.PE&RS,2003,69(1):59-68第一作者简介：胡珊，研究员，研究方向为公路勘测和路桥测量。