氣象衛星產品三維可視化培訓系統預研綜述

崔穎　楊睿　趙陽　張頌惟

摘 要：本文針對氣象部門培訓體系的特點，以及氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設的需求。梳理并總結了可視化技術方面的相關知識，重點介紹了可視化技術在氣象領域的應用。

關鍵詞：三維可視化 氣象衛星產品 氣象培訓 遠程教育

在計算機學科的分類中，可視化是指利用人眼的感知能力對對數據進行交互的可視表達以增強認知的技術。它將不可見或者難以直接顯示的數據轉化為可感知的圖形、符號、顏色、紋理等，增強數據識別效率，傳遞有效信息。[1]近年來，隨著計算機虛擬仿真、增強現實等技術的發展，可視化技術的應用越來越廣泛，可視化技術越來越多地被應用到教育培訓領域。

一、氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設意義

針對氣象現代化發展迅速、基層臺站高度分散、工學矛盾突出的特點，遠程教育被大力推廣。為適應衛星氣象業務發展和技術進步需要，根據不同業務的培訓特點和需求，針對培訓內容的時效性和重要程度等要求，及時開展面向管理人員、業務人員的各類遠程培訓，建設一種表現力強，信息表達明確的，高交互性、高體驗性的三維可視化和人機交互展示系統，對氣象衛星產品中包含的數據進行時空維度可控的三維立體可視化表達，是一種行之有效的方法。通過該技術可以動態、直觀、多層次地掌握氣象數據信息，使得氣象信息的表達更加豐富，從而有效促進培訓效益的大幅度提升。

通過氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設能夠全方位動態、直觀、多層次展示氣象衛星產品等重要培訓內容。后續能夠依托專業3D數字顯示技術、高性能圖形計算技術和三維可視化技術，根據培訓需求進一步加強氣象衛星應用相關的高集成度可視化培訓系統研發。為更好地開展項目建設，本文針對氣象部門培訓體系的特點，對氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設開展預研。

二、可視化技術

可視化技術按照應用領域分類，可視化技術的兩個分類也可以稱為科學模擬可視化和信息可視化。

科學可視化是可視化領域最早、最成熟的一個跨學科研究與應用領域。面向的領域主要是自然科學，如物理、化學、氣象氣候、航空航天、醫學、生物等各個學科，這些學科通常需要對數據和模型進行解釋、操作與處理，旨在尋找其中的模式、特點和關系以及異常情況。[1]

信息可視化處理的對象是抽象的、非結構化數據集合（如文本、圖表、層次結構、地圖、軟件、復雜系統等）。傳統的信息可視化起源于統計圖形學，又與信息圖形、視覺設計等現代技術相關。 。[1]

三、可視化技術在氣象領域中的應用

前文中提到科學可視化主要面向氣象氣候、航空航天、醫學、生物等自然科學。因此，在進行氣象衛星產品三維可視化培訓系統研究時，主要對科學可視化技術進行梳理和總結。

可視化方法多種多樣，在氣象學中最常用的可視化方法是顏色映射、幾何形狀映射、流線、等值線、等值面以及體繪制方法。其中，數據可視化的時候，我們的視覺系統能感知到的最常見的兩種狀態一個是顏色一個是形狀，所以最常用的可視化方式就是顏色映射及幾何形狀映射。如圖1（a）所示，是氣象工作中經常見到的一種圖，顯示了今年夏天全國降水量距平百分率的分布情況，根據顏色不同來表示降水量距平百分率，可以非常直觀看到今年全國的降水情況。

幾何形狀映射就是通過這種形狀來映射數據，圖1（b）繪制的是全球濕度的分布和隨時間變化的過程。用云這一形狀來表示濕度的分布，通過云的深淺表示濕度的大小，從而非常直觀地看到全球濕度的變化。

本文主要研究如何氣象衛星產品進行三維可視化，三維可視化是一種利用計算機技術，再現三維世界中的物體，并能夠表示三維物體的復雜信息，使其具有實時交互的能力的一種可視化技術，其核心技術是體繪制方法。體繪制的優點體現在可以把全局繪制出來，用戶可通過傳輸函數來調節感興趣的區域，根據密度值、溫度值去調節不同的密度點和溫度點的權重來控制觀察區域，這種可視化方法可顯示更多的信息。其缺點則是計算量大。

目前，相關三維可視化技術和理論體系比較完善，在生物、醫學、地質、大氣等領域已有很多成功的應用。三維可視化技術在氣象領域也有很好的應用前景，浙江大學CAD&CG國家重點實驗室與中國氣象局國家衛星氣象中心合作，開發了一個新的全球尺度三維大氣數據可視化系統，AVIS。該系統支持各種密度場、向量場、張量場和非空間數據的可視化，同時特別設計了適用于大氣數據的球面體繪制和混合繪制方法。[2]

結語

本文梳理并總結了可視化技術方面的相關知識，重點介紹了可視化技術在氣象領域的應用，從而把握氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設的要求和方向，為今后氣象衛星產品三維可視化培訓系統建設工作的開展提供更扎實的理論基礎。

參考文獻

[1]陳為，沈則潛，陶煜波.數據可視化[D].電子工業出版社，2013.

[2]梅鴻輝，陳海東，肇昕等.AVIS全球尺度三維大氣數據可視化系統[J].軟件學報，2016.