空氣質量預測數據的三維霧化展示技術

付紅彬 張志敏

(廣東省環(huán)境信息中心，廣州 510308)

空氣質量預測數據的三維霧化展示技術

付紅彬 張志敏

(廣東省環(huán)境信息中心，廣州 510308)

在國家“863”項目“重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范項目”的研究中，通過利用DirectX3D編程技術將體積霧與體紋理技術進行創(chuàng)造性結合，實現了空氣質量預測數據的三維霧化展示。本文主要闡述了此研究的背景、研究過程、技術要點及研究成果。

NetCDF；可視化；DirectX3D；空氣質量預測；體繪制

1．研究背景

“十一五”期間，廣東省環(huán)境信息中心承擔了“863”項目“重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范項目”（以下簡稱“項目”）的子課題《區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)》的研究開發(fā)工作，子課題的目標是將其他子課題的研究成果進行信息集成與可視化，以期讓研究成果能夠落地到實際的環(huán)境管理工作中?？諝赓|量預測數據三維霧化展示技術是在中科院大氣所的空氣質量預測模型的研究成果基礎上，實現將模型的計算結果進行三維霧化方式的可視化渲染，并與廣東省環(huán)境保護廳現有的3DGIS系統(tǒng)進行集成展示的研究過程與方法。

2．研究目標

空氣質量預測模型生成一種國際通用的NetCDF數據格式，數據描述了一個三維空間分割為很多規(guī)則的小立方體，每個小立方體具有二十多個污染物屬性，這些屬性隨時間變化。在實際的研究中，小立方體在XY方向寬度為3×3km，Z方向按海拔不等，高度從100m到1km不等，覆蓋了整個珠江三角洲區(qū)域，每次運算出來的數據文件約為10Gbytes，這種三維立體的時序變化數據集的理想展示方法是使用一個具有霧化效果的立方體動畫來展示。

在目前的可視化研究領域中，已有一些軟件實現了對NetCDF格式的數據進行可視化展示，但是大多都是以二維展示為主，比如從數據集中提取一個平面或者截面的數據進行等值線圖、顏色漸變圖或者顏色分級圖的方式進行展示，甚至將時間序列生成GIF動

畫，但是這些方式不能夠充分表達空氣質量預測數據的空間整體性，況且這些軟件許多都是基于專業(yè)的商業(yè)軟件，不能實現多用戶的互動可視化，也很難與現有的GIS平臺集成。在這種情況下，需要尋找一種新的三維可視化展示方法，不但能夠實時地展現空氣質量預測數據在三維空間上的分布效果，而且能夠按照時間序列實現動畫效果。

3．技術路線

實現空氣質量預測數據的三維可視化研究需要借助于三維圖形編程接口，目前，實現三維圖形編程接口主要有DirectX3D和OpenGL兩種選擇，DirectX3D與OpenGL在性能方面的差別不大，OpenGL的優(yōu)勢在于跨平臺，而在Windows平臺下DirectX3D由于基于COM技術以及各大硬件廠商的支持得到了更廣泛的應用，另外，微軟公司Silverlight 和WPF技術都是源于DirectX3D，能夠與這兩種技術更好地結合。為了能夠與《區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)》進行集成，課題組采用DirectX3D作為三維圖形編程接口來實現空氣質量預測數據的可視化研究工作。

在DirectX3D中，三維渲染技術主要包括粒子渲染技術、體積霧渲染技術、體紋理渲染技術，在對幾種技術進行了實驗對比的基礎上，發(fā)現粒子渲染技術可以用來描述粒子本身在三維空間中的產生、運動與消亡，并不適用于NetCDF這種已經具有固定分割的三維數據集的展示。

