杜景林，朱興宇

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

關(guān)于WRF模式［1］計(jì)算出來的NetCDF數(shù)據(jù)［2］分析處理技術(shù)，目前已經(jīng)有NCAR Graphic［3］、Vis5D［4］和GRADS［5］等軟件，但是這些分析處理軟件主要用于科學(xué)研究，甚至需要用戶自行編寫代碼，同時(shí)這些軟件與用戶的交互不友好，且無法記錄用戶操作數(shù)據(jù)記錄。另外有一些軟件系統(tǒng)可以讀取WRF模式數(shù)據(jù)，例如NETCDF.xlsm［6］可以讀取NetCDF數(shù)據(jù)文件，但主要是以表格形式呈現(xiàn)，不利于呈現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，用戶無法獲取對(duì)數(shù)據(jù)的直觀認(rèn)識(shí)。為了提高用戶和平臺(tái)的交互性，方便用戶查詢數(shù)據(jù)以及對(duì)可視化結(jié)果進(jìn)行控制，本文著重分析NetCDF數(shù)據(jù)格式以及NetCDF數(shù)據(jù)文件讀取方法，分析OpenGL［7］等繪圖方法的具體應(yīng)用，分別對(duì)平臺(tái)功能、平臺(tái)流程以及平臺(tái)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后用C＋＋語言進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體功能，并在Windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行平臺(tái)運(yùn)行與測(cè)試。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 OpenGL繪圖

OpenGL （graphics library）圖形系統(tǒng)是圖形硬件的一種軟件接口，主要用于科學(xué)數(shù)據(jù)可視化，實(shí)體仿真，三維動(dòng)畫以及虛擬現(xiàn)實(shí)等方面［8］，OpenGL 旨在獨(dú)立于操作系統(tǒng)和硬件環(huán)境，因此OpenGL 不包含用于執(zhí)行窗口任務(wù)和與用戶交互等函數(shù)，只包含對(duì)應(yīng)的三維圖形繪制函數(shù)，必須通過具體的窗口系統(tǒng)集成OpenGL函數(shù)才可以使用OpenGL繪圖功能。OpenGL 是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，可以設(shè)置各種狀態(tài)，然后讓這些狀態(tài)一直生效，直到再次修改它們［9］。OpenGL工作流程如圖1所示［9］。

圖1 OpenGL工作流程

1.2 Qt框架

Qt是一個(gè)多平臺(tái)的C＋＋圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，為不同平臺(tái)下的圖形界面編程提供統(tǒng)一接口，具有一次編寫，隨處編譯的特點(diǎn)。一次開發(fā)的Qt應(yīng)用程序可以移植到不同的平臺(tái)上，只需重新編譯即可運(yùn)行［10］。Qt提供了OpenGL模塊，方便OpenGL 在多個(gè)操作系統(tǒng)中的應(yīng)用。其中OpenGL模塊定義了OpenGL 函數(shù)在Qt中的接口規(guī)范，用戶可以直接調(diào)用該模塊而不需要直接調(diào)用本地API進(jìn)行三維繪圖。QGLWidget［11］類是用來渲染OpenGL 三維場(chǎng)景的窗口空間，其提供了3 個(gè)函數(shù)用于開發(fā)，分別是paintGL，resizeGL 和initializeGL 函數(shù)，分別用于渲染場(chǎng)景，改變窗口大小以及初始化OpenGL環(huán)境［7］。

