基于Google Earth 的水文属性实时监测与立体呈现平台的设想

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摘要：传统的水文监测手段，只是将探测到的湿度、风速、风向、雨量、水质、水流速、水量、水位、视频图像或图片等数字化信息通过网络上传到在线监测监视中心，然后将 一系列的监测数据，图像等原始信息显示在监视监测中心的大屏幕上，这是一个将实体水文环境抽象为数值或图像信息的过程，抽象出的各种水文属性值缺少可视性，整合性，实时性，不能高效的为管理人员的决策调度提供最佳依据。网络游戏的逼真场景展示给人的视觉体验有目共睹，以美国Google公司推出的数字地球Google Earth为代表的新一代数字地球技术的崛起、快速展与广泛应用，带给人们全新的可视化的浏览体验，也给传统的水文监测手段带来了挑战。如果基于google earth的三维的GIS的思路，模仿网络游戏的逼真场景来三维立体的展示监测水区的各种水文属性，将会给水文调度提供更加直接、有效的参考，促进更加有效的区域水环境治理。

关键词：Google Earth；水文监测；立体呈现；联合调度；综合治理；身临其境

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）03-0661-03

1 概述

水是生命之源，生产之要，生态之基。为了最大限度的保护，管理，持续高效利用水源，就必须对 水域的各种水文属性：温度、湿度、风速、风向、雨量、水质、水流速、水量、水位等有准确、清晰、全面的掌握。因为实时水文信息不仅可以准确而动态地反映该地区的的自然生态，地理地貌的实时变化与迁移情况，而且还可以作为相关管理人员在对区域水资源进行调度的决策依据。而要想实现快速、高效、准确地对区域水文环境的各项属性进行收集，最大限度地对区域水环境实现综合调度与管理，必就须建立建立一套完备、全面、可更新的水文监测体系。而随着现代经济社会的飞速发展，各种人类活动舍得原本的水文环境变得复杂，需要掌握的关键环境信息要素不断趋于多元，数据量不断增加，而且这些信息的空间分布结构与类型复杂度不断增加，所以过去的老一套的水文监测体系已经不能满足实际的监测需求。因此，如何建立具有大数据处理能力、立体

可视化呈现模块、实时信息更新的新一代水文监测平台已成为亟待解决的问题。谷歌地球（Google Earth，GE）是美国谷歌公司推出的覆盖全球的三维虚拟地球仪和矢量地图软件。简洁的操作，全新的立体呈现模式，前所未有的视觉体验打破了传统的地理信息呈现模式，使得实时地理信息各要素得到有机整合，更加全面有效地反映地理实况。GE的推出与快速发展给地理信息的 研究带来了新的思路，也为建立更加卓有成效的实时水文监测与立体呈现平台带来启迪。

2 谷歌地球的平台特点

谷歌地球（Google Earth）（一下简称GE）是谷歌公司于2005年6月推出的。它以一个三位模型为基准，把GIS、航空照相、卫星照片集成在一起。通过Google Earth，你可以飞往全球任何地方，查看卫星图像、3D 建筑、3D 树木、地形、街景视图、行星等。针对不同区域， GE 提供了不同的分辨率影像。无人 区和小村庄图像清晰度（图像最清晰时的海拔高度： Eye alt值）在15 km 左右， 其分辨率为30 m； 县级以上城市则提供了0. 6 m分辨率清晰图像， 清晰度在500 m 左右高度。Google Earth 中采取了一种有效的图形生成加速方法：LOD（level of de tail）技术。这种技术实现的是：不影响画面视觉效果的条件下，通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性，从而提高绘制算法的效率。一方面，在加载场景时，略去了在一些特定情况下无论何时都无法被看到的一部分场景。再者，选用较粗糙的细层次来显示观察者注意力之外的场景。其次，对较

小的物体做粗糙处理。还有，根据观察者的眼睛的焦距，在焦距前面或后面的物体不被聚焦。在当前的网络分发数据显示技术中，LOD（level of detail）是最好的。视窗的纵度与深度变化决定了数据的加载程度。与某些一下子就读取全局数据的技术相比，LOD技术只读取所需目标区域的数据。而且为了避免系统资源开销过大，相应的数据不会在客户端上积累。传统的G IS是以点、线、面的形式表现地理信息的， 其图形抽象、单调、信息的详实程度低、可视化程度差。影像型G IS）GE 是影像与GPS结合， 其图像表现的信息丰富， 展示的信息细致而详实， 信息之间的关系直观。

