Google Earth在地學(xué)研究中的應(yīng)用

帥 菲， 肖根如， 揭志強

(1.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西撫州 344000;2.上海建燕測繪有限公司，上海 201300)

Google Earth在地學(xué)研究中的應(yīng)用

帥 菲1， 肖根如1， 揭志強2

(1.東華理工大學(xué)測繪工程學(xué)院，江西撫州 344000;2.上海建燕測繪有限公司，上海 201300)

Google Earth是Google公司發(fā)布的當前非常流行的一款三維虛擬地球軟件，已在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。采用傳統(tǒng)方法研究地殼形變時，對點、線、面的分析一般是基于地理信息系統(tǒng)軟件，通常在三維功能上較為欠缺，而引入Google Earth軟件可較好地進行三維地形等要素的顯示。介紹Google Earth的KML語言格式、功能與特點，采用Visual Basic編程，充分利用KML功能，將中國大陸的地震、GPS觀測站及其運動矢量等要素很好地展示在三維地球上，直觀地顯示出地震的地理分布和中國大陸的地殼運動狀況，取得較好的效果。

Google Earth;KML;地震;GPS速率

1 Google Earth概述

Google Earth是Google公司發(fā)布的一款免費的桌面地球探索軟件，同時具有全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)功能。軟件可以從Google網(wǎng)站上直接下載安裝，在連接互聯(lián)網(wǎng)的前提下，軟件運行后會自動連接到Google服務(wù)器，實時為用戶提供三維影像數(shù)據(jù)。這些影像數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星照片，受許可的航片和公共領(lǐng)域的圖片，以及由網(wǎng)友上傳的具體細部圖片等，數(shù)據(jù)覆蓋了全球范圍。通過這款軟件，人們可以足不出戶地查看世界每個角落。

Google Earth目前已發(fā)展了三個版本:免費版，Plus版和Pro版。三個版本的主影像庫所提供的全球地貌影像與3D數(shù)據(jù)完全相同，都具有根據(jù)經(jīng)緯度定位地標、截圖、制作及導(dǎo)出地標文件、距離量測等功能。具體功能區(qū)別見表1(廖露等，2007)。

Google為了滿足企業(yè)級的需要，在Pro版的基礎(chǔ)上推出功能更加強大的Google Earth Enterprise版本(Geogle地球企業(yè)版，2009)。企業(yè)版實現(xiàn)了地球的三維可視化，可用于整合、組織和發(fā)布企業(yè)的位置數(shù)據(jù)，并借助它的強大功能來瀏覽地理信息。通過使用Google地圖API來支持基于二維瀏覽器的訪問，企業(yè)的地理空間數(shù)據(jù)就可以整合到基于Web的應(yīng)用中，或供任意用戶查看，而不論他們使用何種客戶端軟件。

表1 Google Earth各版本功能對照區(qū)別表Tab.1 Different editions of Google Earth

Google Earth是一種全新的地理信息服務(wù)平臺，已經(jīng)在地理教學(xué)、路線工程、地質(zhì)石油勘查與災(zāi)害調(diào)查、土地利用、水域、地震等領(lǐng)域應(yīng)用(陳強等，2008;孫曉茹等，2006;符海月等，2006;劉紅彥等，2008;漆明生等，2008)。隨著Google Earth版本的更新和服務(wù)的升級，其在各個行業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。筆者主要是利用KML語言制作地震分布、GPS點的速度矢量顯示來說明Google Earth在地震及地殼形變研究方面的應(yīng)用拓展。

2 KML簡介

KML全稱 Keyhole Markup Language，是 Google公司開發(fā)的、基于XML語法和文件格式的、用來描述和保存地理信息如點、線、面、三維模型等的編碼規(guī)范(漆明生等，2008)。KML是一種文件格式，用于在地球瀏覽器(例如 Google Earth，Google Map和Google Maps for Mobile)中顯示地理數(shù)據(jù)。它可以針對精確位置創(chuàng)建KML文件、添加地標并以新的方式展示豐富的數(shù)據(jù)。KML是OGC(Open Geospatial Consortium，Inc.)維護的國際標準，KML在吸收和借鑒OGC制定的GML(Geography Markup Language)標準的基礎(chǔ)上，舍棄地理模型中拓撲關(guān)系的描述，精簡描述元素，使用一種基于標簽的語法格式來描述地理信息，使KML文件在Google Earth的顯示過程與HTML網(wǎng)頁被瀏覽器處理過程類似，即利用KML標準形成的KML文件是通過Google Earth瀏覽器解釋并在Google Earth瀏覽器表現(xiàn)出來的。

由此可以看出，KML是面向Google Earth的。KML的應(yīng)用是為了增強Google Earth的功能，實現(xiàn)與用戶的交互操作，但它缺乏獨立的坐標系描述元素，依賴于Google Earth實現(xiàn)外在表示。故可以利用KML能實現(xiàn)地標、貼圖、自定義模型、要素分層分組管理等功能(賈文玨，2006)。

