航海氣象信息圖形可視化研究

王 軍，李邵喜

(1.黑龍江省航道局;2.大連海事大學航海學院)

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.大連海事大學航海學院)

氣象圖形顯示是一種現代化的天氣預報手段，為了提高航海氣象信息在海上安全與環境保護方面的指導作用，在分析氣象圖形投影與坐標轉換關鍵問題的基礎上，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代化的天氣預報手段。在航海氣象業務中，常常需要將氣象數據生成氣象圖形并疊加在電子海圖平臺上進行信息處理。氣象圖形經過不同的處理后，在計算機上進行可視化表達是有差異的，這與所選擇的投影方式和坐標變換有本質的聯系，選擇最優的地圖投影方法與進行準確的坐標變換是氣象圖形正確顯示的關鍵。隨著計算機圖形處理技術在氣象領域的廣泛使用，傳統的二維靜態氣象圖形已發展為三維動態圖形，為此，大量的氣象數據資料都需要進行圖形顯示，而復雜的氣象圖形顯示可以通過可視化技術來實現。

1 航海氣象信息圖形投影與坐標變換

在氣象圖形繪制中，是將物體空間的直角坐標系變換到圖形空間的直角坐標系。因此，要在屏幕上繪制出以球坐標系表示的圖形，先要通過地圖投影的方法把球面數據變換到平面直角坐標系中，再進行相應的變換，建立球面上的點和屏幕坐標之間相對應的關系。

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用于低緯度地區的熱帶天氣分析。直角坐標系的原點取在 (，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為格點距，則經、緯度坐標(λ，φ)與直角坐標(x，y)轉換關系式為

(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用于中緯度地區的天氣系統分析。取球面上一點為P(λ，φ0)原點，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為格點距，投影的標準緯度 φ1=30°N，φ2=60°N，則經緯度坐標(λ，φ)與直角坐標(x，y)轉換關系式為其中

(3)極射赤面投影

極射赤面投影的氣象圖形主要應用于高緯度地區的大氣環流分析。設標準緯度為φ'，地球半徑為R，d為格點距，其經緯度坐標(λ，φ)與直角坐標(x，y)轉換關系式為

1.2 氣象圖形顯示的坐標變換方法

地圖投影是將地球球面上的點和屏幕坐標建立相對應的關系，但計算機屏幕坐標和氣象圖形網格坐標是有差異的，需要對所顯示的氣象圖形作進一步變換。坐標平移、坐標旋轉和坐標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換并顯示到計算機屏幕上。

氣象圖形中是矢量場、環流和各種物理量向量的分布，都可以通過這三種坐標變換在計算機屏幕上顯示出來。任何一個氣象圖形都是由若干特征點連接而成，如風羽的畫法、規則曲線(圓、橢圓等)和不規則曲線(氣象等值線等)的繪制都是由若干點與線連接所組成。通過坐標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，構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

氣象信息圖形表達是利用計算機對氣象數據的可視化表現來增強人們對這一抽象信息的認知。可視化技術簡化了人們對復雜實體和對象的認知過程，但對特定的海洋地理空間或與之相關的特征和現象，其本質和規律的科學揭示必須借助于海洋地理特征的表達。依據海洋環境特征的描述方式，氣象信息圖形的可視化可分為靜態圖和趨勢動態圖兩種表達方式。

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

(1)點要素

點要素是一種最簡單的信息數據，由空間坐標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，線的結構確定不同的線狀，線的形狀確定構成符號的線型。根據視覺變量理論，線狀信息表達={坐標，線型，線寬，顏色}，其中坐標是確定圖案在符號坐標系里的位置;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符號的寬度;顏色為RGB(紅、綠、藍)的顏色。

3 航海氣象信息圖形顯示的計算機實現

氣象圖形顯示是利用氣象數據模型抽象來的信息在氣象信息表達模型的支撐作用下，利用計算機程序語言將氣象動態信息以圖形形式顯示來進行天氣狀態分析和趨勢判斷。實現計算機氣象圖形屏幕顯示的主要過程有以下幾步。

(1)設想預期達到的顯示效果

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現這一過程。以制作熱帶氣旋路徑及統計路徑出現概率為例，該圖形具有明確的天氣意義，熱帶氣旋中心的確定，如給出當前實況的位置或預報未來24 h和48 h的可能位置，都是以經緯度來表示的，因此對熱帶氣旋定位的精確度要求很高，運用科學運算方法和可視化技術很容易達到目的。

(2)構建數據與屬性模型

(3)編寫程序及調試運行

氣象信息圖形需要利用計算機程序語言來實現數據模型，將抽象出來的氣象信息變成計算機識別的信息，利用氣象信息的表達模型在計算機程序語言支持下形成圖形并進行可視化顯示。如繪制臺風預報圖的程序有4個步驟，即設計主程序、編寫程序、檢查與修改圖形、調試及顯示圖形。

下圖展現了氣象數據與電子海圖數據的有效疊加效果圖。用點要素來描述臺風移動路徑。

4 結束語

航海氣象信息圖形顯示是一個復雜的圖形應用處理過程，雖然目前有很多氣象圖形處理軟件(如GrADS、NCAR、Surfer等)可以完成復雜的氣象圖形轉換，但其轉換原理和方法是不公開的，故對于應用系統功能的內嵌是無法實現的。隨著各種智能化預報系統的開發以及遙感衛星、天氣雷達等大量的圖形數據資料在氣象業務和科研工作中的廣泛應用，氣象圖形可視化技術的應用前景將會越來越廣闊。

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