CN112581615A - 一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置，获取待可视化模式预报区域；根据待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；获取与第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；将第一数据展示区域和第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；通过指定空气质量预报模式系统获取第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；在虚拟地球中展示第一污染物浓度数据和第二污染物浓度数据。通过本发明解决了现有技术中环境污染形势分布是基于二维地图形成的，不能通过三维可视化展示水平方向和竖直方向上的污染形势的问题。

Description

一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置

技术领域

本发明涉及绘制和环保技术领域，具体涉及一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置。

背景技术

大气污染是由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。

大气污染物由人为源或者天然源进入大气(输入)，参与大气的循环过程，经过一定的滞留时间之后，又通过大气中的化学反应、生物活动和物理沉降从大气中去除(输出)。如果输出的速率小于输入的速率，就会在大气中相对集聚，造成大气中某种物质的浓度升高。当浓度升高到一定程度时，就会直接或间接地对人、生物或材料等造成急性、慢性危害，大气就被污染了。

目前在环保领域，现有大气污染数据的可视化基本都是二维的，一般都基于二维地图，通过点和面的方式，展示污染物在地理空间上的形势分布，但是这种展示方式会有以下一些问题：

(1)现实中的地理空间是三维的，用二维的形式表示三维空间中的大气污染形势分布，必然会造成一个纬度的信息缺失(一般是高度方向)，所以通常的污染形势分布只能展示地面层数据，无法同时展示三个维度。

大气污染过程的变化是在三维空间中不断演变，所以了解污染物在高度方向的变化趋势，对于了解污染过程特征也有很大帮助。

(2)二维大气污染形势分布都是基于二维地图，而二维地图是通过地图投影方式生成的，所以会存在变形(尤其是在较大地理空间范围，这种变形非常明显)，这就造成视觉上误差(例如通过读图预估污染区域的分布面积)。例如现在互联网普遍使用的墨卡托投影绘制的地图，越靠近两极，面积变形就越厉害，格陵兰岛是一个巨大的存在，看上去面积堪比非洲大陆。但真正的格陵兰岛总面积大概是217.6万平方公里，而非洲大陆为3022万平方公里，后者是前者的十多倍。

针对现有技术中，环境污染形势分布是基于二维地图形成的，不能通过三维可视化展示水平方向和竖直方向上的污染形势的问题，还未提出有效的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置，以解决现有技术中环境污染形势分布是基于二维地图形成的，不能通过三维可视化展示水平方向和竖直方向上的污染形势的问题。

为此，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面，提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，包括：

获取待可视化模式预报区域；

根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；

获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；

将所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；

通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；

通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；

在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

可选地，根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域包括：

构建与所述待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系；

在所述三维空间坐标系的三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型；

根据所述三维网格模型获取所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域。

可选地，通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据包括：

通过所述指定空气质量预报模式系统获取所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据；

根据所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

可选地，所述方法还包括：

获取指定三维网格和所述指定三维网格内的指定网格点P；其中，所述指定三维网格的一面的四个网格点为A、B、C、D，该一面的对应面的四个网格点为E、F、G，H；

通过所述指定空气质量预报模式系统获取网格点A、网格点B、网格点C、网格点D、网格点E、网格点F、网格点G、网格点H的污染物浓度数据；

通过如下公式计算所述指定网格点P的污染物浓度数据：

P.v＝A.v*Aq+B.v*Bq+C.v*Cq+D.v*Dq+E.v*Eq+F.v*Fq+G.v*Gq+H.v*Hq；

其中，P.v表示所述指定网格点P的污染物浓度数据，A.v表示网格点A的污染物浓度数据，B.v表示网格点B的污染物浓度数据，C.v表示网格点C的污染物浓度数据，D.v表示网格点D的污染物浓度数据，E.v表示网格点E的污染物浓度数据，F.v表示网格点F的污染物浓度数据，G.v表示网格点G的污染物浓度数据，H.v表示网格点H的污染物浓度数据，Aq表示网格点A对指定网格点P的污染权重，Bq表示网格点B对指定网格点P的污染权重，Cq表示网格点C对指定网格点P的污染权重，Dq表示网格点D对指定网格点P的污染权重，Eq表示网格点E对指定网格点P的污染权重，Fq表示网格点F对指定网格点P的污染权重，Gq表示网格点G对指定网格点P的污染权重，Hq表示网格点H对指定网格点P的污染权重；