體積霧的效果能夠很好地表現霧化效果，但其顏色是將視線通過霧體的厚度作為參數的線性函數進行實時計算得到的，并不能直接用來表現已經計算好的NetCDF數據集，如果能將體積霧的函數計算方法替換為從NetCDF數據集中獲得數據，從而利用空氣質量預測數據值作為顏色累加的參數，這樣的渲染結果就能夠表達出整個空氣質量預測數據。而體紋理渲染技術剛好具有表現既定數據的能力，如果將NetCDF數據集轉換為體紋理數據，那么在進行體積霧渲染時通過獲得對應位置的體紋理信息就可以表達其污染物信息，從而很好地表達空氣質量預測數據的三維霧化效果。

4．研究過程與技術要點

（一）數據預處理

要將渲染結果在3DGIS系統(tǒng)中進行集成展示，需要將NetCDF的數據做一定的預處理工作，包括空間坐標系的統(tǒng)一以及體紋理數據格式的轉換。

首先要進行坐標系轉換，3DGIS系統(tǒng)使用WGS1984麥卡托投影，需要將NetCDF數據的蘭伯特投影坐標系變換成WGS1984坐標系，由于多維數據集不是GIS數據，不能使用現有地理信息系統(tǒng)的投影變換功能，需要編寫變換算法。預測模型一經確定，其坐標系一般是不會經常改變的，因此，坐標變換可以通過將網格在兩個坐標系的坐標按照其對應關系來進行替換的方式實現，這樣就可以快速地實現將NetCDF的數據映射到3DGIS的坐標系中。

其次要將NetCDF格式的空氣質量預測數據集轉換成體紋理格式。NetCDF是一種自解釋格式，按照時間對每一個變量進行分塊存儲，可以快速提取單個時間點的數據內容，再按照一定顏色映射方法將數值轉換成顏色值，然后存儲為體紋理數據格式，供體紋理渲染使用，考慮到系統(tǒng)的業(yè)務化運行，轉換程序必須以服務的方式運行，實現自動化的轉換過程，在新的NetCDF數據生成后能夠自動進行轉換。此外，在體紋理轉換中還需要考慮空氣質量預測數據與體紋理顏色的自定義映射，實現可以通過參數來實現不同的污染物映射為不同的顏色體系。

（二）渲染過程

體積霧結合體紋理的霧化渲染算法流程如圖1所示，為了計算視線穿越空氣質量預測模型體的最大距離，首先要渲染出正向面深度圖和背向面深度圖，把距離作為光線前進循環(huán)采樣控制的結束依據，當光線前進累加結果大于這個距離值了，就說明光線已經出了繪制體，可以結束循環(huán)了。然后在頂點著色程序中計算頂點位置和射線方向，射線方向由視線方向和點的坐標決定，射線方向也可以放在片段著色程序中進行計算。轉換過程中最關鍵的地方是循環(huán)紋理采樣、合成，每一次循環(huán)都要計算新的采樣紋理坐標和采樣距離，然后進行顏色合成和透明度累加，如果采樣距離超過了最大穿越距離，或者透明度累加到1，則循環(huán)結束，然后將合成得到的顏色值渲染到場景中。

在渲染過程中需要注意幾個關鍵環(huán)節(jié)：

一是光線投射的顏色值計算，其算法可以分類為光線投射與光線跟蹤兩種，兩者的計算原理類似，但是具體方法有區(qū)別，光線投射方法是從圖像的一點出發(fā)，沿視線方向發(fā)射一條光線，光線穿越整個渲染區(qū)域，對視線穿越過小立方體對應的體紋理序列進行采

樣，獲取顏色信息，再通過光線吸收模型將顏色值進行累加，直至光線穿越整個渲染區(qū)域，最后得到的顏色值就是該視線位置的渲染顏色，光線跟蹤算法中需要疊加計算光線的反射和折射現象，不進行色彩的累計，只考慮光線和幾何體相交處的情況，而光線投射算法，只考慮顏色的累計，不進行射線和物體的求交判斷。由于空氣質量預測數據的展示場景中，除了一個模型體之外沒有其他的物體，因此，在實現過程中只考慮光線投射算法就足夠了。

