（计算机应用技术专业论文）基于三维gis的气象查询分析系统的实现.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：丕篮是日期：岔生! 纽( 【 大连理j 大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：互噍塞 导师签名：吐坠爵芸j导师签名：王毛，玉i 凌一j 口6 年f 月f 日 大连理工大学硕二e 学位论文 摘要 随着“数字地球”概念的提出和发展，作为其重要组成部分的三维地理信息系统也 得到了长足的发展。三维地理信息系统的研究领域涉及计算机图形学、虚拟现实、空间 数据库等技术。随着三维地理信息系统的广泛应用，越来越多的不同领域同三维地理信 息系统相结合以适应不同的应用需求。本文以沈阳军区实际项目为背景，结合用户的实 际需求，对如何将气象查询、分析以及可视化整合到三维地理信息系统中进行了设计与 实现。 本文研究的主要内容是基于三维地理信息系统进行气象的查询、分析以及可视化的 设计与实现。本文首先介绍了三维地理信息系统的概况，对目前三维地理信息系统的发 展状况和气象领域在地理信息系统中的应用进行了分析总结，同时对开发三维g i s 中 g u i 部分的类库弋v x w i d g e t s 进行了介绍。接下来论述了本文的两个重点内容：一方 面是气象信息的查询与可视化：另一方面是气象信息的分析与可视化。对于气象信息的 查询与可视化，本文首先对用户的需求进行分析，之后进行了功能上的详细设计。该部 分主要包括气象数据的导入导出、气象数据存储格式分析、坐标转化、气象查询与三维 地理信息系统的融合以及在三维地理信息系统的基础上进行气象信息的点查询、区域查 询、综合查询、气象属性数据到空间数据的查询、查询结果的可视化等。对于本文的另 一个研究重点气象信息的分析与可视化，本文也进行了详细的介绍。该部分主要包 括可视化类库c r m y g r a p h 的设计与实现、气象数据的统计分析、变化率分析、三维分析、 关联规则在气象数据挖掘上的应用等内容。通过气象查询分析系统的建立，为沈阳军区 提供了基于三维地理信息系统的气象查询分析功能，满足了用户在气象查询、分析上的 业务需求。目前项目已得到应用，并达到预期效果。 最后对本文进行了总结，指出了不足之处，并对下一步工作进行了展望。 关键字：三维地理信息系统；气象查询；气象分析 大连理工大学硕十学位论文 i m p l e m e n t a t i o no fw e a t h e rq u e r ya n da n a l y s i ss y s t e mb a s e do n3 d g i s a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h eb r i n g i n gf o r w a r da n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n c e p to f ”d i g i t a le a r t h ” t h et h r e e - d i m e n s i o n a lg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( 3 d g i s ) i sb e i n gd e v e l o p e dg r e a t l ya s t h ei m p o r t a n tp a r to fc o n c e p t t h er e s e a r c ho f3 d g i si n v o l v e st h ec o m p u t e rg r a p h i c s v i r t u a l r e a l i t ya n ds p a c ed a t a b a s ea n ds oo n w i t hb r o a da p p l i c a t i o no f3 d g i s ，m o r ea n dm o r e d i f 免r e n ta r e a sh a v eb e e ni n t e g r a t e di n3 d g i s t h et h e s i sb a s e do na c m a la p p l i c a t i o na n d t a k e si n t oa c c o u n tr e q u i r e m e n t so fu s e r s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m b i n i n g3 d g i s w i t hf u n c t i o n so f w e a t h e rq u e r ya n da n a l y s i s t h et h e s i sm a i n l yd o e sr e s e a r c ho nh o wt oc o m b i n i n g3 d g i sw i t hw e a t h e rq u e r ya n d a n a l y s i sa n