基于Google Earth的城市实时天气可视化系统

唐慧强，薛 莉

（南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京210044）

0 引 言

传统的气象数据多以文本、表格等单纯的表现形式为主，对于公众来说抽象难懂，缺乏直观性。气象要素，如湿度、风向风速、气压等均针对特定的时间和空间而言，因此气象信息在某种意义上都是地理信息［1］。Google Earth系统，与传统的地理信息系统 （GIS）相比，其优势在于接口开放和数据的免维护，可视化表达效果好，并且是普及率较高的大众化系统，因此，Google Earth适合于表达气象信息。目前一般做法是利用天气过程中的降水资料、红外云图等，编写KML文件，在Google Earth平台上显示［2］，只是对历史天气状况的再现而没有显示实时天气情况。国外学者则多是利用包含雷达、台风、降水量等信息的KMZ文件，在Google Earth上以多种颜色对应不同等级的方式表示天气信息［3，4］，提供此KMZ文件的网站有预警决策支持系统 （WDSS）、美国国家天气服务中心 （NWS）等，虽然具有较好的实时性，但其表现形式不如公众常见的云雨雾雪等景象直观。本文通过C＃调用天气预报Web服务，解析获取天气信息，基于粒子系统和物理模型模拟雨雪等天气信息对应的场景。查询时，Google Earth瞬间定位到所需城市，在该城市背景上呈现实时的天气动画，实现国内主要城市天气的三维动态可视化显示。

1 降雨的理论及模型

1.1 粒子系统

粒子系统理论是迄今为止描述不规则物体最成熟的理论之一，依靠对粒子随机过程的管理来充分体现无规则的模糊景物特征，粒子具有形状、大小、位置等多种属性。通过粒子的产生、成长、消亡、更新、绘制等过程，可以模拟云、雨、雾、雪等自然现象［5］。本文以下雨效果为例进行相关研究。

1.2 下雨效果的模拟

模拟下雨效果应考虑雨滴的形状建模和运动建模两方面，前者可采用元球模型构建，后者需考虑无风和有风环境下的运动。

（1）雨粒子的形状建模

雨粒子形状由其直径d决定：d＜2 mm时，雨粒子为球状；2 mm＜d＜6 mm 时，雨粒子为椭球状；d＞6 mm 时，较大的雨粒子会分裂，变成诸多小圆球。鉴于此，雨粒子形状可以使用元球模型来模拟，即对于d＜2 mm的雨滴，两个元球融合成一个元球，雨滴增大时使二者圆心距增大，则渐渐变成椭球形雨粒子。此外，雨粒子降落过程中会发生碰撞，形成更大的雨粒子，当d＞6 mm时便会分裂。

为了保证雨粒子在裂合等一系列变化过程中表面的光滑性，模型中利用Wyvill的六次多项式势函数［6］

对于多个元球，表面形状用下式表示

式中：qi——元球的密度；fi——元球的势函数；T0——极限值 （常数）。

通过确定T0便可以产生一个比较理想的雨粒子融合、变形、分裂的效果。

（2）雨粒子的运动建模

下雨时，往往风雨交加，雨粒子本身质量又很小，受风的影响较大，因此重点讨论雨粒子在有风情况下的运动。雨粒子直径d＜6 mm时，在降落过程中形状维持不变，近似为球状，故只需考虑风力、水平方向粘滞阻力与雨粒子水平速度的关系。讨论如下：

设F表示风力，f表示水平方向的粘滞阻力，根据流体力学可得

式中：ρ——流体密度；S——流速垂直方向和物体之间最大的横截面积；Cd——阻力系数。

雷诺数用下式表示

式中：l——特征长度；η——流体的粘滞系数；v——物体的速度。

在0＜Re＜2×105的范围内，Cd与Re的关系为

对于球体，S＝πr2，l＝2r，当Re＜1时：

当103＜Re＜2×105时，Cd近似为0.4，则f＝0.2ρπr2v2，即球体所受阻力和v2成正比。雨滴降落接近地面时，其速度为：

（1）当Re＜1时

在水平阻力与风力的影响下，雨粒子的运动用下式表示

又因为v（0）＝0，解方程 （6）得

式中：ρw——水的密度；r——雨滴的半径。

（2）当103＜Re＜2×105时

又由v（0）＝0，解方程 （9）得

式中：ρ——空气的密度。

（3）当1＜Re＜103时，（1）（2）中对Cd的简化不再适用。方程－F＝0的解是水平方向的雨滴终速度v，设函数f（v）＝－F，那么f（v））上跟随v的增大而单调递增，故可用牛顿切线法求方程－F＝0的近似解，最终得到雨滴的速度v。

基于上述对雨滴运动过程的分析，能够得到比较真实的雨滴速度和加速度，以此作为粒子属性，便于体现风力对雨的影响，从而增强真实感。绘制时，在每一滴雨滴位置上直接调用OpenGL的绘制函数生成雨滴。

