CN106383965A - 一种三维数值大气可视化支撑*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维数值大气可视化支撑***，***中的数据监控模块接收各气象及相关资料等，并将各资料中外部气象数据分别发送至数据预处理模块及数据库存储模块；数据预处理模块对各资料中的基础气象数据进行解析，并对动态数据进行压缩及加密，以及对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接；气象数据可视化模块对各气象等相关数据等进行可视化配置；数据管理模块对可视化数据进行编辑操作；数据发布模块对数据库存储模块中的可视化数据进行发布、设置通信协议及数据更新操作。本发明实现了三维数值大气海量数据的可视化显示，同时能够准确且方便在***中对三维大气进行研究、交互可视化分析及编辑等，为三维大气提供了可靠且方便的研究及分析平台。

Description

一种三维数值大气可视化支撑***

技术领域

本发明涉及大气数据可视化领域，具体涉及一种三维数值大气可视化支撑***。

背景技术

气象数据具有多源性、多维性、数据量大和多尺度特征等特点。由于不同地空环境具有不同的物理属性,且其空间尺度、时间跨度呈现多样性,在这类复杂地空环境下仿真多源大气信息加剧了大气信息处理的难度，对其建模更显挑战性与重要性。研究和开发三维时变的大规模大气数据可视化***成为当务之急。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，关系数据库已有较成熟的理论技术和广泛的应用，并行计算架构以及GPU和其用于通用计算的技术的出现和发展为通过GPU集群进行大规模气象数据处理和实时可视化的研发提供了强有力的支持。

气象信息种类繁多，数据规模庞大，而根据气象信息的地理属性，需要在统一信系中整合不同可视化方法来满足各种各样的应用需求。从地理信息开发的角度来看，必须有一个高效且易于扩展的地理信息可视化平台，这个平台与领域之间具有低耦合度，可以通过层次化、组件的架构满足扩展性和通用性需求。从气象领域来看，在此平台上搭建的气象数据可视化平台可以提供更加直观的数据分析和展示，给予气象工作人员极大的帮助，也可以作为一个向大众普及气象科学的平台。

因此，如何涉及一种高效且易于扩展的地理信息可视化***，是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种三维数值大气可视化支撑***，实现了三维数值大气海量数据的可视化显示，同时能够准确且方便在***中对三维数值大气进行研究、交互可视化分析及编辑等，为三维数值大气提供了可靠且方便的研究及分析平台。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种三维数值大气可视化支撑***，所述***包括：

数据监控模块、数据预处理模块、气象数据可视化模块、数据库存储模块、数据管理模块及数据发布模块；

所述数据监控模块，用于接收卫星云图资料、融合资料、仿真资料、预报资料、反演资料及常规台站资料，并将各所述资料中外部气象数据分别发送至所述数据预处理模块及所述数据库存储模块；

所述数据预处理模块，用于对各所述资料中的基础气象数据进行解析，并对各所述资料中的动态数据进行压缩及加密处理，以及对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接，得到预处理后的各类数据，并将预处理后的各类数据发送至所述气象数据可视化模块；

所述气象数据可视化模块，用于对全球地形地貌数据、标量场数据、矢量场数据及多属性数据场进行可视化配置，并将可视化数据发送至所述数据库存储模块；

所述数据管理模块，用于对所述数据库存储模块中的可视化数据进行拾取、剖切、浏览、删除或导出操作；

所述数据发布模块，用于对所述数据库存储模块中的可视化数据进行发布、设置通信协议及数据更新操作。

进一步的，所述数据预处理模块包括：基础气象数据解析单元、动态数据压缩及传输单元、云图镶嵌单元及数据发送单元；

所述基础气象数据解析单元，用于对各所述资料中的基础气象数据进行解析；

所述动态数据压缩及传输单元，用于对各所述资料中的动态数据进行压缩及加密处理；

所述云图镶嵌单元，用于采用基于模板的镶嵌羽化处理技术，对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接；

所述数据发送单元，用于将预处理后的各类数据发送至所述气象数据可视化模块。

进一步的，所述基础气象数据解析单元包括：数据读取子单元及数据解析子单元；

所述数据读取子单元，用于读取所述数据监控模块发送的基础气象数据；

所述数据解析子单元，用于根据所述基础气象数据，基于金字塔模式组织气象数据，并设置金字塔模式下的所述基础气象数据的编码原则。

进一步的，所述基于金字塔模式组织气象数据中，金字塔模式的起始顶点的经度为-180°且纬度为90°，并按照256*256方格的形式进行划分；级别由低到高分为1至19级且当原始图像分辨率小于1级图像分辨率时，图像为0级。

进一步的，所述动态数据压缩及传输单元包括：渐进传输策略子单元、异步/半异步通信体系架构搭建子单元及数据加密子单元；

所述渐进传输策略子单元，用于建立面向带宽自适应的多维时空数据流方式渐进传输策略，实现一体化气象卫星数据的渐进传输；

所述异步/半异步通信体系架构搭建子单元，用于通过服务器集群提供可扩展的数据传输服务，搭建面向服务器集群的多用户并发的异步通信体系架构，建立基于半同步/半异步线程池模型的服务器传输框架，以支持大规模用户并发请求；

所述数据加密子单元，用于根据适用于网络快速传输中的多维时空数据加密算法，对不同类型的多维时空数据进行加密处理，实现数据传输的隐蔽。

进一步的，所述气象数据可视化模块实现了基于DEM数据的全球地表可视化并支持不同细节层次的DEM数据加载，所述气象数据可视化模块包括：并行可视化单元、全球地形地貌数据可视化单元、标量场数据可视化单元、矢量场数据可视化单元、多属性数据场的混合可视化单元及数据发送单元；