dd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw e a t h e rq u e r y ，a n a l y s i sa n dv i s i b l eb a s e do n 3 d g i s f i r s t l y t h et h e s i si n t r o d u c e sg e n e r a ls i t u a t i o no f3 d g i s ，a n a l y z e sa n ds u m m a r i z e s d e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f3 d g i s ，a p p l i c a t i o no fw e a t h e rf i e l d s i n3 d g i s ，a n de x p l a i n st h e m e r i to ft a k i n ga d v a n t a g eo fw x w i d g e t sl i b r a r ya sg u ip l a t f o r mo f3 d g i s s e c o n d l y ，t h e t h e s i se m p h a s i z e st w op o i n t st h a ta r em yp r i m a r yw o r k ，o nt h eo n eh a n di sw e a t h e rq u e r ya n d v i s i b l e o nt h eo t h e rh a n di sw e a t h e ra n a l y s i sa n dv i s i b l e t ow e m h e rq u e r ya n dv i s i b l e ，t h e t h e s i sd e s i g n ss k e l e t o na f t e ra n a l y z i n gr e q u i r e m e n t so ft h ew h o l es y s t e m q u e r ym a i n l y i n c l u d e si m p o r tw e a t h e rd a t af r o mw e a t h e rf i l et od a t a b a s ea n de x p o r tw e a t h e rd a t af r o m d a t a b a s e ，a n a l y z e sf o r r n a to fw e a t h e rd a t a ，c o o r d i n a t et r a n s f o r i l l ，h o wt oc o m b i n i n gt ow e a t h e r q u e r yw i t h3 d g i s ，w e a t h e rp o i n tq u e r y ，w e a t h e ra r e aq u e r y ，w e a t h e rs y n t h e s i sq u e r y ，q u e r y b e t w e e nw e a t h e rp r o p e r t yd a t aa n ds p a c ed a t aa n dd i s p l a y sr e s u l tb yg r a p ha n ds oo n t o w e a t h e ra n a l y s i sm a dv i s i b l ew h i c hi sa n o t h e re m p h a s i s ，m a i n l yi n c l u d e sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f c r m y g r a p hl i b r a r y ，a n a l y z e sw e a t h e rd a t ab ys t a t i s t i c ，r a t eo f c h a n g ea n a l y s i s ， t h r e ed i m e n s i o na n a l y s i s ，a p p l i e sa s s o c i a t i o nr u l e sf o rw e a t h e rd a t am i n i n g a c c o r d i n gt o e s t a b l i s h i n gt h es y s t e m ，p r o v i d i n gw e a t h e rq u e r ya n da n a l y s i sb a s e do n3 d g i sp l a t f o r mf o r s h e n y a n gm i l i t a r y ，m e e t i n gr e q u i r e m e n t sa b o u tw e a t h e rq u e r ya n da n a l y s i s f u n c t i o no f u s e r s t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e