劉崗+張軍+鄒小龍

摘要：氣象預報對于工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民的日常生活以及國家安全都有著直接的影響，準確對災害性天氣進行預報可以減少社會經(jīng)濟損失以及人員傷亡情況，因而必須要重視氣象觀測數(shù)據(jù)獲取，提高數(shù)據(jù)的收集和分析處理的技術水平，以滿足人們生產(chǎn)生活不斷提高的氣象觀測數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)更新速度的要求。針對于此本文就地面氣象觀測數(shù)據(jù)的三維可視化技術的相關問題進行了研究。

關鍵詞：氣象觀測數(shù)據(jù) ；三維可視化技術； 地面觀測

氣象情況的準確預測對于氣象觀測數(shù)據(jù)的獲取具有較高的依賴性，而目前現(xiàn)行的很多氣象觀測平臺無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維可視化，無法適應當前社會發(fā)展對于氣象觀測的要求。因而必須要開發(fā)相應的數(shù)據(jù)層可以疊加和可視化，操作簡單可行，數(shù)據(jù)可視化處理效率高的專門針對地面自動氣象站觀測數(shù)據(jù)的可視化系統(tǒng)，這也是本文進行研究的主要目標。

一、可視化處理方案

1.1氣象數(shù)據(jù)預處理

為了實現(xiàn)氣象觀測數(shù)據(jù)的可視化，首先必須要對通用的文本格式的數(shù)據(jù)進行預處理，以確保其可以順利轉(zhuǎn)化為圖形。在數(shù)據(jù)的預處理中需要將文本格式的點氣象觀測數(shù)據(jù)映射為計算機圖形學可以識別和處理的點、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)的特征對其進行識別。預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，氣象觀測數(shù)據(jù)在預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)中地面氣象觀測數(shù)據(jù)表示的是相應地面現(xiàn)象和氣象的非幾何屬性特征。以四川省某時間段內(nèi)數(shù)個觀測站的地面氣象觀測數(shù)據(jù)為例，包括風向、空氣溫度、風速、濕度、土壤溫度以及觀測站的經(jīng)緯度坐標等12類的實時數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行了可視化處理。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的拓撲結(jié)構(gòu)進行經(jīng)度和緯度的劃分后采用網(wǎng)格化的形式，其中每個月天數(shù)對應相應的空間緯度。數(shù)據(jù)預處理中將土壤溫度、空氣溫度、相對濕度以及降水量這些標量數(shù)據(jù)和3-D風向矢量數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，為了確保在VTK可視化后可以對數(shù)據(jù)進行準確的提取還需要對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的名字進行標記。。預處理后數(shù)據(jù)保存形式為：標量數(shù)據(jù)四個分別為降水量、空氣溫度、相對濕度和土壤溫度；兩個矢量數(shù)據(jù)為風向矢量數(shù)據(jù)和網(wǎng)格拓撲數(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)都可以進行處理。

2.2分層數(shù)據(jù)可視化設計

本文研究的地面氣象觀測數(shù)據(jù)的可視化處理過程中數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu)包括風向?qū)印⒔邓繉?、溫度層、風路徑圖層以及地圖層等等，以確?？梢詽M足不同的氣象觀測數(shù)據(jù)分析對于各類氣象要素單獨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)，用戶在使用時可以通過相應函數(shù)的輸入對任意時間段的氣象數(shù)據(jù)要素進行讀取，于此同時該系統(tǒng)還具有分層數(shù)據(jù)透明度調(diào)節(jié)的功能，滿足了用戶對于單獨的數(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，為了對氣象數(shù)據(jù)進行直觀的顯示，坐標方式采用從左至右、從東到西、從緯度到經(jīng)度的方式。地圖曾網(wǎng)格輪廓的邊緣坐標可以通過內(nèi)部插值進行計算。在地圖層數(shù)據(jù)的顯示中預處理數(shù)據(jù)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)坐標是否準確會對可視化的實際效果產(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)進行顯示，平面區(qū)域呈現(xiàn)多邊性，數(shù)據(jù)層的顏色會根據(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溫度輪廓線的調(diào)節(jié)對該數(shù)據(jù)層的透明度和顏色進行調(diào)整。降水量采用矩形桿的數(shù)據(jù)表示方式，相對濕度層則采用顏色編碼實現(xiàn)可視化。為了對不同地區(qū)的風向和風力強度進行準確的表示使用VTK中的VTKHedgeHog進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，在此基礎上進行性VTK_MFC地面自動氣象觀測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的開發(fā)和設計。該系統(tǒng)的可視化效果可以充分滿足認為對于氣象觀測的要求，對傳統(tǒng)的文本格式的氣象數(shù)據(jù)進行了轉(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)還具有操作簡單方便的優(yōu)勢。

地面氣象觀測數(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)預處理模塊兩大部分，其中大多數(shù)氣象數(shù)據(jù)可以在預處理模塊中進行初步的數(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，于此同時該系統(tǒng)還具有強大的交互功能，根據(jù)用戶的不同需求可以進行數(shù)據(jù)的單獨或者是綜合顯示，此外還可以對相關頁面進行放大、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個監(jiān)測站一個月的數(shù)據(jù)預處理時間僅需要3s左右，數(shù)據(jù)的可視化渲染時間不超過4s，因而該系統(tǒng)具有較強的適用性和良好的應用前景。

結(jié)束語：綜上所述，該地面氣象觀測數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)可以實現(xiàn)當前社會對于氣象數(shù)據(jù)處理的基本要求，系統(tǒng)交互性較強，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，觀測數(shù)據(jù)的處理方面還存在一定的不足。在日后的應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，對地面氣象觀測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的豐富性和可用性進行增強。

參考文獻

[1]雷利元. 地面三維激光掃描和網(wǎng)絡RTK技術在構(gòu)建海島DEM中的應用研究[J]. 全球定位系統(tǒng)，2015（06）

[2]張慶華. 基于802.11n無線傳感器網(wǎng)絡的巷道人員定位技術研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學技術，2016（04）