唐慧強(qiáng)，薛 莉

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)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(duì)于公眾來(lái)說(shuō)抽象難懂，缺乏直觀性。氣象要素，如濕度、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓等均針對(duì)特定的時(shí)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(shì)在于接口開(kāi)放和數(shù)據(jù)的免維護(hù)，可視化表達(dá)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(dá)氣象信息。目前一般做法是利用天氣過(guò)程中的降水資料、紅外云圖等，編寫KML文件，在Google Earth平臺(tái)上顯示［2］，只是對(duì)歷史天氣狀況的再現(xiàn)而沒(méi)有顯示實(shí)時(shí)天氣情況。國(guó)外學(xué)者則多是利用包含雷達(dá)、臺(tái)風(fēng)、降水量等信息的KMZ文件，在Google Earth上以多種顏色對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的方式表示天氣信息［3，4］，提供此KMZ文件的網(wǎng)站有預(yù)警決策支持系統(tǒng) （WDSS）、美國(guó)國(guó)家天氣服務(wù)中心 （NWS）等，雖然具有較好的實(shí)時(shí)性，但其表現(xiàn)形式不如公眾常見(jiàn)的云雨霧雪等景象直觀。本文通過(guò)C＃調(diào)用天氣預(yù)報(bào)Web服務(wù)，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(duì)應(yīng)的場(chǎng)景。查詢時(shí)，Google Earth瞬間定位到所需城市，在該城市背景上呈現(xiàn)實(shí)時(shí)的天氣動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)主要城市天氣的三維動(dòng)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(duì)粒子隨機(jī)過(guò)程的管理來(lái)充分體現(xiàn)無(wú)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(guò)粒子的產(chǎn)生、成長(zhǎng)、消亡、更新、繪制等過(guò)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(jìn)行相關(guān)研究。

1.2 下雨效果的模擬

模擬下雨效果應(yīng)考慮雨滴的形狀建模和運(yùn)動(dòng)建模兩方面，前者可采用元球模型構(gòu)建，后者需考慮無(wú)風(fēng)和有風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)。

（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(shí)，雨粒子為球狀；2 mm＜d＜6 mm 時(shí)，雨粒子為橢球狀；d＞6 mm 時(shí)，較大的雨粒子會(huì)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(lái)模擬，即對(duì)于d＜2 mm的雨滴，兩個(gè)元球融合成一個(gè)元球，雨滴增大時(shí)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(guò)程中會(huì)發(fā)生碰撞，形成更大的雨粒子，當(dāng)d＞6 mm時(shí)便會(huì)分裂。

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

對(duì)于多個(gè)元球，表面形狀用下式表示

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

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

（2）雨粒子的運(yùn)動(dòng)建模

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

設(shè)F表示風(fēng)力，f表示水平方向的粘滯阻力，根據(jù)流體力學(xué)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(zhǎng)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(guān)系為

對(duì)于球體，S＝πr2，l＝2r，當(dāng)Re＜1時(shí)：

當(dāng)103＜Re＜2×105時(shí)，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(shí)，其速度為：

（1）當(dāng)Re＜1時(shí)

在水平阻力與風(fēng)力的影響下，雨粒子的運(yùn)動(dòng)用下式表示

又因?yàn)関（0）＝0，解方程 （6）得

式中：ρw——水的密度；r——雨滴的半徑。

（2）當(dāng)103＜Re＜2×105時(shí)

又由v（0）＝0，解方程 （9）得

式中：ρ——空氣的密度。

（3）當(dāng)1＜Re＜103時(shí)，（1）（2）中對(duì)Cd的簡(jiǎn)化不再適用。方程－F＝0的解是水平方向的雨滴終速度v，設(shè)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(duì)雨滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，能夠得到比較真實(shí)的雨滴速度和加速度，以此作為粒子屬性，便于體現(xiàn)風(fēng)力對(duì)雨的影響，從而增強(qiáng)真實(shí)感。繪制時(shí)，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(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Google Earth二次開(kāi)發(fā)技術(shù)

