地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化技術(shù)研究

劉崗+張軍+鄒小龍

摘要：氣象預(yù)報(bào)對(duì)于工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民的日常生活以及國(guó)家安全都有著直接的影響，準(zhǔn)確對(duì)災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)可以減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡情況，因而必須要重視氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取，提高數(shù)據(jù)的收集和分析處理的技術(shù)水平，以滿足人們生產(chǎn)生活不斷提高的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)更新速度的要求。針對(duì)于此本文就地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的三維可視化技術(shù)的相關(guān)問題進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：氣象觀測(cè)數(shù)據(jù) ；三維可視化技術(shù)； 地面觀測(cè)

氣象情況的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)對(duì)于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取具有較高的依賴性，而目前現(xiàn)行的很多氣象觀測(cè)平臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維可視化，無法適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展對(duì)于氣象觀測(cè)的要求。因而必須要開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)層可以疊加和可視化，操作簡(jiǎn)單可行，數(shù)據(jù)可視化處理效率高的專門針對(duì)地面自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)，這也是本文進(jìn)行研究的主要目標(biāo)。

一、可視化處理方案

1.1氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了實(shí)現(xiàn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的可視化，首先必須要對(duì)通用的文本格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以確保其可以順利轉(zhuǎn)化為圖形。在數(shù)據(jù)的預(yù)處理中需要將文本格式的點(diǎn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)映射為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)可以識(shí)別和處理的點(diǎn)、線、面等幾何要素和流向量、流線等屬性元素，從而使VTK可視化系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)的特征對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。預(yù)處理之后原本的的文本數(shù)據(jù)變成了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)形式。這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)顯示的數(shù)據(jù)具有不連續(xù)性、近似離散性和可量化的特征，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)在預(yù)處理中被分成了排列規(guī)則且相互鄰接的矩形方塊。網(wǎng)格組織結(jié)構(gòu)中地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)表示的是相應(yīng)地面現(xiàn)象和氣象的非幾何屬性特征。以四川省某時(shí)間段內(nèi)數(shù)個(gè)觀測(cè)站的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，包括風(fēng)向、空氣溫度、風(fēng)速、濕度、土壤溫度以及觀測(cè)站的經(jīng)緯度坐標(biāo)等12類的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化處理。其中數(shù)據(jù)插入和提取的方法是采用Shepard插值法，保存形式按照四川省地圖邊緣相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)度和緯度的劃分后采用網(wǎng)格化的形式，其中每個(gè)月天數(shù)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的空間緯度。數(shù)據(jù)預(yù)處理中將土壤溫度、空氣溫度、相對(duì)濕度以及降水量這些標(biāo)量數(shù)據(jù)和3-D風(fēng)向矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為了確保在VTK可視化后可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的提取還需要對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的名字進(jìn)行標(biāo)記。。預(yù)處理后數(shù)據(jù)保存形式為：標(biāo)量數(shù)據(jù)四個(gè)分別為降水量、空氣溫度、相對(duì)濕度和土壤溫度；兩個(gè)矢量數(shù)據(jù)為風(fēng)向矢量數(shù)據(jù)和網(wǎng)格拓?fù)鋽?shù)據(jù)；網(wǎng)格結(jié)構(gòu)按照緯度數(shù)*經(jīng)度數(shù)*每月天數(shù)的形式劃分。網(wǎng)格內(nèi)任意區(qū)域的數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行處理。

2.2分層數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)

本文研究的地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的可視化處理過程中數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu)包括風(fēng)向?qū)?、降水量層、溫度層、風(fēng)路徑圖層以及地圖層等等，以確保可以滿足不同的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析對(duì)于各類氣象要素單獨(dú)顯示或者是綜合顯示的要求，不同層次的數(shù)據(jù)都有其特定的讀取函數(shù)，用戶在使用時(shí)可以通過相應(yīng)函數(shù)的輸入對(duì)任意時(shí)間段的氣象數(shù)據(jù)要素進(jìn)行讀取，于此同時(shí)該系統(tǒng)還具有分層數(shù)據(jù)透明度調(diào)節(jié)的功能，滿足了用戶對(duì)于單獨(dú)的數(shù)據(jù)層或者幾種數(shù)據(jù)層組合讀取的需求。

地圖層數(shù)據(jù)采用*.jpg格式，位于可視化數(shù)據(jù)層的最底層，類似于采用文理映射原理的平面。地圖類型的選擇較為多樣，為了對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示，坐標(biāo)方式采用從左至右、從東到西、從緯度到經(jīng)度的方式。地圖曾網(wǎng)格輪廓的邊緣坐標(biāo)可以通過內(nèi)部插值進(jìn)行計(jì)算。在地圖層數(shù)據(jù)的顯示中預(yù)處理數(shù)據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)坐標(biāo)是否準(zhǔn)確會(huì)對(duì)可視化的實(shí)際效果產(chǎn)生深刻的影響。溫度層數(shù)據(jù)也是采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯示，平面區(qū)域呈現(xiàn)多邊性，數(shù)據(jù)層的顏色會(huì)根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的變化而發(fā)生變化，溫度由低至高顏色由紫變紅。為了提高其可視化效果用戶可以通過對(duì)溫度輪廓線的調(diào)節(jié)對(duì)該數(shù)據(jù)層的透明度和顏色進(jìn)行調(diào)整。降水量采用矩形桿的數(shù)據(jù)表示方式，相對(duì)濕度層則采用顏色編碼實(shí)現(xiàn)可視化。為了對(duì)不同地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)力強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的表示使用VTK中的VTKHedgeHog進(jìn)行三角錐矢量的生成。

二、氣象數(shù)據(jù)可視化效果分析

通過VS2008軟件和VTK可視化工具包的使用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性VTK_MFC地面自動(dòng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的可視化效果可以充分滿足認(rèn)為對(duì)于氣象觀測(cè)的要求，對(duì)傳統(tǒng)的文本格式的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，使其成為了直觀形象的可視化的三維數(shù)據(jù)，這與簡(jiǎn)單的二維數(shù)值顯示或者是色彩映射數(shù)據(jù)模式存在本質(zhì)的區(qū)別，此外該系統(tǒng)還具有操作簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)。

地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)主要包括可視化模塊和數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊兩大部分，其中大多數(shù)氣象數(shù)據(jù)可以在預(yù)處理模塊中進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而空氣、土壤溫度、降雨量以及濕度等氣象數(shù)據(jù)的顯示工作可以在可視化模塊完成，于此同時(shí)該系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的交互功能，根據(jù)用戶的不同需求可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的單獨(dú)或者是綜合顯示，此外還可以對(duì)相關(guān)頁面進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等處理。該系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)處理效率較高，四川省19個(gè)監(jiān)測(cè)站一個(gè)月的數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)間僅需要3s左右，數(shù)據(jù)的可視化渲染時(shí)間不超過4s，因而該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適用性和良好的應(yīng)用前景。

結(jié)束語：綜上所述，該地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前社會(huì)對(duì)于氣象數(shù)據(jù)處理的基本要求，系統(tǒng)交互性較強(qiáng)，且效果形象展示逼真，操作也較為方面。但是受到可視化氣象數(shù)據(jù)種類的限制，觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方面還存在一定的不足。在日后的應(yīng)用中可以通過三維地圖的采用、氣象數(shù)據(jù)種類的增多以及三維形式的空氣溫度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式，對(duì)地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的豐富性和可用性進(jìn)行增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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