三维可视化的天气诊断类卫星遥感应用产品培训系统建设

荆国栋 邹立尧 崔颖 牛宁

（中国气象局气象干部培训学院 北京市 100081）

1 背景和意义

气象卫星是对大气层进行气象观测的人造卫星。具有范围大、及时迅速、连续完整的特点，并能把云图等气象信息发给地面用户。风云三号气象卫星是为了满足中国天气预报、气候预测和环境监测等方面需求建设的第二代极轨气象卫星，旨在获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。目前气象卫星遥感应用主要集中在对台风、暴雨、寒潮等天气系统的监测，以及火情、水情、雪情等环境与灾害监测方面[1]。浙江大学CAD&CG国家重点实验室与中国气象局国家卫星气象中心合作，开发了一个新的全球尺度三维大气数据可视化系统，AVIS。该系统支持各种密度场、向量场、张量场和非空间数据的可视化，同时特别设计了适用于大气数据的球面体绘制和混合绘制方法[2]。由此可见，三维可视化技术在气象领域有着巨大的应用前景。

当前，中国气象局已初步建立了基于风云三号气象卫星的专业培训基础框架，面对新形势、新任务，系统建设已经取得了一定的效果。在针对国内的气象业务人员的卫星气象培训中，为天气预报人员、遥感工作人员、县级综合岗人员和非气象专业的气象业务人员提供了大量的培训机会。针对国外的气象业务人员的卫星气象培训也做了大量的工作，每年举办国际卫星班，学员多来自第三世界国家，内容涉及到各类卫星产品在天气分析、环境监测以及数值模式等领域中的应用。为更好地的发挥建设效益，实现面向行业面向国际的网络教育培训需求，亟需进一步建设完善卫星培训系统。本文将以台风、沙尘暴监测为例开展天气诊断类卫星遥感应用产品三维可视化培训系统建设的探究工作。

2 典型性天气诊断类应用产品

2.1 台风监测

台风，作为世界上最严重的自然灾害之一，因为其造成了巨大的经济损失，给民众的生活造成了相当程度的影响。台风监测是有效减轻台风灾害影响的关键，而海上台风的监测则主要依赖于气象卫星的观测。利用静止气象卫星时间分辨率高的优势，可以确定台风的初生和中心位置，估算其强度和移向移速，判断其登陆时间、地点以及暴雨范围[3](图1a)。利用极轨气象卫星的被动微波资料可以获取台风温度、 湿度三维结构，计算大风的影响半径和强降水区面积[4](图1b)。同时，风场测量雷达(微波散射计)还可以准确获取台风之下洋面风速、风向信息[5](图1c)。

2.2 沙尘暴监测

图1：卫星台风监测图像

图2：SMART沙尘日数(a)和频次(b)产品示意图

中国是一个沙尘暴多发的国家，也是一个深受沙尘暴之害的国家。沙尘暴会造成房屋倒塌、火灾、交通供电受阻或中断等，会造成自然环境的污染和作物生长的破坏，会造成国民经济建设和人民生命财产安全严重的损失和极大的危害。气象卫星遥感资料已经成为监测沙尘暴活动的有力工具，特别是极轨气象卫星丰富的多光谱信息一直被中外科学家广泛的用于沙尘暴监测。各种算法集成到卫星监测分析与遥感应用系统(SMART)中，可以生成沙尘面积、沙尘频次、沙尘能见度等产品(图2a-b)[1]。

3 系统组成分析

天气诊断类遥感应用产品三维可视化培训子系统由二、三维GIS的天气诊断信息可视化显示模块、天气诊断信息虚拟现实可视化模块、天气诊断信息增强现实可视化模块、台风诊断三维可视化培训模块、沙尘暴诊断三维可视化培训模块组成，如图3所示。

3.1 二、三维GIS的天气诊断信息可视化显示模块

二、三维GIS的天气诊断信息可视化显示模块，以二、三维GIS为基础，结合天气诊断数据特点，进行可视化显示。二维GIS气象信息可视化显示模块是一套基于地信系统扩展开发的可视化模块。业务系统首先加载业务数据库中的节点和连接对象，并结合系统运行时的组件用户数据设置，通过调用二维气象信息可视化组件的程序开发接口将其标绘在地图上。在标绘过程中，二维气象信息可视化模块需要加载图标库定义，并且根据业务系统的调用，标绘出正确的类型。

