氣象雷達資料三維顯示技術探索

石璞欣

摘要：以氣象雷達的體掃數據為基礎，在三維空間中等距格點化探測結果，后借助WebGL三維繪圖技術，探索如何在瀏覽器中清晰友好的展示信息。

關鍵詞：雷達數據處理;前臺技術;WebGL;人機交互

氣象雷達的應用在氣象探測領域已經非常普及，其基本原理是：雷達發射的電磁波預到空氣中的介質，如云滴、雨滴，會發生散射現象，這些散射波中又會有部分返回雷達方向，被雷達天線接收，我們根據收到反射波的強度和時間就可以得出介質的密度和距離，根據反射波的頻率變化（多普勒效應）就可以得出介質的相對移動速度。

雷達每一次發射電磁波的探測范圍為一個非常小角度的錐形，類似于手電筒的照射范圍，為了探測完整的空域，雷達需要不斷的調整方位角和上仰角度進行掃描式探測。雷達系統會將一次全空域的探測結果輸出為一個“體掃文件”，其中完整記錄了每個方位角和仰角的探測結果。

由此可見雷達探測的范圍實際上是大氣的三維空間，相對的，氣象站是地面上的點，衛星是投射的面，可謂雷達數據更全面更詳細，使它已經成為最重要的探測數據之一。

但當前所廣泛使用的雷達產品還都是二維平面展示為主，難以將其三維探測的結果全面直觀的展現給用戶。這里就雷達數據在瀏覽器中使用WebGL三維繪圖技術進行展示的方式進行探索。

1雷達數據預處理

雷達探測到的數據可以看作是三維空間中非均勻分布的離散的點的集合，描述每個點的坐標系采用的是相對雷達所在地的方位角、仰角、距離，故以雷達為中心，探測數據密度會呈隨距離增加而減小的放射狀分布，而非均勻分布。為了視覺統一性和多雷達拼圖顯示，就需要統一解析度，將“體掃文件”數據等距柵格化。同時又為了可以直觀的表現數據區域，為雷達產品疊加地理信息背景，我們就需要將相對于雷達位置的數據坐標系轉換至地理信息的投影坐標系中。

明確了預處理需求，就可以確定具體的處理步驟了：首先需要將雷達體掃源數據的各個有效點的坐標轉換到地理信息投影的目標坐標系中備用，然后確定最終顯示的解析度，注意這里不同于通常的平面顯示，需要考慮在高度層上的解析精度，最后使用第一步準備好的數據通過插值算法求得每個精度點上的值，這樣我們就在顯示坐標系中得到了一個均勻分布的雷達數據集。

關于插值算法，是在離散數據的基礎上補插連續函數，使得這條連續曲線通過全部給定的離散數據點的數學方法，當前應用較廣的插值算法有linear，nearest，cubic三種，結果不盡相同，應在實際應用中測試選定。

2三維渲染技術

這里我們選擇的三維顯示技術是基于Web網頁瀏覽器中的WebGL3D繪圖技術。

2.1 WebGL的優勢

首先，WebGL的顯示環境載體是HTML的canvas對象，也就是在網頁瀏覽器中顯示的，所以他也就具備了網頁端應用的所有優勢，如：對客戶端設備的廣泛兼容性、程序版本升級的便捷性、用戶終端低廉的設備和人力運維成本等。

其次，WebGL是OpenGL的瀏覽器版本，有著專業、完整、可控的3D渲染通道流程，并且可以調用客戶端設備的顯卡進行實時渲染，可謂功能強大且無需服務器提供渲染算力。

2.2 WebGL的三維渲染

三維場景的渲染不同于平面，需要模擬真實三維空間的成像過程，所以我們需要使用多個步驟（函數）來定義詳細的環境狀態。

視口：可以理解為瀏覽器界面上用于顯示最終結果的區域。這里我們需要定義其長高的像素大小，為了保真顯示，一般將其設為canvas對象的大小。

場景：一個虛擬的三維坐標系。用于定位放置各類三維對象。

實體對象：三維空間中的模型對象。數量無限制，在這里可以詳細定義每個可能置于場景中的物體或粒子的形狀、材質、顏色、漫反射/高光反射/法線反射等貼圖屬性。

光源對象：模擬現實中的光源，作用于場景中的一種三維對象。自身不可見，但根據其設置的照射方向、強度、擴散度使實體對象表現出不同的效果，如果場景中沒有光源對象，大多數材質的實體對象都是無法顯示的。