其中，

Aq＝(1–Qx)*(1–Qy)*(1–Qz)；

Bq＝Qx*(1–Qy)*(1–Qz)；

Cq＝Qx*Qy*(1–Qz)；

Dq＝(1–Qx)*Qy*(1–Qz)；

Eq＝(1–Qx)*(1–Qy)*Qz；

Fq＝Qx*(1–Qy)*Qz；

Gq＝Qx*Qy*Qz；

Hq＝(1–Qx)*Qy*Qz；

其中，

Qx＝(x–A.x)/Lx；

Qy＝(y–A.y)/Ly；

Qz＝(z–A.z)/Lz；

其中，

Lx＝G.x–A.x；

Ly＝G.y–A.y；

Lz＝G.z–A.z；

Lx，Ly，Lz分别为指定三维网格的长宽高，A.x、A.y、A.z分别为A点的X轴坐标、A点的Y轴坐标、A点的Z轴坐标，G.x、G.y、G.z分别为G点的X轴坐标、G点的Y轴坐标、G点的Z轴坐标，x、y、z分别为指定网格点P在三维坐标中的x,y,z坐标值。

可选地，在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据包括：

获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引；

根据所述颜色索引获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色；

其中，通过如下公式获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引：

cIndex＝((V–Nmin)/(Nmax–Nmin))*CLength；

其中，cIndex表示颜色索引，V表示与每个网格对应的污染物浓度数据，Nmin表示染物浓度数据最小值，Nmax表示染物浓度数据最大值，CLength表示环境污染渲染图例的颜色个数。

可选地，获取指定网格在第一时刻的第三污染物浓度数据和在第二时刻的第四污染物浓度数据；

根据所述第三污染物浓度数据和所述第四污染物浓度数据通过如下公式获取第三时刻的污染物浓度数据；其中，所述第三时刻为所述第一时刻和第二时刻之间的时刻；

A表示所述第一时刻，B表示所述第二时刻，T表示所述第三时刻，Tn表示所述第三时刻的污染物浓度数据，An表示所述第一时刻的污染物浓度数据，Bn表示所述第二时刻的污染物浓度数据。

本发明第二方面，提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，包括：

第一获取模块，用于获取待可视化模式预报区域；

第二获取模块，用于根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；

第三获取模块，用于获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；

绘制模块，用于将所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；

第四获取模块，用于通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；

第五获取模块，用于通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；

展示模块，用于在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

可选地，所述第二获取模块和所述第三获取模块具体用于：

构建与所述待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系；

在所述三维空间坐标系的三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型；

根据所述三维网格模型获取所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域。

所述第四获取模块和所述第五获取模块具体用于：

通过所述指定空气质量预报模式系统获取所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据；

根据所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

本发明实施例技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法及装置，其中，该方法包括：获取待可视化模式预报区域；根据待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；获取与第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；将第一数据展示区域和第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；通过指定空气质量预报模式系统获取第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；在虚拟地球中展示第一污染物浓度数据和第二污染物浓度数据。解决了现有技术中环境污染形势分布是基于二维地图形成的，不能通过三维可视化展示水平方向和竖直方向上的污染形势的问题，实现了三维虚拟地球的污染形势多维度可视化方法，可以准确地展示水平方向和竖直方向上的污染形势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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是根据本发明实施例的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的三维数据网格示意图；

