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三维地理信息系统在气象探测中的应用初探

发布时间:2013.05.30 17:45      来源:超图通讯     作者:中国气象局气象探测中心 孟昭林

      随着现代气象探测技术和社会经济的快速发展,大量新型气象探测系统网络完成了初步的建设和部署,具有典型代表性的是中国新一代天气雷达网基本完成了初期计划建设雷达158部的目标,此外计划还需要增加至200余部,为天气监测分析提供了大量的雷达探测数据。此外,综合气象观测系统还建有地面自动观测、高空探测网组成的常规观测系统,以及气象卫星、雷电、GPS/MET、风廓线、土壤湿度等探测系统。概括而言,气象观测正从地面的点观测为主,逐步向空间遥感探测方向发展。各种气象探测新技术、新方法获得的大量空间气象观测资料,仅在二维空间进行分析研究已经不能充分反映天气特征,需要从真实地理空间的视角对多种资料进行综合分析研究。
      现代计算机技术、体视化(Volume Visualization)技术以及三维地理信息技术(3D GIS)等技术的飞跃发展,为进行气象探测数据的三维可视化分析提供了可能。对气象探测数据进行体视化是气象探测数据分析技术的一个重要发展方向,可以使人们从抽象思维分析走向形象思维分析。
      为了实现从相对真实的三维地理空间透视天气现象,综合分析研究天气结构特征,中国气象局气象探测中心与北京超图软件有限公司合作,开展了以集成三维地理信息系统及气象探测数据三维可视化分析技术为主要创新点的气象探测检验分析系统(简称MOTAS)的研究开发和技术探索工作。

研究基础 
     从国内外开展气象探测数据可视化应用现状看,国内开发的气象信息综合分析处理系统MICAPS,提供了强大的气象数据可视分析能力,在国内天气预报领域得到广泛应用,其主要提供各种气象要素的二维空间可视化分析能力,满足日常天气分析预报业务需要。
       国内也有些气象要素三维体视化技术的研究成果。其中之一就是由国家气象中心与超图软件公司合作开发的气象地理信息系统(MeteoGIS)平台。由于该平台基于SuperMap GIS平台软件进行定制,使得该平台不仅具备了SuperMap强大而又专业的GIS数据管理和分析能力,而且具备支持大量常用的气象专业数据格式和气象专业分析的能力。其中,基于SuperMap Realspace技术,定制了气象三维应用平台MG 3D产品,具备了较强的气象数据三维可视化能力。本项目就是基于MG 3D的基础上,针对气象探测应用的具体需求进行了深度的扩展和定制。
国际上,美国开展气象探测数据可视化方面,走在世界前列,开发了很多气象应用和研究分析系统,例如AWIPS、VIS5D、IDV、AVS、等等,这些系统不仅可以提供二维可视化分析能力,有些还提供了强大的三维体视化分析能力。

技术分析
       1. 数据特点
       气象探测数据相对于地理信息数据具有显著不同的特征。气象探测数据最显著的特点是具有很高的时态变化性,数据更新周期很短,可以达到分钟级;其次是空间范围大,特别是高度空间范围大,空间密度高;此外还有数据种类多,数据量大的特点;最后,很多资料是三维体数据而不是平面数据,或者体现在不仅有标量数据,还有风场矢量数据,等等。
气象探测数据的这些特点,表明气象探测数据迫切需要进行三维可视化分析。不过气象数据处理分析可视化技术比较复杂,在三维地理空间上进行气象数据的可视化分析的技术更加复杂。因此,开发该系统具有一定挑战性,需要逐步完成,不断完善。
       2. 技术实现 
      基于计算机图形学实现三维体视化主要有三种技术:等值面体绘制(Isosurface)、实体绘制(Volume Rendering)和粒子系统仿真(Particle Systems)。 
      通过研究实践表明,等值面体绘制是非常适合气象探测行业,通过分析体数据生成一个给定数值的等值面体,生成一个天气结构轮廓特征。主要是满足精度需求低、速度性能要求高的情况。
      实体绘制是通过渲染技术把气象要素生成一个实心物体,利于整体分析天气结构。适合空间尺度比较小,对处理性能要求不太高的情况。对于大空间范围气象数据分析的情况不太适合。
     粒子系统仿真主要根据物理模型仿真绘制具有真实感的物体形态,粒子系统是公认的生成模拟不规则物体最成功的方法。比较适合构建云雾、雾霾污染仿真效果。
     二维标量气象要素场主要需要等值线、填色等值线分析等。遥感气象要素需要栅格化处理。
     风矢量要素需要流场分析能力。风标是一种重要天气符号,在二维空间中的上北下南左西右东规则,在三维地理空间完全不适用,必须特殊处理。 
    此外,气象要素体视化分析,还需要一些特别的控制技术,这些技术对于直观透视天气结构特征非常实用。
a. 多层等值面体绘制,通过选择不同颜色和透明度,绘制多个特定数值的等值面体,可以有效分析不同天气现象结构特征,方便研究各种强天气现象的形态特征,是透视分析天气结构特征的有效手段之一。
b. 多要素综合等值面体绘制,绘制指定气象探测要素一个具体数值的等值面体分析,是用单色表示等值面,可以结合高度等信息用不同色彩进行绘制,把高度色彩与要素等值面体综合输出,可以为天气监测提供更直观丰富信息。
c. 实体绘制过滤控制,将气象探测要素数据,绘制成一个由多种颜色组成的实体,可以通过控制彩色表,定制气象要素过滤范围,以便更好地展示天气结构特征。
d. 三维数据剖切控制,以便从不同侧面观察天气现象,透视其内部结构特征。

实例效果
这里将展示部分三维可视化技术用于气象要素分析,透视天气结构特征的效果。
图1  数值模式气象要素等值面体分析

1. 风速与相对湿度等值面体分析
图1是根据三维数值模式分析产品,绘制的风速(青色)和相对湿度(黄色)等值面体。展示了风速带分布以及水汽分布特征。
2. 天气雷达多层等值面体分析
图2是2013年3月20日16时广州雷达探测的强风暴云体结构,图中分别以10dBZ(青色)和30dBZ(红色)等值面体绘制的地理空间云体,在图中心(红色部分)的东莞地区有强对流天气发生,伴有鸡蛋大小冰雹灾害,图中透视了强对流云体结构。
图2  2013年3月20日 广州雷达探测的强风暴云体结构

3. 多要素综合等值面体分析
图3是数值模式分析的2011年8月6日台风云体结构,采用多要素综合等值面体分析控制技术绘制,以等值面体形式展示云分析结果,同时结合颜色区分高度,强调云体高度特征分布,台风结构更加清晰可见。
图3  云分析多要素综合等值面体

4. 二维气象要素综合显示
图4是用等值线、填色等值线、流线多种形式综合显示的分析产品。综合叠加分析各种气象要素,更有利于了解天气结构。

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