三維可視化的天氣診斷類衛(wèi)星遙感應(yīng)用產(chǎn)品培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)

荊國棟 鄒立堯 崔穎 牛寧

（中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院 北京市 100081）

1 背景和意義

氣象衛(wèi)星是對(duì)大氣層進(jìn)行氣象觀測(cè)的人造衛(wèi)星。具有范圍大、及時(shí)迅速、連續(xù)完整的特點(diǎn)，并能把云圖等氣象信息發(fā)給地面用戶。風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星是為了滿足中國天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面需求建設(shè)的第二代極軌氣象衛(wèi)星，旨在獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料。目前氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用主要集中在對(duì)臺(tái)風(fēng)、暴雨、寒潮等天氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，以及火情、水情、雪情等環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面[1]。浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心合作，開發(fā)了一個(gè)新的全球尺度三維大氣數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，AVIS。該系統(tǒng)支持各種密度場(chǎng)、向量場(chǎng)、張量場(chǎng)和非空間數(shù)據(jù)的可視化，同時(shí)特別設(shè)計(jì)了適用于大氣數(shù)據(jù)的球面體繪制和混合繪制方法[2]。由此可見，三維可視化技術(shù)在氣象領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，中國氣象局已初步建立了基于風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星的專業(yè)培訓(xùn)基礎(chǔ)框架，面對(duì)新形勢(shì)、新任務(wù)，系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)取得了一定的效果。在針對(duì)國內(nèi)的氣象業(yè)務(wù)人員的衛(wèi)星氣象培訓(xùn)中，為天氣預(yù)報(bào)人員、遙感工作人員、縣級(jí)綜合崗人員和非氣象專業(yè)的氣象業(yè)務(wù)人員提供了大量的培訓(xùn)機(jī)會(huì)。針對(duì)國外的氣象業(yè)務(wù)人員的衛(wèi)星氣象培訓(xùn)也做了大量的工作，每年舉辦國際衛(wèi)星班，學(xué)員多來自第三世界國家，內(nèi)容涉及到各類衛(wèi)星產(chǎn)品在天氣分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及數(shù)值模式等領(lǐng)域中的應(yīng)用。為更好地的發(fā)揮建設(shè)效益，實(shí)現(xiàn)面向行業(yè)面向國際的網(wǎng)絡(luò)教育培訓(xùn)需求，亟需進(jìn)一步建設(shè)完善衛(wèi)星培訓(xùn)系統(tǒng)。本文將以臺(tái)風(fēng)、沙塵暴監(jiān)測(cè)為例開展天氣診斷類衛(wèi)星遙感應(yīng)用產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)的探究工作。

2 典型性天氣診斷類應(yīng)用產(chǎn)品

2.1 臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)

臺(tái)風(fēng)，作為世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，因?yàn)槠湓斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，給民眾的生活造成了相當(dāng)程度的影響。臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)是有效減輕臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響的關(guān)鍵，而海上臺(tái)風(fēng)的監(jiān)測(cè)則主要依賴于氣象衛(wèi)星的觀測(cè)。利用靜止氣象衛(wèi)星時(shí)間分辨率高的優(yōu)勢(shì)，可以確定臺(tái)風(fēng)的初生和中心位置，估算其強(qiáng)度和移向移速，判斷其登陸時(shí)間、地點(diǎn)以及暴雨范圍[3](圖1a)。利用極軌氣象衛(wèi)星的被動(dòng)微波資料可以獲取臺(tái)風(fēng)溫度、 濕度三維結(jié)構(gòu)，計(jì)算大風(fēng)的影響半徑和強(qiáng)降水區(qū)面積[4](圖1b)。同時(shí)，風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)(微波散射計(jì))還可以準(zhǔn)確獲取臺(tái)風(fēng)之下洋面風(fēng)速、風(fēng)向信息[5](圖1c)。

2.2 沙塵暴監(jiān)測(cè)

