郭 鹍 趙甲文 陶冠時(shí) 蔣曉龍

（1.中船航?？萍加邢挢?zé)任公司 北京 100070）（2.天津航海儀器研究所 天津 300131）

1 引言

利用傳統(tǒng)氣象環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策需要非常專業(yè)知識(shí)，隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，岸海一體及智能航行技術(shù)呈現(xiàn)跨越性的進(jìn)步，基于大數(shù)據(jù)氣象信息輔助決策已經(jīng)由一種趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。通過衛(wèi)星通信方式，傳輸基于grib2格式的氣象要素［1］，實(shí)時(shí)掌握世界范圍內(nèi)的天氣動(dòng)態(tài)，對(duì)航海人員的日程規(guī)劃、航海路線制定、貨物裝卸、室外活動(dòng)起著非常大的輔助作用［2］。為了保證航海工作人員能以形象化的手段獲取所制定航線范圍內(nèi)的天氣狀態(tài)，本文采用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫算法以及標(biāo)量渲染線性插值算法，形象地展示了全球范圍內(nèi)海洋氣象環(huán)境各種氣象要素的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)或渲染［3］，最后形成海洋氣象演示系統(tǒng)，船舶駕駛?cè)藛T可以通過該演示系統(tǒng)觀察周邊海域以及所關(guān)心海域的氣象信息，幫助其及時(shí)作出決策。

2 海洋氣象演示系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋氣象演示系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)［2］，客戶端采用使用SWT瀏覽器組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。SWT瀏覽器組件提供了在Java應(yīng)用程序中內(nèi)嵌瀏覽器應(yīng)用，并可通過Java API與瀏覽器自身進(jìn)行交互，通過在客戶端程序內(nèi)嵌一個(gè)內(nèi)置瀏覽器完成軟件渲染和演示［7，15］。

海洋氣象演示系統(tǒng)所解析的氣象數(shù)據(jù)源來自于美國國家環(huán)境預(yù)測(cè)中心全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)格式為國際氣象組織規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)文件格式grib2，對(duì)grib2編碼進(jìn)行分析、解析其中的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，然后分類處理并轉(zhuǎn)換為Json數(shù)據(jù)格式。Json數(shù)據(jù)比較方便數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，B/S客戶端將Json數(shù)據(jù)渲染到瀏覽器頁面。

全球海洋氣象演示系統(tǒng)在啟動(dòng)之后首先會(huì)到指定網(wǎng)址上下載grib2數(shù)據(jù)，存放到指定的目錄下，也可以直接讀取從外部磁盤導(dǎo)入的grib2文件。當(dāng)解析文件時(shí)，則調(diào)用Grib2json系統(tǒng)進(jìn)行解析，解析完成之后，全球海洋氣象演示系統(tǒng)會(huì)把json文件存放到自己的publicdata路徑下，系統(tǒng)按照類別（大氣或海洋、時(shí)間、分辨率）去讀取合適的json文件來進(jìn)行渲染，最終在高清屏幕上以可視化的方式進(jìn)行展示，包括風(fēng)速、渦旋、垂直速率、溫度、相對(duì)濕度、云混合率、可降水量、云水量、洋流等，其中，風(fēng)速矢量、洋流矢量需要以動(dòng)畫形式展示出來。并通過按鈕對(duì)氣象要素按照海拔、分辨率、時(shí)間來進(jìn)行自由切換，完成各類氣象數(shù)據(jù)的瀏覽、漫游、查詢、顯示功能，并根據(jù)不同類型的氣象數(shù)據(jù)提供不同渲染模式。

海洋氣象演示系統(tǒng)中通信和信息傳輸主要依靠移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保障，移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用VSAT通信或者Inmarsat通信系統(tǒng)［9～10］。Inmarsat通信系統(tǒng)是由國際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）自1970年代開始發(fā)展的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，可覆蓋全球除兩極區(qū)之外的全部地區(qū)。最高速率可達(dá) 492 kbit/s［13～14］，其成本相對(duì)較高?？紤]成本問題，在離岸較近的情況下，氣象數(shù)據(jù)下載會(huì)選用陸地的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，在遠(yuǎn)洋時(shí)優(yōu)先使用VSAT通信以及Inmarsat通信系統(tǒng)提供的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)［12］。

