空气质量预测数据的三维雾化展示技术

付红彬 张志敏

(广东省环境信息中心，广州 510308)

空气质量预测数据的三维雾化展示技术

付红彬 张志敏

(广东省环境信息中心，广州 510308)

在国家“863”项目“重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范项目”的研究中，通过利用DirectX3D编程技术将体积雾与体纹理技术进行创造性结合，实现了空气质量预测数据的三维雾化展示。本文主要阐述了此研究的背景、研究过程、技术要点及研究成果。

NetCDF；可视化；DirectX3D；空气质量预测；体绘制

1．研究背景

“十一五”期间，广东省环境信息中心承担了“863”项目“重点城市群大气复合污染综合防治技术与集成示范项目”（以下简称“项目”）的子课题《区域大气环境综合管理和辅助决策系统》的研究开发工作，子课题的目标是将其他子课题的研究成果进行信息集成与可视化，以期让研究成果能够落地到实际的环境管理工作中。空气质量预测数据三维雾化展示技术是在中科院大气所的空气质量预测模型的研究成果基础上，实现将模型的计算结果进行三维雾化方式的可视化渲染，并与广东省环境保护厅现有的3DGIS系统进行集成展示的研究过程与方法。

2．研究目标

空气质量预测模型生成一种国际通用的NetCDF数据格式，数据描述了一个三维空间分割为很多规则的小立方体，每个小立方体具有二十多个污染物属性，这些属性随时间变化。在实际的研究中，小立方体在XY方向宽度为3×3km，Z方向按海拔不等，高度从100m到1km不等，覆盖了整个珠江三角洲区域，每次运算出来的数据文件约为10Gbytes，这种三维立体的时序变化数据集的理想展示方法是使用一个具有雾化效果的立方体动画来展示。

在目前的可视化研究领域中，已有一些软件实现了对NetCDF格式的数据进行可视化展示，但是大多都是以二维展示为主，比如从数据集中提取一个平面或者截面的数据进行等值线图、颜色渐变图或者颜色分级图的方式进行展示，甚至将时间序列生成GIF动

画，但是这些方式不能够充分表达空气质量预测数据的空间整体性，况且这些软件许多都是基于专业的商业软件，不能实现多用户的互动可视化，也很难与现有的GIS平台集成。在这种情况下，需要寻找一种新的三维可视化展示方法，不但能够实时地展现空气质量预测数据在三维空间上的分布效果，而且能够按照时间序列实现动画效果。

3．技术路线

实现空气质量预测数据的三维可视化研究需要借助于三维图形编程接口，目前，实现三维图形编程接口主要有DirectX3D和OpenGL两种选择，DirectX3D与OpenGL在性能方面的差别不大，OpenGL的优势在于跨平台，而在Windows平台下DirectX3D由于基于COM技术以及各大硬件厂商的支持得到了更广泛的应用，另外，微软公司Silverlight 和WPF技术都是源于DirectX3D，能够与这两种技术更好地结合。为了能够与《区域大气环境综合管理和辅助决策系统》进行集成，课题组采用DirectX3D作为三维图形编程接口来实现空气质量预测数据的可视化研究工作。

在DirectX3D中，三维渲染技术主要包括粒子渲染技术、体积雾渲染技术、体纹理渲染技术，在对几种技术进行了实验对比的基础上，发现粒子渲染技术可以用来描述粒子本身在三维空间中的产生、运动与消亡，并不适用于NetCDF这种已经具有固定分割的三维数据集的展示。

体积雾的效果能够很好地表现雾化效果，但其颜色是将视线通过雾体的厚度作为参数的线性函数进行实时计算得到的，并不能直接用来表现已经计算好的NetCDF数据集，如果能将体积雾的函数计算方法替换为从NetCDF数据集中获得数据，从而利用空气质量预测数据值作为颜色累加的参数，这样的渲染结果就能够表达出整个空气质量预测数据。而体纹理渲染技术刚好具有表现既定数据的能力，如果将NetCDF数据集转换为体纹理数据，那么在进行体积雾渲染时通过获得对应位置的体纹理信息就可以表达其污染物信息，从而很好地表达空气质量预测数据的三维雾化效果。

4．研究过程与技术要点

（一）数据预处理

要将渲染结果在3DGIS系统中进行集成展示，需要将NetCDF的数据做一定的预处理工作，包括空间坐标系的统一以及体纹理数据格式的转换。

首先要进行坐标系转换，3DGIS系统使用WGS1984麦卡托投影，需要将NetCDF数据的兰伯特投影坐标系变换成WGS1984坐标系，由于多维数据集不是GIS数据，不能使用现有地理信息系统的投影变换功能，需要编写变换算法。预测模型一经确定，其坐标系一般是不会经常改变的，因此，坐标变换可以通过将网格在两个坐标系的坐标按照其对应关系来进行替换的方式实现，这样就可以快速地实现将NetCDF的数据映射到3DGIS的坐标系中。

