空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維霧化展示技術(shù)

付紅彬 張志敏

(廣東省環(huán)境信息中心，廣州 510308)

空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維霧化展示技術(shù)

付紅彬 張志敏

(廣東省環(huán)境信息中心，廣州 510308)

在國家“863”項(xiàng)目“重點(diǎn)城市群大氣復(fù)合污染綜合防治技術(shù)與集成示范項(xiàng)目”的研究中，通過利用DirectX3D編程技術(shù)將體積霧與體紋理技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)造性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維霧化展示。本文主要闡述了此研究的背景、研究過程、技術(shù)要點(diǎn)及研究成果。

NetCDF；可視化；DirectX3D；空氣質(zhì)量預(yù)測；體繪制

1．研究背景

“十一五”期間，廣東省環(huán)境信息中心承擔(dān)了“863”項(xiàng)目“重點(diǎn)城市群大氣復(fù)合污染綜合防治技術(shù)與集成示范項(xiàng)目”（以下簡稱“項(xiàng)目”）的子課題《區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)》的研究開發(fā)工作，子課題的目標(biāo)是將其他子課題的研究成果進(jìn)行信息集成與可視化，以期讓研究成果能夠落地到實(shí)際的環(huán)境管理工作中。空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)三維霧化展示技術(shù)是在中科院大氣所的空氣質(zhì)量預(yù)測模型的研究成果基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)將模型的計算結(jié)果進(jìn)行三維霧化方式的可視化渲染，并與廣東省環(huán)境保護(hù)廳現(xiàn)有的3DGIS系統(tǒng)進(jìn)行集成展示的研究過程與方法。

2．研究目標(biāo)

空氣質(zhì)量預(yù)測模型生成一種國際通用的NetCDF數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)描述了一個三維空間分割為很多規(guī)則的小立方體，每個小立方體具有二十多個污染物屬性，這些屬性隨時間變化。在實(shí)際的研究中，小立方體在XY方向?qū)挾葹?×3km，Z方向按海拔不等，高度從100m到1km不等，覆蓋了整個珠江三角洲區(qū)域，每次運(yùn)算出來的數(shù)據(jù)文件約為10Gbytes，這種三維立體的時序變化數(shù)據(jù)集的理想展示方法是使用一個具有霧化效果的立方體動畫來展示。

在目前的可視化研究領(lǐng)域中，已有一些軟件實(shí)現(xiàn)了對NetCDF格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，但是大多都是以二維展示為主，比如從數(shù)據(jù)集中提取一個平面或者截面的數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線圖、顏色漸變圖或者顏色分級圖的方式進(jìn)行展示，甚至將時間序列生成GIF動

畫，但是這些方式不能夠充分表達(dá)空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的空間整體性，況且這些軟件許多都是基于專業(yè)的商業(yè)軟件，不能實(shí)現(xiàn)多用戶的互動可視化，也很難與現(xiàn)有的GIS平臺集成。在這種情況下，需要尋找一種新的三維可視化展示方法，不但能夠?qū)崟r地展現(xiàn)空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)在三維空間上的分布效果，而且能夠按照時間序列實(shí)現(xiàn)動畫效果。

3．技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維可視化研究需要借助于三維圖形編程接口，目前，實(shí)現(xiàn)三維圖形編程接口主要有DirectX3D和OpenGL兩種選擇，DirectX3D與OpenGL在性能方面的差別不大，OpenGL的優(yōu)勢在于跨平臺，而在Windows平臺下DirectX3D由于基于COM技術(shù)以及各大硬件廠商的支持得到了更廣泛的應(yīng)用，另外，微軟公司Silverlight 和WPF技術(shù)都是源于DirectX3D，能夠與這兩種技術(shù)更好地結(jié)合。為了能夠與《區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)》進(jìn)行集成，課題組采用DirectX3D作為三維圖形編程接口來實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的可視化研究工作。

在DirectX3D中，三維渲染技術(shù)主要包括粒子渲染技術(shù)、體積霧渲染技術(shù)、體紋理渲染技術(shù)，在對幾種技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)粒子渲染技術(shù)可以用來描述粒子本身在三維空間中的產(chǎn)生、運(yùn)動與消亡，并不適用于NetCDF這種已經(jīng)具有固定分割的三維數(shù)據(jù)集的展示。