二是光線吸收模型的處理，光線穿過物體的時候都會有吸收和反射的過程，因此在計算時需要考慮每個體素對光線的吸收發(fā)射分布情況，在研究中使用了吸收和發(fā)射模型來實現，可以實現較真實的模擬效果，這是因為不僅要考慮現實霧的光線吸收效果，還要考慮空氣質量預測數據所要表現的三維物體本身還是一個有顏色的發(fā)光體，只有這樣才能體現出來不同信息的顏色差別。

三是顏色合成算法，透明度本質上代表著光穿透物體的能力，光穿透一個物體會導致波長比例的變化，如果穿越多個物體，則這種變化是累加的。所以，透明物體的渲染，本質上是將透明物體的顏色和其后物體的顏色進行混合，這被稱為Alpha 混合技術。GPU編程實現Alpha 混合技術的公式為：C0 = AsCs + (1? As )Cd ，其中，As 表示透明物體的透明度，Cs 表示透明物體的原本顏色，Cd表示目標物體的原本顏色，C0則是通過透明物體觀察目標物體所得到的顏色值。如果有多個透明物體且具有不同的透明度，通常需要對物體進行排序，將射線穿越紋理的過程作為采樣合成過程，是從前面到背面進行排序，也可以反過來從背面到前面排序，這兩種方式得到的效果是不太一樣的，由于在此渲染的目標是一個整體，不需要考慮多個透明物體的疊加，所以只考慮Alpha融合方法就可以滿足要求。

（三）渲染結果

將整個渲染結果疊加到3DGIS系統(tǒng)中，得到了空氣質量預測數據的三維霧化展示效果。可以看出霧化效果顏色過渡自然、團霧效果明顯，用戶通過地圖控制工具實現模型的放大、縮小、俯仰、旋轉操作，可以很直觀地看到污染物在三維空間中的聚集分布情況，如圖2所示。

（四）時間維可視化

由于空氣質量預測數據在渲染中預先轉換成了體紋理來表現預測值信息，所以在時間上的表現可以用體紋理替換技術來實現交互動畫方式的隨時間變化過程。紋理替換技術就是預先將NetCDF數據集中的每

個時間點的每個污染源屬性值轉換為一個體紋理數據文件，按時間序列加載相應的體紋理數據進行渲染，就可以獲得連續(xù)起來的動畫效果。

5．研究結論

通過體積霧與體紋理結合的方式實現的三維霧化效果可以較好地展示NetCDF格式的空氣污染預測數據集，將渲染結果與3DGIS系統(tǒng)進行無縫集成能夠更好地表達空氣中污染物在三維空間中的分布情況，這種方法作為一種可行的三維可視化展示技術，達到了課題研究的目標，也可以為其他應用領域提供借鑒。

[1] Russ Rew,Glenn Davis,Steve Emmerson,Harvey Davies. NetCDF fortran 90 Interface Guide[Z]. Boulder∶ Unidata Program Center,2005.

[2] 查石祥.NetCDF數據格式的編程式訪問[J].氣象科技，2004，32（增刊）：40-43.

中國上市公司環(huán)境責任調查啟動

2014年4月10日上午，由中國環(huán)境新聞工作者協會主辦的“2014年中國上市公司環(huán)境社會責任調查活動”啟動儀式，在環(huán)保部對外合作中心舉辦。來自環(huán)保部、發(fā)改委和證監(jiān)會的有關領導出席了啟動儀式。中國環(huán)境新聞工作者協會秘書長劉國正，介紹了“2014年中國上市公司環(huán)境社會責任調查活動”的目的意義和主要內容。

劉國正說：我國的環(huán)境形勢依然十分嚴峻，粗放的生產、生活方式，使我國的經濟社會發(fā)展面臨能源、資源緊缺和污染加劇的雙重約束，生態(tài)文明建設面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

