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eEarthSolutions

精细化三维格点气象应用软件
生成数据文件、三维插值、计算、填图、可视化
基于水平分辨率 4km、1km、90m 的三维可视化数据库 VisaulDEMdb


中国代理: 北京波拉萨特科技有限公司
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目录:

  • 概述气象三维格点数据文件
  • 基于下垫面的DEM生成三维格点文件
  • 关于生成气象三维格点数据文件的应用软件包eEarthSolutions
  • 气象&环境数据映射到DEM地图
  • 可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)基本功能
  • 读入气象&环境数据文件
  • 为生成气象精细化三维格点数据文件宣称空间分布属性
  • 生成气象三维格点数据文件水平空间分布效果图
  • 专业用户算法研发
  • 相关网页链接:
  • MODAS海洋数据读取
  • NetCDF 格式文件读取
  • 海洋气象&环境数据三维插值计算填图可视化应用软件
  • 精细化气象&环境数据插值计算与填图软件工具(基于DEM 水平90m分辨率)



  • 概述气象三维格点数据文件

    按国际气象组织或海洋MODAS机构发布数据的惯例,通常是采用“三维格点”的数据结构。该数据结构对于:

    • 陆地区域是用来描述大气实况及相关圈层真实状态。
    • 海洋区域是用来描述水体实况及相关圈层真实状态。

    在具有三维格点数据结构的文件中,由“头记录”中记录有唯一的时间(年、月、日)属性,在文件的每一个数据格点记录中均具有空间分布属性及类数据。例如:

    • 空间分布 属性包括有:(经度、纬度、高程)按指定的步长将隶属的类数据分布在三维地理空间中。隶属于三维空间分布点的:
      • 陆地区域 类数据可以是:气压、气温、湿度、风场、云和降水等要素的三维实况场
      • 海洋区域 类数据可以是:浪高、海温、声速、盐度、海流UV 等要素的三维实况场
    例如从海洋MODAS数据集中提取的声速三维格点数据子集如下:

        声速-序号 经度 纬度 深度 声速 (2012-5-1)
        1    122.0    23.0    0    1535.4836
        2    122.0    23.0    -5   1534.4203
        3    122.0    23.0    -10 1534.0321
        4    122.0    23.0    -15 1534.3977
        5    122.0    23.0    -20 1533.8233
        ... ...

    生成三维格点文件的基本过程是:

      第一步由离散分布的观测点向“数据中心”提交实况观测数据
      第二步由“数据中心”将收集到的各点实况观测数据经同化处理后,由专用软件按(经度、纬度、高程)确定的步长将数据插值在三维地理空间中生成三维格点文件
      第三步由“数据中心”将生成的三维格点文件推送给需共享数据的各地气象站或其他用户

    各地气象站在收到共享三维格点文件后,将掌握覆盖广泛区域三维场中的气象真实状态和变化趋势从而做出较准确的中长期气象预报。

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    基于下垫面的DEM生成三维格点文件

    在生成的三维格点文件过程中,由多个无规则离散分布的观测点向“数据中心”提交的实况观测数据开始。 该实况观测数据集Raw Data (RD)的每一条记录均具有(经度、纬度、高程)空间分布属性及类数据。当观测点所在(经度、纬度)点位于:

    • 陆地区域时,观测数据的高程一定 ≥ 观测点所在(经度、纬度)点下垫面的地表DEM数值。
    • 海洋区域时,观测数据的高程一定 ≥ 观测点所在(经度、纬度)点下垫面的海床DEM数值。

    在软件利用RD向非观测点空间位置做插值处理前。操作员需为软件给出三维格点的经纬度间距及目标层高程约束,以便软件生成符合要求的三维格点文件。以MODAS数据为例,在三维格点数据文件中,经纬度间距是均匀的1/12度而深度间距是非均匀的51层。数据格点深度间距分布为: 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1750, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000。

    当软件在做三维格点处理时。如没有下垫面的DEM数据约束的情况下,当对海洋中某一经度、纬度(X,Y)点做插值产生数据格点时,假设该(X,Y)点深度为100米。如程序按MODAS的深度序列Z=(0,5,... 9000)逐层插值计算,则深度大于100米的数据格点三维分布将被埋入在下垫面的海床体内的错误地理空间中。因此为确保插值产生的数据格点准确分布在三维水体中,程序在插值计算前必须对目标经纬度点的深度Z做DEM冲突验证。即在Z同时满足下列两条件时,才可进行插值计算:

    • Z ≤ 0,即位于海平面下
    • Z > 目标经纬度点的DEM数值,即位于下垫面的海床表面高程之上
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    图示 1. 三维格点数据在非平坦下垫面水体空间中的分布示意图

    依据上述分析,软件平台中需提供一将RD经插值处理生成为三维网格格点文件工具包。主要目标是对导入的RD数据按用户给出的经度、纬度、高程确定步长自动循环操作, 包括:

      1. 检查每一个数据分布格点经度、纬度的目标高程与DEM的冲突
      2. 对不与DEM出现冲突的有效的三维地理空间点做RD数据插值计算
      3. 将插值得到的数据与经度、纬度、高程属性一并写入磁盘三维格点文件

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    关于生成气象三维格点数据文件的应用软件包 eEarthSolutions

        为达到上述生成气象三维格点数据文件的目标功能,InforShell 集成整合了下述静态地理信息数据库和eEarth应用软件构成了eEarthSolutions 软件包, 以此提供地表与海洋气象&环境插值计算与填图三维平台。其中包括:

    • eEarth 三维地理地图浏览器;
    • 气象&环境数据插值计算与填图功能库, 动态插入eEarth(DLL);
    • 三维可视化海拔高度DEM数据库VisaulDEMdb。
    气象&环境数据映射到DEM地图

         在 VisaulDEMdb中, 每一个像素点代表确定的地表面积并均拥有经纬度, 海拔高度(海洋深度). InforShell 使用了下列方法为每一个像素获得对应的气象&环境数据细密插值:

    • VisaulDEMdb的eEarth 浏览器支持导入多个气象或水文离散点观测数据并在eEarth的二, 三维图面上按经纬度显示
    • 在eEarth 浏览器中提供一插值计算气象&环境数据的动态插入功能库(DLL)接口,在目前 DLL中提供的插值算法分别是 IDW 和 Cressman
    • 在浏览器运行时, 可向DLL提交各种气象&环境数据及每一像素的经纬度, 海拔高度, 以供插值计算使用
    • 由DLL计算得出的插值可回送浏览器并在eEarth的二, 三维图界面对像素染色或绘等值线图(气象&环境填图)或生成三维格点数据文件
    • 对用户开放DLL源程序码, 支持专业人员研发优化插值的计算方法.

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    可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)基本功能

    <一> 遥感实彩色图像&DEM 基本功能

    可视化DEM数据库VisaulDEMdb按水平分辨率和覆盖区域分为6个不同的版本,它们分别是:

    • VisaulDEMdb-4km-G: 覆盖全球地表与海域;
    • VisaulDEMdb-4km-CN: 覆盖中国地表与周边全部海域;
    • VisaulDEMdb-1km-G: 覆盖全球地表;
    • VisaulDEMdb-1km-CN: 覆盖中国地表(客户化定制);
    • VisaulDEMdb-90m-CN: 覆盖中国地表;
    • VisaulDEMdb-90m-Province: 覆盖中国省或地区(客户化定制);
    用户可根据作业区的分布位置选用其中任一版本。VisaulDEMdb的浏览器eEarth应用软件 支持用户:
    • 按经纬度跳转到目标区域;
    • 无缝隙漫游洋面遥感实彩色图像或伪彩色渲染的2.5维地貌;
    • 鼠标随动获取任一像素点对应的海拔高度及经纬度数据;
    • 调用三维图或指定海拔高度区域, 动态分析地表海拔高度地型;
    • 为平台嵌入用户的数据, 连接GPS, 测算两点间距离, 多点间面积, 等等。

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    图2: 实彩色遥感图像与DEM 数据的对应关系


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    图示 3. 亚丁湾海域实彩色三维图 (全球水平4km分辨率DEM)


    <二> 水平分辨率1km DEM实彩色高程三维可视化

    <三> 水平分辨率90m DEM伪彩色高程三维可视化

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    图示 4. 水平1km分辨率DEM实彩色高程 3D 可视化
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    图5: 丘陵山地DEM 90m 伪彩色高程 3D 可视化


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    读入气象&环境数据文件

    eEarthSolutions 的浏览器eEarth应用软件 支持 读入多种格式的数据文件, 例如:

    • 陆地区域的类数据可以是:气压、气温、湿度、风场、云和降水等离散点观测数据。
    • 海洋区域的类数据可以是:浪高、海温、声速、盐度、海流UV 等离散点观测数据。

        被导入气象&环境观测站的各种气象数据可在DEM的二, 三维图面上按经纬度显示。eEarth 随三维可视化视窗提供了自由流畅的鼠标随动三维图旋转, 翻滚, 推拉操作控制。在三维视窗内矢量图标的大小和颜色随字体设定而变。当三维图像旋转时, 矢量图标的方向以视窗边的 “指北图标” 为参照坐标旋转。

        eEarth支持导入气象&环境观测点数据记录数最多为2000条。

        关于其它格式的海洋数据请阅读: MODAS海洋数据可视化软件关于 NetCDF 格式文件网页.

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    图示 6: 导入稀疏分布的 Modas格式的 UV 海流数据三维视窗显示

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    为生成气象精细化三维格点数据文件宣称空间分布属性

    当用户在eEarth中启动"生成气象三维格点数据文件"功能时,首先弹出的是"插入功能选择"对话板。下面就几个关键选项给出说明,例如:

    [选择功能] 下拉列表中可供选择包括:

    • "矢量 插值生成三维矩阵格点文件" 用于:
      • 陆地区域 可以是:风场 离散点观测数据。
      • 海洋区域 可以是:风场、海流UV离散点观测数据。
    • "标量 插值生成三维矩阵格点文件" 用于:
      • 陆地区域 可以是:气压、气温、湿度、云和降水等离散点观测数据。
      • 海洋区域 可以是:浪高、海温、声速、盐度 等离散点观测数据。
    [水平间距像素数] 下拉列表中可供选择包括:1x1、2x2、3x3、... ... 20x20。假设用户选择的是1x1时,当用户为eEarthSolutions 配置的是:
    • VisaulDEMdb-4km 时: 则eEarth生成的三维矩阵格点间经纬度间距步长为 2'
    • VisaulDEMdb-1km 时: 则eEarth生成的三维矩阵格点间经纬度间距步长为 30"
    • VisaulDEMdb-90m 时: 则eEarth生成的三维矩阵格点间经纬度间距步长为 3"
    即,用户使用eEarth生成气象三维格点数据文件的水平分辨率完全取决于VisaulDEMdb的像素水平分辨率。当用户位于滑坡或泥石流高发地区时,建议用户为eEarthSolutions 配置水平分辨率为90m的VisaulDEMdb-90m地图库以利于精准预测灾害发生的位置和范围。

    注:用户如宣称超过充分必要的水平分辨率,将导致生成的三维格点数据文件具有巨大的数据量。其后果将对后续数据处理,存储和传输带来高成本。

    [目标高度]

    • 假设用户未选 [区域-仅限海洋] 时,下拉列表中可供选择的数据项包括:
      0、5、10、... ... 8000、8500、9000
    • 假设用户选定 [区域-仅限海洋] 时,下拉列表中可供选择的数据项包括:
      0、-5、-10、... ... -8000、-8500、-9000
    注:选定的目标高度约定了三维矩阵的层分布属性。 在eEarth中给出的待选目标高度列表继承了MODAS 的概念。即,在近人类活动较频繁的海拔0米高度,层分布密度较高,反之则较稀疏。该方法即保证了热点空间区域的高分辨率又有效的降低了生成三维格点数据文件的巨大数据量。用户可根据工作需要使用 [Ctrl] 或 [Shift] 键配合鼠标在列表中指定需要的目标高度。

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    图示 7: 生成气象三维格点数据文件的 插入功能选择"对话板

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    生成气象三维格点数据文件水平空间分布效果图

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    图示 8. 稀疏分布的用户洋流观测数据
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    图示 9. 由图8中的用户观测数据生成的格点文件
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    专业用户算法研发

    从软件技术角度讲, InforShell 构建eEarthSolutions 主要是完成了消耗大量人时的繁杂的基础环境软件编程工作. 目的是希望该eEarthSolutions 可以作为基础和数据可视化环境, 服务于相关算法的研发, 如:

    • 环境&气象数据插值, 分析综合精确算法;
    • 资源勘探数据精确插值; 等等.
    高端专业研究人员在eEarthSolutions 的基础上可以节约大量构造数据管理及图视化环境的时间将主要精力集中在创新算法的实现和优化上.

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