所述并行可视化单元，用于利用现有硬件及采用调度算法，实现基于CPU/GPU集群的并行可视化；

所述全球地形地貌数据可视化单元，用于根据视点的空间位置信息计算得到所需地表纹理的细节层次、根据当前视景体进行快速可见性去除不可见纹理数据块、通过墨卡托变换将地表纹理映射至地球表面及从实时百度公司提供的开放地图接口下载二维地图并显示，实现了对全球地形地貌数据进行可视化处理；

所述标量场数据可视化单元用于根据等值线、等值面、直接体绘制或切片绘制的可视化方法，利用新型球面体绘制方法，将球形作为代理几何，对所述标量场数据进行可视化处理，其中，标量场数据包括温度场、气压场、湿度场及云场数；

所述矢量场数据可视化单元用于根据箭矢图、流线或线积分卷积的传统矢量场可视化方法及粒子对流方法，用动画表达矢量场数据，对所述矢量场数据进行可视化处理；其中，粒子对流通过粒子在矢量场中的流动动画地表达某一时刻的矢量场数据，其中，矢量场数据包括风场及洋流场数据；

所述多属性数据场的混合可视化单元，用于对多属性数据场进行混合可视化处理；

所述数据发送单元，用于将并行可视化单元、全球地形地貌数据可视化单元、标量场数据可视化单元、矢量场数据可视化单元及多属性数据场的混合可视化单元中的可视化数据发送至所述数据库存储模块。

进一步的，所述全球地形地貌数据可视化单元包括：原始数据分层和分块子单元及地表数据分层和分块子单元；

所述原始数据分层和分块子单元，用于采用基于影像的LOD方式对原始数据进行分层和分块处理；

所述地表数据分层和分块子单元，用于在按照地表影像数据将地表分块和分层后，将地球整体的绘制则转化为地表分块集合的绘制；同时根据视点进行剪裁，只对视锥体内的相应地形分块选择适当的层级进行绘制；其中，采用静态完全四叉树，对地表分块进行组织。

进一步的，所述多属性数据场的混合可视化单元适用于场景中同时具有不透明几何体、半透明几何体和体绘制对象的应用情形，且所述多属性数据场的混合可视化单元包括：半透明物体提取子单元及混合可视化子单元；

所述半透明物体提取子单元，用于采用深度剥离技术来渲染大气场景中的半透明物体，经过多层渲染提取出多种半透明物体的不同层次的可视化结果；

所述混合可视化子单元，用于在深度剥离的结果的基础上按照片元的深度顺序实现几何、面、体的多属性混合，完成对所述多属性数据场的可视化处理。

进一步的，所述数据库存储模块包括：NAS存储单元及NOSQL数据库单元；

所述NAS存储单元，用于存储各所述资料中的外部气象数据；

所述NOSQL数据库单元，用于存储经处理后的可视化数据。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种三维数值大气可视化支撑***，实现了三维数值大气海量数据的可视化显示，同时能够准确且方便在***中对三维数值大气进行研究、交互可视化分析及编辑等，为三维数值大气提供了可靠且方便的研究及分析平台。保障三维场景的完整性与无缝性；探索高效的三维空间索引、动态调度与传输、多级缓存、数据一致性维护、在线实时更新等关键技术,实现了一个基于网络、支持交互可视化分析的三维气象时空信息服务***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一种三维数值大气可视化支撑***的结构示意图；

图2是本发明的可视化支撑***中的数据预处理模块20的结构示意图；

图3是本发明的可视化支撑***中的基础气象数据解析单元21的结构示意图；

图4是本发明的可视化支撑***中的动态数据压缩及传输单元23的结构示意图；

图5是本发明的可视化支撑***中的气象数据可视化模块30的结构示意图；

图6是本发明的可视化支撑***中的全球地形地貌数据可视化单元32的结构示意图；

图7是本发明的可视化支撑***中的多属性数据场的混合可视化单元35的结构示意图；

图8本发明的可视化支撑***中的数据库存储模块40的结构示意图；

图9本发明的具体实例中的***软件整体架构图；

图10本发明的具体实例中的***硬件架构图；

图11本发明的具体实例中的***业务逻辑关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

三维数值大气可视化支撑平台提供气象卫星监测数据、数值预报、融合产品、仿真及反演等数据的批量分析处理，结合多源气象数据动态建模、海量数据组织存储与管理、数据索引及缓存、数据一致性维护等关键技术，为全球三维大气可视化提供后台基础数据库、数据管理、调度等服务。

本***开发过程中形成的后端支撑平称为为TitanMeteor***软件V1.0。在数据接口方面，已完成与气象局多种业务数据包括静止气象卫星云图、T639预报数据、LAPS/GLAPS融合数据、仿真数据、反演数据、台站数据的***接入，同时还完成与三维可视化***数据接口对接；业务逻辑上完成了数据监控、数据处理、数据存储、数据发布等一系列软件开发工作，并在卫星中心机房环境中初步进行了各项功能和性能测试。

本发明的实施例一提供了一种三维数值大气可视化支撑***。参见图1，该可视化支撑***具体包括如下内容：

数据监控模块10、数据预处理模块20、气象数据可视化模块30、数据库存储模块40、数据管理模块50及数据发布模块60；

数据监控模块10用于接收卫星云图资料、融合资料、仿真资料、预报资料、反演资料及常规台站资料，并将各资料中外部气象数据分别发送至数据预处理模块20及数据库存储模块40。

在上述模块中，数据监控模块10用于接收外部气象数据，同时将接收的数据放入作业任务数据表及作业队列数据表中，再将作业任务数据表中的数据发送至数据预处理模块20，将作业队列数据表中的数据发送至数据库存储模块40进行后续处理。