黨中央、國務院高度重視生態(tài)文明建設和環(huán)境保護。黨的十八大以來，習近平總書記對生態(tài)文明建設和環(huán)境保護提出了一系列新思想、新論斷、新要求，為進一步加強環(huán)境保護，建設美麗中國，走向生態(tài)文明新時代，指明了前進方向。黨的十八屆三中全會通過的《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》，要求緊緊圍繞建設美麗中國，深化生態(tài)文明體制改革，加快建立生態(tài)文明制度，健全國土空間開發(fā)、資源節(jié)約利用、生態(tài)環(huán)境保護的體制機制，推動形成人與自然和諧發(fā)展現代化建設新格局。今年以來，習近平總書記多次治理霧霾、保護生態(tài)環(huán)境、節(jié)水治水等作出指示；李克強總理在今年的《政府工作報告》中強調，要堅決向污染宣戰(zhàn)。這些，都表明了黨中央、國務院防治污染的堅強決心。

建設生態(tài)文明，保護環(huán)境，僅僅依靠黨和政府的重視是不夠的，還需要企業(yè)在生產過程中大力防治污染，還需要加強公眾參與的力度，加強公眾對企業(yè)環(huán)境行為的監(jiān)督。公眾參與環(huán)境保護的一個重要前提，就是環(huán)境信息的公開。中國上市公司是國內眾多企業(yè)中的佼佼者，有責任帶頭履行環(huán)境社會責任。

中國環(huán)境新聞工作者協會2014年繼續(xù)開展“中國上市公司環(huán)境社會責任調查活動”，一是為了深入了解中國上市公司履行環(huán)境社會責任的狀況；二是為了督促上市公司將環(huán)境意識融入企業(yè)文化，切實履行環(huán)境責任；三是為了督促上市公司建立環(huán)境責任報告制度，定期向社會披露企業(yè)環(huán)境信息，并逐步提高披露質量，便于各級監(jiān)管部門和其他利益相關者及公眾充分了解企業(yè)相關信息；四是為了帶動其他企業(yè)共同履行環(huán)境責任，并自覺發(fā)布環(huán)境信息。

2013年11月，中國環(huán)境新聞工作者協會向社會發(fā)布了《首屆（2012年）中國上市公司環(huán)境責任信息披露評價報告》，引起強烈的社會反響。2014年的調查活動，將繼續(xù)委托北京化工大學低碳研究中心撰寫《2013年中國上市公司環(huán)境責任信息披露評價報告》。同時，在總結上屆活動的基礎上，將增加赴上市公司實地調研的內容，旨在通過調研活動發(fā)現和總結上市公司履行環(huán)境責任的先進典型，督促存在差距的上市公司接受社會公眾監(jiān)督，完善履行環(huán)境責任的內部機制，采取積極措施保護環(huán)境。調查活動辦公室還將設立活動官網，收集和發(fā)布來自媒體和環(huán)保部門的有關上市公司環(huán)境行為的信息，發(fā)布歷屆上市公司環(huán)境責任信息披露報告，逐步為每個上市企業(yè)建立環(huán)保信息檔案。下半年，中國環(huán)境新聞工作者協會還將適時向社會發(fā)布《2013年中國上市公司環(huán)境責任信息披露評價報告》。

Study on the 3D atomization display technology of the air quality forecast data

Fu Hongbin Zhang Zhimin
（Guangdong Environmental Information Center，Guangzhou 510308）

In the research of“863”project“Synthesized Prevention Techniques for Air Pollution Complex and Integrated Demonstration in Key City-Cluster Region”, by using DirectX3D programming to creatively combine the Volumetric Fog and Volumetric Texture technology, the three-dimensional atomization data display of air quality forecast was achieved. This article mainly expounded the background, process, key technologies and achievements of the research.

NetCDF；DirectX3D；visualization；volume rendering；air quality forecast

X51

A

1674-6252（2014）02-0054-04

付紅彬（1973—），男，河南人，高級工程師，從事環(huán)境信息研究及應用工作.