dc u r r e n t l y ，a c h i e v e se x p e c t a t i o n s t h ec o n c l u s i o n d e f i c i e n c i e sa n de x p e c t a t i o na r eg i v e ni nt h et h e s i si nt h ee n d ， k e yw o r d s ：3 d g i s ；w e a t h e rq u e r y ；w e a t h e ra n a l y s i s 大连理r 大学硕士学位论文 引言 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是六十年代中期开始发展起来的技 术。它最初为解决地理问题而起，至今已成为一门涉及地理学、测绘学、环境学、计算 机技术等多学科的交叉学科。一般来讲，g i s 是整个地球或部分区域的资源、环境现状 与变迁的各类空问数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机系统的支持下，以一 定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析应用的技术系统。g i s 具有强大的空间信 息集成管理、预测评估和模拟反演等功能，结合全球定位系统( g p s ) 和遥感( r s ) 技术， 目前的应用已经十分的广泛。 气象学方面同g i s 系统结合还是一个比较新的应用，尤其是在三维g i s 软件中， g 1 s 为由平面走向立体提供了强有力的支持。目前气象学领域在g i s 中的应用主要有如 下几个方面： f 1 ) 农业气候资源的分析。比如影响气候资源地域分布的主要因素有山体、水体、 离海远近、离赤道距离、海拔高度等，把这类地理信息和台站几十年的气候资料在g i s 中建立相关的空间模型，用g i s 的空间分析功能加以推算，以分析某种农作物在该地区 种植的适宜和可能受灾韵程度。 ( 2 1 城市大气污染源的分析。城市大气污染的来源主要包括点状污染源和线状污染 源。而污染扩散的影响因子，除了排放量、排放物之外，还受到气象条件等因素的影响。 传统的环境评价，采用数理统计的方法，这种表达方式比较抽象，也无法实现动态模拟。 而基于g i s 的分析把空间分布以及属性进行很好的管理。 ( 3 ) 军事地理信息系统的分析及应用。军事地理信息系统( m g t s ) 是应用于军事领域 的地理信息系统，既有一般g i s 的普遍性，也有自己独特的特点，对气象模拟、气象查 询分析就是其除g i s 普通功能之外所要求的特殊功能，通过将气象领域同g i s 结合，来 为军区提供一些军事领域所需的特殊功能。 本文韵研究课题是以沈阳军区某部实际的项目为背景，该项目主要实现基于三维场 景的气象系统。该系统主要包括虚拟场景和气象两部分。虚拟场景包括大规模场景实时 显示与漫游等功能；气象部分包括气象现象模拟、气象查询分析以及可视化功能。本文 研究了三维g i s 与气象领域之间的联系后，设计并实现了基于三维g i s 的气象查询分析 系统。其意义在于一方面完成了沈阳军区项目的具体需求，为用户实现飞行模拟训练、 气象水文方面的应用提供了一个虚拟的平台；另一方面，本文将气象查询、分析及其可 视化功能融合到三维g i s 系统中，扩展了三维g i s 的应用领域。 张吴：基于三维g i s 的气象查询分析系统的实现 1 三维g is 系统概述 1 1 三维g i s 的定义 从不同的角度出发，g i s 有三种定义： f 1 ) 基于工具箱的定义，认为g i s 是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间 数据的工具集合。 ( 2 ) 数据库定义，认为g i s 是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引 和操作，以回答各种各样的问题。 ( 3 ) 基于组织机构的定义，认为g i s 是个功能集合，能够存贮、检索、操作和显 示地理数掘，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决 环境问题的各种决策支持。 基于工具箱的定义强调对地理数据的各种操作，基于数据库的定义强调用来处理空 间数据的数据组织的差异，而基于组织的定义强调机构和人在处理空间信息上的作用， 而不是他们需要的工具的作用。 t u r n e r 认为g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m 主要用来区分纯粹的二维g i s 与三 维g i s i ”。为强调在三维任务如地质或地貌应用上的扩展，人们创造了术语g e o s c i e n t i f i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g s i s ) i “。后来这个词被修改为一个缩写形式g e o i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) 。