数据预处理模块20用于对各资料中的基础气象数据进行解析，并对各资料中的动态数据进行压缩及加密处理，以及对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接，得到预处理后的各类数据，并将预处理后的各类数据发送至气象数据可视化模块30。

在上述模块中，数据预处理模块20从数据监控模块10中的作业任务数据表中接收数据，并对各种气象数据在ftp数据服务器的形态，需要关注的要素，服务器端气象文件来的批次，文件大小，数据的地理要素、数据块的大小(尺度)、所包含数据的时间信息、高度信息进行梳理。

气象数据可视化模块30用于对全球地形地貌数据、标量场数据、矢量场数据及多属性数据场进行可视化配置，并将可视化数据发送至数据库存储模块40。

在上述模块中，在进行气象数据解析和分析的过程中，为了验证数据解析的正确性，算法效果及程序可扩展性，对气象数据进行了部分可视化研究。主要包括原始图像、几何纠正、拉伸及伪彩色显示、透明叠加显示、多时相展示、等值线、等值面展示、全球及区域数据展示。与许多并行计算***(云计算、计算机仿真模拟)不同，本项目中并行可视化框架由于用户实时交互的介入，必须能实时响应用户操作，并快速得到结果。为了克服这个难点，简单地通过提高并行计算机集群的计算能力是不够的，更重要的是如何利用现有硬件，采用合适的调度算法，使并行框架可以满足实时性。此外，如何在允许多用户并发访问的同时最大限度的实现资源共享，从而减小数据库的访问压力，是另一大难点。该项目实现了资源管理器，线程调度等并性可视化核心模块。

数据管理模块50用于对数据库存储模块40中的可视化数据进行拾取、剖切、浏览、删除或导出操作。

数据发布模块60用于对数据库存储模块40中的可视化数据进行发布、设置通信协议及数据更新操作。

从上述描述可知，在构建平台的过程中，突破了气象卫星数据一体化定标、统一模式框架下的大气快速辐射传输模式构建、三维大气数据融合等气象卫星数据处理关键技术、复杂地空环境的多源数据动态建模、海量三维气象时空数据高效组织与管理、大规模场景简化与调度、气象数据三维可视化等大气信息可视化处理关键技术。在此基础上，通过集成攻关，实现软硬件之间、数据之间、各关键技术之间的无缝衔接。该平台将三维立体综合探测技术、数值预报技术、云图仿真模拟技术与GIS技术、三维信息显示技术有机结合，可为公众和预报员呈现更为全面、更为完整的全球三维立体大气信息，同时提高数据获取时效，改进了天气预报服务质量和水平，增强了全球天气气候监测服务能力。

进一步的，本发明的实施例二提供了上述数据预处理模块20的一种具体实现方式。参见图2，数据预处理模块20中具体包括如下内容：

基础气象数据解析单元21、云图镶嵌单元22、动态数据压缩及传输单元23及数据发送单元24；

基础气象数据解析单元21，用于对各资料中的基础气象数据进行解析；

云图镶嵌单元22用于采用基于模板的镶嵌羽化处理技术，对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接；动态数据压缩及传输单元23用于对各资料中的动态数据进行压缩及加密处理；

数据发送单元24用于将预处理后的各类数据发送至气象数据可视化模块30。

进一步的，本发明的实施例三提供了上述基础气象数据解析单元21的一种具体实现方式。参见图3，基础气象数据解析单元21中具体包括如下内容：

数据读取子单元211及数据解析子单元212；

数据读取子单元211用于读取数据监控模块10发送的基础气象数据；

数据解析子单元212用于根据基础气象数据，基于金字塔模式组织气象数据，并设置金字塔模式下的基础气象数据的编码原则。

其中，基于金字塔模式组织气象数据中，金字塔模式的起始顶点的经度为-180°且纬度为90°，并按照256*256方格的形式进行划分；级别由低到高分为1至19级且当原始图像分辨率小于1级图像分辨率时，图像为0级。

从上述描述可知，本***处理的气象数据种类包括遥感资料、融合资料、预报资料、仿真云图资料、反演产品资料以及常规资料。针对需要处理的气象数据进行了分析和整理，完成了各种数据读取、解析、转换、可视化。对各种气象数据在ftp数据服务器的形态，需要关注的要素，服务器端气象文件来的批次，文件大小，数据的地理要素、数据块的大小(尺度)、所包含数据的时间信息、高度信息进行梳理，建立了基于金字塔模式的气象数据组织方式。

进一步的，本发明的实施例四提供了上述动态数据压缩及传输单元23的一种具体实现方式。参见图4，上述动态数据压缩及传输单元23中具体包括如下内容：

渐进传输策略子单元231、异步/半异步通信体系架构搭建子单元232及数据加密子单元233；

渐进传输策略子单元231用于建立面向带宽自适应的多维时空数据流方式渐进传输策略，实现一体化气象卫星数据的渐进传输；

异步/半异步通信体系架构搭建子单元232用于通过服务器集群提供可扩展的数据传输服务，搭建面向服务器集群的多用户并发的异步通信体系架构,建立基于半同步/半异步线程池模型的服务器传输框架，以支持大规模用户并发请求；

数据加密子单元233用于根据适用于网络快速传输中的多维时空数据加密算法，对不同类型的多维时空数据进行加密处理，实现数据传输的隐蔽。从上述描述可知，基于网络的全球大气时空信息服务体系需要建立面向带宽自适应的多维时空数据流方式渐进传输策略，实现一体化气象卫星数据的渐进传输，并通过服务器集群提供高效的可扩展的数据传输服务，搭建面向服务器集群的多用户并发的异步通信体系架构，建立基于半同步/半异步线程池模型的服务器传输框架支持大规模用户并发请求的高效处理。通过适用于网络快速传输中的多维时空数据加密算法，对不同类型的多维时空数据进行加密处理，实现数据传输的隐蔽，提高多维时空数据在网络环境中传输的信息安全性。