體積霧的效果能夠很好地表現(xiàn)霧化效果，但其顏色是將視線通過霧體的厚度作為參數(shù)的線性函數(shù)進(jìn)行實(shí)時計算得到的，并不能直接用來表現(xiàn)已經(jīng)計算好的NetCDF數(shù)據(jù)集，如果能將體積霧的函數(shù)計算方法替換為從NetCDF數(shù)據(jù)集中獲得數(shù)據(jù)，從而利用空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)值作為顏色累加的參數(shù)，這樣的渲染結(jié)果就能夠表達(dá)出整個空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)。而體紋理渲染技術(shù)剛好具有表現(xiàn)既定數(shù)據(jù)的能力，如果將NetCDF數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為體紋理數(shù)據(jù)，那么在進(jìn)行體積霧渲染時通過獲得對應(yīng)位置的體紋理信息就可以表達(dá)其污染物信息，從而很好地表達(dá)空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維霧化效果。

4．研究過程與技術(shù)要點(diǎn)

（一）數(shù)據(jù)預(yù)處理

要將渲染結(jié)果在3DGIS系統(tǒng)中進(jìn)行集成展示，需要將NetCDF的數(shù)據(jù)做一定的預(yù)處理工作，包括空間坐標(biāo)系的統(tǒng)一以及體紋理數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

首先要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，3DGIS系統(tǒng)使用WGS1984麥卡托投影，需要將NetCDF數(shù)據(jù)的蘭伯特投影坐標(biāo)系變換成WGS1984坐標(biāo)系，由于多維數(shù)據(jù)集不是GIS數(shù)據(jù)，不能使用現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)的投影變換功能，需要編寫變換算法。預(yù)測模型一經(jīng)確定，其坐標(biāo)系一般是不會經(jīng)常改變的，因此，坐標(biāo)變換可以通過將網(wǎng)格在兩個坐標(biāo)系的坐標(biāo)按照其對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行替換的方式實(shí)現(xiàn)，這樣就可以快速地實(shí)現(xiàn)將NetCDF的數(shù)據(jù)映射到3DGIS的坐標(biāo)系中。

其次要將NetCDF格式的空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換成體紋理格式。NetCDF是一種自解釋格式，按照時間對每一個變量進(jìn)行分塊存儲，可以快速提取單個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，再按照一定顏色映射方法將數(shù)值轉(zhuǎn)換成顏色值，然后存儲為體紋理數(shù)據(jù)格式，供體紋理渲染使用，考慮到系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，轉(zhuǎn)換程序必須以服務(wù)的方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動化的轉(zhuǎn)換過程，在新的NetCDF數(shù)據(jù)生成后能夠自動進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，在體紋理轉(zhuǎn)換中還需要考慮空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)與體紋理顏色的自定義映射，實(shí)現(xiàn)可以通過參數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的污染物映射為不同的顏色體系。

（二）渲染過程

體積霧結(jié)合體紋理的霧化渲染算法流程如圖1所示，為了計算視線穿越空氣質(zhì)量預(yù)測模型體的最大距離，首先要渲染出正向面深度圖和背向面深度圖，把距離作為光線前進(jìn)循環(huán)采樣控制的結(jié)束依據(jù)，當(dāng)光線前進(jìn)累加結(jié)果大于這個距離值了，就說明光線已經(jīng)出了繪制體，可以結(jié)束循環(huán)了。然后在頂點(diǎn)著色程序中計算頂點(diǎn)位置和射線方向，射線方向由視線方向和點(diǎn)的坐標(biāo)決定，射線方向也可以放在片段著色程序中進(jìn)行計算。轉(zhuǎn)換過程中最關(guān)鍵的地方是循環(huán)紋理采樣、合成，每一次循環(huán)都要計算新的采樣紋理坐標(biāo)和采樣距離，然后進(jìn)行顏色合成和透明度累加，如果采樣距離超過了最大穿越距離，或者透明度累加到1，則循環(huán)結(jié)束，然后將合成得到的顏色值渲染到場景中。

在渲染過程中需要注意幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

一是光線投射的顏色值計算，其算法可以分類為光線投射與光線跟蹤兩種，兩者的計算原理類似，但是具體方法有區(qū)別，光線投射方法是從圖像的一點(diǎn)出發(fā)，沿視線方向發(fā)射一條光線，光線穿越整個渲染區(qū)域，對視線穿越過小立方體對應(yīng)的體紋理序列進(jìn)行采

樣，獲取顏色信息，再通過光線吸收模型將顏色值進(jìn)行累加，直至光線穿越整個渲染區(qū)域，最后得到的顏色值就是該視線位置的渲染顏色，光線跟蹤算法中需要疊加計算光線的反射和折射現(xiàn)象，不進(jìn)行色彩的累計，只考慮光線和幾何體相交處的情況，而光線投射算法，只考慮顏色的累計，不進(jìn)行射線和物體的求交判斷。由于空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的展示場景中，除了一個模型體之外沒有其他的物體，因此，在實(shí)現(xiàn)過程中只考慮光線投射算法就足夠了。