Google Earth（GE）提供COM API作為公共接口，其中包括11個(gè)接口，最重要的一個(gè)是IApplicationGE，本文利用此接口控制GE程序的啟動(dòng)、退出、地圖窗口句柄的獲 取 等 一 系 列 復(fù) 雜 操 作［7］。KML （keyhole markup language）類似于XML，描述了與地理要素相關(guān)的信息 （如點(diǎn)、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(yīng)用組件，以分布式架構(gòu)的方式由Web網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)需求者提供服務(wù)［9］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)的天氣數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)用 Weather Web Service獲取，自動(dòng)更新一次需2.5小時(shí)左右，可靠性高。實(shí)時(shí)及接下來(lái)三天的天氣狀況，通過(guò)調(diào)用getWeatherbyCityName函數(shù)，以查詢地點(diǎn)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(jí)審批。嚴(yán)格審核起重機(jī)械檢驗(yàn)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(shè)專人指揮，指揮人員不得兼做其他工作，應(yīng)認(rèn)真觀察起重作業(yè)周圍環(huán)境，確保信號(hào)正確無(wú)誤，嚴(yán)禁吊裝物體從人的頭上越過(guò)或停留，遇大雨、雷電、大霧、風(fēng)力6級(jí)以上等惡劣天氣，嚴(yán)禁露天起重作業(yè)。

圖1 Web Service體系結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

城市實(shí)時(shí)天氣可視化顯示系統(tǒng)整體由三層架構(gòu)組成，利用.NET技術(shù)開(kāi)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的框架，Web服務(wù)作為業(yè)務(wù)中間件用于獲取實(shí)時(shí)天氣信息，SQL Server 2005保存城市的經(jīng)緯度等相關(guān)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(shí)現(xiàn)后臺(tái)所提取的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及天氣動(dòng)畫的疊加顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)實(shí)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(lái)實(shí)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(yīng)用程序中［10－12］，達(dá)到與GE的良好交互。

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

3.2 實(shí)時(shí)天氣信息的獲取

通過(guò)Weather Web Service獲取天氣信息的方法如下：

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

（2）填寫 Web Service地址及相應(yīng)命名空間。

核心代碼如下：

3.3 雨滴效果的繪制

通過(guò)對(duì)雨滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析，確定雨滴的屬性，其中最為關(guān)鍵的是雨滴的速度和加速度，計(jì)算得出雨滴所處位置。為了體現(xiàn)風(fēng)對(duì)于雨滴的影響，實(shí)時(shí)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(shí)賦予雨滴其他相關(guān)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(kāi)發(fā)，通過(guò)導(dǎo)入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件csgl.dll和csglnative.dll，就可以使用OpenGL三維圖形庫(kù)，此種方式調(diào)試容易、開(kāi)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(xiàng)目”上選擇 “添加引用”，導(dǎo)入csgl.dll；

（3）在C＃的程序開(kāi)始，添加：using CsGL.OpenGL

經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)天天氣概況，分為不同的等級(jí)，如大雨、中雨、小雨、晴天等，以此為依據(jù)，查詢時(shí)，通過(guò)窗口句柄，將OpenGL繪制的對(duì)應(yīng)天氣效果顯示在GE當(dāng)前城市界面上，實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)效果

如圖4所示，圖4（a）為太倉(cāng)在刮西北風(fēng)時(shí)下中雨的畫面，圖4（b）為連云港在刮北風(fēng)時(shí)下小雨的畫面，中間部分均是對(duì)應(yīng)城市的背景，該背景隨著查詢城市的不同而動(dòng)態(tài)改變。雨滴的飄落方向、雨滴大小依據(jù)查詢地點(diǎn)實(shí)時(shí)天氣信息的不同而動(dòng)態(tài)更新。界面左側(cè)為國(guó)內(nèi)主要城市列表，右側(cè)以文字的形式顯示未來(lái)兩天的天氣預(yù)報(bào)，同時(shí)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)天氣信息的文本信息和動(dòng)畫效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Google Earth的城市實(shí)時(shí)天氣可視化系統(tǒng)具有兩個(gè)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(tái)動(dòng)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(chǎng)景下出現(xiàn)的局限性；（2）本系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)天氣信息動(dòng)態(tài)改變天氣動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)了天氣信息和地理信息的有機(jī)疊加，便于公眾對(duì)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(gè)中國(guó)主要城市的天氣信息，在以后可以考慮采用其它Web服務(wù)增加可以查詢的地點(diǎn)數(shù)量，并且優(yōu)化模擬雨雪的模型。

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