图3是根据本发明实施例的基础路径在虚拟地球中的展示图；

图4是根据本发明实施例的路径拆分构建垂直展示面；

图5是根据本发明实施例的地面层数据从二维到三维过度示意图；

图6是根据本发明实施例的基于三维虚拟地球的污染形势多维度可视化示意图；

图7是根据本发明实施例的采用三线性插值的三维数据网格示意图；

图8是根据本发明实施例的PM2.5渲染图例；

图9是根据本发明实施例的基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置的结构框图；

图10是本发明实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

虚拟地球(Virtual globe)是一种能表示地球或另一个世界的三维软件模型，能够提供给用户自由移动环境与改变观察角度与位置的功能。相比于传统的地球仪，虚拟地球能够提供给用户关于地球表面的不同的人对于地理特征、人为特征(如公路、建筑)或类似于人口数量的抽象数据的不同看法。

近些年来，随着图形处理器(Graphics Processing Unit，简称为GPU)性能不断显著提升，普通计算机的3D处理能力也随之水涨船高，所以越来越多的虚拟现实技术不断应用到人们的实际生活中，如VR、3D打印、三维地图等等。随着虚拟现实技术逐渐成熟，如WorldWind、Google Earth、Cesium等虚拟地球也大力发展，被应用到各种行业。虚拟地球比普通的二维地图，更加真实的模拟了我们所在的地球环境，应用到航天、环保、气象等等行业。

根据本发明实施例，提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本实施例中提供了一种基于上述三维虚拟地球的环境数据可视化方法，可用于环境监测展示系统、环境预报预警系统等，图1是根据本发明实施例的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，获取待可视化模式预报区域。在一个可选实施例中，从服务器请求嵌套网格空气质量预报模式系统(Nested Air Quality Prediction Modeling System，简称为NAQPMS)模式生成的污染物地理区域的预报数据，根据数据的空间属性，确定展示的待可视化模式预报区域。NAQPMS模式系统已经广泛应用于硫氧化物跨国输送，沙尘起沙、输送和沉降模拟，酸雨对环境的影响研究，臭氧模拟，以及城市、区域等尺度上的空气质量模拟研究,并成功实现了业务上的广泛应用。NAQPMS是由中国科学院大气物理研究所自主开发研制的。该模式系统经历了近20年的发展,是通过集成自主开发的一系列城市、区域尺度空气质量模式发展而成的。该模式不但可以研究区域尺度的空气污染问题，同时可以研究城市尺度的空气质量等问题的发生机理及其变化规律，此外还可以研究不同尺度之间的相互影响过程。该模式是研究污染物排放量、气象条件、化学转化和干湿清除之间相互作用的重要工具，可以为环境决策部分提供科学的污染排放控制对策。空气质量预报子系统(NAQPM)为整个模式系统的核心，主要处理污染物之排放，平流输送，扩散，干、湿沉降和气相、液相及非均相反应等物理与化学过程。其空间结构为三维欧拉输送模式，垂直坐标采用地形追随坐标。水平结构为多重嵌套网格，采用单向、双向嵌套技术，分辨率为3～81km，垂直不等距分为20层。

步骤S102，根据待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域。

步骤S103，获取与第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域。

步骤S104，将该第一数据展示区域和该第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球。具体地，可以基于Cesium作为虚拟地球载体，然后进行污染物数据展示，Cesium是一个用于显示三维地球和地图的JavaScript编写的开源WebGL地图引擎库，它可以用来显示海量三维模型数据、影像数据、地形高程数据、矢量数据等等。Cesium支持3D，2D，2.5D形式的地图展示，可以自行绘制图形，高亮区域，并提供良好的触摸支持，且支持绝大多数的浏览器和mobile(移动客户端)。

步骤S105，通过指定空气质量预报模式系统获取该第一数据展示区域的第一污染物浓度数据。

步骤S106，通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据。

本可选实施例所使用的污染物分布数据可以是由NAQPMS模式生成。具体地，指定空气质量预报模式系统可以是NAQPMS系统，NAQPMS模式生成的污染物预报数据，是一层一层平行于地面的二维网格结构，每一层的数据代表不同高度层污染物的浓度网格分布。