3.2 天气诊断信息虚拟现实可视化模块

针对天气诊断的虚拟场景特点，对天气诊断的相关设备、环境进行虚拟现实可视化模拟。利用VR设备创设出多维度结合的视听可动手交互的使用体验，模拟出更立体逼真的场景。用户只需戴上VR设备，就可以身临其境体验到与现实一样的情境，身临其境般感觉，挥手即可触碰到，可以进入特定气象环境的虚拟情境享受真实感与立体感较强的体验实现气象信息的展示功能。

3.3 天气诊断信息增强现实可视化模块

针对天气诊断的虚拟场景特点，对天气诊断的相关设备、环境、数据进行可视化模拟，将图形图像以及声音等计算机生成信息“叠加”在学员感知的真实世界之上，利用辅助信息增强学员对天气诊断相关真实场景的感知能力。

3.4 台风诊断三维可视化培训模块

台风三维云分布结构及移动路径叠加。采用数据驱动的高分辨率不规则空间多边面体的构建方式，将台风云分布用多面体的方式进行虚拟现实的可视化展示。多面体的顶点由台风三维云监测数据驱动，使可视化的效果随监测数据变化而实时变化。多面体运行在三维的GIS系统之上，根据经度、纬度、高程真实的定位在GIS系统上。可以通过立体投影的体验式显示方式，给人身临其境的体验。 通过触摸或者体感方式，进行时间轴的控制，可以实现按照时间序列显示台风三维云移动路径动画，可以逼真的呈现台风的运动轨迹、运动过程中的三维结构变化等，人机交互自然高效。

台风水平环流和垂直风场的三维结构（环流圈）。系统需要支持台风的二、三维流线的生成和显示，对风场信息进行分析，实现流场走向的可视化。通过追踪二维粒子和三维粒子来反映台风随着时间变化而产生的运动过程。可以通过触摸的方式进行放缩、平移、旋转等操作，进行环流圈的详细查看和研判。

台风温度场三维分布（暖心结构）、台风湿度场三维分布（包括水汽输送）、台风气压场三维分布。温度、湿度、气压属于标量数值，学员可以自己设置变量，从而更好的分析台风内部信息，同时也可以通过水平、垂直和任意平面剖面等值线图，获知变量在高度层的分布情况。可以采用增强现实的方式，先将台风的视频显示在GIS系统之上，通过叠加标签的增强现实方式，实现三维分布信息可视化显示。

3.5 沙尘暴诊断三维可视化培训模块

利用卫星遥感数据结合地面观测数据，实现数据驱动下的沙尘暴三维展示，并加入人机交互操作实现沙尘暴发生、发展及消亡过程的模拟，通过可视化分析，从而提高沙尘和沙尘暴的监测预报水平。

数据驱动下的沙尘暴三维形态模拟，是利用气象卫星资料中给出的沙尘暴发生地域、沙尘暴影响范围及高度等参数，使用粒子系统和沙尘贴图模拟沙尘暴，使可视化的效果随监测数据变化而实时变化。粒子系统运行在三维的GIS系统之上，根据经度、纬度、高程真实的定位在GIS系统上。可以通过立体投影的体验式显示方式，增强用户的真实感体验。可以通过触摸或者体感方式，进行时间轴的控制，可以实现按照时间序列显示沙尘暴发生、发展及消亡过程中的三维结构变化等，获得自然高效的人机交互。

4 小结与展望

图3：天气诊断类遥感应用产品三维可视化培训系统组成图

通过本文研究，力求为建设一种表现力强，信息表达明确的，高交互性、高体验性的三维可视化和人机交互展示系统提供可行的技术方案，对台风、沙尘暴的监测和预报要素数据进行时空维度可控的三维立体可视化表达。通过该技术方案能够实现动态直观的掌握台风的三维云分布结构、台风水平环流和垂直风场的三维结构（环流圈）、台风温度场三维分布（暖心结构）、台风湿度场三维分布（包括水汽输送）、台风气压场三维分布、台风三维云结构叠加移动路径的动画演示。能够利用卫星遥感数据结合地面观测数据，实现数据驱动下的沙尘暴三维演示，通过加入人机交互操作实现沙尘暴发生、发展及消亡过程的模拟，同时进行可视化分析，从而提高沙尘和沙尘暴的监测预报水平。最终使得台风和沙尘暴信息的表达更加丰富，可以有效促进培训效益的大幅度提升。