CN103995896A - 海量气象数据三维可视化分析工具系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，包括数据采集模块、数据转换模块、数据分析处理模块、图形图像显示模块；数据采集模块和数据转换模块相连；数据转换模块和数据分析处理模块相连；数据分析处理模块和图形图像显示模块相连。本发明提供的系统摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，可以在单一的环境中完成多领域工作，包括数据建模、符号计算、数值计算、程序设计、技术文件、报告演示、算法开发和仿真等功能，满足从气象院校到预报员和高级研究人员各个层次用户的需要。

Description

海量气象数据三维可视化分析工具系统

技术领域

本发明涉及的是数据三维可视化分析工具系统，具体涉及一种海量气象数据三维可视化分析工具系统。

背景技术

随着社会的发展,经济活动的多元化, 作为社会公益服务的气象事业,越来越受到人们的关注；大气探测的手段的不断提高,气象要素也越来越多,数据量越来越大，如何更加有效地利用这些数据，客观地解释这些数据，成为人们十分关心的问题；计算机图像、图形技术的发展，凭借计算机的巨大处理能力，科学计算可视化技术能把海量数据转换为静态或动态图像、图形呈现在人们的面前，为人们分析、理解数据、形成概念和找出规律提供了强有力的手段。目前，针对气象数据计算和处理方面的可视化软件在国内还不多见，而国外一些常用的气象绘图分析软件，要么功能不太齐全，要么操作过于繁琐，给预报员和研究人员带来许多不必要的麻烦。因此，研究和开发界面友好、操作简单的“气象数据三维可视化分析工具系统”，将观测及数值预报计算出来的大量气象数据进行有效的处理和三维图形显示，使气象预报和研究人员能够更直观、更深入理解大气演变信息，从而做出有效的天气预报是十分必要的。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供海量气象数据三维可视化分析工具系统，本系统凭借计算机强大的数据处理能力和计算机图像、图形学基本算法以及可视化算法，把巨大数量的数据转换为静态或动态图像或图形呈现在人们的面前，并允许通过交互手段控制数据的抽取和画面的显示，使隐含于数据之中不可见的现象成为可见，为人们分析、理解数据、形成概念和找出规律提供了强有力的手段。

“气象数据三维可视化分析工具系统”第一步是将全球气象探测所获取的各类数据进行各种变换和操作。对于科学数据，主要完成数据的过滤，使原始数据得到加细或增强，并将其转换为合适可视化映射的表示形式。过滤操作主要包括插值、格式转换等。科学数据是一种重要资源，对大规模科学数据进行有效的管理可以提高对数据的存取、分析与运用能力，可以提高可视化系统的性能。

“气象数据三维可视化分析工具系统”第二步数据映射。数据映射是构成可视化技术的核心，它将由数值模拟或物理测量产生的科学数据映射成可绘制出图象的抽象可视化对象，包括几何图形元素、颜色、透明度等图形形式。科学数据类型可以是标量场、矢量场或张量场，可以是二维、三维或高维数据，可以是静态的或随时间变化的，可以是结构化数据场或非结构化数据场，可以定义在规则网格上或不规则网格上等等。针对不同的数据结构可以采用不同的可视化映射方法，即使对于同一数据类型，也可以采用不同的可视化映射技术，映射的结果可以是各种不同的图形表示形式。可视化映射的目的在于以最有效的图形表示形式来揭示科学数据中所隐含的物理现象。可视化映射的结果通过图形绘制技术来合成图象。

“气象数据三维可视化分析工具系统”不仅包括与图形的交互，还应包括与数据的交互。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，包括数据采集模块、数据转换模块、数据分析处理模块、和图形图像显示模块；数据采集模块和数据转换模块相连，数据转换模块和数据分析处理模块相连，数据分析处理模块和图形图像显示模块相连，数据采集模块和图形图像显示模块相连；所述的数据采集模块包括连接数据库模块、区域选择模块、气象要素选择模块、数据接收模块、数据检验模块和数据储存模块，数据转换模块包括数据格式转换模块、数据储存模块和数据浏览模块，数据分析处理模块包括数值计算模块、数据检验模块和数据储存模块，图形图像显示模块包括地理信息库模块、绘图特征管理模块、绘图模块和图形图像显示模块；所述的绘图特征管理模块包括，绘图精度选择模块模块、二维、三维选择模块、底色颜色选择模块、要素值线条颜色选择模块；数据采集模块和数据转换模块通过数据采集模块的数据储存模块与数据转换模块的数据格式转换模块相连；数据转换模块和数据分析处理模块通过数据转换模块的数据储存模块与数值计算模块相连；数据分析处理模块和图形图像显示模块通过数据分析处理模块的数据储存模块与绘图模块相连；地理信息库模块与绘图模块相连并向它提供地理信息支撑数据；区域选择模块与地理信息库模块相连，并为它提供边界数据，绘图精度选择模块、二维、三维选择模块、底色颜色选择模块、要素值线条颜色选择模块分别与绘图模块连接，为其提供绘图数据。 