为区分三维g i s 与现今世界上比较成熟的流行的各种二维商业g i s ，这里 倾向于b r e u n i g 的观点，用g i s 指代g e o - i n f o r m a t i o ns y s t e m ，认为三维g i s 是布满 整个三维空问的g i s ，与传统的基于平面的二维g i s 明显不同，尤其体现在空间位置与 拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。三维g i s 加上时间维方面的处理即为四维 g i s 。 1 2 三维g l s 的特点 在三维g i s 中，空间目标通过x 、y 、z 三个坐标轴来定义，它与二维g i s 中定义 在二维平面上的目标具有完全不同的性质。在目前二维g i s 中已存在的0 ，1 ，2 维空间 要素必须进行三维扩展，在几何表示中增加三维信息，同时增加三维要素信息来表示体 目标f ”。空问目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维g i s ，其复杂程度更高。 二维g i s 对于平面空间的有限互斥完整划分是基于面的划分，三维g i s 对于三维空间 的有限一互斥一完整划分则是基于体的划分，因而，通过分析基于体划分的三维矢量结构 g i s 几何成分之间的拓扑关系，李青元提出五组简化的拓扑关系| 4 】。三维g i s 的可视表 现也比_ _ = 维g i s 复杂得多，以致于出现了专门的三维可视化理论、算法和系统。 大连理1 大学硕士学位论文 总体来说，与二维g i s 相比，三维g i s 对客观世界的表达能给人以更真实的感受， 它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而 且能描述和表达它们之间的垂向关系：另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三 维g i s 特有的功能。而与c a d 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复 杂空间对象能力及空问分析的能力。三维空间数据库是三维g i s 的核心，三维空问分析 则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维g i g 的理论研究和系统建设工作比二 维g i s 也更加复杂。 1 3 三维g l s 的功能 r h i n d 基于二维g i s 的发展状况提出了三维g i s 可能包括的十项功能：数据采集和 检验有效性；数据结构化和转化为新的结梅f 包括刨建拓扑关系和从一种拓扑关系转化 为另一种拓扑关系) ；各种变化( 平移、旋转、比例、剪切) ；选择：布尔操作( 交、并、 差、切割断面、开隧道) 、建筑；计算( 体积、表面积、中心、距离、方向) ；分析；可视 化；系统管理吼 k c l k 为三维地学模拟提出过1 4 项功能：从其它系统中引进数据分析功能；保存和 操作真三维坐标数据；无原始坐标信息损失地变化方向；保存和显示地理对象内部分组 的信息：能够方便地进行交互式修改，可针对地理对象及其数据库；允许满足不同数据 模型要求的模型重建；将断层等特征作为事件考虑，允许它们影响地学对象；处理大的 比例尺差异：处理内部流体运动和其它时间方面的事件；和其它定量公式交互 允许局 部细节和更广的软中心图片显示；视觉上使用户满意；分析各种建模趋势、模式及与其 它g i s 模块的联系；在主要的数据库中存贮模型和导出报表。 b r e u n i g 从空问信息集成的角度为三维g i s 的发展提出了三项必备的功能：复杂地 学对象的管理和处理；能够对由各种空间对象表达形式进行有效的空间存取；能够对各 种空间对象进行有效的空间操作。 a l e x a n d e r 和s i g r i d 在城市三维g i s 的设计者中提到了城市三维g 1 s 应该具备的另 两项功能：应能受益于现代数据获取方法的进步；城市三维g 1 s 应面向未来的技术【6 1 。 三维g i s 也必须解决一些传统问题：不确定性；误差定位和消除；处理数据模型的不连 续；处理时态数据；处理在不同数据结构中的不同类型和不同比例尺数据 7 1 。 该项目结合以上定义，完成了三维g i s 应该具有的基本功能，并且还在进步扩展 中，使得该三维g i s 平台不但具有通用性而且具有特定的功能。 1 4 三维g l s 的研究现状 随着g i s 应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求 张吴：基丁王维g i s 的气象查询分析系统的实现 较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维g i s ， 如加拿大l y n xg e o s y s t e m s 公司的l y n x 软件，但由于它们一般是针对自己的领域开 发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强 的局限性。这是由当时的应用要求、数据获取手段及相关的计算机技术发展条件决定的。 