航海气象信息图形可视化研究

王 军，李邵喜

(1.黑龙江省航道局;2.大连海事大学航海学院)

航海气象信息图形可视化研究

王 军1，李邵喜2

(1.黑龙江省航道局;2.大连海事大学航海学院)

气象图形显示是一种现代化的天气预报手段，为了提高航海气象信息在海上安全与环境保护方面的指导作用，在分析气象图形投影与坐标转换关键问题的基础上，提出气象图形与电子海图图形可视化叠加方法，研究气象信息图形可视化算法，研究表明该处理方法能有效提高航海气象信息的分析和决策能力，具有一定的参考价值。

航海气象;电子海图;地图投影;坐标变换;气象图形显示

气象图形是天气分析的重要工具之一，气象图形可视化是一种现代化的天气预报手段。在航海气象业务中，常常需要将气象数据生成气象图形并叠加在电子海图平台上进行信息处理。气象图形经过不同的处理后，在计算机上进行可视化表达是有差异的，这与所选择的投影方式和坐标变换有本质的联系，选择最优的地图投影方法与进行准确的坐标变换是气象图形正确显示的关键。随着计算机图形处理技术在气象领域的广泛使用，传统的二维静态气象图形已发展为三维动态图形，为此，大量的气象数据资料都需要进行图形显示，而复杂的气象图形显示可以通过可视化技术来实现。

1 航海气象信息图形投影与坐标变换

在气象图形绘制中，是将物体空间的直角坐标系变换到图形空间的直角坐标系。因此，要在屏幕上绘制出以球坐标系表示的图形，先要通过地图投影的方法把球面数据变换到平面直角坐标系中，再进行相应的变换，建立球面上的点和屏幕坐标之间相对应的关系。

1.1 气象图形的地图投影法

不同的投影方式具有各不相同的变形特征。天气图的投影要求，首先要保证形状和方向正确，其次是保证面积正确。常用天气图底图有:南北半球天气图、中纬度区域天气图和热带低纬度天气图。天气图底图的投影方式主要有以下几种。

(1)墨卡托柱面投影

墨卡托柱面投影的气象图形主要应用于低纬度地区的热带天气分析。直角坐标系的原点取在 (，0)处，90°E 为y轴(从低纬指向高纬)，赤道为x轴(从西指向东)，d为格点距，则经、纬度坐标(λ，φ)与直角坐标(x，y)转换关系式为

(2)兰勃特正形圆锥投影

兰勃特正形圆锥投影的气象图形主要应用于中纬度地区的天气系统分析。取球面上一点为P(λ，φ0)原点，90°E为y轴(从低纬指向高纬)，与φ0纬线相切的直线为x轴，d为格点距，投影的标准纬度 φ1=30°N，φ2=60°N，则经纬度坐标(λ，φ)与直角坐标(x，y)转换关系式为其中

(3)极射赤面投影

极射赤面投影的气象图形主要应用于高纬度地区的大气环流分析。设标准纬度为φ'，地球半径为R，d为格点距，其经纬度坐标(λ，φ)与直角坐标(x，y)转换关系式为

1.2 气象图形显示的坐标变换方法

地图投影是将地球球面上的点和屏幕坐标建立相对应的关系，但计算机屏幕坐标和气象图形网格坐标是有差异的，需要对所显示的气象图形作进一步变换。坐标平移、坐标旋转和坐标缩放是气象图形显示的基本变换方法，借助于这三种变换方法可以将气象图形上的任一基本图形元素转换并显示到计算机屏幕上。

气象图形中是矢量场、环流和各种物理量向量的分布，都可以通过这三种坐标变换在计算机屏幕上显示出来。任何一个气象图形都是由若干特征点连接而成，如风羽的画法、规则曲线(圆、椭圆等)和不规则曲线(气象等值线等)的绘制都是由若干点与线连接所组成。通过坐标变换可以将任何一种气象图形在空间中任意平移、缩放和旋转，构成代表多种气象意义的图形组合。

2 航海气象信息图形的可视化表达

气象信息图形表达是利用计算机对气象数据的可视化表现来增强人们对这一抽象信息的认知。可视化技术简化了人们对复杂实体和对象的认知过程，但对特定的海洋地理空间或与之相关的特征和现象，其本质和规律的科学揭示必须借助于海洋地理特征的表达。依据海洋环境特征的描述方式，气象信息图形的可视化可分为静态图和趋势动态图两种表达方式。

借助于色彩与符号的变化，或依时间序列有序地展示，可以真实再现海洋气象特征随时间的变化趋势或演变过程。在复杂的海洋气象环境中，图形的可视化表达是通过点要素、线要素和面要素等组合完成的。

(1)点要素

点要素是一种最简单的信息数据，由空间坐标和若干地理属性特征组成。它的变化是指空间与属性信息的变化，一般用运动线法表示，也可采用不同颜色或不同形状的符号来表示同一点要素在不同时刻的空间位置。

(2)线要素

线要素变化一般用不同线型表示，线的结构确定不同的线状，线的形状确定构成符号的线型。根据视觉变量理论，线状信息表达={坐标，线型，线宽，颜色}，其中坐标是确定图案在符号坐标系里的位置;线型是基本线型图案的样式，如直线、圆、曲线等;线宽是信息可视化表达符号的宽度;颜色为RGB(红、绿、蓝)的颜色。

3 航海气象信息图形显示的计算机实现

气象图形显示是利用气象数据模型抽象来的信息在气象信息表达模型的支撑作用下，利用计算机程序语言将气象动态信息以图形形式显示来进行天气状态分析和趋势判断。实现计算机气象图形屏幕显示的主要过程有以下几步。

(1)设想预期达到的显示效果

首先需要明确所要显示气象图形的特征、物理意义及精确度要求等，然后决定采用何种方法实现这一过程。以制作热带气旋路径及统计路径出现概率为例，该图形具有明确的天气意义，热带气旋中心的确定，如给出当前实况的位置或预报未来24 h和48 h的可能位置，都是以经纬度来表示的，因此对热带气旋定位的精确度要求很高，运用科学运算方法和可视化技术很容易达到目的。

(2)构建数据与属性模型

(3)编写程序及调试运行

气象信息图形需要利用计算机程序语言来实现数据模型，将抽象出来的气象信息变成计算机识别的信息，利用气象信息的表达模型在计算机程序语言支持下形成图形并进行可视化显示。如绘制台风预报图的程序有4个步骤，即设计主程序、编写程序、检查与修改图形、调试及显示图形。

下图展现了气象数据与电子海图数据的有效叠加效果图。用点要素来描述台风移动路径。

4 结束语

航海气象信息图形显示是一个复杂的图形应用处理过程，虽然目前有很多气象图形处理软件(如GrADS、NCAR、Surfer等)可以完成复杂的气象图形转换，但其转换原理和方法是不公开的，故对于应用系统功能的内嵌是无法实现的。随着各种智能化预报系统的开发以及遥感卫星、天气雷达等大量的图形数据资料在气象业务和科研工作中的广泛应用，气象图形可视化技术的应用前景将会越来越广阔。

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