二是光線吸收模型的處理，光線穿過物體的時候都會有吸收和反射的過程，因此在計算時需要考慮每個體素對光線的吸收發(fā)射分布情況，在研究中使用了吸收和發(fā)射模型來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)較真實(shí)的模擬效果，這是因?yàn)椴粌H要考慮現(xiàn)實(shí)霧的光線吸收效果，還要考慮空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)所要表現(xiàn)的三維物體本身還是一個有顏色的發(fā)光體，只有這樣才能體現(xiàn)出來不同信息的顏色差別。

三是顏色合成算法，透明度本質(zhì)上代表著光穿透物體的能力，光穿透一個物體會導(dǎo)致波長比例的變化，如果穿越多個物體，則這種變化是累加的。所以，透明物體的渲染，本質(zhì)上是將透明物體的顏色和其后物體的顏色進(jìn)行混合，這被稱為Alpha 混合技術(shù)。GPU編程實(shí)現(xiàn)Alpha 混合技術(shù)的公式為：C0 = AsCs + (1? As )Cd ，其中，As 表示透明物體的透明度，Cs 表示透明物體的原本顏色，Cd表示目標(biāo)物體的原本顏色，C0則是通過透明物體觀察目標(biāo)物體所得到的顏色值。如果有多個透明物體且具有不同的透明度，通常需要對物體進(jìn)行排序，將射線穿越紋理的過程作為采樣合成過程，是從前面到背面進(jìn)行排序，也可以反過來從背面到前面排序，這兩種方式得到的效果是不太一樣的，由于在此渲染的目標(biāo)是一個整體，不需要考慮多個透明物體的疊加，所以只考慮Alpha融合方法就可以滿足要求。

（三）渲染結(jié)果

將整個渲染結(jié)果疊加到3DGIS系統(tǒng)中，得到了空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)的三維霧化展示效果。可以看出霧化效果顏色過渡自然、團(tuán)霧效果明顯，用戶通過地圖控制工具實(shí)現(xiàn)模型的放大、縮小、俯仰、旋轉(zhuǎn)操作，可以很直觀地看到污染物在三維空間中的聚集分布情況，如圖2所示。

（四）時間維可視化

由于空氣質(zhì)量預(yù)測數(shù)據(jù)在渲染中預(yù)先轉(zhuǎn)換成了體紋理來表現(xiàn)預(yù)測值信息，所以在時間上的表現(xiàn)可以用體紋理替換技術(shù)來實(shí)現(xiàn)交互動畫方式的隨時間變化過程。紋理替換技術(shù)就是預(yù)先將NetCDF數(shù)據(jù)集中的每

個時間點(diǎn)的每個污染源屬性值轉(zhuǎn)換為一個體紋理數(shù)據(jù)文件，按時間序列加載相應(yīng)的體紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，就可以獲得連續(xù)起來的動畫效果。

5．研究結(jié)論

通過體積霧與體紋理結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)的三維霧化效果可以較好地展示NetCDF格式的空氣污染預(yù)測數(shù)據(jù)集，將渲染結(jié)果與3DGIS系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成能夠更好地表達(dá)空氣中污染物在三維空間中的分布情況，這種方法作為一種可行的三維可視化展示技術(shù)，達(dá)到了課題研究的目標(biāo)，也可以為其他應(yīng)用領(lǐng)域提供借鑒。

[1] Russ Rew,Glenn Davis,Steve Emmerson,Harvey Davies. NetCDF fortran 90 Interface Guide[Z]. Boulder∶ Unidata Program Center,2005.

[2] 查石祥.NetCDF數(shù)據(jù)格式的編程式訪問[J].氣象科技，2004，32（增刊）：40-43.