2 系统开发关键技术

2.1 Google Earth二次开发技术

Google Earth（GE）提供COM API作为公共接口，其中包括11个接口，最重要的一个是IApplicationGE，本文利用此接口控制GE程序的启动、退出、地图窗口句柄的获 取 等 一 系 列 复 杂 操 作［7］。KML （keyhole markup language）类似于XML，描述了与地理要素相关的信息 （如点、线、面、文字描述、图像等），可以被 Google Earth浏览［8］。

2.2 Weather Web Service

Web Service作为应用组件，以分布式架构的方式由Web网络向服务需求者提供服务［9］，结构如图1所示。本系统的天气数据通过调用 Weather Web Service获取，自动更新一次需2.5小时左右，可靠性高。实时及接下来三天的天气状况，通过调用getWeatherbyCityName函数，以查询地点名称为参数，可以轻松获取。

大型起重作业必须编制《三措两案》，并逐级审批。严格审核起重机械检验证明及作业人员的《特种作业操作证》，吊装作业必须设专人指挥，指挥人员不得兼做其他工作，应认真观察起重作业周围环境，确保信号正确无误，严禁吊装物体从人的头上越过或停留，遇大雨、雷电、大雾、风力6级以上等恶劣天气，严禁露天起重作业。

图1 Web Service体系结构

2.3 系统框架设计

城市实时天气可视化显示系统整体由三层架构组成，利用.NET技术开发整个系统的框架，Web服务作为业务中间件用于获取实时天气信息，SQL Server 2005保存城市的经纬度等相关信息，OpenGL绘制雨雪等天气效果。客户端采用VS2008＋C＃.NET调用GE的接口函数，最终实现后台所提取的业务数据及天气动画的叠加显示。系统结构如图2所示。

图2 系统结构

3 系统实现

3.1 GE视图的控制

IApplicationGE类中的GetMainHwnd（）函数和GetRenderHwnd（）函数分别用来实现客户端的框架窗口句柄以及各子窗口句柄的获取，方便将GE视图嵌入到用户自己的应用程序中［10－12］，达到与GE的良好交互。

此外，调用HookAPI.dll能够屏蔽鼠标消息，完成对GE视图的单双击响应，以及鼠标滚轮对GE 3D视图的缩放及漫游控制。为了将当前视图保存下来用于日后查看，可以调用GE的SaveScreenShot函数。

3.2 实时天气信息的获取

通过Weather Web Service获取天气信息的方法如下：

（1）在VS2008＋C＃.NET中的 “项目”上右击 “添加服务引用”，从而引入Web Service；

（2）填写 Web Service地址及相应命名空间。

核心代码如下：

3.3 雨滴效果的绘制

通过对雨滴运动状态的分析，确定雨滴的属性，其中最为关键的是雨滴的速度和加速度，计算得出雨滴所处位置。为了体现风对于雨滴的影响，实时调整速度和加速度，得到新雨滴所处位置，利用OpenGL绘制函数在每滴雨滴位置上依据粒子系统理论绘制雨滴，同时赋予雨滴其他相关属性，流程图如图3所示。

图3 绘制流程

本系统采用VS2008＋C＃.NET开发，通过导入动态链接库文件csgl.dll和csglnative.dll，就可以使用OpenGL三维图形库，此种方式调试容易、开发效率高［13］。具体操作方法如下：

（1）将csgl.dll和csglnative.dll拷贝到 C：＼ WINDOWS＼system32；

（2）在 “项目”上选择 “添加引用”，导入csgl.dll；

（3）在C＃的程序开始，添加：using CsGL.OpenGL

经过以上操作，便可以在程序中使用OpenGL的绘图命令绘制雨滴效果了。

3.4 实验结果与分析

3.2 节得到的包含天气信息的字符串s，其中s［6］是当天天气概况，分为不同的等级，如大雨、中雨、小雨、晴天等，以此为依据，查询时，通过窗口句柄，将OpenGL绘制的对应天气效果显示在GE当前城市界面上，实现效果如图4所示。

图4 实现效果

如图4所示，图4（a）为太仓在刮西北风时下中雨的画面，图4（b）为连云港在刮北风时下小雨的画面，中间部分均是对应城市的背景，该背景随着查询城市的不同而动态改变。雨滴的飘落方向、雨滴大小依据查询地点实时天气信息的不同而动态更新。界面左侧为国内主要城市列表，右侧以文字的形式显示未来两天的天气预报，同时呈现实时天气信息的文本信息和动画效果。

4 结束语

本文设计的基于Google Earth的城市实时天气可视化系统具有两个方面的优越性：（1）本系统凭借Google Earth三维地理信息系统平台动态变换天气效果显示的背景，突破了传统视景仿真在固定场景下出现的局限性；（2）本系统可以根据实时天气信息动态改变天气动画，实现了天气信息和地理信息的有机叠加，便于公众对抽象天气数据的理解。存在的不足是目前可以查询340多个中国主要城市的天气信息，在以后可以考虑采用其它Web服务增加可以查询的地点数量，并且优化模拟雨雪的模型。

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