王 軍，李邵喜

(1.黑龍江省航道局;2.大連海事大學(xué)航海學(xué)院)

航海氣象信息圖形可視化研究

王 軍1，李邵喜2

(1.黑龍江省航道局;2.大連海事大學(xué)航海學(xué)院)

氣象圖形顯示是一種現(xiàn)代化的天氣預(yù)報手段，為了提高航海氣象信息在海上安全與環(huán)境保護(hù)方面的指導(dǎo)作用，在分析氣象圖形投影與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，提出氣象圖形與電子海圖圖形可視化疊加方法，研究氣象信息圖形可視化算法，研究表明該處理方法能有效提高航海氣象信息的分析和決策能力，具有一定的參考價值。

航海氣象;電子海圖;地圖投影;坐標(biāo)變換;氣象圖形顯示

氣象圖形是天氣分析的重要工具之一，氣象圖形可視化是一種現(xiàn)代化的天氣預(yù)報手段。在航海氣象業(yè)務(wù)中，常常需要將氣象數(shù)據(jù)生成氣象圖形并疊加在電子海圖平臺上進(jìn)行信息處理。氣象圖形經(jīng)過不同的處理后，在計算機(jī)上進(jìn)行可視化表達(dá)是有差異的，這與所選擇的投影方式和坐標(biāo)變換有本質(zhì)的聯(lián)系，選擇最優(yōu)的地圖投影方法與進(jìn)行準(zhǔn)確的坐標(biāo)變換是氣象圖形正確顯示的關(guān)鍵。隨著計算機(jī)圖形處理技術(shù)在氣象領(lǐng)域的廣泛使用，傳統(tǒng)的二維靜態(tài)氣象圖形已發(fā)展為三維動態(tài)圖形，為此，大量的氣象數(shù)據(jù)資料都需要進(jìn)行圖形顯示，而復(fù)雜的氣象圖形顯示可以通過可視化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

1 航海氣象信息圖形投影與坐標(biāo)變換

在氣象圖形繪制中，是將物體空間的直角坐標(biāo)系變換到圖形空間的直角坐標(biāo)系。因此，要在屏幕上繪制出以球坐標(biāo)系表示的圖形，先要通過地圖投影的方法把球面數(shù)據(jù)變換到平面直角坐標(biāo)系中，再進(jìn)行相應(yīng)的變換，建立球面上的點(diǎn)和屏幕坐標(biāo)之間相對應(yīng)的關(guān)系。

1.1 氣象圖形的地圖投影法

不同的投影方式具有各不相同的變形特征。天氣圖的投影要求，首先要保證形狀和方向正確，其次是保證面積正確。常用天氣圖底圖有:南北半球天氣圖、中緯度區(qū)域天氣圖和熱帶低緯度天氣圖。天氣圖底圖的投影方式主要有以下幾種。

(1)墨卡托柱面投影

墨卡托柱面投影的氣象圖形主要應(yīng)用于低緯度地區(qū)的熱帶天氣分析。直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)取在 (，0)處，90°E 為y軸(從低緯指向高緯)，赤道為x軸(從西指向東)，d為格點(diǎn)距，則經(jīng)、緯度坐標(biāo)(λ，φ)與直角坐標(biāo)(x，y)轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

(2)蘭勃特正形圓錐投影

蘭勃特正形圓錐投影的氣象圖形主要應(yīng)用于中緯度地區(qū)的天氣系統(tǒng)分析。取球面上一點(diǎn)為P(λ，φ0)原點(diǎn)，90°E為y軸(從低緯指向高緯)，與φ0緯線相切的直線為x軸，d為格點(diǎn)距，投影的標(biāo)準(zhǔn)緯度 φ1=30°N，φ2=60°N，則經(jīng)緯度坐標(biāo)(λ，φ)與直角坐標(biāo)(x，y)轉(zhuǎn)換關(guān)系式為其中

(3)極射赤面投影

極射赤面投影的氣象圖形主要應(yīng)用于高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流分析。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)緯度為φ'，地球半徑為R，d為格點(diǎn)距，其經(jīng)緯度坐標(biāo)(λ，φ)與直角坐標(biāo)(x，y)轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

1.2 氣象圖形顯示的坐標(biāo)變換方法

地圖投影是將地球球面上的點(diǎn)和屏幕坐標(biāo)建立相對應(yīng)的關(guān)系，但計算機(jī)屏幕坐標(biāo)和氣象圖形網(wǎng)格坐標(biāo)是有差異的，需要對所顯示的氣象圖形作進(jìn)一步變換。坐標(biāo)平移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)縮放是氣象圖形顯示的基本變換方法，借助于這三種變換方法可以將氣象圖形上的任一基本圖形元素轉(zhuǎn)換并顯示到計算機(jī)屏幕上。

