三维地形的可视化研究

文章编号:100923443(2001)0620090205

三维地形的可视化研究

李汇军1,　孔玉寿1,　阮　鲲1,　王昌雨1,　周华任2,　李建新3

(1.解放军理工大学气象学院,江苏南京211101;2.解放军理工大学理学院,江苏南京211101;

3.陕西渭南6信箱15分箱,陕西渭南714012)

摘　要:根据全球地形高程差资料,运用可视化技术对常用投影天气图底图上的地形信息进行重构,得到了有地形信息的地图投影天气底图;针对三维地形信息重构重,提出了一个三维地形投影算子,设计并实现了算子计算的递归算法,得到真实感三维地形可视化结果。

关键词:三维地形;大气数据可视化;投影天气图;投影算子;递归算法中图分类号:T P 391.41

文献标识码:A

Tow a rd V is ua liza tion of 3D Topog ra phy

L I H u i 2jun 1

,KON G Y u 2shou 1

,RUA N K un 1

,W A N G Chang 2y u 1

,ZH OU H ua 2ren 2

,L I J ian 2x in

3

(1.In stitu te of M eteo ro logy ,PLA U n iv .of Sci .&T ech .,N an jing 211101,Ch ina ;2.In stitu te of Sciences ,PLA U n iv .

of Sci

.&T ech .,N an jing 211101,Ch ina ;3.M ailbox 6215,W einan ,Shanx i ,W einan 714012,Ch ina )Abs tra c t :In th is p ap er the global topograp h ic data is u sed to rebu ild the geograp h ical info rm ati on on the

no rm al synop tic base m ap w ith the visualizing techno logy in scien tific com p u ting ,the p ro jected m ap s w ith geograp h ical info rm ati on are ob tained ;a tellu ric p ro jecti on op erato r is p ropo sed and a recu rsi on algo rithm is designed to i m p lem en t the op erato r com p u tati on ,and in th is w ay the th ree 2di m en si onal tellu ric p ro jected synop tic base m ap are retrieved .

Ke y w o rds :

3D topograp hy ;visualizati on of atm o sp heric data ;p ro jected synop tic m ap ;p ro jecti on

op erato r ;recu rsi on algo rithm

收稿日期:2001204230. 作者简介:李汇军(1976-),男,硕士,助教.

天气预测学作为地学的一个分支,主要任务是研究天气预报决策的方法和手段,其中,地理信息是

预报决策过程中一个重要的信息源。在传统的天气预报业务工作模式中,天气图纸不仅提供了各种气象要素信息,还能提供预报所需要的地理信息。“西伯利亚平原”、“贝加尔湖”、“乌拉尔山脉”、“青藏高原”、“河套”等等是我国气象工作者耳熟能详的地理名词。天气预报所需的信息中有70%来自地理信息[1],这个数字虽不一定确切,但足以反映出地理信息在预报决策过程中的重要性。

现代天气预报业务中采用计算机技术,将业务工作模式由以天气图纸为基础的经验模式过渡到以屏幕为基础的计算机分析与经验相结合现代模式;气象

要素信息的表现方式也由原来的二维静态方式过度到三维动态方式。由于地理数据的表现方式以及计算机实现技术的制约,在目前的一些预报业务平台中,地理信息难以在计算机屏幕上再现,与传统的天气图纸相比地理信息损失50%以上[1],使用这样的预报业务平台,预报员所积累的与地理信息相关的预报经验也随之丢失,从而导致预报准确率降低。

本文从地形描述的角度出发对地理信息利用问题进行了研究,包括传统的投影天气底图中地形重构问题与在三维模型下具有真实感的三维地型重构问题。研究结果表明,运用可视化技术,可以在计算机屏幕上精确地重构地理信息,得到包括进行了相应的地图投影处理的二维投影天气图中的色阶地形图,以及具有真实感的三维地形图。

这种有丰富地形信息的地形图的应用,可以有

第2卷第6期2001年　月

解放军理工大学学报(自然科学版)