进一步的，本发明的实施例五提供了上述气象数据可视化模块30的一种具体实现方式。参见图5，气象数据可视化模块30中具体包括如下内容：

气象数据可视化模块30实现了基于DEM数据的全球地表可视化并支持不同细节层次的DEM数据加载，气象数据可视化模块30包括：并行可视化单元31、全球地形地貌数据可视化单元32、标量场数据可视化单元33、矢量场数据可视化单元34、多属性数据场的混合可视化单元35及数据发送单元36；

并行可视化单元31用于利用现有硬件及采用调度算法，实现基于CPU/GPU集群的并行可视化；

全球地形地貌数据可视化单元32用于根据视点的空间位置信息计算得到所需地表纹理的细节层次、根据当前视景体进行快速可见性去除不可见纹理数据块、通过墨卡托变换将地表纹理映射至地球表面及从百度公司提供的开放地图接口下载二维地图并显示，实现了对全球地形地貌数据进行可视化处理；

标量场数据可视化单元33用于根据等值线、等值面、直接体绘制或切片绘制的可视化方法，利用新型球面体绘制方法，将球形作为代理几何，对标量场数据进行可视化处理，其中，标量场数据包括温度场、气压场、湿度场及云场数；

矢量场数据可视化单元34用于根据箭矢图、流线或线积分卷积的传统矢量场可视化方法及粒子对流方法，用动画表达矢量场数据，对矢量场数据进行可视化处理；其中，粒子对流通过粒子在矢量场中的流动动画地表达某一时刻的矢量场数据，其中，矢量场数据包括风场及洋流场数据；

多属性数据场的混合可视化单元35用于对多属性数据场进行混合可视化处理；

数据发送单元36用于将并行可视化单元、全球地形地貌数据可视化单元、标量场数据可视化单元、矢量场数据可视化单元及多属性数据场的混合可视化单元中的可视化数据发送至数据库存储模块40。

从上述描述可知，在进行气象数据解析和分析的过程中，为了验证数据解析的正确性，算法效果及程序可扩展性，对气象数据进行了部分可视化研究。主要包括原始图像、几何纠正、拉伸及伪彩色显示、透明叠加显示、多时相展示、等值线、等值面展示、全球及区域数据展示，保证了数据的有效且智能的存储。

进一步的，本发明的实施例六提供了上述全球地形地貌数据可视化单元32的一种具体实现方式。参见图6，上述全球地形地貌数据可视化单元32中具体包括如下内容：

原始数据分层和分块子单元321及地表数据分层和分块子单元322；

原始数据分层和分块子单元321用于采用基于影像的LOD方式对原始数据进行分层和分块处理；

地表数据分层和分块子单元322用于在按照地表影像数据将地表分块和分层后，将地球整体的绘制则转化为地表分块集合的绘制；同时根据视点进行剪裁，只对视锥体内的相应地形分块选择适当的层级进行绘制；其中，采用静态完全四叉树，对地表分块进行组织。

从上述描述可知，实现了根据视点的空间位置信息，快速计算所需地表纹理的细节层次，并根据当前视景体进行快速可见性判断，剔除不可见纹理数据块。实现了墨卡托变换，将地表纹理映射至地球表面。实现了国界、地区边界信息的可视化。为了帮助用户更加快速地、直观地定位和认识当前可见地球区域，实现了实时从百度公司提供的开放地图接口下载二维地图并显示。

进一步的，本发明的实施例七提供了上述多属性数据场的混合可视化单元35的一种具体实现方式。参见图7，上述多属性数据场的混合可视化单元35适用于场景中同时具有不透明几何体、半透明几何体和体绘制对象的应用情形，且具体包括如下内容：

半透明物体提取子单元351及混合可视化子单元352；

半透明物体提取子单元351用于采用深度剥离技术来渲染大气场景中的半透明物体，经过多层渲染提取出多种半透明物体的不同层次的可视化结果；

混合可视化子单元352用于在深度剥离的结果的基础上按照片元的深度顺序实现几何、面、体的多属性混合，完成对多属性数据场的可视化处理。

从上述描述可知，实现基于图标(如箭头等)，流线，纹理(线卷积积分方法)的向量场(如，风场)可视化算法攻关。

进一步的，本发明的实施例八提供了上述数据库存储模块40的一种具体实现方式。参见图8，上述数据库存储模块40中具体包括如下内容：

NAS存储单元41及NOSQL数据库单元42；

NAS存储单元41用于存储各资料中的外部气象数据；

NOSQL数据库单元42用于存储经处理后的可视化数据。

从上述描述可知，由于气象数据具有多批次、单次数据量大，更新频繁的特点，传统的关系型数据库存储气象数据时，必须要解决高并发读写、海量数据高效存储、高可扩展性和高可用性这些难题，而使用NOSQL数据库可有效解决海量数据存储。

为更进一步的说明，本发明还提供了一种三维数值大气可视化支撑***的一种应用实例。该可视化支撑***的应用实例具体包括如下内容：

(一)三维数值大气可视化支撑平台

三维数值大气可视化支撑平台提供气象卫星监测数据、数值预报、融合产品、仿真及反演等数据的批量分析处理，结合多源气象数据动态建模、海量数据组织存储与管理、数据索引及缓存、数据一致性维护等关键技术，为全球三维大气可视化提供后台基础数据库、数据管理、调度等服务。