1.3 NetCDF文件

NetCDF （network common data format）網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式最早是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)資助的計(jì)劃Unidata所發(fā)展而來，旨在提供一種可以通用的數(shù)據(jù)存取方式［12］，一種面向數(shù)組型數(shù)據(jù)、適于網(wǎng)絡(luò)共享且跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)［13］。NetCDF 文件結(jié)構(gòu)包括文件頭說明信息和數(shù)據(jù)塊區(qū)域，文件頭信息包括整個(gè)文件屬性和單個(gè)變量屬性等，數(shù)據(jù)塊區(qū)域按照變量進(jìn)行存儲(chǔ)，一般用于存儲(chǔ)多維數(shù)據(jù)，支持與機(jī)器無關(guān)的科學(xué)數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)共享，每一個(gè)NetCDF文件包括單點(diǎn)的觀測(cè)值，時(shí)間序列，規(guī)則排列的網(wǎng)格，以及其它文件等。NetCDF文件適合存儲(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，提供了C，F(xiàn)ortran和Java［14］等數(shù)據(jù)存取接口。NetCDF文件具有說明文檔，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確讀取，存取方式為直接存取所需數(shù)據(jù)，極大減少不必要的讀取時(shí)間，同時(shí)支持跨平臺(tái)操作，這樣便于軟件系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)功能

該平臺(tái)將WRF模式數(shù)據(jù)首次可視化結(jié)果呈現(xiàn)在地球模型上，則需要建立一個(gè)3D 地球模型以及顯示地球經(jīng)緯度和相關(guān)的地理高程信息。用戶能夠自主選擇讀取數(shù)據(jù)文件，選擇物理變量以及查詢數(shù)據(jù)等。物理量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行可視化展示，由于數(shù)據(jù)的屬性不同，故需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)與可視要素之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)用戶可以控制數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，首次可視化結(jié)果類似于熱度圖形式。用戶能夠與原始數(shù)據(jù)交互，平臺(tái)能夠提供用戶鼠標(biāo)和鍵盤與數(shù)據(jù)交互的可視化結(jié)果，二次可視化結(jié)果需要以多種形式展示。平臺(tái)能夠展示數(shù)據(jù)隨時(shí)間和高度變化而變化的效果，也即時(shí)間動(dòng)畫和高度動(dòng)畫。平臺(tái)需要具有很好的移植性和可擴(kuò)展性，平臺(tái)可以運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上。

整體功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)流程

數(shù)據(jù)流程主要介紹文件中數(shù)據(jù)，內(nèi)存中數(shù)據(jù)，緩存區(qū)中數(shù)據(jù)以及顯存中數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。以下分別介紹各個(gè)流程模塊：

（1）NetCDF數(shù)據(jù)文件到內(nèi)存：由于NetCDF數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)不可能直接進(jìn)行可視化，因此需要先讀取到內(nèi)存中，然后程序調(diào)用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行可視化。

（2）內(nèi)存到緩存：內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不可以直接進(jìn)行繪制，需要發(fā)送到幀緩沖區(qū)中。利用OpenGL 的雙緩沖、頂點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及顏色緩沖區(qū)、顯示列表等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和操作，以便于數(shù)據(jù)的重復(fù)顯示和快速顯示。

（3）緩存到顯存：由于顯卡的計(jì)算速度遠(yuǎn)大于CPU 以及OpenGL使用客戶端到服務(wù)器機(jī)制，將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯存中可大大加速屏幕的顯示速度以及減少屏幕刷新的延遲時(shí)間。

（4）緩存到內(nèi)存：從可視化結(jié)果中獲取的數(shù)據(jù)包括點(diǎn)數(shù)據(jù)和區(qū)域數(shù)據(jù)，從緩存中獲取坐標(biāo)信息，然后根據(jù)坐標(biāo)信息從內(nèi)存中查找數(shù)據(jù)。

（5）內(nèi)存到數(shù)據(jù)庫(kù)：平臺(tái)使用Oracle［15］數(shù)據(jù)庫(kù)記錄用戶的操作指令和用戶與數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)值，一般記錄少量數(shù)據(jù)點(diǎn)即可，根據(jù)少量數(shù)據(jù)點(diǎn)便可以從NetCDF 數(shù)據(jù)文件讀取所有的數(shù)據(jù)。

平臺(tái)整體流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

2.3 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)采用經(jīng)典的三層架構(gòu)構(gòu)建整個(gè)軟件平臺(tái)，分別是數(shù)據(jù)層，業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層。采用三層架構(gòu)可以將數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化3個(gè)功能模塊分離，使程序模塊清晰，有利于組織平臺(tái)結(jié)構(gòu)，同時(shí)有助于平臺(tái)的功能擴(kuò)展和提高代碼的可讀性和理解性。三層架構(gòu)介紹如下：