氣象圖形中是矢量場、環(huán)流和各種物理量向量的分布，都可以通過這三種坐標(biāo)變換在計算機(jī)屏幕上顯示出來。任何一個氣象圖形都是由若干特征點(diǎn)連接而成，如風(fēng)羽的畫法、規(guī)則曲線(圓、橢圓等)和不規(guī)則曲線(氣象等值線等)的繪制都是由若干點(diǎn)與線連接所組成。通過坐標(biāo)變換可以將任何一種氣象圖形在空間中任意平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成代表多種氣象意義的圖形組合。

2 航海氣象信息圖形的可視化表達(dá)

氣象信息圖形表達(dá)是利用計算機(jī)對氣象數(shù)據(jù)的可視化表現(xiàn)來增強(qiáng)人們對這一抽象信息的認(rèn)知。可視化技術(shù)簡化了人們對復(fù)雜實(shí)體和對象的認(rèn)知過程，但對特定的海洋地理空間或與之相關(guān)的特征和現(xiàn)象，其本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)揭示必須借助于海洋地理特征的表達(dá)。依據(jù)海洋環(huán)境特征的描述方式，氣象信息圖形的可視化可分為靜態(tài)圖和趨勢動態(tài)圖兩種表達(dá)方式。

借助于色彩與符號的變化，或依時間序列有序地展示，可以真實(shí)再現(xiàn)海洋氣象特征隨時間的變化趨勢或演變過程。在復(fù)雜的海洋氣象環(huán)境中，圖形的可視化表達(dá)是通過點(diǎn)要素、線要素和面要素等組合完成的。

(1)點(diǎn)要素

點(diǎn)要素是一種最簡單的信息數(shù)據(jù)，由空間坐標(biāo)和若干地理屬性特征組成。它的變化是指空間與屬性信息的變化，一般用運(yùn)動線法表示，也可采用不同顏色或不同形狀的符號來表示同一點(diǎn)要素在不同時刻的空間位置。

(2)線要素

線要素變化一般用不同線型表示，線的結(jié)構(gòu)確定不同的線狀，線的形狀確定構(gòu)成符號的線型。根據(jù)視覺變量理論，線狀信息表達(dá)={坐標(biāo)，線型，線寬，顏色}，其中坐標(biāo)是確定圖案在符號坐標(biāo)系里的位置;線型是基本線型圖案的樣式，如直線、圓、曲線等;線寬是信息可視化表達(dá)符號的寬度;顏色為RGB(紅、綠、藍(lán))的顏色。

3 航海氣象信息圖形顯示的計算機(jī)實(shí)現(xiàn)

氣象圖形顯示是利用氣象數(shù)據(jù)模型抽象來的信息在氣象信息表達(dá)模型的支撐作用下，利用計算機(jī)程序語言將氣象動態(tài)信息以圖形形式顯示來進(jìn)行天氣狀態(tài)分析和趨勢判斷。實(shí)現(xiàn)計算機(jī)氣象圖形屏幕顯示的主要過程有以下幾步。

(1)設(shè)想預(yù)期達(dá)到的顯示效果

首先需要明確所要顯示氣象圖形的特征、物理意義及精確度要求等，然后決定采用何種方法實(shí)現(xiàn)這一過程。以制作熱帶氣旋路徑及統(tǒng)計路徑出現(xiàn)概率為例，該圖形具有明確的天氣意義，熱帶氣旋中心的確定，如給出當(dāng)前實(shí)況的位置或預(yù)報未來24 h和48 h的可能位置，都是以經(jīng)緯度來表示的，因此對熱帶氣旋定位的精確度要求很高，運(yùn)用科學(xué)運(yùn)算方法和可視化技術(shù)很容易達(dá)到目的。

(2)構(gòu)建數(shù)據(jù)與屬性模型

(3)編寫程序及調(diào)試運(yùn)行

氣象信息圖形需要利用計算機(jī)程序語言來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型，將抽象出來的氣象信息變成計算機(jī)識別的信息，利用氣象信息的表達(dá)模型在計算機(jī)程序語言支持下形成圖形并進(jìn)行可視化顯示。如繪制臺風(fēng)預(yù)報圖的程序有4個步驟，即設(shè)計主程序、編寫程序、檢查與修改圖形、調(diào)試及顯示圖形。

下圖展現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)與電子海圖數(shù)據(jù)的有效疊加效果圖。用點(diǎn)要素來描述臺風(fēng)移動路徑。

4 結(jié)束語

航海氣象信息圖形顯示是一個復(fù)雜的圖形應(yīng)用處理過程，雖然目前有很多氣象圖形處理軟件(如GrADS、NCAR、Surfer等)可以完成復(fù)雜的氣象圖形轉(zhuǎn)換，但其轉(zhuǎn)換原理和方法是不公開的，故對于應(yīng)用系統(tǒng)功能的內(nèi)嵌是無法實(shí)現(xiàn)的。隨著各種智能化預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)以及遙感衛(wèi)星、天氣雷達(dá)等大量的圖形數(shù)據(jù)資料在氣象業(yè)務(wù)和科研工作中的廣泛應(yīng)用，氣象圖形可視化技術(shù)的應(yīng)用前景將會越來越廣闊。

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