中國上市公司環(huán)境責(zé)任調(diào)查啟動

2014年4月10日上午，由中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會主辦的“2014年中國上市公司環(huán)境社會責(zé)任調(diào)查活動”啟動儀式，在環(huán)保部對外合作中心舉辦。來自環(huán)保部、發(fā)改委和證監(jiān)會的有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)出席了啟動儀式。中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會秘書長劉國正，介紹了“2014年中國上市公司環(huán)境社會責(zé)任調(diào)查活動”的目的意義和主要內(nèi)容。

劉國正說：我國的環(huán)境形勢依然十分嚴(yán)峻，粗放的生產(chǎn)、生活方式，使我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展面臨能源、資源緊缺和污染加劇的雙重約束，生態(tài)文明建設(shè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

黨中央、國務(wù)院高度重視生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記對生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)提出了一系列新思想、新論斷、新要求，為進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，建設(shè)美麗中國，走向生態(tài)文明新時代，指明了前進(jìn)方向。黨的十八屆三中全會通過的《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》，要求緊緊圍繞建設(shè)美麗中國，深化生態(tài)文明體制改革，加快建立生態(tài)文明制度，健全國土空間開發(fā)、資源節(jié)約利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的體制機(jī)制，推動形成人與自然和諧發(fā)展現(xiàn)代化建設(shè)新格局。今年以來，習(xí)近平總書記多次治理霧霾、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)水治水等作出指示；李克強(qiáng)總理在今年的《政府工作報告》中強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)決向污染宣戰(zhàn)。這些，都表明了黨中央、國務(wù)院防治污染的堅(jiān)強(qiáng)決心。

建設(shè)生態(tài)文明，保護(hù)環(huán)境，僅僅依靠黨和政府的重視是不夠的，還需要企業(yè)在生產(chǎn)過程中大力防治污染，還需要加強(qiáng)公眾參與的力度，加強(qiáng)公眾對企業(yè)環(huán)境行為的監(jiān)督。公眾參與環(huán)境保護(hù)的一個重要前提，就是環(huán)境信息的公開。中國上市公司是國內(nèi)眾多企業(yè)中的佼佼者，有責(zé)任帶頭履行環(huán)境社會責(zé)任。

中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會2014年繼續(xù)開展“中國上市公司環(huán)境社會責(zé)任調(diào)查活動”，一是為了深入了解中國上市公司履行環(huán)境社會責(zé)任的狀況；二是為了督促上市公司將環(huán)境意識融入企業(yè)文化，切實(shí)履行環(huán)境責(zé)任；三是為了督促上市公司建立環(huán)境責(zé)任報告制度，定期向社會披露企業(yè)環(huán)境信息，并逐步提高披露質(zhì)量，便于各級監(jiān)管部門和其他利益相關(guān)者及公眾充分了解企業(yè)相關(guān)信息；四是為了帶動其他企業(yè)共同履行環(huán)境責(zé)任，并自覺發(fā)布環(huán)境信息。

2013年11月，中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會向社會發(fā)布了《首屆（2012年）中國上市公司環(huán)境責(zé)任信息披露評價報告》，引起強(qiáng)烈的社會反響。2014年的調(diào)查活動，將繼續(xù)委托北京化工大學(xué)低碳研究中心撰寫《2013年中國上市公司環(huán)境責(zé)任信息披露評價報告》。同時，在總結(jié)上屆活動的基礎(chǔ)上，將增加赴上市公司實(shí)地調(diào)研的內(nèi)容，旨在通過調(diào)研活動發(fā)現(xiàn)和總結(jié)上市公司履行環(huán)境責(zé)任的先進(jìn)典型，督促存在差距的上市公司接受社會公眾監(jiān)督，完善履行環(huán)境責(zé)任的內(nèi)部機(jī)制，采取積極措施保護(hù)環(huán)境。調(diào)查活動辦公室還將設(shè)立活動官網(wǎng)，收集和發(fā)布來自媒體和環(huán)保部門的有關(guān)上市公司環(huán)境行為的信息，發(fā)布?xì)v屆上市公司環(huán)境責(zé)任信息披露報告，逐步為每個上市企業(yè)建立環(huán)保信息檔案。下半年，中國環(huán)境新聞工作者協(xié)會還將適時向社會發(fā)布《2013年中國上市公司環(huán)境責(zé)任信息披露評價報告》。

Study on the 3D atomization display technology of the air quality forecast data

Fu Hongbin Zhang Zhimin
（Guangdong Environmental Information Center，Guangzhou 510308）

In the research of“863”project“Synthesized Prevention Techniques for Air Pollution Complex and Integrated Demonstration in Key City-Cluster Region”, by using DirectX3D programming to creatively combine the Volumetric Fog and Volumetric Texture technology, the three-dimensional atomization data display of air quality forecast was achieved. This article mainly expounded the background, process, key technologies and achievements of the research.

NetCDF；DirectX3D；visualization；volume rendering；air quality forecast

X51

A

1674-6252（2014）02-0054-04

付紅彬（1973—），男，河南人，高級工程師，從事環(huán)境信息研究及應(yīng)用工作.