地面氣象觀測數據三維可視化技術研究

劉崗+張軍+鄒小龍

摘要：氣象預報對于工業農業生產、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濟損失以及人員傷亡情況，因而必須要重視氣象觀測數據獲取，提高數據的收集和分析處理的技術水平，以滿足人們生產生活不斷提高的氣象觀測數據量和數據更新速度的要求。針對于此本文就地面氣象觀測數據的三維可視化技術的相關問題進行了研究。

關鍵詞：氣象觀測數據 ；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據的獲取具有較高的依賴性，而目前現行的很多氣象觀測平臺無法實現數據的三維可視化，無法適應當前社會發展對于氣象觀測的要求。因而必須要開發相應的數據層可以疊加和可視化，操作簡單可行，數據可視化處理效率高的專門針對地面自動氣象站觀測數據的可視化系統，這也是本文進行研究的主要目標。

一、可視化處理方案

1.1氣象數據預處理

為了實現氣象觀測數據的可視化，首先必須要對通用的文本格式的數據進行預處理，以確保其可以順利轉化為圖形。在數據的預處理中需要將文本格式的點氣象觀測數據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可視化系統可以根據這些數據的特征對其進行識別。預處理之后原本的的文本數據變成了空間網格結構的數據形式。這種網格結構顯示的數據具有不連續性、近似離散性和可量化的特征，氣象觀測數據在預處理中被分成了排列規則且相互鄰接的矩形方塊。網格組織結構中地面氣象觀測數據表示的是相應地面現象和氣象的非幾何屬性特征。以四川省某時間段內數個觀測站的地面氣象觀測數據為例，包括風向、空氣溫度、風速、濕度、土壤溫度以及觀測站的經緯度坐標等12類的實時數據，并對這些數據進行了可視化處理。其中數據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構進行經度和緯度的劃分后采用網格化的形式，其中每個月天數對應相應的空間緯度。數據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據和3-D風向矢量數據進行轉換，為了確保在VTK可視化后可以對數據進行準確的提取還需要對數據轉換文件的名字進行標記。。預處理后數據保存形式為：標量數據四個分別為降水量、空氣溫度、相對濕度和土壤溫度；兩個矢量數據為風向矢量數據和網格拓撲數據；網格結構按照緯度數*經度數*每月天數的形式劃分。網格內任意區域的數據都可以進行處理。

2.2分層數據可視化設計

本文研究的地面氣象觀測數據的可視化處理過程中數據分層結構包括風向層、降水量層、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據分析對于各類氣象要素單獨顯示或者是綜合顯示的要求，不同層次的數據都有其特定的讀取函數，用戶在使用時可以通過相應函數的輸入對任意時間段的氣象數據要素進行讀取，于此同時該系統還具有分層數據透明度調節的功能，滿足了用戶對于單獨的數據層或者幾種數據層組合讀取的需求。

地圖層數據采用*.jpg格式，位于可視化數據層的最底層，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，為了對氣象數據進行直觀的顯示，坐標方式采用從左至右、從東到西、從緯度到經度的方式。地圖曾網格輪廓的邊緣坐標可以通過內部插值進行計算。在地圖層數據的顯示中預處理數據網格結構坐標是否準確會對可視化的實際效果產生深刻的影響。溫度層數據也是采用網格結構進行顯示，平面區域呈現多邊性，數據層的顏色會根據溫度數據的變化而發生變化，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節對該數據層的透明度和顏色進行調整。降水量采用矩形桿的數據表示方式，相對濕度層則采用顏色編碼實現可視化。為了對不同地區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、氣象數據可視化效果分析

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據可視化系統的開發和設計。該系統的可視化效果可以充分滿足認為對于氣象觀測的要求，對傳統的文本格式的氣象數據進行了轉化，使其成為了直觀形象的可視化的三維數據，這與簡單的二維數值顯示或者是色彩映射數據模式存在本質的區別，此外該系統還具有操作簡單方便的優勢。

地面氣象觀測數據三維可視化系統主要包括可視化模塊和數據預處理模塊兩大部分，其中大多數氣象數據可以在預處理模塊中進行初步的數據轉換，而空氣、土壤溫度、降雨量以及濕度等氣象數據的顯示工作可以在可視化模塊完成，于此同時該系統還具有強大的交互功能，根據用戶的不同需求可以進行數據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、旋轉等處理。該系統的氣象數據處理效率較高，四川省19個監測站一個月的數據預處理時間僅需要3s左右，數據的可視化渲染時間不超過4s，因而該系統具有較強的適用性和良好的應用前景。

結束語：綜上所述，該地面氣象觀測數據三維可視化系統可以實現當前社會對于氣象數據處理的基本要求，系統交互性較強，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據種類的限制，觀測數據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、氣象數據種類的增多以及三維形式的空氣溫度數據呈現方式，對地面氣象觀測數據可視化系統的豐富性和可用性進行增強。

參考文獻

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