气象卫星产品三维可视化培训系统预研综述

崔颖　杨睿　赵阳　张颂惟

摘 要：本文针对气象部门培训体系的特点，以及气象卫星产品三维可视化培训系统建设的需求。梳理并总结了可视化技术方面的相关知识，重点介绍了可视化技术在气象领域的应用。

关键词：三维可视化 气象卫星产品 气象培训 远程教育

在计算机学科的分类中，可视化是指利用人眼的感知能力对对数据进行交互的可视表达以增强认知的技术。它将不可见或者难以直接显示的数据转化为可感知的图形、符号、颜色、纹理等，增强数据识别效率，传递有效信息。[1]近年来，随着计算机虚拟仿真、增强现实等技术的發展，可视化技术的应用越来越广泛，可视化技术越来越多地被应用到教育培训领域。

一、气象卫星产品三维可视化培训系统建设意义

针对气象现代化发展迅速、基层台站高度分散、工学矛盾突出的特点，远程教育被大力推广。为适应卫星气象业务发展和技术进步需要，根据不同业务的培训特点和需求，针对培训内容的时效性和重要程度等要求，及时开展面向管理人员、业务人员的各类远程培训，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，对气象卫星产品中包含的数据进行时空维度可控的三维立体可视化表达，是一种行之有效的方法。通过该技术可以动态、直观、多层次地掌握气象数据信息，使得气象信息的表达更加丰富，从而有效促进培训效益的大幅度提升。

通过气象卫星产品三维可视化培训系统建设能够全方位动态、直观、多层次展示气象卫星产品等重要培训内容。后续能够依托专业3D数字显示技术、高性能图形计算技术和三维可视化技术，根据培训需求进一步加强气象卫星应用相关的高集成度可视化培训系统研发。为更好地开展项目建设，本文针对气象部门培训体系的特点，对气象卫星产品三维可视化培训系统建设开展预研。

二、可视化技术

可视化技术按照应用领域分类，可视化技术的两个分类也可以称为科学模拟可视化和信息可视化。

科学可视化是可视化领域最早、最成熟的一个跨学科研究与应用领域。面向的领域主要是自然科学，如物理、化学、气象气候、航空航天、医学、生物等各个学科，这些学科通常需要对数据和模型进行解释、操作与处理，旨在寻找其中的模式、特点和关系以及异常情况。[1]

信息可视化处理的对象是抽象的、非结构化数据集合（如文本、图表、层次结构、地图、软件、复杂系统等）。传统的信息可视化起源于统计图形学，又与信息图形、视觉设计等现代技术相关。 。[1]

三、可视化技术在气象领域中的应用

前文中提到科学可视化主要面向气象气候、航空航天、医学、生物等自然科学。因此，在进行气象卫星产品三维可视化培训系统研究时，主要对科学可视化技术进行梳理和总结。

可视化方法多种多样，在气象学中最常用的可视化方法是颜色映射、几何形状映射、流线、等值线、等值面以及体绘制方法。其中，数据可视化的时候，我们的视觉系统能感知到的最常见的两种状态一个是颜色一个是形状，所以最常用的可视化方式就是颜色映射及几何形状映射。如图1（a）所示，是气象工作中经常见到的一种图，显示了今年夏天全国降水量距平百分率的分布情况，根据颜色不同来表示降水量距平百分率，可以非常直观看到今年全国的降水情况。

几何形状映射就是通过这种形状来映射数据，图1（b）绘制的是全球湿度的分布和随时间变化的过程。用云这一形状来表示湿度的分布，通过云的深浅表示湿度的大小，从而非常直观地看到全球湿度的变化。

本文主要研究如何气象卫星产品进行三维可视化，三维可视化是一种利用计算机技术，再现三维世界中的物体，并能够表示三维物体的复杂信息，使其具有实时交互的能力的一种可视化技术，其核心技术是体绘制方法。体绘制的优点体现在可以把全局绘制出来，用户可通过传输函数来调节感兴趣的区域，根据密度值、温度值去调节不同的密度点和温度点的权重来控制观察区域，这种可视化方法可显示更多的信息。其缺点则是计算量大。

目前，相关三维可视化技术和理论体系比较完善，在生物、医学、地质、大气等领域已有很多成功的应用。三维可视化技术在气象领域也有很好的应用前景，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]

结语

本文梳理并总结了可视化技术方面的相关知识，重点介绍了可视化技术在气象领域的应用，从而把握气象卫星产品三维可视化培训系统建设的要求和方向，为今后气象卫星产品三维可视化培训系统建设工作的开展提供更扎实的理论基础。

参考文献

[1]陈为，沈则潜，陶煜波.数据可视化[D].电子工业出版社，2013.

[2]梅鸿辉，陈海东，肇昕等.AVIS全球尺度三维大气数据可视化系统[J].软件学报，2016.