进一步的，所述的数据格式转换模块将所获取的ASCⅡ码数据转换为显示与绘图所需的10进制数据。

进一步的，所述的数值计算模块，根据天气学原理、天气分析原则、大气物理机制、物理量场数据的连续性、时间场的连续性等对数据分析检验，包括气象算法计算、科学数据符号计算、无限精度数值计算，内置计算命令。

进一步的数据分析模块的数据存储模块数据类型包括标量场、矢量场、张量场，或二维、三维、高维数据，或静态数据、随时间变化的数据，或结构化数据场、非结构化数据场，或可以定义在规则网格上、不规则网格上的数据；绘图模块存储有不同的可视化映射方法和数据映射分析模块。不同的数据结构采用不同的可视化映射方法到绘图模块，即使同一数据类型，通过数据映射分析模块也可能采用不同的可视化映射方法。

进一步的，所述的精度要求包括：根据天气分析要求所需的精度。例如等温线是每隔4℃绘制一条还是每隔12℃绘制一条等等。

进一步的区域选择模块经地理信息数据库到绘图模块，可选择的项目有：所绘制的图是二维还是三维、底图边界经纬度值、是否显示区域边界。

本发明的有益效果是：本发明为气象科学研究和分析进行有效数值计算提供了一种全面的解决方案，并摆脱了传统非交互式程序设计语言（如GRADS命令）的编辑模式。可以在单一的环境中完成多领域工作，包括数据建模、符号计算、数值计算、程序设计、技术文件、报告演示、算法开发和仿真等功能，满足从气象院校到预报员和高级研究人员各个层次用户的需要。

“气象数据三维可视化分析工具系统”是将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为气象科学研究和分析进行有效数值计算提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如GRADS命令）的编辑模式。

“气象数据三维可视化分析工具系统”是基于GIS、OPENGL语言特点，根据气象领域的特点和数据资料分析，专门为气象数学计算而开发的专业化软件。

“气象数据三维可视化分析工具系统”内置数据计算建模，包括气象算法开发、科学数据符号计算、无限精度数值计算、创新的互联网连接，内置计算命令，数学和分析功能覆盖几乎所有的数学分支，如微积分、微分方程、特殊函数、线性代数、图像声音处理、统计、动力系统等。

用户通过“气象数据三维可视化分析工具系统”可以在单一的环境中完成多领域工作，包括数据建模、符号计算、数值计算、程序设计、技术文件、报告演示、算法开发和仿真等功能，满足从气象院校到预报员和高级研究人员各个层次用户的需要。

 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

      图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的数据采集模块的结构示意图；

图3为本发明的数据转换模块的结构示意图；

图4为本发明的数据分析处理模块的结构示意图；

图5为本发明的图形图像处理模块的结构示意图；

图6为本发明的综合结构示意图；

 具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1、2、3、4、5、6：一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，包括数据采集模块(1)、数据转换模块（2）、数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)；数据采集模块(1)和数据转换模块（2）相连，数据转换模块（2）和数据分析处理模块（3）相连，数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)相连，数据采集模块(1)和图形图像显示模块(4)相连；所述的数据采集模块(1)包括连接数据库模块（11）、区域选择模块（12）、气象要素选择模块（13）、数据接收模块（14）、数据检验模块（15）和数据储存模块（16），数据转换模块(2)包括数据格式转换模块(21)、数据储存模块(22)和数据浏览模块(23)，数据分析处理模块(3)包括数值计算模块(31)、数据检验模块(32)和数据储存模块(33)，图形图像显示模块(4)包括地理信息库模块（41)、绘图特征管理模块（42）、绘图模块(43)和图形图像显示模块(44)；所述的绘图特征管理模块（42）包括，绘图精度选择模块（421）、二维、三维选择模块（422）、底色颜色选择模块（423）、要素值线条颜色选择模块（424）；数据采集模块(1)和数据转换模块（2）通过数据储存模块（16）与数据格式转换模块（21）相连；数据转换模块（2）和数据分析处理模块（3）通过数据储存模块(22)与数值计算模块(31)相连；数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)通过数据储存模块(33)与绘图模块(43)相连；地理信息库模块（41）与绘图模块（43）相连并向它提供地理信息支撑数据；区域选择模块（12）与地理信息库模块（41）相连，并为它提供边界数据，绘图精度选择模块模块（421）、二维、三维选择模块（422）、底色颜色选择模块（423）、要素值线条颜色选择模块（424）分别与绘图模块(43)连接，为其提供绘图数据。 

所述的数据格式转换模块（21）将所获取的ASCⅡ码数据转换为显示与绘图所需的10进制数据。

所述的数值计算模块（31），根据天气学原理、天气分析原则、大气物理机制、物理量场数据的连续性、时间场的连续性等对数据分析检验，包括气象算法计算、科学数据符号计算、无限精度数值计算，内置计算命令。

数据分析模块的数据存储模块（33）数据类型包括标量场、矢量场、张量场，或二维、三维、高维数据，或静态数据、随时间变化的数据，或结构化数据场、非结构化数据场，或可以定义在规则网格上、不规则网格上的数据；绘图模块存储有不同的可视化映射方法和数据映射分析模块。

