地面气象观测数据三维可视化技术研究

刘岗+张军+邹小龙

摘要：气象预报对于工业农业生产、人民的日常生活以及国家安全都有着直接的影响，准确对灾害性天气进行预报可以减少社会经济损失以及人员伤亡情况，因而必须要重视气象观测数据获取，提高数据的收集和分析处理的技术水平，以满足人们生产生活不断提高的气象观测数据量和数据更新速度的要求。针对于此本文就地面气象观测数据的三维可视化技术的相关问题进行了研究。

關键词：气象观测数据 ；三维可视化技术； 地面观测

气象情况的准确预测对于气象观测数据的获取具有较高的依赖性，而目前现行的很多气象观测平台无法实现数据的三维可视化，无法适应当前社会发展对于气象观测的要求。因而必须要开发相应的数据层可以叠加和可视化，操作简单可行，数据可视化处理效率高的专门针对地面自动气象站观测数据的可视化系统，这也是本文进行研究的主要目标。

一、可视化处理方案

1.1气象数据预处理

为了实现气象观测数据的可视化，首先必须要对通用的文本格式的数据进行预处理，以确保其可以顺利转化为图形。在数据的预处理中需要将文本格式的点气象观测数据映射为计算机图形学可以识别和处理的点、线、面等几何要素和流向量、流线等属性元素，从而使VTK可视化系统可以根据这些数据的特征对其进行识别。预处理之后原本的的文本数据变成了空间网格结构的数据形式。这种网格结构显示的数据具有不连续性、近似离散性和可量化的特征，气象观测数据在预处理中被分成了排列规则且相互邻接的矩形方块。网格组织结构中地面气象观测数据表示的是相应地面现象和气象的非几何属性特征。以四川省某时间段内数个观测站的地面气象观测数据为例，包括风向、空气温度、风速、湿度、土壤温度以及观测站的经纬度坐标等12类的实时数据，并对这些数据进行了可视化处理。其中数据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图边缘相应的拓扑结构进行经度和纬度的划分后采用网格化的形式，其中每个月天数对应相应的空间纬度。数据预处理中将土壤温度、空气温度、相对湿度以及降水量这些标量数据和3-D风向矢量数据进行转换，为了确保在VTK可视化后可以对数据进行准确的提取还需要对数据转换文件的名字进行标记。。预处理后数据保存形式为：标量数据四个分别为降水量、空气温度、相对湿度和土壤温度；两个矢量数据为风向矢量数据和网格拓扑数据；网格结构按照纬度数*经度数*每月天数的形式划分。网格内任意区域的数据都可以进行处理。

2.2分层数据可视化设计

本文研究的地面气象观测数据的可视化处理过程中数据分层结构包括风向层、降水量层、温度层、风路径图层以及地图层等等，以确保可以满足不同的气象观测数据分析对于各类气象要素单独显示或者是综合显示的要求，不同层次的数据都有其特定的读取函数，用户在使用时可以通过相应函数的输入对任意时间段的气象数据要素进行读取，于此同时该系统还具有分层数据透明度调节的功能，满足了用户对于单独的数据层或者几种数据层组合读取的需求。

地图层数据采用*.jpg格式，位于可视化数据层的最底层，类似于采用文理映射原理的平面。地图类型的选择较为多样，为了对气象数据进行直观的显示，坐标方式采用从左至右、从东到西、从纬度到经度的方式。地图曾网格轮廓的边缘坐标可以通过内部插值进行计算。在地图层数据的显示中预处理数据网格结构坐标是否准确会对可视化的实际效果产生深刻的影响。温度层数据也是采用网格结构进行显示，平面区域呈现多边性，数据层的颜色会根据温度数据的变化而发生变化，温度由低至高颜色由紫变红。为了提高其可视化效果用户可以通过对温度轮廓线的调节对该数据层的透明度和颜色进行调整。降水量采用矩形杆的数据表示方式，相对湿度层则采用颜色编码实现可视化。为了对不同地区的风向和风力强度进行准确的表示使用VTK中的VTKHedgeHog进行三角锥矢量的生成。

二、气象数据可视化效果分析

通过VS2008软件和VTK可视化工具包的使用，在此基础上进行性VTK_MFC地面自动气象观测数据可视化系统的开发和设计。该系统的可视化效果可以充分满足认为对于气象观测的要求，对传统的文本格式的气象数据进行了转化，使其成为了直观形象的可视化的三维数据，这与简单的二维数值显示或者是色彩映射数据模式存在本质的区别，此外该系统还具有操作简单方便的优势。

地面气象观测数据三维可视化系统主要包括可视化模块和数据预处理模块两大部分，其中大多数气象数据可以在预处理模块中进行初步的数据转换，而空气、土壤温度、降雨量以及湿度等气象数据的显示工作可以在可视化模块完成，于此同时该系统还具有强大的交互功能，根据用户的不同需求可以进行数据的单独或者是综合显示，此外还可以对相关页面进行放大、缩小、旋转等处理。该系统的气象数据处理效率较高，四川省19个监测站一个月的数据预处理时间仅需要3s左右，数据的可视化渲染时间不超过4s，因而该系统具有较强的适用性和良好的应用前景。

结束语：综上所述，该地面气象观测数据三维可视化系统可以实现当前社会对于气象数据处理的基本要求，系统交互性较强，且效果形象展示逼真，操作也较为方面。但是受到可视化气象数据种类的限制，观测数据的处理方面还存在一定的不足。在日后的应用中可以通过三维地图的采用、气象数据种类的增多以及三维形式的空气温度数据呈现方式，对地面气象观测数据可视化系统的丰富性和可用性进行增强。

参考文献

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[2]张庆华. 基于802.11n无线传感器网络的巷道人员定位技术研究[J]. 中国安全生产科学技术，2016（04）