由于二维g i s 数据模型与数据结构理论和技术的成熟，图形学理论、数据库理论及 其它相关计算机技术的进一步发展，加上应用需求的强烈推动，三维g i s 的大力研究和 加速发展现已成为可能。且前三维g i s 已经成为国内外地学领域研究的热门课题吼 f 1 1 三维g i s 研发思路 当前研究和开发三维g i s 的思路可归纳为两种： ( d 由于三维g i s 首先要将地理数据变为可见的地理信息，因此人们一方面从三维 可视化领域向三维g i s 系统扩展，这一点同早期的二维g i s 来源于计算机制图管理一样， 是从可视化角度出发的f 9 ，”l 。 另一方面，g i s 需要存储和管理大量的空间信息和属性信息，因此另一部分人 从数据库的角度出发向三维g i s 发展，从商用数据库向非标准应用领域扩展，将三维空 间信息的管理融入r d b m s 中，或是从底层开发全新的面向空间的o o d b m s ，如 g o d o t ，g e 0 0 2 ，g e o + + ，s m a l l w o r l dg i s 。一个新的发展方向是将三维可视化与三维 空间对象管理藕合起来，形成集成系统。 ( 2 ) 三维g i s 相关软件发展概况 但是迄今为止，与三维g i s 相关的系统大多集中在三维可视化方面i “l ，如e v s ， v i s 5 d ，v o x e l ，医学可视化及各种c a d 软件等，也有一些三维系统部分实现三维g i s 的功能，比较有名的软件有：a r c l n f o 、s u p e r m a p 、l y n x 、i v m 、 g o c a d 、i e m s 、 s g m 等f 1 2 1 3 l 。 大连理l 人学硕士学位论文 2 气象领域在g i s 系统中的应用概述 2 1 气象信息组成 由于天气状况越来越受到人们的重视，所以基本的气象信息可以在f 1 常的天气预报 中接触到。气象信息一般包括如下内容：温度、压强、风速、风向、相对湿度、雨量、 云量、日照等1 1 4 】。 2 ，2 气象信息特点 气象信息数据是时间和空间的混合型数据1 1 5 l ，也就是说气象数据既是随时间的变化 而变化，同时也是随着空问位置的不同而发生明显的变化，这个空间特点和三维g i s 系 统很好的相融合，因为三维g i s 系统其中一个重要的功能的就是展现空间信息。 2 3 气象领域在三维g l s 中韵应用 气象学是专门研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或间接用之于 指导生产实践为人类服务的科学1 1 “。气象学领域很广，由于生产实践对气象学提出的要 求很广泛，所涉及的问题也很多，对我们日常生活来说，最熟悉并且与我们最密切相关 的就是探讨天气现象及其演变规律，并据以预报未来天气变化的天气学。 目前在气象相关领域，计算机技术已经得到了较为广泛的应用。主要包括数据库、 数据处理、决策支持、多媒体演示、气象服务系统、基于w e b 的应用等。然而三维g i s 系统中气象方面的应用只是局限于气象数据处理、系统监控等，可以说气象数据查询、 分析、预报等相关领域还没有在三维g i s 软件中得到广泛的应用。本文正是基于这一事 实对基于三维g i s 软件下的气象查询分析以及可视化进行了一定的研究。 随着虚拟现实技术以及三维可视化技术的快速发展，气象分析、预报领域与之相关 需求也不断提出。目前几乎所有的电视天气分析预报都是通过图、表、文字、数字、符 号等信息为观众提供近期天气情况。虽然说观众已经习惯了这种方式，但是将天气分析、 预报数据用可视化的方式展示给用户会更加直观，一定会成为未来发展的趋势。同时随 着应用范周的不断扩大，也将更加促进三维可视化、虚拟现实等相关技术的持续发展。 气象领域在三维g i s 软件中的主要应用如下： ( 1 ) 气象资源信息图形处理 分析和显示气象资源各项数据，实现气象资源信息的地图化、数据分析的可视化， 促进气象管理的科学化。同时，可以根据气象档案数据，结合地图自动生成气候分布区 域图形以及三维图形。 张吴：基于三维g i s 的气象查询分析系统的实现 ( 2 ) 气象资源数据管理 按日、旬、月、年对气象要素资料进行管理，可实现固定检索、任意时段的检索、 查询、排序及输出等，并统计生成旬、月、年及多年平均气象资料，可为农业气候区域 提供各种所需的基本气候数据。运用g i s 可视化技术在电子地图上实现用户的定位查 询，区域查询，图上查询，任意点经纬度、气温显示，统计计算等。 ( 3 ) 农业气候区划指标库管理 各种作物对气候的适宜指标都有所不同，建立各种作物种植指标库，对其不同分区 级别( 适宜、次适宜、不适宜等) 的指标。如：分区高度、年均温、最低温、大小等于零 度积温、年均降水量等指标进行管理。可查询和维护某一作物的数据指标，可增加作物 种类等。 ( 4 ) 气象分析与气候数据模型建立 建立历年气象站点采集的气象资源数据库。提取多种数据资料，并生成多种数据的 统计图。比较各时间段气温的变化，以三维的方式表现气温变化的趋势，分析地形高度、 经纬度、人文环境对气温的影响。根据气候数据模型生成气候专题图，三维图，以直观 的方式显示气候的变化。 ( 5 1 灾害预防与农作物种植解决方案 采用统计方法，对植物气象区域进行统计分析，得到各生育时段影响产量的主要降 水因子和需水指标。