本***开发过程中形成的后端支撑平称为为TitanMeteor***软件V1.0。在数据接口方面，已完成与中国气象局多种业务数据包括静止气象卫星云图、T639预报数据、LAPS/GLAPS融合数据、仿真数据、反演数据、台站数据的***接入，同时还完成了与三维可视化***数据接口对接；业务逻辑上完成了数据监控、数据处理、数据存储、数据发布等一系列软件开发工作，并在卫星中心机房环境中初步进行了各项功能和性能测试。

1.1***体系结构设计

***软件架构总共可以分为五个层次，包括：用户层、服务层、应用层、数据层、硬件层。如图9所示。

硬件层是支撑整个***运行的硬件环境，主要包括：计算机基础网络设施、数据库服务器、计算机主机设备、存储设备等，此部分运行环境位于气象中心业务网段内。

数据层包括卫星云图资料、融合资料、仿真资料、预报资料、反演资料及常规台站资料，通过接口对这些数据进行统一的接入、处理和存储。

应用层提供数据读取、几何校正、数据融合、数据金字塔、数据切片、高效压缩、数据编码、快速查询、数据更新、高效的任务调度算法、负载均衡算法、Gdal库和三维可视化客户端进行交互通讯和调度。

服务层主要提供数据管理、三维可视化、统计及分析等相关功能。

用户层提供专业用户和公共用户两种身份及相关权限、功能。

在进行***体系接口设计的同时，还确立了***软硬件架构设计。***架构如图10所示。

1.2功能模块开发

按照***功能需求，***分为数据监控、数据预处理、数据库存储、数据管理及数据发布模块，已完成相关模块的开发及内部测试工作。***业务逻辑关系图如图11所示。

已开发形成了TitanMeteor***软件，包括NAS及数据库存储子***(meteorC、meteorF)、数据预处理子***(meteorD、meteorP、meteorS、meteorW)、数据库服务子***、数据管理子***数据发布子***等，运行环境如表1所示。

表1 TitanMeteor***运行环境

1.3关键技术研究

(1)基础气象数据解析

本***处理的气象数据种类包括遥感资料、融合资料、预报资料、仿真云图资料、反演产品资料以及常规资料。针对需要处理的气象数据进行了分析和整理，完成了各种数据读取、解析、转换、可视化。

对各种气象数据在ftp数据服务器的形态，需要关注的要素，服务器端气象文件来的批次，文件大小，数据的地理要素、数据块的大小(尺度)、所包含数据的时间信息、高度信息进行梳理。

建立了基于金字塔模式的气象数据组织方式。金字塔数据的起始顶点为经度-180°，纬度90°。按照256*256方格进行划分；级别分级从1、2、3依次向后，最大级别为19；原始图像分辨率小于1级图像分辨率时，图像为0级；一级数据大小为512*256，即将全球数据等经纬划分为2个256*256的数据块；二级数据大小为1024*512，依次类推。

数据编码原则：从左至右、从上至下；级别为第一位、经度方向为第二位，纬度方向为第三位；经纬度编码从0开始起算；级别编码从1开始起算，0级为小于1级数据。文件命名方式为#####_level_lon_lat。

(2)海量动态数据的高效压缩传输技术

基于网络的全球大气时空信息服务体系需要建立面向带宽自适应的多维时空数据流方式渐进传输策略，实现一体化气象卫星数据的渐进传输，并通过服务器集群提供高效的可扩展的数据传输服务，搭建面向服务器集群的多用户并发的异步通信体系架构，建立基于半同步/半异步线程池模型的服务器传输框架支持大规模用户并发请求的高效处理。通过适用于网络快速传输中的多维时空数据加密算法，对不同类型的多维时空数据进行加密处理，实现数据传输的隐蔽，提高多维时空数据在网络环境中传输的信息安全性。

(3)全球静止星红外云图镶嵌拼接

对同一时段的云图进行分析时，需要解决同一时间云图的全局统筹的问题，所以需要将多个云图放在一起进行拼接，可以观测到连续的全球的云图信息。

图像进行归一量化后，在拼接线附近的不同影像依然会存在一定的颜色差异。为此，我们采用了基于模板的镶嵌羽化处理技术。应用基于模板的羽化方法，可简单可靠地解决镶嵌过程中的羽化问题。

(4)气象数据可视化

在进行气象数据解析和分析的过程中，为了验证数据解析的正确性，算法效果及程序可扩展性，对气象数据进行了部分可视化研究。主要包括原始图像、几何纠正、拉伸及伪彩色显示、透明叠加显示、多时相展示、等值线、等值面展示、全球及区域数据展示。

(5)数据高效存储

由于气象数据具有多批次、单次数据量大，更新频繁的特点，传统的关系型数据库存储气象数据时，必须要解决高并发读写、海量数据高效存储、高可扩展性和高可用性这些难题，而使用NOSQL数据库可有效解决海量数据存储。

NOSQL具有以下优势：

1)大数据量，可以通过廉价服务器存储大量的数据，轻松摆脱传统mysql单表存储量级限制。

2)高扩展性，Nosql去掉了关系数据库的关系型特性，很容易横向扩展，摆脱了以往老是纵向扩展的诟病。

3)高性能，Nosql通过简单的key-value方式获取数据，非常快速。

4)还有NoSQL的Cache是记录级的，是一种细粒度的Cache，所以NoSQL在这个层面上来说就要性能高很多。

MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的NOSQL产品，是非关系数据库当中最像关系数据库的。支持类似于面向对象的查询语言，几乎可以实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，而且还支持对数据建立索引。所以这个非常方便。***建设中，使用了MongoDB搭建分片集群的方式进行数据高效存储。

例如：一台机器的一个数据表Collection1存储了1T数据，压力过大。在分给4个机器后，每个机器都是256G，则分摊了集中在一台机器的压力。通过分片机制可以将数据分配给四台机器，这样可以充分减少原先对一台机器的存储空间、硬盘的读写、网络的IO、CPU和内存的使用，而且便于数据的水平扩展