（1）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要處理數(shù)據(jù)文件和物理變量的讀取以及記錄用戶操作記錄和用戶交互數(shù)據(jù)，主要利用NetCDF的C 語言接口，但是該接口主要是面向過程的，因此使用面向?qū)ο蟮乃枷敕庋b這些接口函數(shù)，寫符合要求的讀取數(shù)據(jù)類。同時(shí)，需要利用數(shù)據(jù)庫(kù)接口函數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，包括讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層主要響應(yīng)用戶的動(dòng)作和行為，也即處理用戶的操作指令，起到數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層之間的溝通橋梁作用。數(shù)據(jù)層將數(shù)據(jù)讀取完，業(yè)務(wù)層處理這些數(shù)據(jù)，處理完之后發(fā)送到表現(xiàn)層，表現(xiàn)層將這些數(shù)據(jù)可視化。另用戶根據(jù)表現(xiàn)層可視化結(jié)果，與其進(jìn)行交互，業(yè)務(wù)層處理用戶行為后，數(shù)據(jù)層按照業(yè)務(wù)層的要求讀取數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)傳遞到業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層通知表現(xiàn)層進(jìn)行可視化結(jié)果繪制。該層主要是模塊化操作，用戶選擇不同的物理量，不同的物理量具有不同的數(shù)據(jù)信息，需要根據(jù)不同的物理量設(shè)置不同的數(shù)據(jù)模板和配置模板，每次處理數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的物理量不同，選擇不同的數(shù)據(jù)模板和配置模板。同時(shí)，用戶的繪圖指令不同，因此該層需要解析用戶操作行為。

（3）表現(xiàn)層：表現(xiàn)層主要負(fù)責(zé)將業(yè)務(wù)層傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，根據(jù)用戶的可視化需求選擇不同的可視化方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，將可視化結(jié)果直觀地呈現(xiàn)在屏幕中。

圖4為平臺(tái)架構(gòu)，圖中標(biāo)示了各個(gè)層需要實(shí)現(xiàn)的功能。

圖4 三層架構(gòu)

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 Qt與OpenGL混合編程

Qt中已經(jīng)包含OpenGL模塊，方便在多個(gè)操作系統(tǒng)中進(jìn)行OpenGL 程序開發(fā)。QGLWidget與OpenGL 混合編程，有效降低了在Qt中進(jìn)行OpenGL開發(fā)的難度。在絕大多數(shù)情況下，QGLWidget可以像QWidget一樣使用，只是使用OpenGL的函數(shù)替代Qpainter進(jìn)行繪制。QGLWidget提供了3個(gè)虛函數(shù)用以重載實(shí)現(xiàn)OpenGL 的繪制，使得程序源代碼簡(jiǎn)潔且易讀。圖5 給出了QT 程序調(diào)用OpenGL函數(shù)繪圖機(jī)制。

圖5 Qt程序調(diào)用OpenGL函數(shù)繪圖機(jī)制

3.2 數(shù)據(jù)讀取

數(shù)據(jù)層處理的數(shù)據(jù)主要是存取NetCDF 數(shù)據(jù)文件和存取Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。其中NetCDF 數(shù)據(jù)文件為平臺(tái)主要處理的數(shù)據(jù)對(duì)象，而Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)主要記錄用戶的行為操作和交互數(shù)據(jù)。處理NetCDF 數(shù)據(jù)主要利用NetCDF提供的C 語言接口，將這些接口函數(shù)封裝成自定義的讀取數(shù)據(jù)的類，方便平臺(tái)開發(fā)和擴(kuò)展。存儲(chǔ)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)主要是編譯Oracle提供的OCI接口，然后程序利用OCI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的存取。