用专题图可以对不同区域的作物产量、灾害成度、发生的频率进行 统计，从而确定灾害多发区和多发年代。最终构成对下一年度作物种植的建议。 ( 6 ) 三维数据与遥感数据的叠加显示 对于高程模型、气候模型及农气区划模型，都可以进行二维和三维的显示。并随意 进行分层设置颜色，与矢量图层、影像图层、遥感数据的叠加显示。可旋转三维图像， 移动、放大、缩小三维图像。可以给三维模型进行影像贴图。 ( 7 ) 气象现象的模拟 将现实生活中气象现象模拟融入至三维g i s 中，气象现象包括云、雨、雪、闪电等。 随着三维g i s 软件的发展，气象查询、分析及气象预报将逐渐的融合到三维g i s 软件中，使得三维g i s 朝着更广阔的领域发展。 大连理工大学硕士学位论文 3s e i v w p 系统介绍 3 1s e i v t p 平台介绍 该系统是s e i 实验室成员共同构建。其目的就是构建一个平台，该平台以可以较容 易的以三维形式建立真实世界的一部分。这个平台涉及到g i s 、虚拟现实、数据文件处 理等领域。同时该平台也是s e i v w p 系统的基础，也就是说s e i v w p 架构在s e i v r p 之 上，通过这个平台的建立使得特殊领域的特殊功能同三维g i s 结合变得十分的容易。 3 11 w x w l d g e t s 介绍 由于目前主流软件在构架的时候都会考虑到自身的扩展性【l ”，所以跨平台性是一个 很重要的需求。w x w i d g e t s l ”】是一个非常好的选择，w x w i a g e s 是一个c + + 编写的用来 提供g u i 开发的框架。它包含一个可以支持现今几乎所有操作系统( 版本2 目前支持的 操作系统有m sw i n d o w s ，u n i x ，m a co s ) 的g u i 库和其他一些根有用的工具，提供了类 似m f c 的功能。而且，特别要说一下，这个c + + 库的新版本还提供了对掌上电脑的支 持。当然j a v a 对多系统的支持也是一个选择，其实这是不一样的，l a v a 的跨平台是建 ：茳在“中间代码”的基础上的，就是说需要在目标平台( 操作系统) 上安装j a v a 解释器， 但是w x w i d g e t s 是c + + 库，经过编译后，他提供的是n a t i v e 级的机器码，在g u i 编程方 面，这可是意味着很大的不同! 另外，由于j a v a 语言天生的缺陷需要高速的c p u 和较大容量内存的支持，对于本来就很消耗c p u 和内存资源钓3 dg i s 软件来讲无疑是 雪上加霜，所以平台搭建时候就要考虑到系统的效率、可靠性和扩展性。w x w i d g e t s 的 特点介绍如下： n 1w x w i d g e t s 无论对于个人还是对于商业应用都是免费。它的主体框架的授权协 议支持商业免费应用，其外围功能库中很多也是l g p u 初级通用公共授权) 授权的，这 无疑对于“零资本”的人来说是件好事。 ( 2 ) w x w i d g e t s 是跨平台的c a 3 i 库，支持的操作系统很全面，甚至支持p d a 。它虽 然不像j a v a 那样是“全面”的，w x w i d g e t s 仅仅是g u i 库，但是g u i 是计算机编程中， 最为麻烦、耗费时间、容易出现b u g 豹部分，特别当你想要自己的软件运行在多个操作 系统上的时候，开发和维护的难度让人难以想象。其实c + + 也是支持“跨平台”的，因 为c + + 可以在任何平台上编译运行，之所以没几个人说他是跨平台的，主要问题就出在 变量长度和各操作系统的g u i 上，如果解决了g u i 的问题，基本上就解决了c + + 的“跨 平台”问题至少不用为每种平台都维护一份源代码了。 张吴：基于二维g i s 的气象查询分析系统的实现 ( 3 1w x w i d g e t s 提供的g u i 是大量使用宏，这就意味着它是在尽可能的使用目标系 统n a t i v e 的g u i 样式。 ( 4 ) 它支持的编译器也很多。b o f l a n d ，e c l i p s e ，n e t 等主流的i d e 都支持。 w x w i d g e t s 同其它有名的g u i 类库的比较： w x w i d g e t s 与q t 都包括一些非g u i 的类，如d a t e t i m e ，c o n t a i n e r ，n e t w o r k i n g ，o p e n g l 等功能，但是如果应用在商业，q t 需要支付额外的费用；f l t k 和f o x 同w x w i d g e t s 相比只能算是轻量级的产品了，功能上完全不能和w x w i d g e t s 相比；w x w i d g e t s 同j a v a 相比有很大不同，i a v a 是一个平台，而w x w i d g e t s 是一个专门处理g u i 的工具包，j a v a 在编译成字节码后的第一次运行非常慢，而w x w i d g e t s 是直接编译成机器码，在运行速 度上超过 a v a 很多；u l t i m a t e + + 只是支持w i n d o w s ，l i n u x ，不支持m a c o s ；微软的m f c 同w x w i d g e t s 相比，具有相当长的使用时间，但其只能在w i n d o w s 下免费使用，而且 m f c 逐渐要走出历史的舞台，而要被微软推出的n e t 所取代。 