圖1：衛(wèi)星臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)圖像

圖2：SMART沙塵日數(shù)(a)和頻次(b)產(chǎn)品示意圖

中國是一個(gè)沙塵暴多發(fā)的國家，也是一個(gè)深受沙塵暴之害的國家。沙塵暴會(huì)造成房屋倒塌、火災(zāi)、交通供電受阻或中斷等，會(huì)造成自然環(huán)境的污染和作物生長的破壞，會(huì)造成國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全嚴(yán)重的損失和極大的危害。氣象衛(wèi)星遙感資料已經(jīng)成為監(jiān)測(cè)沙塵暴活動(dòng)的有力工具，特別是極軌氣象衛(wèi)星豐富的多光譜信息一直被中外科學(xué)家廣泛的用于沙塵暴監(jiān)測(cè)。各種算法集成到衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)(SMART)中，可以生成沙塵面積、沙塵頻次、沙塵能見度等產(chǎn)品(圖2a-b)[1]。

3 系統(tǒng)組成分析

天氣診斷類遙感應(yīng)用產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)子系統(tǒng)由二、三維GIS的天氣診斷信息可視化顯示模塊、天氣診斷信息虛擬現(xiàn)實(shí)可視化模塊、天氣診斷信息增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化模塊、臺(tái)風(fēng)診斷三維可視化培訓(xùn)模塊、沙塵暴診斷三維可視化培訓(xùn)模塊組成，如圖3所示。

3.1 二、三維GIS的天氣診斷信息可視化顯示模塊

二、三維GIS的天氣診斷信息可視化顯示模塊，以二、三維GIS為基礎(chǔ)，結(jié)合天氣診斷數(shù)據(jù)特點(diǎn)，進(jìn)行可視化顯示。二維GIS氣象信息可視化顯示模塊是一套基于地信系統(tǒng)擴(kuò)展開發(fā)的可視化模塊。業(yè)務(wù)系統(tǒng)首先加載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點(diǎn)和連接對(duì)象，并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的組件用戶數(shù)據(jù)設(shè)置，通過調(diào)用二維氣象信息可視化組件的程序開發(fā)接口將其標(biāo)繪在地圖上。在標(biāo)繪過程中，二維氣象信息可視化模塊需要加載圖標(biāo)庫定義，并且根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的調(diào)用，標(biāo)繪出正確的類型。

3.2 天氣診斷信息虛擬現(xiàn)實(shí)可視化模塊

針對(duì)天氣診斷的虛擬場(chǎng)景特點(diǎn)，對(duì)天氣診斷的相關(guān)設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)可視化模擬。利用VR設(shè)備創(chuàng)設(shè)出多維度結(jié)合的視聽可動(dòng)手交互的使用體驗(yàn)，模擬出更立體逼真的場(chǎng)景。用戶只需戴上VR設(shè)備，就可以身臨其境體驗(yàn)到與現(xiàn)實(shí)一樣的情境，身臨其境般感覺，揮手即可觸碰到，可以進(jìn)入特定氣象環(huán)境的虛擬情境享受真實(shí)感與立體感較強(qiáng)的體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)氣象信息的展示功能。

3.3 天氣診斷信息增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化模塊

針對(duì)天氣診斷的虛擬場(chǎng)景特點(diǎn)，對(duì)天氣診斷的相關(guān)設(shè)備、環(huán)境、數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化模擬，將圖形圖像以及聲音等計(jì)算機(jī)生成信息“疊加”在學(xué)員感知的真實(shí)世界之上，利用輔助信息增強(qiáng)學(xué)員對(duì)天氣診斷相關(guān)真實(shí)場(chǎng)景的感知能力。

3.4 臺(tái)風(fēng)診斷三維可視化培訓(xùn)模塊

臺(tái)風(fēng)三維云分布結(jié)構(gòu)及移動(dòng)路徑疊加。采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高分辨率不規(guī)則空間多邊面體的構(gòu)建方式，將臺(tái)風(fēng)云分布用多面體的方式進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的可視化展示。多面體的頂點(diǎn)由臺(tái)風(fēng)三維云監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，使可視化的效果隨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化而實(shí)時(shí)變化。多面體運(yùn)行在三維的GIS系統(tǒng)之上，根據(jù)經(jīng)度、緯度、高程真實(shí)的定位在GIS系統(tǒng)上。可以通過立體投影的體驗(yàn)式顯示方式，給人身臨其境的體驗(yàn)。 通過觸摸或者體感方式，進(jìn)行時(shí)間軸的控制，可以實(shí)現(xiàn)按照時(shí)間序列顯示臺(tái)風(fēng)三維云移動(dòng)路徑動(dòng)畫，可以逼真的呈現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)過程中的三維結(jié)構(gòu)變化等，人機(jī)交互自然高效。

