構建三維雨量面軟件的研究與開發

郭曉東　王世濤　趙斐苗

[摘要]該應用軟件采用Borland公司C++Builder6和OpenGL開發軟件,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。

[關鍵詞]三維雨量面 Delaunay GIS OpenGL Bitmap

我國是一個農業大國,對自然氣候依賴比較重,容易受到農業災害的影響。農業災害最常規的表現形式就是干旱或洪澇災害,而干旱、洪澇災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,對于農業的抵抗災害、江河的抗洪能力以及水庫的蓄洪規模都具有重要的意義。

隨著非常規探測技術的迅猛發展,以自動氣象站降水觀測資料為主,結合雷達、衛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的發展趨勢。而以GIS為平臺,實現數據分析和顯示一體化管理則代表了面雨量業務系統的發展方向。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量的預測,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域內任意一點上的降水不流失,整個區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域某時段內的三維雨量面。構建三維雨量面要求有大量的數據支撐。

三維雨量面可以更直觀的反映面雨量的分布特征,善于表現降水空間分布的復雜性,同時可以非常方便的加入或融合到GIS系統中去。如果結合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系,大大提高降水量預測的精度,還可以準確估算流域的平均降水量,從而更好的預測、預警災情,對于農業的抵抗災害、江河的抗洪能力以及水庫的蓄洪規模都具有重要的意義。

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

一、雨量面的數據支持

三維雨量面的構建必須有大量的數據作為支撐,必須選取合適的插入法。經比較,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,其優點如下:

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

2.三角網保證了相同的觀測站點生成的三角形插值圖像唯一,可重復性好。易于更新,可適應各種分布密度的數據,減小運算量。

3.結構良好,數據結構簡單,數據冗余度小,存儲效率高,可以表示線性特征和迭加任意形狀的區域邊界。

4.三角網三角形數據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,根據經緯度利用三角形插值法生成了河南省二維delaunay三角形網絡。程序設計過程如下圖所示。

如圖3所示,為生成的二維Delaunay三角形網絡。

二、三維開發軟件的選擇及技術開發

構建三維的雨量面,常規的程序開發軟件難以實現,更難以將多個面、場疊加,最好采用專業的三維開發軟件。當前最主流的三維開發軟件有DirectX和OpenGL,是兩款非常優秀的軟件。由于氣象部門數據運算需求,經常要在UNIX、LIUNX等操作系統下操作,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。等值線是聯結具有相同數量指標的空間分布現象與二維平面的圖形,不同數值的等值線組成的圖形可以精確表示自然現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。由于雨量面是內部連續的,雨量與色彩值是線性相關的,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,設置多個雨量段對應的顏色段閥,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,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據需求;采用了OpenGL技術,完成了三維雨量面的生成;采用位圖分析技術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,將格點插入轉換為對位圖的處理,完成了雨量面的基本數據輸出,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地面系統奠定基礎。

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