全球海洋氣象演示系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

圖1 全球海洋氣象演示系統(tǒng)工作流程

3 數(shù)據(jù)下載及格點(diǎn)數(shù)據(jù)解析

海洋氣象演示系統(tǒng)通過FTP方式連接到美國國家環(huán)境預(yù)測(cè)中心獲取全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)提供了4個(gè)分辨率：2.5度分辨率、1度分辨率、0.5度分辨率、0.25度分辨率，海洋氣象演示系統(tǒng)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及實(shí)際網(wǎng)絡(luò)下行速率選用不同數(shù)據(jù)分辨率，因數(shù)據(jù)較大需要采用斷點(diǎn)續(xù)傳，在條件允許的情況下一般選用0.25度分辨率的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大約197MB，在遠(yuǎn)洋航行時(shí)，由于通信成本可采用2.5度分辨率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)約3.7MB。

本文中的海洋氣象演示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為grib2格式，grib2是國際氣象組織的最新標(biāo)準(zhǔn)格式［1］，grib2具備更好的自描述性、可擴(kuò)展性和靈活性，與以往的氣象標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式相比如GRID或者GARF相比是一種更為方便的傳輸大容量數(shù)據(jù)格式，我國氣象預(yù)報(bào)分析工作也采用該格式數(shù)據(jù)作為參考，歐洲格點(diǎn)報(bào)、地面繪圖報(bào)、正點(diǎn)實(shí)況報(bào)均采用該格式。研究掌握grib2的文件數(shù)據(jù)分析使用可進(jìn)一步拓展全球海洋環(huán)境信息演示系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

grib2的文件內(nèi)容是由十六進(jìn)制字符（alphanumeric character）組成的。比如：FF表示十六進(jìn)制的FF，數(shù)值為255，并且是按照字節(jié)依次存放的。每2個(gè)字節(jié)之間會(huì)有空格作為分割符號(hào)。grib2文件是有若干的區(qū)段組成的文件，每個(gè)區(qū)段表示一定的含義，存放一定的數(shù)據(jù)。

grib2的區(qū)段描述如表2所示：

表2 grib2區(qū)段描述

grib2具有多種優(yōu)勢(shì)，尤其在多維數(shù)據(jù)描述方面，因此美國NOAA的數(shù)據(jù)包中存儲(chǔ)了多個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)、多個(gè)產(chǎn)品，具備相當(dāng)?shù)哪K特性，而且為擴(kuò)展和增加提供方便的途徑［11］。

4 頁面渲染設(shè)計(jì)

海洋氣象演示系統(tǒng)頁面渲染分別為氣象要素標(biāo)量渲染和矢量渲染，根據(jù)不同要素渲染選取色彩，通過不同顏色色條的深淺來表達(dá)值域大小，非常直觀。

4.1 標(biāo)量渲染

海洋氣象演示系統(tǒng)的溫度、濕度均為標(biāo)量數(shù)據(jù)，在渲染圖上的每個(gè)網(wǎng)格都對(duì)應(yīng)著一個(gè)渲染點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)值的范圍渲染出對(duì)應(yīng)的顏色。由于數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)是離散的，因此溫度和濕度等信息需要采用算法進(jìn)行插值。

標(biāo)量渲染采用了單線性線性插值［4～5］，基本思想是根據(jù)點(diǎn)（x，y）的2個(gè)鄰點(diǎn)灰度值，經(jīng)過線性插值計(jì)算求出（xc，yc），用數(shù)學(xué)方法來描述輸入、輸出圖像點(diǎn)之間的空間關(guān)系時(shí)，其幾何運(yùn)算的一般定義為

這種算法是逐象素、逐行地產(chǎn)出輸出圖像。每個(gè)象素的灰度級(jí)由2個(gè)象素參與的插值所唯一確定。這種方法對(duì)于氣象標(biāo)量要素渲染邏輯執(zhí)行更為有效。

如圖2所示，A區(qū)域渲染點(diǎn)可以根據(jù)從json中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色渲染，渲染為天藍(lán)色，B區(qū)域渲染點(diǎn)無值，C區(qū)域渲染點(diǎn)同樣進(jìn)行了顏色渲染，渲染為綠色，那么，此時(shí)B區(qū)域處的每個(gè)渲染點(diǎn)就要利用上述雙線性插值的方法進(jìn)行顏色的過渡渲染，使得A區(qū)域渲染點(diǎn)和B區(qū)域渲染點(diǎn)之間的交匯時(shí)的顏色柔和自然。