Jou rnal of PLA U n iversity of Science and T echno logy

V o l .2N o.6D ec .2001

效地增强现代气象预报业务自动化平台中图形子系统的表现力,使图形处理结果更容易被预报员所接受,从而提高预报决策过程中地理信息的利用率。

本文采用美国国防制图局(T he D efen se M app 2

ing A gency )和美国国家航空航天局

哥达德宇航中心(NA SA Goddard Sp ace F ligh t Cen ter (GSFC ))编辑的JGP 95E 5′全球地形数据库(T he JGP 95E 5′

Global Topograp h ic D atabase )[2]

,对地形信息重构问题进行了研究,运用科学计算可视化技术得到了二维投影地形图,三维真实感区域地形图和全球地形图。

1　计算机可视化技术

科学计算可视化(V isualizati on in Scien tific Com p u ting )是80年代后期由美国科学家提出并发展起来的一门新兴边缘技术。所谓可视化,就是对人脑印象构造过程的一种仿真,以支持用户的判断和理解。具体地说,它将科学计算过程中及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息,并可进行交互式分析,可视化技术是促进信息理解的有力工具。

地理信息的信息量庞大,用可视化技术来处理地理数据,通过合理的表现手段,可以在计算机上再现原有的地理信息。1.1　OpenG L 简介

O p enGL 最初是SG I 公司为其图形工作站开发

的独立于窗口操作系统和硬件环境的图形开发环境[3],O p enGL 用户只需要按照规定的格式书写应用程序就可以在任何支持O p enGL 语言的平台上执行,用户得以从具体的硬件系统和操作系统中解放出来。目前,O p enGL 已经成为高性能图形和交互式视景处理的工业标准。

作为与图形硬件接口的软件,O p enGL 能生成真彩色三维场景。利用O p enGL 在计算机图形设备上生成具有真实感的三维图形,一般过程如图1所示

。

图1　OpenGL 可视化流程

F ig .1　OpenGL visualizati on flow chart

(1)用数学方法建立所需三维场景的几何描述,并将它们输入计算机,这部分工作可由三维立体造型或曲面造型系统来完成。场景的几何描述直接影响了图形的准确性和图形绘制的计算耗费,选择合理有效的数据表示和输入手段极其重要。

(2)将三维几何描述转换为二维透视图,这可通过对场景的透视变换来完成。

(3)确定场景中的所有可见面,这需要使用隐藏面消除算法将视域之外或被其他物体遮挡的不可见面消去。

(4)计算场景中可见面的颜色,严格地说,就是根据基于光学的物理模型计算可见面投射到观察者眼中的光亮度大小和色彩组成,并将它转换成适合图形设备的颜色值,从而确定投影画面上每一像素的颜色,接着通过明暗处理模型确定画面上每一个面的颜色,最终生成图形。

(5)对于三维动态可视化还需要增加一个处理步骤,即三维动画的生成。

本文即是按照以上步骤,对地形数据进行几何建模,然后利用O p enGL 进行投影变换及真实感处理,最后得到重构地理信息的天气底图。1.2　数据网格与地形的描述

JGP 95E 5′

全球地形数据库中提供了全球地形高程差数据。其中高程差数据按照一维矩阵格式存

储,各个数据空间信息(如纬度和经度)以一种隐含的关系给出,数据存放的顺序为:在矩形网格中,从北(北极)到南(南极)、从东(180°E )到西(180°W )。图2给出了数据网格示意图,假定网格的分辨率为

n ×5′

,根据图中的关系,数据库中数据在一维序列中的位置与经纬度信息的关系为:

P =n ×(j ×4320+i

)

图2　数据网格

F ig .2　D ata m esh

其中P 是高程差数据在序列中的位置,i 和j 对应图中网格的格点序号。根据此式可以方便地从数据库中提取经纬度网格各网格点上的高程差数据。

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9第6期

李汇军,等:三维地形的可视化研究