氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)預(yù)研綜述

崔穎　楊?！≮w陽　張頌惟

摘 要：本文針對氣象部門培訓(xùn)體系的特點，以及氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)的需求。梳理并總結(jié)了可視化技術(shù)方面的相關(guān)知識，重點介紹了可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維可視化 氣象衛(wèi)星產(chǎn)品 氣象培訓(xùn) 遠程教育

在計算機學(xué)科的分類中，可視化是指利用人眼的感知能力對對數(shù)據(jù)進行交互的可視表達以增強認(rèn)知的技術(shù)。它將不可見或者難以直接顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可感知的圖形、符號、顏色、紋理等，增強數(shù)據(jù)識別效率，傳遞有效信息。[1]近年來，隨著計算機虛擬仿真、增強現(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展，可視化技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，可視化技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到教育培訓(xùn)領(lǐng)域。

一、氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)意義

針對氣象現(xiàn)代化發(fā)展迅速、基層臺站高度分散、工學(xué)矛盾突出的特點，遠程教育被大力推廣。為適應(yīng)衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)發(fā)展和技術(shù)進步需要，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的培訓(xùn)特點和需求，針對培訓(xùn)內(nèi)容的時效性和重要程度等要求，及時開展面向管理人員、業(yè)務(wù)人員的各類遠程培訓(xùn)，建設(shè)一種表現(xiàn)力強，信息表達明確的，高交互性、高體驗性的三維可視化和人機交互展示系統(tǒng)，對氣象衛(wèi)星產(chǎn)品中包含的數(shù)據(jù)進行時空維度可控的三維立體可視化表達，是一種行之有效的方法。通過該技術(shù)可以動態(tài)、直觀、多層次地掌握氣象數(shù)據(jù)信息，使得氣象信息的表達更加豐富，從而有效促進培訓(xùn)效益的大幅度提升。

通過氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)能夠全方位動態(tài)、直觀、多層次展示氣象衛(wèi)星產(chǎn)品等重要培訓(xùn)內(nèi)容。后續(xù)能夠依托專業(yè)3D數(shù)字顯示技術(shù)、高性能圖形計算技術(shù)和三維可視化技術(shù)，根據(jù)培訓(xùn)需求進一步加強氣象衛(wèi)星應(yīng)用相關(guān)的高集成度可視化培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)。為更好地開展項目建設(shè)，本文針對氣象部門培訓(xùn)體系的特點，對氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)開展預(yù)研。

二、可視化技術(shù)

可視化技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域分類，可視化技術(shù)的兩個分類也可以稱為科學(xué)模擬可視化和信息可視化。

科學(xué)可視化是可視化領(lǐng)域最早、最成熟的一個跨學(xué)科研究與應(yīng)用領(lǐng)域。面向的領(lǐng)域主要是自然科學(xué)，如物理、化學(xué)、氣象氣候、航空航天、醫(yī)學(xué)、生物等各個學(xué)科，這些學(xué)科通常需要對數(shù)據(jù)和模型進行解釋、操作與處理，旨在尋找其中的模式、特點和關(guān)系以及異常情況。[1]

信息可視化處理的對象是抽象的、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集合（如文本、圖表、層次結(jié)構(gòu)、地圖、軟件、復(fù)雜系統(tǒng)等）。傳統(tǒng)的信息可視化起源于統(tǒng)計圖形學(xué)，又與信息圖形、視覺設(shè)計等現(xiàn)代技術(shù)相關(guān)。 。[1]

三、可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域中的應(yīng)用

前文中提到科學(xué)可視化主要面向氣象氣候、航空航天、醫(yī)學(xué)、生物等自然科學(xué)。因此，在進行氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)研究時，主要對科學(xué)可視化技術(shù)進行梳理和總結(jié)。

可視化方法多種多樣，在氣象學(xué)中最常用的可視化方法是顏色映射、幾何形狀映射、流線、等值線、等值面以及體繪制方法。其中，數(shù)據(jù)可視化的時候，我們的視覺系統(tǒng)能感知到的最常見的兩種狀態(tài)一個是顏色一個是形狀，所以最常用的可視化方式就是顏色映射及幾何形狀映射。如圖1（a）所示，是氣象工作中經(jīng)常見到的一種圖，顯示了今年夏天全國降水量距平百分率的分布情況，根據(jù)顏色不同來表示降水量距平百分率，可以非常直觀看到今年全國的降水情況。

幾何形狀映射就是通過這種形狀來映射數(shù)據(jù)，圖1（b）繪制的是全球濕度的分布和隨時間變化的過程。用云這一形狀來表示濕度的分布，通過云的深淺表示濕度的大小，從而非常直觀地看到全球濕度的變化。

本文主要研究如何氣象衛(wèi)星產(chǎn)品進行三維可視化，三維可視化是一種利用計算機技術(shù)，再現(xiàn)三維世界中的物體，并能夠表示三維物體的復(fù)雜信息，使其具有實時交互的能力的一種可視化技術(shù)，其核心技術(shù)是體繪制方法。體繪制的優(yōu)點體現(xiàn)在可以把全局繪制出來，用戶可通過傳輸函數(shù)來調(diào)節(jié)感興趣的區(qū)域，根據(jù)密度值、溫度值去調(diào)節(jié)不同的密度點和溫度點的權(quán)重來控制觀察區(qū)域，這種可視化方法可顯示更多的信息。其缺點則是計算量大。

目前，相關(guān)三維可視化技術(shù)和理論體系比較完善，在生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)、大氣等領(lǐng)域已有很多成功的應(yīng)用。三維可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用前景，浙江大學(xué)CAD&CG國家重點實驗室與中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心合作，開發(fā)了一個新的全球尺度三維大氣數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，AVIS。該系統(tǒng)支持各種密度場、向量場、張量場和非空間數(shù)據(jù)的可視化，同時特別設(shè)計了適用于大氣數(shù)據(jù)的球面體繪制和混合繪制方法。[2]

結(jié)語

本文梳理并總結(jié)了可視化技術(shù)方面的相關(guān)知識，重點介紹了可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用，從而把握氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)的要求和方向，為今后氣象衛(wèi)星產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)工作的開展提供更扎實的理論基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]陳為，沈則潛，陶煜波.數(shù)據(jù)可視化[D].電子工業(yè)出版社，2013.

[2]梅鴻輝，陳海東，肇昕等.AVIS全球尺度三維大氣數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)[J].軟件學(xué)報，2016.