圖2 氣象標(biāo)量要素渲染示意圖

4.2 矢量渲染方式

矢量渲染用于風(fēng)速和洋流的渲染，而矢量渲染則會(huì)有兩個(gè)值，由這兩個(gè)值確定一條方形的對(duì)角線。

矢量的渲染與其他氣象要素的渲染有所不同，其他分量用標(biāo)量渲染時(shí)，每個(gè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的渲染值，而矢量渲染則會(huì)有U（U-Component）V（V-Component）兩個(gè)值，由這兩個(gè)值確定一條方形對(duì)角線。實(shí)際情況中，如果存在的每個(gè)矢量都被描繪出來，則會(huì)有非常多的細(xì)微的線條，從效果上來看，就會(huì)混沌不清，不易辨識(shí)。此時(shí)需要從平行的對(duì)角線中抽象出一條，沿著此條對(duì)角線的方向繼續(xù)抽象渲染，用來清晰準(zhǔn)確地表達(dá)矢量走向。并在此線上進(jìn)行粒子描繪，形成加速動(dòng)畫。

矢量的渲染采用了雙線性插值［4～5］進(jìn)行線段抽象，基本思想是根據(jù)點(diǎn)（x，y）的4個(gè)鄰點(diǎn)灰度值，經(jīng)過線性插值計(jì)算求出（x0，y0），用數(shù)學(xué)方法來描述輸入、輸出圖像點(diǎn)之間的空間關(guān)系時(shí)，其幾何運(yùn)算的一般定義為

雙線性插值是逐象素、逐行地產(chǎn)出輸出圖像。每個(gè)象素的灰度級(jí)由四個(gè)象素參與的插值所唯一確定。這種方法對(duì)于氣象標(biāo)量要素渲染邏輯執(zhí)行更為有效。如圖3所示。

圖3 雙線性插值示意圖

具體f（x，y）在點(diǎn)P（x，y）的插值算法如下：假設(shè)已知函數(shù) f在 P11=（x1，y1）、P12=（x1，y2），P21=（x2，y1）以及 P22=（x2，y2）四個(gè)點(diǎn)的值。首先在 x 方向進(jìn)行線性插值，得到

然后在y方向進(jìn)行線性插值，得到

最后綜合起來就是雙線性插值最后的結(jié)果：

通過線性插值得到抽象線段F。

以圖4下抽象線段F為例。

圖4 矢量動(dòng)畫運(yùn)行圖示意

此線段抽象出了幾個(gè)主要的點(diǎn)，并在此線段上進(jìn)行粒子描繪，亮度通過不同灰度值的白色定義，數(shù)值越大則越接近白色，步驟如下：

第一步：P1（x1，y1）點(diǎn)高亮顯示，假設(shè)灰度值為10。

第二步：P2（x2，y2）點(diǎn)亮度值變?yōu)?10，P1（x1，y1）點(diǎn)變?yōu)樯园档幕叶戎碉@示（灰度值值為5）。

第三步：P3（x3，y3）點(diǎn)灰度值值為 10，P2（x2，y2）點(diǎn)灰度值值為5，P1（x1，y1）點(diǎn)灰度值值為3。

第四步：P4（x4，y4）點(diǎn)灰度值值為 10，P3（x3，y3）點(diǎn)灰度值值為 5，P2（x2，y2）點(diǎn)灰度值值為 3，P1（x1，y1）點(diǎn)灰度值為1。

由上幾步，可以顯示一個(gè)高亮的粒子拖曳著尾巴（顯示劃過的痕跡）從抽象線段上劃過，通過亮度的變化并無限循環(huán)，就形成了風(fēng)速的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)畫。實(shí)際處理時(shí)可采用整數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，本文采用了整數(shù)計(jì)算代替浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，比如左移11位變11位小數(shù)為整數(shù)，頁面渲染實(shí)例如圖5所示。

圖5 頁面渲染示意圖

5 軟件整體運(yùn)行

海洋氣象演示系統(tǒng)其他要素的處理方法也都與風(fēng)、溫度等要素處理辦法類似，這里不再描述，在本系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)下載、解析后，通過渲染后的工作界面如圖6所示。

6 結(jié)語

本文首先對(duì)基于全球航行的海洋氣象演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)進(jìn)行了說明，根據(jù)海洋氣象演示系統(tǒng)分析了grib2數(shù)據(jù)。在完成grib2數(shù)據(jù)解析的基礎(chǔ)上，針對(duì)溫度、濕度數(shù)據(jù)采用線性插值渲染，針對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向矢量運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)畫算法。該演示系統(tǒng)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)、圖像處理技術(shù)，顯示全球海域的氣象狀態(tài)清晰、簡明并易于學(xué)習(xí)，一方面可為船舶系統(tǒng)電子配套設(shè)計(jì)人員作為開展智能船舶設(shè)計(jì)參考，另一方面可輔助航海部門人員知悉航行過程中海洋環(huán)境各個(gè)氣象要素的變化情況，幫助船舶進(jìn)行航路規(guī)劃，規(guī)避航路上危險(xiǎn)天氣。