封裝讀取NetCDF 數(shù)據(jù)文件的C 語言接口的類主要有NcFile類，NcDim 類，NcVar類和NcAtt類。NcFile類用于讀取NetCDF文件，其中包括維度信息，變量信息以及文件屬性信息等，NcDim 類用于讀取獲取維度名稱，大小以及判斷是否是無限維等，NcVar類可以返回變量名稱，變量類型，變量對(duì)應(yīng)的維度，變量屬性以及如何定點(diǎn)定區(qū)域讀取變量數(shù)據(jù)，NcAtt主要用于讀取屬性信息，返回屬性名稱，屬性類型以及屬性值個(gè)數(shù)等。

OCI驅(qū)動(dòng)集成一組應(yīng)用程序開發(fā)接口，在Oracle中提供了一組庫(kù)函數(shù)，可以使用庫(kù)函數(shù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用SQL和事務(wù)控制等。由于Qt自帶Sqlite和ODBC 驅(qū)動(dòng)，但是沒有Oracle OCI驅(qū)動(dòng)，則需要預(yù)先自行編譯OCI驅(qū)動(dòng)。

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要用于處理數(shù)據(jù)層傳遞過來的數(shù)據(jù)和響應(yīng)用戶的操作行為。

不同的物理量有不同的數(shù)據(jù)信息，首先對(duì)傳遞過來的物理量進(jìn)行識(shí)別，然后按照對(duì)應(yīng)的物理量配置方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，然后將數(shù)據(jù)傳遞給傳輸函數(shù)，傳輸函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)值對(duì)應(yīng)的顏色值信息，主要通過類Var－Setter實(shí)現(xiàn)，類中包括識(shí)別物理量函數(shù)，物理量參數(shù)配置以及傳輸函數(shù)等。圖6為主要實(shí)現(xiàn)過程。

圖6 數(shù)據(jù)到顏色映射轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

用戶在與可視化結(jié)果進(jìn)行交互的過程中，有鼠標(biāo)和鍵盤等事件，數(shù)據(jù)處理對(duì)不同的用戶行為進(jìn)行不同的解析，將解析后的不同操作通知表現(xiàn)層，表現(xiàn)層根據(jù)相應(yīng)的繪圖函數(shù)，繪制出不同的折線圖以及等值線圖等。

用戶鼠標(biāo)交互時(shí)，主要圍繞鼠標(biāo)相對(duì)于窗口的位置坐標(biāo)展開。由于數(shù)據(jù)存取是按照地球經(jīng)緯度信息以及高度和時(shí)間進(jìn)行存取，而鼠標(biāo)窗口位置坐標(biāo)和地球經(jīng)緯度坐標(biāo)不是同一個(gè)坐標(biāo)系，則需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。首先，程序獲取到鼠標(biāo)窗口坐標(biāo)，然后鼠標(biāo)窗口坐標(biāo)經(jīng)過一次逆轉(zhuǎn)換，得到該點(diǎn)在三維空間中的位置坐標(biāo)，進(jìn)而根據(jù)得到的三維空間中的位置坐標(biāo)，再進(jìn)行一次逆轉(zhuǎn)換，便可獲得該點(diǎn)相對(duì)于地球模型的經(jīng)緯度位置坐標(biāo)，數(shù)據(jù)層便可根據(jù)經(jīng)緯度位置信息和用戶設(shè)置的時(shí)間高度信息在數(shù)據(jù)文件中或者內(nèi)存中查詢，就可以得到需要的原始數(shù)據(jù)。

OpenGL處理的數(shù)據(jù)的坐標(biāo)信息都是三維空間中的三維坐標(biāo)，因此在將數(shù)據(jù)傳遞到OpenGL 繪圖函數(shù)類之前的第一步就是將數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換成三維坐標(biāo)。式 （1）給出經(jīng)緯度和三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，圖7給出了經(jīng)緯度到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，圖中三維坐標(biāo)系為OpenGL 中采用的三維坐標(biāo)系，向上為Y 軸正方向，向右為X 軸正方向，屏幕向外為Z軸正方向，a為經(jīng)度偏移