3.1.4基于CPU/GPU集群的并行可视化

与许多并行计算***(云计算、计算机仿真模拟)不同，本项目中并行可视化框架由于用户实时交互的介入，必须能实时响应用户操作，并快速得到结果。为了克服这个难点，简单地通过提高并行计算机集群的计算能力是不够的，更重要的是如何利用现有硬件，采用合适的调度算法，使并行框架可以满足实时性。此外，如何在允许多用户并发访问的同时最大限度的实现资源共享，从而减小数据库的访问压力，是另一大难点。该项目实现了资源管理器，线程调度等并性可视化核心模块。

3.2三维大气可视化关键技术提取

该部分突破全球三维大气可视化的关键技术问题，成功构建了全球三维大气可视化平台。***支持各类密度场、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。***实现了一套跨平台并行可视化及分析构架，支持在浏览器中或其他显示和交互设备上使用，并利用后端计算集群加速数据的计算与绘制过程。具体如下：

3.2.1全球地形地貌数据的可视化

实现了根据视点的空间位置信息，快速计算所需地表纹理的细节层次，并根据当前视景体进行快速可见性判断，剔除不可见纹理数据块。实现了墨卡托变换，将地表纹理映射至地球表面。实现了国界、地区边界信息的可视化。为了帮助用户更加快速地、直观地定位和认识当前可见地球区域，实现了实时从百度公司提供的开放地图接口下载二维地图并显示。

2.2标量场数据可视化

实现了标量场数据的等值线、等值面、体绘制等可视化方法，并允许用户交互式地调节传输函数实现可视化结果的调节。支持用户沿经度、维度和海拔方向以切片的方式查看数据。实现了以地球作为信息载体，查看用户选择的切片数据。

2.3向量场数据可视化

实现基于图标(如箭头等)，流线，纹理(线卷积积分方法)的向量场(如风场)可视化算法攻关。

2.4多属性数据场的混合可视化

实现基于点，线、面、体的混合可视化算法攻关，允许用户在一个可视化结果中观察到多个数据场的多个可视化方法的结果，可帮助用户分实现进一步的数据场相关性分析。

2.5拾取、剖切等辅助工具

实现了包括拾取、剖切在内的一系列辅助分析工具。拾取可以帮助用户交互地去查看某个地理位置或区域的各类气象变量值的大小及分布。剖切观察可以帮助用户观察沿经度、纬度和海拔方向的切片的数据分布特征，支持用户自由调节切片。

2.6基于B/S模式的三维大气数据可视化平台

基于DEM数据的全球地表可视化，支持不同细节层次的DEM数据加载。基于B/S模式的多分辨率卫星云图数据的下载、解析、颜色映射，并与地表纹理进行混合。允许用户交互式地设置颜色映射模式，并与其它数据长进行叠加。允许用户编辑生成一段时间内的卫星云图动画。支持用户自由地选择不同数据源(卫星)，不同通道的卫星数据可视化结果。

通过鼠标点选获取相应经纬、海拔位置处的气象变量的值。

基于B/S模式的台站地理信息的可视化。实现了台站观测要素的可视化，允许查看观测要素的具体监测值。

2.6全球三维数值大气可视化关键技术解决方案

针对本***关键技术的难点，具体的解决方案包括：

(1)地理信息表达和气象数据可视化

***通过在地形和地表影像等基本地理信息绘制结果的基础上叠加三维气象数据可视化结果，提供具有真实感的结果供用户对数据进行观察研究。本节介绍地理信息的表达方式、三维气象数据的可视化方法以及将多种可视化结果的混合绘制。

[1]地理信息表达

为了展现地球的三维真实场景，通常采用将卫星影像和地形数据结合进行可视化的方法。在场景的交互中，加入以用户为心的视点角度使得用户可以自由在地表遨游，增强用户体验。

大规模的地理场景构建中，包括了大量的数据采样点，以及大量的卫星影像数据和地形数据，本课题主要使用了多分辨率的地形场景模型和基于视点的场景剪裁，以达到快速实时的场景绘制。

在数据预处理阶段，采用了基于影像的LOD的方式对原始数据进行分层和分块处理。按照地表影像数据将地表分块分层后，地球整体的绘制则转化为地表分块集合的绘制。同时根据视点进行剪裁，只对视锥体内的相应地形分块选择适当的层级进行绘制。***采用静态完全四叉树来组织地表分块，不仅提高了绘制速度，而且保证了绘制效果，实现了自适应层次细节和基于视点的快速场景层次选择。

[2]三维气象数据可视化

按照每个数据点的测量值的维度可以将气象数据分为标量场数据(一维)，矢量场数据(二维)，张量场数据(n维)。其中标量场主要包括温度场、气压场、湿度场、云场(云水混合比)等数据，矢量场数据主要包括风场、洋流场等数据，它们使用平行于地面的两个维度方向的数据进行表示。***主要对标量场数据和矢量场数据的可视化。

[3]标量场数据可视化

针对三维标量场数据，平台提供等值线、等值面、直接体绘制、切片绘制等可视化方法。相比传统的体绘制方法以立方体、长方体或者圆柱构造三维体数据的代理几何，***使用的新型球面体绘制方法使用球形作为代理几何，更符合气象数据的特点，且支持三维体数据内部视点漫游。

[4]矢量场数据可视化

针对三维矢量场数据，平台提供箭矢图、流线、线积分卷积(line integralconvolution，LIC)等传统矢量场可视化方法。除此之外，***还设计了粒子对流方法用动画表达矢量场数据。