2.1 KML地理數(shù)據(jù)的組織與顯示

KML 運用 KML，Document，F(xiàn)older，Placemark 四個元素作為KML文件的根標簽進行信息的組織。Feature抽象元素的各實元素實現(xiàn)地理信息的封裝與管理;NetworkLink元素實現(xiàn)本地或網(wǎng)絡(luò)的KML共享;Placemark元素實現(xiàn)地理對象的封裝與可視化;Folder元素實現(xiàn)對地理對象的層次化管理;Document元素實現(xiàn)各類Feature元素、Style元素、Schema元素的封裝與管理;Overlay元素實現(xiàn)屏幕貼圖與地面貼圖功能。KML通過Style元素實現(xiàn)地理對象的外在樣式表示;通過Schema元素對Placemark元素的繼承實現(xiàn)地理對象屬性值擴展。KML通過Geometry抽象元素定義了幾種基本的幾何圖形元素，提供了點、線、環(huán)、多邊形、三維模型等基本幾何圖形，還可以通過MultiGeometry聚合不同形態(tài)的基本幾何圖形形成復(fù)合的幾何圖形從而定義復(fù)雜的幾何實體。

2.2 KML中點線的表示

本次研究主要利用Point和LineString二種地理幾何對象。Point元素即點元素，用來編碼幾何點類，描述地理點位置及與其對應(yīng)的其他信息，每一個Point元素包括一個coordinates元素，包括僅有的一個坐標對;Line元素主要有 LineString和LinearRing二類，LineString元素即折線元素，是由一序列的坐標對所組成的直線段連接起來的折線。LinearRing與LineString的區(qū)別為前者是起點與終點重合的折線。Point的語法:

上面語法結(jié)構(gòu)中，extrude是在相對地面還是絕對高度模式下的空間點是否通過線擴展延伸到相應(yīng)的地面點，默認為0，即使用絕對高度。tessellate指定幾何對象是否隨地形起伏變化，默認為不隨，這二個都是邏輯型。altitudeMode是高度模式，clampToGround模式是點對象緊貼地面，忽略coordinates中的高度值，還有另外relativeToGround、absolute二種高度模式。coordinates即坐標對，采用經(jīng)度、緯度、高度形式。

3 Google Earth在地震研究中的應(yīng)用

3.1 在Google Earth中顯示地震信息

從美國北加州地震數(shù)據(jù)中心的FTP服務(wù)器(www.ncedc.org/pub/catalogs/anss)上下載的地震數(shù)據(jù)，是分年按月以cnss(ftp://quake.geo.berkeley.edu/pub/doc/cat5/cnss.format.5)格式進行存放的。因此，需要進行初步的數(shù)據(jù)處理，將需要的經(jīng)緯度、震級、時間、震源深度等信息提取出來。提取后組成的數(shù)據(jù)格式為經(jīng)度、緯度、震級、深度、時間，一行一次地震記錄，依次記錄下來生在成文件。若在Google Earth中手動添加這樣大量的地震點，費時費力，且容易出錯;若再添加說明信息則加大工作難度。為此，利用VB編寫程序，生成KML格式的文件，因為體現(xiàn)在具體的點上，所以只需要把位置信息利用地標Point形式寫入正確即可，同時在程序中可根據(jù)要求寫入一些必要的說明，且可以按震級不同進行分類顯示。這種方法可以大大減少工作量，且不容易出錯，對顯示結(jié)果也可控制。文件生成的主要代碼段為:

上述代碼段在＜Description＞與＜/Description＞間寫入有關(guān)點位的說明性文字;在＜Point＞與＜/Point＞間寫入點的經(jīng)緯度坐標。生成文件以*.kml后綴保存，再在Google Earth中打開，即可看到生成的效果(圖1)。

圖1 中國及周邊地區(qū)大于6級地震分布(數(shù)據(jù)截止2007年)Fig.1 Earthquakes ＞Ms 6.0 in and around China(Data cutoff before year 2007)

從圖1可以直觀看到除環(huán)太平洋地震帶地震發(fā)生比較多外，青藏高原東北部地震也比較頻繁，加上Google Earth的三維地形影像圖，大致可以看到地震主要發(fā)生在西部地勢較高的區(qū)域，地震發(fā)生位于板塊匯合處且分布相對較為集中。由此可分析地形地勢與地震之間的空間相關(guān)性。

3.2 在Google Earth中顯示GPS速度場

GPS速度矢量在其它的GIS軟件中都比較容易實現(xiàn)，如MapInfo軟件，但該軟件顯示的底圖不夠豐富，色彩比較單一;利用GMT軟件繪制(程朋根等，2008)，對用戶操作有較高要求。為此利用Google Earth來實現(xiàn)。畫速率矢量箭頭需要知道GPS站點坐標，北向及東向速度分量。通過收集數(shù)據(jù)，研究KML文件格式可以知道，需要利用KML的LineString的格式進行。LineString的主要的代碼段:

文件保存后利用Google Earth打開，效果如圖2顯示。

圖2 中國大陸及周邊GPS站速率圖Fig.2 GPS velocity vector of China and its adjacent regions

從圖2中也可以看出地形與GPS速度場很好的疊加效果，如在穩(wěn)定歐亞參考框架下，青藏高原GPS站點的運動速率大，而在華南塊體的速率相對則比較小，在地形地勢上看得比較明顯，簡單明了地顯示出印度板塊對青藏高原的北東向擠壓及受到穩(wěn)定華南塊體的阻擋。這樣相比于傳統(tǒng)的GIS軟件更直觀和更容易理解。

4 結(jié)論與討論

Google Earth在地學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，通過研究，除了利用地標功能顯示點位分布外，利用線型的方式在其上面疊加顯示了GPS速度矢量箭頭，取得較好的效果。但是利用Google Earth時需要注意:

(1)在制作地震的KML文件時，可以通過一定的規(guī)則(如按震級分類、按震源深度分類等)給地震點賦予不同的顏色、大小及圖標。這樣不需要每個點都寫一個屬性值，減小KML文件的大小。

(2)在生成速度矢量箭頭時，因為坐標是經(jīng)緯度的形式，所以速度分量也必須取在經(jīng)緯度方向上的數(shù)值，否則會產(chǎn)生一定的偏差，得出錯誤的結(jié)論。同時畫線時需要考慮起始點間的距離，如果距離太長的話則需要增加中間點，否則可能因地形起伏出現(xiàn)斷線情況，從而得不到需要的圖形效果。

(3)最后可以采用第三方軟件的一些插件功能，使得輸出效果更美觀。利用Google Earth COMAPI或Google Earth Plug-in等方式，可擴展Google Earth到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和實時應(yīng)用，更好地發(fā)揮Google Earth的功能，在更多的領(lǐng)域中得到各自的應(yīng)用。

程朋根，甘衛(wèi)軍，李大軍，等.2008.跨地震帶GPS剖面線觀測與數(shù)據(jù)分析［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，31(4):301-305.

陳強，姜立新，帥向華.2008.Google Earth在地震應(yīng)急中的應(yīng)用［J］.地震，28(1):121-128.

符海月，趙軍，李滿春.2006.從GoogleMaps看我國全球化地理信息服務(wù)面臨的挑戰(zhàn)和對策［J］.地理與地理信息科學(xué)，22(3):1-3.

賈文玨.2006.Google Earth和World Wind比較研究［J］.國土資源信息化，(5):45-48.

廖露，周申立.2007.基于Google Earth的教學(xué)探索地理網(wǎng)絡(luò)課程開發(fā)及應(yīng)用探討［J］.中國教育信息化，(12):73-75.

劉紅彥，任軍.2008.基于Google Earth Plug-in的實時信息發(fā)布技術(shù)［J］.時代教育，(8):111-112.

漆明生，徐家清.2008.基于KML的地理數(shù)據(jù)表示［J］.四川林勘設(shè)計，(1):77-80.

孫曉茹，趙軍.2006.Google Maps API在WebGIS中的應(yīng)用［J］.微計算機信息，22(7-1):224-226.

Google地球企業(yè)版［EB/OL］.2009［2009-07-21］.http://earth.google.com/enterprise/earth_enterprise.html.

Faculty of Geomatics Application of Google Earth in Geoscience Research

SHUAI Fei1， XIAO Gen-ru1， JIE Zhi-qiang2
(1.Faculty of Geomatics，East China Institute of Technology，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China;2.Jianyan Surveying Limited Company，Shanghai，201300，China)

Google Earth is a popular three dimensional virtual earth software release by Google.It has applied in many domains，such as pipeline engineering，geography teaching，geology and earthquakes.Usually，the crustal deformation impressions by the geography information system software are researched.Shortage for their three dimensional functions，the Google Earth to accomplish them is introduced.This research briefly introduce the language formations，functions and characters of KML(Keyhole Markup Language)language of Google Earth.Using the Visual Basic and according to the CNSS formation description of earthquake catalogs，a good expression of earthquake on Google Earth is gived with full utility the point，line and polygon of KML.It more directly shows the geographic distributions of earthquake，at the same time，we overlap the GPS velocity arrows with different color，it is a optical display result with the crustal movement and earthquake location on the three dimensional image of Google Earth.

Google Earth;KML;earthquake;GPS velocity

P208

:A

:1674-3504(2011)01-089-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.01.015

2010-08-08

帥 菲(1979—)，女，碩士，講師，主要從事3S應(yīng)用，E-mail:fshuai@ecit.cn