臺(tái)風(fēng)水平環(huán)流和垂直風(fēng)場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)（環(huán)流圈）。系統(tǒng)需要支持臺(tái)風(fēng)的二、三維流線的生成和顯示，對(duì)風(fēng)場(chǎng)信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)走向的可視化。通過追蹤二維粒子和三維粒子來反映臺(tái)風(fēng)隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)過程。可以通過觸摸的方式進(jìn)行放縮、平移、旋轉(zhuǎn)等操作，進(jìn)行環(huán)流圈的詳細(xì)查看和研判。

臺(tái)風(fēng)溫度場(chǎng)三維分布（暖心結(jié)構(gòu)）、臺(tái)風(fēng)濕度場(chǎng)三維分布（包括水汽輸送）、臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)三維分布。溫度、濕度、氣壓屬于標(biāo)量數(shù)值，學(xué)員可以自己設(shè)置變量，從而更好的分析臺(tái)風(fēng)內(nèi)部信息，同時(shí)也可以通過水平、垂直和任意平面剖面等值線圖，獲知變量在高度層的分布情況。可以采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式，先將臺(tái)風(fēng)的視頻顯示在GIS系統(tǒng)之上，通過疊加標(biāo)簽的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方式，實(shí)現(xiàn)三維分布信息可視化顯示。

3.5 沙塵暴診斷三維可視化培訓(xùn)模塊

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的沙塵暴三維展示，并加入人機(jī)交互操作實(shí)現(xiàn)沙塵暴發(fā)生、發(fā)展及消亡過程的模擬，通過可視化分析，從而提高沙塵和沙塵暴的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的沙塵暴三維形態(tài)模擬，是利用氣象衛(wèi)星資料中給出的沙塵暴發(fā)生地域、沙塵暴影響范圍及高度等參數(shù)，使用粒子系統(tǒng)和沙塵貼圖模擬沙塵暴，使可視化的效果隨監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化而實(shí)時(shí)變化。粒子系統(tǒng)運(yùn)行在三維的GIS系統(tǒng)之上，根據(jù)經(jīng)度、緯度、高程真實(shí)的定位在GIS系統(tǒng)上。可以通過立體投影的體驗(yàn)式顯示方式，增強(qiáng)用戶的真實(shí)感體驗(yàn)。可以通過觸摸或者體感方式，進(jìn)行時(shí)間軸的控制，可以實(shí)現(xiàn)按照時(shí)間序列顯示沙塵暴發(fā)生、發(fā)展及消亡過程中的三維結(jié)構(gòu)變化等，獲得自然高效的人機(jī)交互。

4 小結(jié)與展望

圖3：天氣診斷類遙感應(yīng)用產(chǎn)品三維可視化培訓(xùn)系統(tǒng)組成圖

通過本文研究，力求為建設(shè)一種表現(xiàn)力強(qiáng)，信息表達(dá)明確的，高交互性、高體驗(yàn)性的三維可視化和人機(jī)交互展示系統(tǒng)提供可行的技術(shù)方案，對(duì)臺(tái)風(fēng)、沙塵暴的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空維度可控的三維立體可視化表達(dá)。通過該技術(shù)方案能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)直觀的掌握臺(tái)風(fēng)的三維云分布結(jié)構(gòu)、臺(tái)風(fēng)水平環(huán)流和垂直風(fēng)場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)（環(huán)流圈）、臺(tái)風(fēng)溫度場(chǎng)三維分布（暖心結(jié)構(gòu)）、臺(tái)風(fēng)濕度場(chǎng)三維分布（包括水汽輸送）、臺(tái)風(fēng)氣壓場(chǎng)三維分布、臺(tái)風(fēng)三維云結(jié)構(gòu)疊加移動(dòng)路徑的動(dòng)畫演示。能夠利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的沙塵暴三維演示，通過加入人機(jī)交互操作實(shí)現(xiàn)沙塵暴發(fā)生、發(fā)展及消亡過程的模擬，同時(shí)進(jìn)行可視化分析，從而提高沙塵和沙塵暴的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)水平。最終使得臺(tái)風(fēng)和沙塵暴信息的表達(dá)更加豐富，可以有效促進(jìn)培訓(xùn)效益的大幅度提升。