所述的精度要求包括：根据天气分析要求所需的精度。

区域选择模块（12）经地理信息数据库（41）到绘图模块（43），可选择的项目有：所绘制的图是二维还是三维、底图边界经纬度值、是否显示区域边界。

所述的数据采集模块的使用步骤是：

（1）系统主界面，

（2）通过连接数据模块11连接数值中心数据库，

（3）通过区域选择模块12交互式接收终端输入的欲分析的区域边界，

（4）通过选择气象要素模块13交互式接收终端输入的欲分析的气象要素，

（5）通过数据接收模块14根据给定的条件接收数据，

（6）通过数据检验模块15对接收的数据进行检验，

（7）通过数据存储模块16将处理好的数据存储于本地数据库中。

所述的数据转换模块使用步骤是：

（1） 系统主界面，

（2） 从本地数据库调入上述模块16已处理好的数据，通过数据格式转化模块21并根据分析所需的要求进行数据格式转换，并存在本地数据库数据存储模块22，

（3） 需要时可以通过数据浏览模块23浏览已经储存好的数据。

所述的数据分析处理模块使用步骤是：

（1） 进入系统主界面，

（2） 连接以存储好数据的本地数据库23，读取转换后的数据，

（3） 通过数据计算模块31根据天气学原理、天气分析原则、大气物理机制、物理量场数据的连续性、时间场的连续性等对数据进行分析检验，

（4）通过数据检验模块32根据指定的绘制图形图像的要求对数据进行分析检验，

（5） 将分析检验后的数据进行科学的增、删、改、插处理，

（6） 将检验、处理好的数据存储于本地绘图预存储数据库33中，为下一步绘图做好数据源的准备工作。

所述的图形图像显示模块使用步骤是：

（1）进入系统主界面，

（2）根据前面模块12给定的条件，从地理信息库41中调出地理信息系统的数据，

（3）根据本次天气分析的要求，从本地数据库33中调出欲分析的气象要素的数值，

（4）根据本次天气分析的要求，通过人机交换绘图特征管理模块42给出绘图特征参数，

（5）根据（2）、（3）、（4）给定的数据及参数，通过绘图模块43绘制二维或三维天气实况或预测图形，

（6）通过图形图像显示模块44图形显示，并提供图形存储、复制、剪切、缩放比例等功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，包括数据采集模块(1)、数据转换模块（2）、数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)；数据采集模块(1)和数据转换模块（2）相连，数据转换模块（2）和数据分析处理模块（3）相连，数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)相连，数据采集模块(1)和图形图像显示模块(4)相连；所述的数据采集模块(1)包括连接数据库模块（11）、区域选择模块（12）、气象要素选择模块（13）、数据接收模块（14）、数据检验模块（15）和数据储存模块（16），数据转换模块(2)包括数据格式转换模块(21)、数据储存模块(22)和数据浏览模块(23)，数据分析处理模块(3)包括数值计算模块(31)、数据检验模块(32)和数据储存模块(33)，图形图像显示模块(4)包括地理信息库模块（41)、绘图特征管理模块（42）、绘图模块(43)和图形图像显示模块(44)；所述的绘图特征管理模块（42）包括，绘图精度选择模块（421）、二维、三维选择模块（422）、底色颜色选择模块（423）、要素值线条颜色选择模块（424）；数据采集模块(1)和数据转换模块（2）通过数据储存模块（16）与数据格式转换模块（21）相连；数据转换模块（2）和数据分析处理模块（3）通过数据储存模块(22)与数值计算模块(31)相连；数据分析处理模块（3）和图形图像显示模块(4)通过数据储存模块(33)与绘图模块(43)相连；地理信息库模块（41）与绘图模块（43）相连并向它提供地理信息支撑数据；区域选择模块（12）与地理信息库模块（41）相连，并为它提供边界数据，绘图精度选择模块模块（421）、二维、三维选择模块（422）、底色颜色选择模块（423）、要素值线条颜色选择模块（424）分别与绘图模块(43)连接，为其提供绘图数据。

2.根据权利要求1所述的海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，所述的数据格式转换模块（21）将所获取的ASCⅡ码数据转换为显示与绘图所需的10进制数据。

3.根据权利要求1所述的海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，数值计算模块（31），根据天气学原理、天气分析原则、大气物理机制、物理量场数据的连续性、时间场的连续性等对数据分析检验，包括气象算法计算、科学数据符号计算、无限精度数值计算，内置计算命令。

4.根据权利要求1所述的海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，数据分析模块的数据存储模块（33）数据类型包括标量场、矢量场、张量场，或二维、三维、高维数据，或静态数据、随时间变化的数据，或结构化数据场、非结构化数据场，或可以定义在规则网格上、不规则网格上的数据；绘图模块存储有不同的可视化映射方法和数据映射分析模块。

5.根据权利要求1所述的一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，所述的精度要求包括：根据天气分析要求所需的精度。

6.根据权利要求1所述的一种海量气象数据三维可视化分析工具系统，其特征在于，区域选择模块（12）经地理信息数据库（41）到绘图模块（43），可选择的项目有：所绘制的图是二维还是三维、底图边界经纬度值、是否显示区域边界。