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eEarthSolutions

精细化气象&环境数据插值计算与填图
基于水平分辨率 90m 的三维可视化数据库 VisaulDEMdb


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目录:

  • 概述 eEarthSolutions

  • 气象&环境数据插值填图到精细化DEM地图

  • 可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)功能

  • 读入气象&环境数据文件

  • 精细化气象&环境数据插值计算填图
  • 气象&环境数据三维和矢量显示

  • 气象灾害引发滑坡,泥石流预警

  • 强降雨引发山洪或河水泛滥预警

  • 图视化地表径流方向

  • 专业用户算法研发


  • 概述 eEarthSolutions

        近年来随着全球及国内气候异常变化, 如强降雨、强风、干旱、高温, 导致了一系列次生地质灾害的频繁发生. 例如: 山体滑坡、泥石流、山洪暴发、森林火灾等等. 其中不少灾害点多分布于偏远农村和山区,因此灾害监测、预警和人员转移的工作难度很大.

        有关气象研究已关注到多山地区的气象除受周边广大地区气象变化的影响外, 其大气环流受山体海拔高度影响会导致产生一些局部气象异常, 例如: 降雨量、温度、风向、风速等等. 同时次生地质灾害滑坡, 泥石流也与山体坡度、降雨量、温度和植被指数有密切关连.

         因而预警偏远山区农村地质灾害需要综合跨行业的多种技术, 例如: 气象数据分析, 遥感海拔高度数据(DEM) 可视化, 地理信息管理等等, 并由软件技术将其无缝隙的组合在一起最终聚焦在偏远山区的地形地貌及气象影响. 为此InforShell 整合了下述数据库和软件构成了eEarthSolutions 软件包.

         其中三维可视化海拔高度(DEM)数据库可依据用户需要选择不同水平分辨率的遥感数据.

    气象&环境数据插值填图到精细化DEM地图

        从公众角度讲, 当听到地质灾害预警时可能最关心的问题是 "灾从哪来, 人去哪躲". 也就是说地表水平分辨率尽可能高的地质灾害预警, 可以提高预警的可信度和可用性. 为此 InforShell 基于其水平90米分辨率三维精细可视化DEM数据库 VisaulDEMdb-90m, 通过扩展一组新的功能将气象数据映射到DEM 地图以提供地质和气象灾害预警平台.

         在 VisaulDEMdb-90m 中, 每一个像素点均拥有经纬度, 海拔高度, 坡度, 植被指数. 如为每一个像素获得对应的气象&环境数据细密插值 (例如: 降雨量、温度, 污染)后, 便可算出每一个像素点所代表的90平方米区域的滑坡, 泥石流预警指数. 为此 InforShell 使用了下列方法及功能来满足要求:

    • 提供像素水平分辨率90m的DEM数据库VisaulDEMdb-90m 来无缝隙覆盖气象局所辖地区所有偏远山区农村;
    • VisaulDEMdb-90m 的eEarth 浏览器支持导入多个气象&环境监测站的各种数据并在eEarth的二, 三维图面上按经纬度显示;
    • 在eEarth 浏览器中提供一分析计算气象&环境数据和地质灾害的动态插入功能库(DLL)接口;
    • 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, 坡度, 植被指数, 以供气象&环境插值和地质灾害计算使用;
    • 由DLL计算得出的气象&环境插值和地质灾害指数可回送浏览器并在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);
    • 对目标河道测算集雨区域降雨的集水量, 分析河道水量/水位增量. 仿真彩色渲染洪水淹没区域.
    • 对用户开放DLL源程序码, 支持专业人员研发优化气象&环境插值、估算地质滑坡、泥石流等风险指数的计算方法.

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    可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)功能

         我们可用中国地表海拔高度图视化数据库CN3sDEM为例来说明VisaulDEMdb功能. CN3sDEM是一个VisaulDEMdb-90m 数据库, 即依据水平90米分辨率数字高程模型(DEM)数据建立的. 在构建 CN3sDEM 过程中, InforShell 按经纬度拼合了上千个DEM数据文件及图像, 整合导入了中国大陆国境线, 省界和县, 市地名及经纬度数据.

    在CN3sDEM的浏缆器eEarth支持下用户可以:

    • 按县, 市地名或经纬度跳转到目标区域;
    • 无缝隙漫游浏览DEM伪彩色仿真图像, 互动获取任一像素点对应的海拔高度及经纬度数据;
    • 模拟阳光投射源方位或植被叶绿素色调, 动态生成DEM仿真图像来支持空中地貌识别;
    • 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;
    • 以CN3SDEM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.


    图示 1. 水平90m分辨率DEM数据图像实彩色三维段景图


    图示 2. 精细化水平90m分辨率DEM 实彩色渲染仿真图像截选

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    读入气象&环境数据文件

    eEarthSolutions 的浏览器eEarth 支持 读入多种格式的数据文件 , 例如:
    • Aridity 干旱指数 (标量数据);
    • ForestFire 森林火险指数 (标量数据);
    • Humidity 相对湿度 (标量数据);
    • Rain 降雨量 (标量数据);
    • RainFact 实际降雨量 (标量数据);
    • RainForecast 预测降雨量 (标量数据);
    • Temperature 温度 (标量数据);
    • Wind 百帕风 (矢量数据);
    • GeolopyPotential 地质条件潜势度 (标量数据);
    • 雾霾 FogHaze (标量数据);
    • 污染物 Pollution (标量数据); 等等.