圖7 經(jīng)緯度到三維坐標(biāo)

用戶交互過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)操作記錄和操作的數(shù)據(jù)會(huì)被記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，由于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)一般為關(guān)系型數(shù)據(jù)，因此多維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)之前需要經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)換。將多維數(shù)據(jù)按照時(shí)間高度經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為一個(gè)唯一的ID 值，見式 （2），按照此ID 值將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，依然需要按照式（2）進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換得到時(shí)間高度和經(jīng)緯度信息

3.4 多組件融合的交互式可視化圖形庫(kù)

基于Qt和OpenGL技術(shù)的融合，極大地方便三維可視化的實(shí)現(xiàn)，但是Qt中提供的OpenGL繪圖功能有限，僅僅用于普通3D 圖形繪制，平臺(tái)中使用OpenGL 的顯示列表，幀緩沖區(qū)等技術(shù)，因此需要使用OpenGL 自身的庫(kù)函數(shù)，程序中自定義類用于封裝OpenGL 本地函數(shù)庫(kù)，方便程序開發(fā)和功能拓展。程序?qū)⒂糜谌S圖形繪圖和二維圖形繪圖的功能函數(shù)類進(jìn)行封裝，形成一個(gè)多組件融合的交互式可視化圖形庫(kù)。在需要繪制可視化圖形時(shí)，直接響應(yīng)用戶指令，程序調(diào)用圖形庫(kù)的類函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)圖形繪制。

數(shù)據(jù)可視化主要實(shí)現(xiàn)OpenGL 繪制圖形函數(shù)和QCustomPlot［16］繪制折線圖直方圖等以及調(diào)用NCL 腳本語言［17］進(jìn)行等值線等繪圖操作。分別有初始化場(chǎng)景類，可視化類和用戶交互類。初始化場(chǎng)景類主要包括OpenGL 的初始化環(huán)境配置類?？梢暬惏@示時(shí)間類，地球模型類EarthModel，數(shù)據(jù)貼圖類DataTex，圖表繪制類QCustom－Plot以及等值線圖類VarNCL 和圖片保存類。用戶交互類分別有場(chǎng)景旋轉(zhuǎn)類MoRotate，縮小和放大類MoResize，以及鼠標(biāo)拾取類MoMouse。以下將主要的類進(jìn)行介紹：

圖8 轉(zhuǎn)換投影算法

OpenGL的初始化環(huán)境配置類中封裝清除緩沖區(qū)函數(shù)，設(shè)置投影模式函數(shù)，計(jì)算模型視圖矩陣 （modeMatrix）、投影矩陣 （projMatrix）和視點(diǎn) （viewprot）矩陣函數(shù)，矩陣和矢量運(yùn)算和平面法向量計(jì)算函數(shù)等。

地球模型類EarthModel中實(shí)現(xiàn)地球模型繪制，以及地球紋理貼圖和地理高程信息顯示等功能。

數(shù)據(jù)貼圖類DataTex實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度準(zhǔn)確定位，數(shù)據(jù)顏色值繪制等功能。

QCustomPlot類為用于繪圖的Qt C＋＋部件，獨(dú)立的類庫(kù)，用于繪制曲線和圖表等，同時(shí)QCustomPlot類提供圖片保存函數(shù)，程序中的圖片保存類需封裝QCustomPlot提供的圖片保存函數(shù)以及保存OpenGL繪制結(jié)果函數(shù)類。

等值線圖類VarNCL主要封裝NCL腳本語言函數(shù)和獲取參數(shù)函數(shù)和調(diào)用NCL工作平臺(tái)函數(shù)。NCL 主要在Linux操作系統(tǒng)環(huán)境中采用工作站方式工作，因此在Windows中需要模擬Linux環(huán)境。同時(shí)NCL的工作環(huán)境與程序開發(fā)環(huán)境獨(dú)立，因此在程序和NCL工作環(huán)境之間需要連接，以便于在程序中啟動(dòng)NCL運(yùn)行環(huán)境以及調(diào)用NCL繪圖函數(shù)。