3 基于GE的水文实时监测与立体呈现平台的设想

3.1 平台组成

平台主要分为数据收集端与数据处理端。数据收集端由实时收集器、缓冲池与预处理器组成。数据处理端分为数据处理器、数据成像器、水文预警器、解决方案库组成。

3.2 功能实现

在数据收集端，有分布合理的灵敏传感器对水温、风向、风速、雨量、水质、水位等信息进行记录，所有数据按时间顺序进入缓冲池，缓冲池中的数据然后进入预处理器中，接受初级处理。在这同时，平台也会通过3G网络将同样的一份数据从传感器传至数据处理端，在数据处理端，所有数据先进入数据库，然后由专门的数据处理器（数据处理软件）对数据进行分析，计算出原始数据的一些统计值用于水文预警模块，并且计算出用于成像所必须的一些坐标值用于数据成像模块，然后在基于GE的成像界面（如图1）用三位立体的成像方式将检测水域的水波实时呈现，并在界面左边设置一模块对统计值进行展示，分门类展示各种统计值是否异常，如果异常，用红色警示标示予以提示，否则用绿色标示正常。所有的这些统计值与成像的水波都会被记录进入解决方案库，作为历史档案，由专家研讨或其他手段对不同的预警水况提出解决措施，然后写入相应的水况记录中，并且对于正常的水况，也可以提出预防措施或完善措施来改善水文。

另外，本平台中的缓冲池与此同时会不间断的接受来自灵敏传感器的的水文信息，然后将进入预处理器进行初级处理，并有预处理器判断最新的收集到的数据与上一时间节点相比是否发生变化，来决定数据收集器是否向数据收集端发送数据。（即平台启动时，数据收集端自动从数据收集器直接接收一个时间节点的水文数据用于系统初始化，后来的数据处理端的数据都是经由数据收集端的数据预处理器发出的）这样就保证一定程度上减少平台的运行负荷，使整个平台运行的更为流畅。也为数据成像模块腾除了足够的系统资源。

3.3 平台的核心之处

整个平台的核心之处在于基于GE技术对水区的实时状况进行模拟与在现，进而使决策专家在控制中心就可对水区的全方位水文属性有清晰的了解。甚至可以利用3D技术将画面立体化，控制中心的人员可以带上由偏振片制成的眼镜在观察立体的成像图，观察者就好像跨越时空到了具体的水域一般，从而更高效的对水区的水文属性进行掌握。

3.4 平台的应用范围

整个平台实现了对实体水域的实时水文状况的实时采集与三维逼真显示，不仅可以用于各个水文监测站的监测，也可用于各种远程监测研究中。还可以用于一些灾害情况的实时查看等。以其全新的立体化呈现模式改变了传统的水文监测呈现模式，适用范围相对较广。

3.5 平台的社交功能

整个平台不单单是完成对具体水域的实时监测与立体化呈现，同时也整合了一定的社交功能。各个水文监测站或是其他一些水文研究者，水文调度部门通过注册成为平台的用户，实现了个水文监测站之间的交流，也为远程调度提供有效的及时交流手段。而且，也大流域水环境综合治理提供技术保障。

3.6 可二次开发性

为了能够对现实水域的实时分布等一些情况做出平台上的调整，并且使整个平台不受地域的限制具有广泛的适用性，平台必须开放相应的技术借口，具备二次开发性。

3.7 存在问题

由于真正的水文环境变化多端，所以整个平台在成像模块可能出现成像效果不好，不能准确反映实际水况的问题。另外可能由于设计不够全面而引发一些问题。

4 结论

基于GE的水文实时监测与立体呈现平台是出于水资源管理、保护与更加高效的可持续利用的一种积极有益的一种尝试。基于GE的监测与呈现平台的实现还处于初级设想阶段，还有待完善、补充和提高，特别是水域实况的立体呈现模块以及一些初期阶段未曾预料到的问题。随着信息技术的发展，GE在水文实时监测与立体呈现方面的应用技术将越来越成熟，应用前景也将越来越广泛。

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