基于GoogleEarth的海洋物理场数据可视化研究_段慧娟

第28卷第6期2008年11月

海　洋　测　绘

H Y D R O G R A P H I CS U R V E Y I N G A N DC H A R T I N G

V o l .28,N o .6

N o v .,2008

收稿日期:2008-04-21;修回日期:2008-09-25基金项目:国家自然科学基金项目(40774002);国家杰出青年科学基金项目(40125013)。作者简介:段慧娟(1984-),女,湖北宜昌人,硕士研究生,主要从事海洋测绘、卫星导航等研究。

基于G o o g l e E a r t h 的海洋物理场数据可视化研究

段慧娟,边少锋

(海军工程大学导航工程系,湖北武汉　430033)

摘要:G o o g l e E a r t h 是一款强大的三维地图软件。首先介绍了G o o g l eE a r t h 的发展现状及基本原理,随后在G o o g l e E a r t h 的环境下,引入了海底地形图,并对海底地形和重力异常值进行了标注,为实现海洋物理场数据的科学管理和可视化提供了有效的方法,最后论述了G o o g l e E a r t h 在海洋测绘和海洋水文学中的应用前景。

关键词:G o o g l e E a r t h ;图形载入;数据标注;可视化

中图分类号:P 208 文献标识码:B 文章编号:1671-3044(2008)06-0036-04

1　引　言

自2005年6月G o o g l e 推出G E (G o o g l e E a r t h )系

列软件产品以来,G E 已成为互联网上最流行的地图软件之一。G E 一共有四个版本,普通版、插件版、加强版和企业版,其中只有普通版是免费的。它高清晰度的卫星照片以及逼真的三维立体效果,比一般的电子地图更胜一筹。G E 上的全球地貌影像的有效分辨率至少为100m ,通常为30m (例如中国大陆),而针对大城市、著名风景区、建筑物区域会提供分辨率为1m 和0.6m 左右的高精度影像。对于一些重点核心城市,G E 还能提供精确的导航线路,给行车带来极大的方便。更重要的是,G E 提供基于J a v a S c r i p t 的A P I ,免费提供给程序员进行二次开发[1]

。

然而,G E 对于海底地形却没有那么细致的影像描述。在海洋视图区域,很大一部分都只有浩瀚的蓝色海洋,从中获取不了任何相关的海底地形及导航信息。这对于海洋学研究无疑是一个遗憾。近几年来,以G E 为平台的技术开发日益完善,比如基于G E 的海域使用管理信息平台

[2]

、以G E 为基础的水

利工程的应用[3]

等,这些技术极大地推动了G E 在

海域的应用和发展。

本文将海底地形数据库及重力垂直梯度值导入G E 系统,实现了在G E 环境下的海洋物理场数据的可视化,提出了进一步发展G E 在海洋测绘中应用的想法,具有一定的可行性。2　基本工作原理与系统设计2.1　基本工作原理

在G E 环境下,可以导入影像图和G o o g l e

S k e t c h U p 3D 模型。比如利用气象卫星图更新某个地区的天气变化情况;制作仿真三维模型标注特殊

的地形特征;嵌入城市交通图以完善出行查询功能等。图像可来源于本机或者网络,叠加到G E 的地形图或影像图的格式必须为:J P G 、B M P 、G I F 、T I F F 、T G A 、P N G 。P N G 和G I F 格式的图片支持某些不需要的区域(如图片的边界)透明。来自于网络的图片需要输入图片的U R L 来链接。叠加的影像图必须经过简单的圆柱投影转换至W G S 84坐标系,使之具有一个北方向,之后即可载入地图。

同时,在G E 环境下还可对地球上任一点进行标注。G E 中可以展示经纬度格网,并且随着图形的放大,格网的分辨力也会变得越来越细。标注内容相当广泛,包括文字、数据、图片以及动画等。比如在对E i f f e l T o w e r 的标注中就包括名称和文字说明。标注方法有两种:一种是手工标注;一种是采用地标文件。而地标文件则有K M L 和K M Z 两种格式[4]

。从G E 直接下载的地标文件通常是K M Z 格式的,经解压即可获得K M L 格式。K M L 文件可在网上传输和共享,方便各部门查阅和管理[2]

。

此外,G E 中还可以载入直线及多边形,这对海洋测绘和导航有重要意义。利用惯导系统提供的经纬度信息将潜艇的航点、航迹在G E 上标注出来,将这些数据处理、保存,就能获得水下导航的定位信息库。一旦整个海洋的海底信息都被标记完成,海底也就不再神秘莫测了。由于G E 逼真的三维效果,这种方式还将使导航变得更加可视化和人性化[5]