        被导入气象&环境站的各种数据可在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.


    图示 3: 气象站数据三维视窗显示

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    精细化气象&环境数据插值计算填图

    "eEarth"与DLL配合支持对矢量或标量格式的气象&环境数据按像素水平分辨率精度做细密, 平滑递变插值计算. 插值结果将被映射填图到DEM的二, 三维图面的每一像素点并以彩色渲染显示. 用户在二, 三维视窗中使用鼠标随动可读出任一像素点的气象&环境插值数据和经纬度.


    图示 4: 降雨量等值线二维图 (水平4km分辨率DEM)


    图示 5: 分析山区降雨量插值的二维地理分布(水平90m分辨率DEM)


    图示 6: 对(图示 5)的降雨量插值做三维地形分析 (水平90m分辨率DEM)

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    气象&环境数据的三维和矢量显示


    图示 7: 等高层(1500米)水平风速插值填图三维段景效果 (水平4km分辨率DEM)


    图示 8: 将(图示 7)百帕风做二维矢量图分析 (水平4km分辨率)
    结合雾霾插值填图可分析预测污染的移动方向和速度

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    气象灾害引发滑坡,泥石流预警

        eEarthSolutions 支持在eEarth浏览器运行时向DLL提交各种气象数据及每一像素的经纬度, 海拔高度, 坡度, 植被指数, 以供气象插值计算使用; 并支持对滑坡, 泥石流按像素水平分辨率精度做插值计算, 插值结果将被映射到DEM的二, 三维图面的每一像素点并以彩色渲染显示. 用户在二, 三维视窗中使用鼠标随动可读出任一像素点的风险指数和经纬度. 目前滑坡, 泥石流灾害预警分析计算使用下列数据:
    • 降雨量;
    • 温度;
    • 植被指数;
    • 海拔高度;
    • 坡度;
    • 地质条件潜势度.

        与气象数据插值算法不同, 目前世界上对滑坡, 泥石流预警还没有公认的成熟算法. eEarthSolutions 对用户开放DLL (C语言)源程序码, 鼓励支持专业人员研发优化估算滑坡、泥石流等风险指数的计算方法.


    图示 9: 用(图示 5) 山区降雨量插值, 综合山体坡度求算滑坡预警指数插值
    二维视窗显示(水平90m分辨率DEM).
    注: 灰色区域地表坡度在 [0, 5] 度之间


    图示 10: 对(图示 9)的滑坡预警高危点区域做三维地形分析 (水平90m分辨率DEM)

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    强降雨引发山洪或河水泛滥预警

        河水泛滥与上游灌注到河道的水量以及河水流速有直接的关系. 当河道的灌注水量大于泄流水量时, 山洪或河水泛滥将会发生. 例如:
    • 山区有强降雨发生, 山体表面的集雨经众多山谷汇流到下游河道;
    • 上游河道的两翼滩区有强降雨发生, 大量集雨灌注到下游河道;
    • 水库库坝或堰塞湖突然崩塌, 导致大量存水灌注到下游河道.
        eEarthSolutions 在 eEarth 浏览器中提供下列六种功能用于分析计算强降雨引发山洪或河水泛滥预警:

    在河流上游发生强降雨时统计:

  • 目标区域集雨量
  • 目标河道两翼滩区集雨量

  • 对目标河道, 按用户给出:

  • 水位上涨幅度做淹没区仿真渲染
  • 水量增量幅度做淹没区仿真渲染
  • 鼠标随动读出:

  • 在运行 "基于水位增量河道淹没区渲染" 后, 用户沿河道线滑动鼠标可随动读出当前点河床截面的水量增量.
  • 在运行 "基于水量增量河道淹没区渲染" 后, 用户沿河道线滑动鼠标可随动读出当前点河床截面的水位增量.
  •     用户可按实测 水位/水量 增幅分析河水泛滥风险, 也可按百年一遇情况仿真给出 水位/水量 最大增幅以预测河水泛滥最大危害范围.


    图示 11: 用水增量做河道淹没区域仿真渲染 (水平90m分辨率)
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    图视化地表径流方向

    基于DEM 数据库, 在 eEarth 的动态插入功能库(DLL)中提供下列两功能:
    • 地表径流方向
    • 地表径流方向-鼠标随动

    由 eEarth 绘制生成的地表径流方向图中是使用失量图标表示水的流向. 失量图标的颜色由兰到红表示地表高程的差值大小.

    上述两功能有助于用户分析:
    • 被洪水淹没区域的地理自然泄流通道
    • 圈定河道的集雨区

    • 有毒物质在水冲洗后的扩散路径


    图示 12: 地表径流方向图 (水平90m分辨率)
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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:

    • 气象&环境数据插值, 分析综合精确算法与填图;
    • 滑坡, 泥石流预警指数精确算法与填图;
    • 资源勘探数据精确插值与填图; 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
    [案例参考].

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