用戶交互類中主要包括用戶鼠標(biāo)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)景和縮小放大可視化結(jié)果類，鼠標(biāo)獲取區(qū)域或單點(diǎn)屏幕坐標(biāo)類，所有數(shù)據(jù)二次可視化都依靠鼠標(biāo)拾取來實(shí)現(xiàn)。其中鼠標(biāo)拖動(dòng)較難實(shí)現(xiàn)，鼠標(biāo)直接操作二維界面，而場(chǎng)景是三維圖形，因此本文采用以下轉(zhuǎn)換投影算法，具體過程如圖8所示。

屏幕中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)都是二維的，然而OpenGL處理的數(shù)據(jù)是三維坐標(biāo)，因此在數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到屏幕的可視化結(jié)果過程中需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。OpenGL 物體三維坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程如圖9所示。

4 平臺(tái)運(yùn)行

本平臺(tái)采用Visual Studio 2010集成開發(fā)軟件，同時(shí)采用Qt 4.8，結(jié)合Oracle 10g數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，NetCDF文件讀取技術(shù)，NCL腳本語言和QCustomPlot以及OpenGL 三維圖技術(shù)等。系統(tǒng)的測(cè)試運(yùn)行環(huán)境為Windows 7 操作系統(tǒng)，圖10和圖11是該系統(tǒng)運(yùn)行的部分效果圖，從總體測(cè)試效果看，平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定良好。

圖9 OpenGL物體坐標(biāo)到屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程

圖10 鼠標(biāo)交互某一時(shí)間和高度層的經(jīng)緯度區(qū)域數(shù)據(jù)顯示

圖11 某點(diǎn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)交互顯示

用戶選擇經(jīng)緯度范圍內(nèi)的區(qū)域信息可視化結(jié)果：用戶點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵保持不放，拖動(dòng)鼠標(biāo)移動(dòng)，移動(dòng)至某位置，鼠標(biāo)右鍵放開，得到起始和結(jié)束鼠標(biāo)窗口位置坐標(biāo)，通過兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系函數(shù)，得到經(jīng)緯度信息，根據(jù)得到的經(jīng)緯信息和用戶選擇的高度和時(shí)間信息，將指令發(fā)送到數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層直接按照經(jīng)緯度和高度時(shí)間信息讀取數(shù)據(jù)，將讀取出來的數(shù)據(jù)傳遞到業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層按照用戶的需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪和插值操作等，將經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)傳遞到表現(xiàn)層，表現(xiàn)層中NCL工作站將繪制業(yè)務(wù)層傳遞過來的數(shù)據(jù)。

用戶與第一次可視化結(jié)果，也即地球模型中顯示出來的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，用戶可以選擇同一時(shí)間、同一高度和不同經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)，同一時(shí)間、同一經(jīng)緯度和不同高度數(shù)據(jù)，同一高度、同一經(jīng)緯度和不同時(shí)間的數(shù)據(jù)，選擇某一操作后，業(yè)務(wù)層按照要求在內(nèi)存中選擇數(shù)據(jù)傳遞給表現(xiàn)層，表現(xiàn)層調(diào)用QcustomPlot類中函數(shù)進(jìn)行折線圖的繪制。

5 結(jié)束語

圍繞WRF 模式運(yùn)行產(chǎn)生的中尺度氣象數(shù)據(jù)，利用OpenGL強(qiáng)大的3D 繪圖功能以及現(xiàn)有的多形式的第三方繪圖插件，將這些繪圖函數(shù)封裝成自定義的類，將Qt作為平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)框架，程序模塊化方便了平臺(tái)的擴(kuò)展。由于采用的現(xiàn)有技術(shù)都具有跨平臺(tái)的特性，因此整個(gè)平臺(tái)具有良好的移植性，可運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上，只需要重新編譯即可。本平臺(tái)方便氣象專業(yè)人士和研究人員對(duì)中尺度模式氣象數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化有直觀的把握，以便做出相應(yīng)決策。

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