。

鉴于G E 的各种功能及特点,利用它实现海洋物理场数据的可视化具有一定的可行性。

第6期段慧娟,等　基于G o o g l e E a r t h的海洋物理场数据可视化研究

2.2　系统设计

海洋物理场信息包括海洋重力场、海洋磁力场等海洋环境信息。本文设计的基于G E的海洋物理场数据可视化包括数据管理、地图浏览、信息查询、专题制图和地图输出等五个功能模块。

(1)数据管理。提供各项海洋物理场数据的查询、输入、修改、删除、导入、导出等功能。

(2)地图浏览。提供地图显示、放大、缩小、漫游及全图等功能。

(3)信息查询。根据地理位置信息(经纬度)查询该点的位置;根据相应位置,查询该点的海洋物理场数据信息(如海底地形、重力、磁力等)。

(4)专题制图。对海洋物理场数据进行可视化表达,生成海洋物理场专题地图。

(5)地图输出。提供专题地图的打印和输出为图像等功能。

3　基于G E的海洋物理场数据可视化

本文以东经160°～161°、南纬15°～16°的珊瑚海海域为例,将仿真三维图形载入并对当地海底地形、重力等值线和重力异常值进行了标注,实现了该海域的海洋物理场数据的可视化。

3.1　海底地形图的嵌入

在S u r f e r中利用数据生成仿真海底地形图,将其转化成J P G格式,通过工具栏A d d->I m a g e O v e r l a y开启叠加影像图的对话窗口。将图形载入后,视图窗口中图形的周围会出现中间十字、边框为绿色线的框架。通过对框架进行调整编辑以调整图形的大小和倾斜方向等,最终获得叠加的影像图。事实上,若叠加真实海底地形影像将获得更加逼真的效果,通过载入多张图片可以获得更广阔海域的地形信息。

在地图的嵌入过程中,需要注意以下几点:

(1)将地形图的透明度设置为半透明以方便调整其位置及大小;

(2)对于具有精确的经纬度坐标的地形图,输入覆盖图片的经纬度范围即可精确定位;

(3)在“D e s c r i p t i o n”中输入此图形的描述信息,描述信息支持H T M L语法。

3.2　重力等值线的载入

通过S u r f e r软件绘出本例所示区域的重力等值线图形,在P h o t o S h o p中对其进行编辑、修改,另存为J P G格式的图形文件,即可载入该海域的重力等值线。载入过程中同样要注意图形的方向及范围等问题。海底地形图、重力等值线的载入相当于多个影像层叠加,这时位于图形底层的地形图不能清晰的呈现,如果需要底层的地形图,则可通过在左侧P l a c e s面板中隐藏等值线图形以实现。

3.3　地形值和重力异常数据的标注

在G E中,某一点的数据值通常用地标来显示,地标具有简明直观、清晰可视的特点。地标文件的生成通常有两种方式:直接编程产生或者将别人的坐标文件另存为得到。本文利用E x c e l V B A编程将E x c e l电子表格转化成K M L文件格式[6],从而生成相应的地标文件。这种方式不仅可以更直观的将地形数据标注出来,而且在E x c e l电子表格中编辑数据更加方便和容易,其强大的计算功能对大规模、广范围的地形数据整理将起到事半功倍的效果。本文选取珊瑚海海域经纬度不同的10个点作为数据点,构建海底信息数据如表1所示(N a m e为航路点名称,L o n g i t u d e为经度值,L a t i t u d e为纬度值, D e s c r i p t i o n中以逗号分隔的两个数据分别表示海底水深值和重力异常值)。

表1海底信息数据表

N a m e L o n g i t u d e L a t i t u d e D e s c r i p t i o n

航路点1160.01°-15.01°(-5231.00,-34.10)航路点2160.11°-15.11°(-2484.00,60.40)航路点3160.21°-15.21°(-3160.00,36.80)航路点4160.31°-15.31°(-3298.00,29.60)航路点5160.41°-15.41°(-3420.00,29.10)航路点6160.51°-15.51°(-3596.00,29.40)航路点7160.61°-15.61°(-3758.00,30.50)航路点8160.71°-15.71°(-4062.00,26.70)航路点9160.81°-15.81°(-4272.00,23.00)航路点10160.91°-15.91°(-4468.00,13.80)

在此E x c e l文件中,利用V B A编程生成一个宏[7],将表格数据转化成K M L格式的地标文件。宏的编辑要点主要有:

(1)循环将表格数据输入

F o r E a c h c e l l I n[s h e e t1!A2.A50001]

p m N a m e=c e l l.O f f s e t(0,0)

l o n g i t u d e V a l u e=c e l l.O f f s e t(0,1)

l a t i t u d e V a l u e=c e l l.O f f s e t(0,2)

p m D e s c r i p t i o n=c e l l.O f f s e t(0,3)

I f p m N a m e=""T h e n

E x i t

F o r

(2)导出数据至G E

O p e n f i l e P a t h F o r O u t p u t A s#1

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