粒子对流通过粒子在矢量场中的流动动画地表达某一时刻的矢量场数据，直观、动态地展现矢量场的特征。粒子对流技术首先在矢量场中播撒粒子，在每一帧绘制时使粒子沿所在位置的矢量方向移动，移动速度与矢量长度成正比粒子连续移动形成轨迹曲线，轨迹随时间逐渐淡化，形成类似于彗星彗尾的渐变曲线。在具体实现中，本课题***通过GPU加速降低视角切换时重新计算矢量场分布所需的时间，提高了动画的流畅度。

[5]混合绘制

大气场景中包含点、线、面、体等不同的可视表达模型，以及多种观测与计算的气象属性。传统实现中，一般针对不同的场景分别采用不同的可视化方法和可视化流程，并以二维切片的方式按距离视点远近设置透明度进行叠加显示。这种方法实现简单，但简单的透明度混合无法处理对象间交错等情况，难以刻画复杂场景的内部规律。

为了达到混合可视化的效果，***采用了深度剥离技术用来渲染场景中的半透明物体，经过多层渲染，提取出多种半透明物体的不同层次的可视化结果。在深度剥离的结果的基础上，按照片元的深度顺序实现了几何、面、体的多属性混合，适用于场景中同时具有不透明几何体、半透明几何体和体绘制对象的应用情形。

(2)跨平台并行可视化构架

本***的并行可视化引擎支持C/S(客户端/服务器)和B/S(浏览器/服务器)模式，支持超大分辨率屏幕显示。***既可以部署于普通PC机，作为客户端程序运行于本机，亦可运行于并行可视化***的节点机器，为基于浏览器和大屏可视化***提供基本的可视化服务。***使用的跨平台构架，在数据预处理、数据高效压缩传输和数据组织调度三个方面的优点如下。

在绘制三维气象数据之前需要消耗巨大的网络带宽和CPU时间用于数据下载和预处理。为了减轻客户端的压力，服务器在更新三维气象数据的同时会对其进行预处理，计算并提取出三维气象数据场的等值线、流线、LIC等特征信息，并存入数据服务器中。用户能够直接从服务器获取这些特征信息并直接进行可视化分析，节省了网络带宽、传输时间以及运行时间。

另外，对于大尺度、高分辨率的海量三维气象体数据，采用了一种近似无损的三维体数据压缩方法，拥有较高的压缩比的同时保证了高压缩质量，有效地节省了存储空间和网络带宽，极大地提高了网络传输的效率，有效处理了体数据尺度与领域专家对高质量体绘制的需求之间的矛盾。

数据组织包括分类组织、分层组织与分块组织三种不同的策略。分类组织使得每类对象都只是整个数据库很小的一部分，并有利于聚合特征相近的对象，从而大大提高数据选择、重组和处理的效率。而分层组织将数据表现和组织控制在一定层次内，提高了数据检索与存取的效率。分块组织通过减少每次调度的工作量来提高计算速度和绘制效率，从而提高了***的实时性。

C/S界面设计中的C/S的界面以三维主视图的窗口为主，配合工具栏，工具窗口等界面组成***的界面。用户可以通过数据和可视化方法选择面板灵活地选择不同的可视化方法来分析特定的气象变量，并可在可视化对象控制面板中查看前***的可视化模块的信息，并对可视化模块进行显示、隐藏、删除等管理操作。此外，还有可视范围的二维显示和二维地理信息视图等辅助视图和工具。

***提供了丰富有效的交互来帮助用户更加灵活、便捷地使用***，用户在定制数据、可视化方法、可视化参数等同时，还可以实现动画帧的控制、拾取、剖切等操作，配合二三维联动的***界面，对气象数据内容有更加精确地了解和探究。

用户通过使用二维、三维联动可以精确地得到相应的地理位置信息，精确的地理信息是一切气象数据探究的基础，同时，可以通过切换相机进行视点的切换、旋转等操作；***提供了点拾取、廓线拾取、精确地理位置拾取三种拾取方法，可以对具体地理位置的数据的具体数值进行直观地观察和统计，具有准确性和实时性；***实现了剖切操作，用来帮助用户针对多层的气象数据进行经纬方向的剖切操作，观察体数据的剖面特征，辅以等值线、箭矢图等方法丰富剖切操作的可视化结果。这些交互都对用户更好的观测、分析气象数据有着明显的帮助作用。

此外，***还提供视频录制、截屏等操作，帮助用户管理可视化结果，增强***的可拓展性。

B/S架构的浏览器端界面由三维主窗口为主，配合工具栏、弹出窗口构成***的交互界面。在实现上，B/S构架使用了HTML5和WebGL技术，运行代码主要由JavaScript编写，功能设计及实现方式与客户端基本相同，但由于浏览器性能的限制，浏览器端代码在资源管理上进行了特殊处理以保证其性能和可靠性。同时，现行的浏览器无法很好的支持体绘制和混合绘制等复杂场景的绘制，因此本***采用了服务器远端绘制的方法，以牺牲一定的实时性为代价实现复杂场景的绘制工作。

表2与常用气象可视化软件的功能对比

表2列出了几种常用的可视化软件与本课题***所支持功能的比较，从中可以看出本课题***不仅支持三维地理信息可视化与二维的气象信息可视化功能，还在该基础上支持了三维的气象信息可视化。在支持的数据类型方面，本课题***支持多维度数据可视化和时序数据的动画展示，并能灵活的将其混合展示。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种三维数值大气可视化支撑***，其特征在于，所述***包括：

数据监控模块、数据预处理模块、气象数据可视化模块、数据库存储模块、数据管理模块及数据发布模块；

所述数据监控模块，用于接收卫星云图资料、融合资料、仿真资料、预报资料、反演资料及常规台站资料，并将各所述资料中外部气象数据分别发送至所述数据预处理模块及所述数据库存储模块；