攝像機對象：也是需要放置于場景中的一種三維對象。同樣自身不可見，用于定位渲染時使用的視角坐標、朝向、視角廣度等。

渲染器：也叫著色器，根據上面各項所設置的環境，計算并渲染出目標三維空間在攝像機中的二維投影。

通過上面幾個步驟，我們就完成了一張三維圖片的渲染顯示。但我們需要的并不僅僅是一張靜態的圖片，而是要在用戶的操作下可以進行動態交互顯示的。這就涉及實時三維動畫的基本方法—— 循環渲染。實驗證明人類眼睛有視覺停留特性：如果靜態圖片的切換速度大于24幀每秒，就會感覺畫面在運動，所以我們可以使用JavaScript的requestAnimationFrame方法不斷的循環調用渲染器重新渲染畫面，并在每次渲染前對場景中的實體、光源或攝像機對象進行調整，就產生了流暢的三維動畫效果。

3氣象雷達數據三維顯示方式

3.1 基礎整體顯示

平面雷達（拼）圖的顯示方式，有特定高度層（舍棄其他高度層信息）和全高度層最大值（將高度信息塌陷到平面）兩種顯示方式，且都使用純色色標表示強度。

雖然將使用三維技術渲染雷達數據，但其最終結果仍是以二維平面形式顯示，就如同現實生活中無法但從一個視角了解一個物品的全部信息，所以必須要提供一個視角可調的交互功能。經過測試，由用戶控制攝像機位置坐標和朝向的傳統交互方式體驗較差。為了可以快捷的從各個方向查看目標區域的狀態，將用戶可控的攝像機變量設置為需查看目標的中心坐標點（由鼠標所指位置確定）、攝像機相對于目標點的距離（由鼠標滾輪調整）、攝像機相對于目標點的方位（由鼠標左鍵拖動控制）。

另外為了解決純色色標系統導致的后方信息遮擋問題，可以提供多種渲染材質選擇，如根據強度大小設置為不同密度的云霧粒子對象標識數據。

3.2 刨面數據顯示

根據不同的業務需求，刨面方式一般分為垂直刨面、水平高度層刨面、航路刨面。為了避免信息遮擋，應當對非刨面數據進行隱藏或大幅降低透明度操作。同時刨面上的數據顯示也應擁有一定透明度，以保證背景地理信息等輔助資料的可見性，提高用戶的空間感知體驗。

另外應發揮三維顯示的優勢，允許用戶可控刨取面的厚度，這樣可以更直觀的讓用戶了解到核心區域被影響的范圍。

3.3平面化顯示兼容

三維雷達數據顯示現階段并沒用通用產品在業界被廣泛的應用，考慮到用戶使用習慣，應當向下兼容傳統的二維平面顯示習慣的產品分類：

1.CAPPI產品。即特定高度的雷達強度回波，可以將水平刨面圖，使用垂直俯視視角進行平面投影即可獲得等效產品。

2.MAX產品。即特定區域最強回波圖投影，只需將視角調整至所需方向，將數據按強度最大值進行遮擋式渲染即可。

3.速度圖。這類產品的顯示渲染方式和強度類產品相同，將強度回波更換成速度回波的源數據即可實現。

4擴展和展望

上文只是從基本實現角度探討了氣象雷達數據的三維顯示方式。但從三維的展示可能性上出發，還有很大的發展空間，可能提供全新的展示方式。如：

數據強度顯示閾值可調性。強度低于一定值的回波特地的業務需求無影響，如飛機航行、降水、能見度影響的需求都不盡相同。

預置路徑（航線）模擬行進。為用戶提供一個直觀的對其行程造成影響的感受。

時間軸動畫。提供一個基于時間軸的雷達探測數據或外推預報數據的三維動畫展示功能。

產品輸出功能。根據用戶查詢條件，可以將結果輸出為通用位圖會動畫產品。

相信隨著三維顯示模式逐漸業務化普及化，還將發展出更多便捷直觀的顯示方式。