三维可视化技术在天气雷达中的应用研究
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1 三维可视化技术概述
三维可视化技术迅速发展,利用计算机技术和图形学技术实现天气三维化预测,实体绘制(volume rendering)、等值面体绘制(iso surface)和粒子系统仿真(particle systems)成为目前三种主要的三维可视化技术。
表1 三维可视化技术对比分析
技术特点原理
等值面体绘制技术主要应用于速度性能
要求高、精度需求较
低的气象三维显示。
分析体数据生成一个给定数
值的等值面体,实际是生成
一个三维分析轮廓。
实体绘制技术主要应用于计算性能
高,尺度比较小的气
象三维显示。
通过渲染技术生成一个实心
的物体,构建三维图像。
粒子系统仿真主要应用于云体结构
仿真
根据物理模型进行仿真绘制,
形成三维真实感的体,是目
前公认生成模拟不规则物体
典型方法之一。
1.1 等值面体绘制技术
等值面体绘制通过步进立方法Marching Cubes(MC)三维可视化模型构建,MC算法被成为“等值面提取(isosurface Extraction)”,成为等值面计算构建的经典算法,通过该技术实现体素(规则体数据)内等值面抽取。
该方法自动提取雷法发射率因子体数据特性,获得强度提取值(三角网提取数据),基于此数据绘制云体形状轮廓三维模型。
1.2 实体绘制技术
实体绘制技术和等值面体绘制技术不同,不需要构建中间几何图元,直接从图像中获得三维数据全貌,不局限于传统的等值面。
结合天气雷达探测数据的特点选择相匹配体素色彩,结合二维剖面绘制技术实现数据云体重建,最终构建云体整体三维结构。
1.3 粒子系统仿真
粒子系统仿真技术能够构建具有真实感的云体,该技术主要应用于不规则物体的三维生成模拟,效果较好,目前在游戏动画场景三维构建中也有广泛应用。
云体等相关天气不规则要素的模拟仿真,通过物理模拟绘制能得到真实感云体构型。
2 三维可视化技术在天气雷达中的应用重要性
根据实际应用中,三维可视化在天气雷达分析中具有以下的应用优势:(1)目前,天气雷达回波数据主要有RHI(距离高度显示器)和PPI(平面位置显示器)两种产品,降水、台风、雨雪等天气特征以二维形式(垂直方向和水平方向)显示,这种显示方式要求工作人员具有较高抽象思维将二维图像转换为三维空间结构,对工作人员要求极高。
三维可视化技术的引入,能够通过计算机和系统构建直观、可视化的天气三维结构,降低工作人员工作难度。
(2)三维可视化技术的应用实现了地理空间内天气雷达数据模拟,这种方式将地理分布特征荣辱与其中,对快速分析解读强天气变化及影响十
The importance of three-dimensional visualization technology in weather radar is pointed out. Finally, the concrete application of three-dimensional visualization technology in weather radar is analyzed, and the three-dimensional visualization system of weather radar is constructed. The application status and future development trend of the system are analyzed.
Keywords: three-dimensional visualization; weather radar; application
坐标变化模块主要对天气雷达回波数据进行扫描解读分析,按照球坐标数据排列格式进行转换;地理信息模块将天气雷达回波数据和地理数据相结合,为雷达资料分析模块提供技术数据以构建三维模型;雷达垂直剖面计算模块对雷达回波数据和地理信息数据进行综合分析,结合雷达等值面计算模块进行等值面算法计算,构建相关三维可视化模型。
3.2 天气雷达三维可视化系统应用效果分析
三维可视化的前提是构建三维空间数据模型,通过空间数据模型将天气实际情况以直观立体图像显示出来。
天气雷达进行 360°体扫描,将扫描数据以极坐标形式进行记录存储。
为适应天气雷达三维可视化的要求,结合天气数据特点构建三维格网数据模型,将获得的天气体扫描数据以三维立方体网格方式排列,最终得到能在不同坐标系中进行转换的数据结构。
三维格网数据模型的构建将天气雷达回波数据清晰、直观表达出来,包括空间拓扑特征、标量特征和几何对象,对气象预测有重要指示意义。
3.3 天气雷达三维可视化系统应用案例解析
3.3.1 在梅雨监测中的应用
广州等长江中下游等南方地区在6-7月份有比较常见3.4 天气雷达三维可视化系统创新优化趋势
3.4.1 多站天气雷达协同三维可视化分析
天气雷达三维可视化技术已经发展并具有一定经验,为提高气象预测水平需进一步发展天气雷达三维可视化技术。
目前三维可视化基于单站雷达,单站雷达具有探测范围限制导致三维信息不完整,天气特征模型构建中存在缺陷,不能完整反映。
三维可视化对数据完整性、连续性以及准确性具有明确要求,主要应用于大规模天气的预测分析,需要优化传统单站雷达应用模式,未来多站雷达三维可视化气象预测成为必然发展趋势。
3.4.2 基于互联网的天气雷达三维可视化
当前天气雷达可视化技术主要应用于本地实际业务中,一般不能跨区使用。
互联网技术、计算机技术的发展为天气雷达三维可视化技术的跨区发展提供了契机,依托互联网和浏览器能将三维可视化气象预测信息传递给用户和民众,让公众实时准确了解气象预测情况,让三维可视化气象预测真正走进公众生活。
要实现天气雷达可视化的互联网发展,需要深入研究天气雷达回波数据的数据网络传输、网络分析以及图像成像和渲染等技术,这也是当前研究重点之一。
在天
气雷达三维可视化引入互联网技术的同时,
还应该关注可能引起的数据安全问题,加强
数据安全、传输安全技术的发展。
参考文献
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(下转第126页)
统内部处理器的工作负担大大增加,这对于整体工作运行效率会造成很大的影响。
并且,若提高电气设备的监控对象,那么会导致主机内部运行效率降低,在这种情况下则需增加电缆通讯的总量,会导致工程成本的增高。
集中监控设计方法的运用可实现了对电气工程系统的自动化控制,但也会使得电缆实际长度给电气工程系统稳定性、可靠性带来不利的干扰。
从远程监控系统设计的角度来看,与集中监控和设计方法进行对比,远程监控整体设计工作量是比较大的,在具体安装与施工作业中比较便利,在安装的同时需要的成本投入较低。
在日常实施操作过程中,会受到来自各方面因素的影响,通讯量过大,会给迅速速度造成影响,为此,电气工程设计工作中,仅仅能选择一些小型的设备加以使用,其中,第三代对电气工程系统总线设计思路做出深入的浅析,现场总线智能化控制子系统属于一种系统性的内部控制体系,日常工作中可遵循既定的工程间隔时间和不同的性能来进行科学合理性的设计,对总线外的智能化控制系统实现最大限度上的减少隔离设备的总投入,并且降低电缆的实际使用量,从而创造企业最大化的社会经济效益。
3.3 在电气设备管理中的应用
电气工程管理工作中人工智能技术的应用在一定程度研究表明:人工智能技术不仅可以在电气工程自动化控制运行中体现出自身的独特价值,并且在电气产品设计、电气设备事故的诊断、电气运营状况、对技术工作人员的培训等方面其智能化的优势更是十分突出的。
将人工智能技术和电气自动化控制技术密切地融合在一起虽说与我们预期的状态比较远一些,或许在结合性应用过程中会遇到各种各样的问题,但是,人工智能智能化发展是未来社会发展的主流趋势,并且也会带来电气自动化控制领域一大全新的改变。
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(上接第128页)。