其次要将NetCDF格式的空气质量预测数据集转换成体纹理格式。NetCDF是一种自解释格式，按照时间对每一个变量进行分块存储，可以快速提取单个时间点的数据内容，再按照一定颜色映射方法将数值转换成颜色值，然后存储为体纹理数据格式，供体纹理渲染使用，考虑到系统的业务化运行，转换程序必须以服务的方式运行，实现自动化的转换过程，在新的NetCDF数据生成后能够自动进行转换。此外，在体纹理转换中还需要考虑空气质量预测数据与体纹理颜色的自定义映射，实现可以通过参数来实现不同的污染物映射为不同的颜色体系。

（二）渲染过程

体积雾结合体纹理的雾化渲染算法流程如图1所示，为了计算视线穿越空气质量预测模型体的最大距离，首先要渲染出正向面深度图和背向面深度图，把距离作为光线前进循环采样控制的结束依据，当光线前进累加结果大于这个距离值了，就说明光线已经出了绘制体，可以结束循环了。然后在顶点着色程序中计算顶点位置和射线方向，射线方向由视线方向和点的坐标决定，射线方向也可以放在片段着色程序中进行计算。转换过程中最关键的地方是循环纹理采样、合成，每一次循环都要计算新的采样纹理坐标和采样距离，然后进行颜色合成和透明度累加，如果采样距离超过了最大穿越距离，或者透明度累加到1，则循环结束，然后将合成得到的颜色值渲染到场景中。

在渲染过程中需要注意几个关键环节：

一是光线投射的颜色值计算，其算法可以分类为光线投射与光线跟踪两种，两者的计算原理类似，但是具体方法有区别，光线投射方法是从图像的一点出发，沿视线方向发射一条光线，光线穿越整个渲染区域，对视线穿越过小立方体对应的体纹理序列进行采

样，获取颜色信息，再通过光线吸收模型将颜色值进行累加，直至光线穿越整个渲染区域，最后得到的颜色值就是该视线位置的渲染颜色，光线跟踪算法中需要叠加计算光线的反射和折射现象，不进行色彩的累计，只考虑光线和几何体相交处的情况，而光线投射算法，只考虑颜色的累计，不进行射线和物体的求交判断。由于空气质量预测数据的展示场景中，除了一个模型体之外没有其他的物体，因此，在实现过程中只考虑光线投射算法就足够了。

二是光线吸收模型的处理，光线穿过物体的时候都会有吸收和反射的过程，因此在计算时需要考虑每个体素对光线的吸收发射分布情况，在研究中使用了吸收和发射模型来实现，可以实现较真实的模拟效果，这是因为不仅要考虑现实雾的光线吸收效果，还要考虑空气质量预测数据所要表现的三维物体本身还是一个有颜色的发光体，只有这样才能体现出来不同信息的颜色差别。

三是颜色合成算法，透明度本质上代表着光穿透物体的能力，光穿透一个物体会导致波长比例的变化，如果穿越多个物体，则这种变化是累加的。所以，透明物体的渲染，本质上是将透明物体的颜色和其后物体的颜色进行混合，这被称为Alpha 混合技术。GPU编程实现Alpha 混合技术的公式为：C0 = AsCs + (1− As )Cd ，其中，As 表示透明物体的透明度，Cs 表示透明物体的原本颜色，Cd表示目标物体的原本颜色，C0则是通过透明物体观察目标物体所得到的颜色值。如果有多个透明物体且具有不同的透明度，通常需要对物体进行排序，将射线穿越纹理的过程作为采样合成过程，是从前面到背面进行排序，也可以反过来从背面到前面排序，这两种方式得到的效果是不太一样的，由于在此渲染的目标是一个整体，不需要考虑多个透明物体的叠加，所以只考虑Alpha融合方法就可以满足要求。

（三）渲染结果

将整个渲染结果叠加到3DGIS系统中，得到了空气质量预测数据的三维雾化展示效果。可以看出雾化效果颜色过渡自然、团雾效果明显，用户通过地图控制工具实现模型的放大、缩小、俯仰、旋转操作，可以很直观地看到污染物在三维空间中的聚集分布情况，如图2所示。

（四）时间维可视化

由于空气质量预测数据在渲染中预先转换成了体纹理来表现预测值信息，所以在时间上的表现可以用体纹理替换技术来实现交互动画方式的随时间变化过程。纹理替换技术就是预先将NetCDF数据集中的每

个时间点的每个污染源属性值转换为一个体纹理数据文件，按时间序列加载相应的体纹理数据进行渲染，就可以获得连续起来的动画效果。

5．研究结论

通过体积雾与体纹理结合的方式实现的三维雾化效果可以较好地展示NetCDF格式的空气污染预测数据集，将渲染结果与3DGIS系统进行无缝集成能够更好地表达空气中污染物在三维空间中的分布情况，这种方法作为一种可行的三维可视化展示技术，达到了课题研究的目标，也可以为其他应用领域提供借鉴。

[1] Russ Rew,Glenn Davis,Steve Emmerson,Harvey Davies. NetCDF fortran 90 Interface Guide[Z]. Boulder∶ Unidata Program Center,2005.