综上所述，在开发g u i 方面，同时兼顾以后跨平台的扩展，w x w i d g e t s 是一个比较 好的选择。 3 1 2s e i v t p 的特点和应用范围 目前在三维地理信息系统的应用领域中，很多系统实际是2 5 维的，也就是说系统 能够为研究对象增加第三维的信息，同时加以三维表示1 1 9 1 。但是实际上这只是普通意义 上的三维，原因就在于这样的处理只是将原有的二维系统中的二维平面图转化为二维曲 面图，然后在三维空间中展现出来。这仍然是对面的表示而不是对体的表示，是二维的 而不是真三维的。一般情况下，在三维空问中大量展现二维曲面以及少量体状对象的系 统，都被称为2 5 维。 s e i v t p 是一个2 5 维系统，有二维到三维的转换功能，以及三维空间的演示、操作 等功能。可以说s e i v t p 是一个混合型系统，从最终的应用目的来看，他是一个面向准 三维的系统。 从另一个角度看s e i v t p 系统它具有如下特点： ( 1 ) 跨平台性：由于s e i v t p 的g u i 是采用w x w i d g e t s 编写，w x w i d g e t s 采用大量 宏定义开关进行界面绘制，所以在具有跨平台性的同时，效率阿j a v a 也有很大的优势。 ( 2 ) 效率高：众所周知，三维g i s 中的效率瓶颈就在于地形层次细节算法上，因此 程序在这里采用多种地形算法可供选择，试验效果比较满意，平均帧速率达到4 0 f d s s - - 9 0 f p s s 。 s e i v t p 系统的应用范围是出它的特点决定的，首先由于系统提供了完备的三维g i s 大连理一大学硕士学位论文 平台要求的功能集合，所以它可以用作各类三维g i s 应用软件的基础平台，大多数应用 可以在该平台基础上直接开发具体领域的应用，同时还节省了重复做基础工作韵时间。 目前应用到三维g i s 的领域主要有：城市交通、水利功能、通讯、治安、灾害处理、流 域漫游、气象模拟、气象查询分析、军事领域等。这些领域都有自身特殊需求，但一般 都会需要像s e i v t p 这样的一个基础平台。在通用的平台上开发具体领域的应用将起到 事半功倍的作用。 s e i v t p 作为三维g i s 平台，目前已经应用到沈阳军区虚拟场景及气象系统，主要 用于飞行模拟、虚拟现实、气象模拟与预报和气象查询分析。 3 2s e i v w p 主要功能介绍 s e i v w p 作为沈阳军区的一个实际项目，其架构在s e i v t p 平台上，该系统具有如 下的主要功能： ( 1 ) 二维地形、地物数据的录入 本模块主要功能是输入二维数据，为后续的“三维建模”模块提供建模数据。主要 分为地形和地物两部分： 地形等高线的数据文件录入。 二维地物建筑物、道路、河流、绿地、湖泊、铁路等数据文件处理。 ( 2 ) 三维建横 本模块的功能是读取输入的二维地形、地物数据，建立三维模型。主要分为地形和 地物两部分： 地形建模t 支持基于格网的建模方式，同时基于s e i v w p 场景分割的特点，提 供地形整合和地形分割功能。 地物建模：支持简单地物，如建筑物、道路、河流、绿地、植物、电力设施、 湖泊等的建模。 ( 3 1 可视化与实时浏览 本模块是三维g i s 独特的功能，系统通过三维模型数据把真实的三维场景展现在用 户面前。系统通过平行投影和透视投影( 漫游) 两种方式实现了三维的可视化功能： 地形电子沙盘：提供各种方式的观察方式，包括设置不同光源，不同颜色。用 户可以通过调整观察角度，改变缩放比例来得到不同的观察效果。同时还提供地形的分 层设置颜色、地面纹理的叠加等功能。 场景的实时浏览：也就是通常所说的漫游，系统能够提供大规模地形的场景实 时浏览功能。这就需要一个海量地形数据的组织方法和调度算法，将在后续章节介绍。 张吴：基于三维g i s 的气象查啕分析系统的实现 f 4 、空间查询与空间分析口o 2 1 】 本模块主要是提供基本的三维场景下的查询和分析功能： 支持属性数据查询，点选三维场景中的地物等三维模型，通过数据库将地物相 关的属性信息进行查询并显示结果。 提供常用g i s 分析功能： f 5 ) 气象模拟与预报 气象模拟：包括云、雨、雾、雪、闪电等自然显现的模拟。 气象预报：根据气象数据服务器进行短期的预报天气，并同气象模拟相结合。 ( 6 1 气象信息的查询分析及结果可视化 气象信息的查询：基于s e i v t p 平台下，将三维g i s 同气象查询相结合。提供了 多种气象查询方式。 气象信息的分析：除了提供气象数据的基本统计分析功能之外，将数据挖掘技 术中的关联规则引入，为以后将o l a p 和更多的挖掘算法同三维g i s 相结合打下了基础。 s e i v w p 运行如图3 1 所示： 图3 1 基于虚拟场景的气象系统 f i g 3 1w e a t h e rs y s t e mb a s e do nv i r t u a ls c e n e 大连理r 大学硕士学位论文 4 气象信息查询 4 1 气象数据处理 4 1 1 气象数据格式分析 气象数据是由分布在不同地区的观测站观测数据并进行汇总，通过对观测的物理量 进行计算得来的。