所述数据预处理模块，用于对各所述资料中的基础气象数据进行解析，并对各所述资料中的动态数据进行压缩及加密处理，以及对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接，得到预处理后的各类数据，并将预处理后的各类数据发送至所述气象数据可视化模块；

所述气象数据可视化模块，用于对全球地形地貌数据、标量场数据、矢量场数据及多属性数据场进行可视化配置，并将可视化数据发送至所述数据库存储模块；

所述数据管理模块，用于对所述数据库存储模块中的可视化数据进行拾取、剖切、浏览、删除或导出操作；

所述数据发布模块，用于对所述数据库存储模块中的可视化数据进行发布、设置通信协议及数据更新操作。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据预处理模块包括：基础气象数据解析单元、动态数据压缩及传输单元、云图镶嵌单元及数据发送单元；

所述基础气象数据解析单元，用于对各所述资料中的基础气象数据进行解析；

所述动态数据压缩及传输单元，用于对各所述资料中的动态数据进行压缩及加密处理；

所述云图镶嵌单元，用于采用基于模板的镶嵌羽化处理技术，对全球静止星红外云图进行镶嵌拼接；

所述数据发送单元，用于将预处理后的各类数据发送至所述气象数据可视化模块。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述基础气象数据解析单元包括：数据读取子单元及数据解析子单元；

所述数据读取子单元，用于读取所述数据监控模块发送的基础气象数据；

所述数据解析子单元，用于根据所述基础气象数据，基于金字塔模式组织气象数据，并设置金字塔模式下的所述基础气象数据的编码原则。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述基于金字塔模式组织气象数据中，金字塔模式的起始顶点的经度为-180°且纬度为90°，并按照256*256方格的形式进行划分；级别由低到高分为1至19级且当原始图像分辨率小于1级图像分辨率时，图像为0级。

5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述动态数据压缩及传输单元包括：渐进传输策略子单元、异步/半异步通信体系架构搭建子单元及数据加密子单元；

所述渐进传输策略子单元，用于建立面向带宽自适应的多维时空数据流方式渐进传输策略，实现一体化气象卫星数据的渐进传输；

所述异步/半异步通信体系架构搭建子单元，用于通过服务器集群提供可扩展的数据传输服务，搭建面向服务器集群的多用户并发的异步通信体系架构，建立基于半同步/半异步线程池模型的服务器传输框架，以支持大规模用户并发请求；

所述数据加密子单元，用于根据适用于网络快速传输中的多维时空数据加密算法，对不同类型的多维时空数据进行加密处理，实现数据传输的隐蔽。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述气象数据可视化模块实现了基于DEM数据的全球地表可视化并支持不同细节层次的DEM数据加载，所述气象数据可视化模块包括：并行可视化单元、全球地形地貌数据可视化单元、标量场数据可视化单元、矢量场数据可视化单元、多属性数据场的混合可视化单元及数据发送单元；

所述并行可视化单元，用于利用现有硬件及采用调度算法，实现基于CPU/GPU集群的并行可视化；

所述全球地形地貌数据可视化单元，用于根据视点的空间位置信息计算得到所需地表纹理的细节层次、根据当前视景体进行快速可见性去除不可见纹理数据块、通过墨卡托变换将地表纹理映射至地球表面及从实时百度公司提供的开放地图接口下载二维地图并显示，实现了对全球地形地貌数据进行可视化处理；

所述标量场数据可视化单元用于根据等值线、等值面、直接体绘制或切片绘制的可视化方法，利用新型球面体绘制方法，将球形作为代理几何，对所述标量场数据进行可视化处理，其中，标量场数据包括温度场、气压场、湿度场及云场数；

所述矢量场数据可视化单元用于根据箭矢图、流线或线积分卷积的传统矢量场可视化方法及粒子对流方法，用动画表达矢量场数据，对所述矢量场数据进行可视化处理；其中，粒子对流通过粒子在矢量场中的流动动画地表达某一时刻的矢量场数据，其中，矢量场数据包括风场及洋流场数据；

所述多属性数据场的混合可视化单元，用于对多属性数据场进行混合可视化处理；

所述数据发送单元，用于将并行可视化单元、全球地形地貌数据可视化单元、标量场数据可视化单元、矢量场数据可视化单元及多属性数据场的混合可视化单元中的可视化数据发送至所述数据库存储模块。

7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述全球地形地貌数据可视化单元包括：原始数据分层和分块子单元及地表数据分层和分块子单元；

所述原始数据分层和分块子单元，用于采用基于影像的LOD方式对原始数据进行分层和分块处理；

所述地表数据分层和分块子单元，用于在按照地表影像数据将地表分块和分层后，将地球整体的绘制则转化为地表分块集合的绘制；同时根据视点进行剪裁，只对视锥体内的相应地形分块选择适当的层级进行绘制；其中，采用静态完全四叉树，对地表分块进行组织。

8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述多属性数据场的混合可视化单元适用于场景中同时具有不透明几何体、半透明几何体和体绘制对象的应用情形，且所述多属性数据场的混合可视化单元包括：半透明物体提取子单元及混合可视化子单元；

所述半透明物体提取子单元，用于采用深度剥离技术来渲染大气场景中的半透明物体，经过多层渲染提取出多种半透明物体的不同层次的可视化结果；

所述混合可视化子单元，用于在深度剥离的结果的基础上按照片元的深度顺序实现几何、面、体的多属性混合，完成对所述多属性数据场的可视化处理。

9.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据库存储模块包括：NAS存储单元及NOSQL数据库单元；

所述NAS存储单元，用于存储各所述资料中的外部气象数据；

所述NOSQL数据库单元，用于存储经处理后的可视化数据。