[2] 查石祥.NetCDF数据格式的编程式访问[J].气象科技，2004，32（增刊）：40-43.

中国上市公司环境责任调查启动

2014年4月10日上午，由中国环境新闻工作者协会主办的“2014年中国上市公司环境社会责任调查活动”启动仪式，在环保部对外合作中心举办。来自环保部、发改委和证监会的有关领导出席了启动仪式。中国环境新闻工作者协会秘书长刘国正，介绍了“2014年中国上市公司环境社会责任调查活动”的目的意义和主要内容。

刘国正说：我国的环境形势依然十分严峻，粗放的生产、生活方式，使我国的经济社会发展面临能源、资源紧缺和污染加剧的双重约束，生态文明建设面临严峻挑战。

党中央、国务院高度重视生态文明建设和环境保护。党的十八大以来，习近平总书记对生态文明建设和环境保护提出了一系列新思想、新论断、新要求，为进一步加强环境保护，建设美丽中国，走向生态文明新时代，指明了前进方向。党的十八届三中全会通过的《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》，要求紧紧围绕建设美丽中国，深化生态文明体制改革，加快建立生态文明制度，健全国土空间开发、资源节约利用、生态环境保护的体制机制，推动形成人与自然和谐发展现代化建设新格局。今年以来，习近平总书记多次治理雾霾、保护生态环境、节水治水等作出指示；李克强总理在今年的《政府工作报告》中强调，要坚决向污染宣战。这些，都表明了党中央、国务院防治污染的坚强决心。

建设生态文明，保护环境，仅仅依靠党和政府的重视是不够的，还需要企业在生产过程中大力防治污染，还需要加强公众参与的力度，加强公众对企业环境行为的监督。公众参与环境保护的一个重要前提，就是环境信息的公开。中国上市公司是国内众多企业中的佼佼者，有责任带头履行环境社会责任。

中国环境新闻工作者协会2014年继续开展“中国上市公司环境社会责任调查活动”，一是为了深入了解中国上市公司履行环境社会责任的状况；二是为了督促上市公司将环境意识融入企业文化，切实履行环境责任；三是为了督促上市公司建立环境责任报告制度，定期向社会披露企业环境信息，并逐步提高披露质量，便于各级监管部门和其他利益相关者及公众充分了解企业相关信息；四是为了带动其他企业共同履行环境责任，并自觉发布环境信息。

2013年11月，中国环境新闻工作者协会向社会发布了《首届（2012年）中国上市公司环境责任信息披露评价报告》，引起强烈的社会反响。2014年的调查活动，将继续委托北京化工大学低碳研究中心撰写《2013年中国上市公司环境责任信息披露评价报告》。同时，在总结上届活动的基础上，将增加赴上市公司实地调研的内容，旨在通过调研活动发现和总结上市公司履行环境责任的先进典型，督促存在差距的上市公司接受社会公众监督，完善履行环境责任的内部机制，采取积极措施保护环境。调查活动办公室还将设立活动官网，收集和发布来自媒体和环保部门的有关上市公司环境行为的信息，发布历届上市公司环境责任信息披露报告，逐步为每个上市企业建立环保信息档案。下半年，中国环境新闻工作者协会还将适时向社会发布《2013年中国上市公司环境责任信息披露评价报告》。

Study on the 3D atomization display technology of the air quality forecast data

Fu Hongbin Zhang Zhimin
（Guangdong Environmental Information Center，Guangzhou 510308）

In the research of“863”project“Synthesized Prevention Techniques for Air Pollution Complex and Integrated Demonstration in Key City-Cluster Region”, by using DirectX3D programming to creatively combine the Volumetric Fog and Volumetric Texture technology, the three-dimensional atomization data display of air quality forecast was achieved. This article mainly expounded the background, process, key technologies and achievements of the research.

NetCDF；DirectX3D；visualization；volume rendering；air quality forecast

X51

A

1674-6252（2014）02-0054-04

付红彬（1973—），男，河南人，高级工程师，从事环境信息研究及应用工作.