其中包括如下常用的字段：温度、压强、风力u ，风力v 、相对湿度、 云量、雨量。示例如表4 1 所示： 表4 1 气象信息数据格式 t a b 4 1f o 加a to fw e a t h e rd a t a 这里需要说明几点：气象数据本身是时间空间兼顾的数据( 四维数据) ，也就是说气 象数据会随着时间和空间的变化而变化。由此可以想到气象数据首先在空间上呈现一个 长方体形状，长方体内部分为很多层，同时每一层由网格点构成，这些网格点在实际当 中就代表着每一个观测站，换句话说，每一个观测站将会每隔一定高度进行气象数据的 采集，如果有很多观测站的话，就会形成一个体状数据格式；我们可以看到气温已经超 过了我们日常天气预报所接触到的气温，这是由于采用了不同的单位造成的。摄氏温标 和热力学温标换算的公式如下：t = t - 2 7 3 1 5 。它们之间的关系如图4 1 所示： ， 耻一 图4 1 温标转换 f i g 4 1t h e r m o m e t r i cs c a l et r a n s f o r m 因此3 0 7 0 8 8 5 实际上也就是f = 3 0 7 0 8 8 5 - 2 7 3 1 5 = 3 3 9 3 8 5 ；风力u 和风力v 在数 值上有讵值也有负值。这里的正负值代表风的方向；u 代表东西方向，v 代表南北方向。 张是：基于三维g i s 的气象查询分析系统的实现 如果u 值是正值的话就代表风是向西，而如果是负值的话就代表向东；同样的道理如果 v 值是正值的话代表风是向南，而如果、，值是负值的话则代表向北。而具体值则代表风 的强度。风既有大小又有方向，因此利用平行四边形法则通过矢量合成进行风速u 和风 速v 的相加，相加的结果也就是实际的风速和风向。平行四边形法则如图4 2 所示： 吻 。阮黾 图4 2 平行四边形法则 f i g 4 2p r i n c i p l eo fp a r a l l e l o g r a m 令口= 垆：一垆，卢；1 8 0 一a ，根余弦定理可以求得u = u ? + u ；一2 u ，u ：c o s f l 。合 成后的u 的方向与水平线之间的夹角为0 一t g 。( ( s i n a ，l u ，l + s i n a ：i u ：i ) | u i ) ，这样通 过风速u 和风速v 这两个数据库中的字段就可以把风的强度和方向表示出来，同时也 便于程序做迸一步的处理。 该气象数据采集间隔为一小时，也就是每隔- 4 , 时采集一次数据，那么一天就会有 2 4 个采集点，初始网格数为5 5 7 5 ( 在平面上分布4 1 2 5 个观测点1 ，气象数据的高度层 是4 0 层，所以- 4 , 时的数据量就是5 5 7 5 x 4 0 = 1 6 5 0 0 0 ，一天的数据量就是1 6 5 0 0 0 x 2 4 = 3 9 6 0 0 0 0 ，可见数据量非常大。 4 1 2 气象数据的存储 由于气象数据初始保存在文本文件中，而且数据量十分的巨大，一天的气象数据就 会达到2 0 0 m 大小，如果要进行数据查询会等待较长的时间，对于用户来说太长的查询 等待是不可以忍受的。解决这个问题有两种办法，一种是把该文件进行分割，然后对分 割后的小文件进行查询。但是这样做并不是好的做法，因为气象数据每天都会产生，这 样就需要每天分割文件，生成的小文件也会越来越多，十分不利于进行管理。因此把文 本文件中的数据保存在数据库中是个非常好的解决方案。虽然放到数据库中，但是在 数据库的选择上还是需要规划好，因为气象数据量十分大，一天的数据就会达到近4 0 0 万条，所以本文最终选择了o r a c l e 9 i 作为数据库平台，经过后期测试o r a c l e 9 i 的性能要 比s q l s e r v e r2 0 0 0 查询速度快近3 0 。 大连理r 大学硕士学位论文 数据库平台选择好以后要进行数据的录入，由于气象数据每天都会产生，而且数据 量十分大，因此程序不可能任由数据的无限增长，目前根据用户的要求只在数据库中保 存三天的数据，也就是昨天、今天已有的数据和明天的预测数据。对于历史气象信息数 据可以保存在数据仓库中，为以后的联机分析，数据挖掘打下了基础。由于本文的重点 不在数据仓库的建立，因此就不详细叙述了。系统设计初用一张表来存放三天的数据， 但是这样做有不合理之处：首先数据量很大，一天的数据就有近4 0 0 万条数据，三天就 会累计1 2 0 0 万条记录，这样的数据量已经达到企业级别的数据量，如果进行查询的话， 查询结果返回时问会有一定的延迟，因此我们可以把数据分成三张表来保存， m g i st o d a y ，m g i sy e s t e r d a y ，m g i st o m o r r o w 分别存放昨天，今天和明 天的预测数据。通过这样的划分其实就相当于间接应用了o r a c l e 9 i 的分区管理技术 ( p a r t i t i o n ) ，这个多表存储的方案在实际的应用中获得了良好的效果，查询速度有所提高。 数据库中保存气象数据的表结