步骤S107，在该虚拟地球中展示该第一污染物浓度数据和该第二污染物浓度数据。

通过上述步骤，通过虚拟地球中的平行于地面的第一数据展示区域和与第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域展示污染物的浓度，相比于现有技术中只能通过二维地图展示污染物的浓度，本可选实施例解决了现有技术中环境污染形势分布是基于二维地图形成的，不能通过三维可视化展示水平方向和竖直方向上的污染形势的问题，实现了网页端的基于Cesium三维虚拟地球的污染形势多维度可视化，可以准确地展示水平方向和竖直方向上的污染形势，提升了用户体验。

为了在三维空间的水平和垂直方向的任意一点，都能准确的获取污染物浓度数据，需要构建三维数据结构，在一个可选实施例中，构建与待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系，其中，三维空间坐标系以平行于经度线方向的轴为X轴，以平行于纬度线方向的轴为Y轴，高程轴为Z轴，在X轴、Y轴、Z轴三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型。

在一个可选实施例中，根据该三维网格模型获取该第一数据展示区域和该第二数据展示区域，通过指定空气质量预报模式系统获取三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据，根据三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取第一污染物浓度数据和第二污染物浓度数据。具体地，模式预报数据存储在Web服务器上，根据需要请求待可视化模式预报区域所有层高，例如使用了20层的模式预报PM2.5的数据，层高序号是1-20的污染物浓度数据。根据返回的模式预报数据和模式基础信息(地理空间范围、层数及其代表的平均高度、污染物指标等)，在经度、纬度、高度三个方向确定网格数和每一个网格的大小，设置每个网格点的位置和网格点上的污染物浓度数据，构建污染物浓度的三维数据网格，如图2所示，将组织好的三维数据网格存储到计算机内存中。

下面结合一个具体的可选实施例进行说明，如图3所示，输入的任意一条平行于球面有n个中间点的曲线(任意一条有很多中间点的线，可以是某个重污染区域的边界线，某省份的边界线等)，作为垂直方向展示污染物的基础路径，曲线Line可以表示为：Line＝[point0,point1,…,pointn]，point(x,y,z)是球面上的点，是Cesium笛卡尔空间直角坐标系(Cartesian3)中的三维坐标点。如图4所示，输入的是从北京-重庆-广州的一条路径，曲线Line就可以表示为：Line＝[A,B,C]，其中A代表北京、B代表重庆、C代表广州。将曲线Line中的所有点的笛卡尔坐标转换成经纬度坐标，然后将曲线Line拆分成一定数量的线段，例如可以拆分成100段，根据数据范围和绘制范围动态调整，构建垂直展示面的网格。根据第一层模式数据网格，其中，第一层模式数据是地面层的数据，所以一般用第一层的模式数据表示每个地方的污染物预报数据，构建水平展示面的网格结构，为网格结构设置数据。水平展示面的网格数据，最后绘制到虚拟地球的球体表面，其区域范围的形状从二维地图中的矩形，最后绘制到球体的表面，就会变成扇形的分布，如图5所示。

通过本发明实施例的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，在虚拟地球中展示的污染形势如图6所示。

为了获取任一网格点的污染物浓度数据，从三维数据网格中，遍历水平展示面网格的坐标点和垂直展示面的所有的网格点，通过空间插值(三线性插值)的方式，给水平展示面和垂直展示面的每一个网格点，设置该点所在的位置的浓度值。在一个可选实施例中，如图7所示，获取指定三维网格和该指定三维网格内的指定网格点P；其中，指定三维网格的一面的四个网格点为A、B、C、D，该一面的对应面的四个网格点为E、F、G，H，具体地，通过每一个网格点的经纬度坐标，确定其在三维数据网格中的位置和该位置的8个数据格点A、B、C、D、E、F、G、H，然后通过三线性差值，给网格点设置污染物浓度数据。

通过该指定空气质量预报模式系统获取网格点A、网格点B、网格点C、网格点D、网格点E、网格点F、网格点G、网格点H的污染物浓度数据，通过如下公式计算指定网格点P的污染物浓度数据：

P.v＝A.v*Aq+B.v*Bq+C.v*Cq+D.v*Dq+E.v*Eq+F.v*Fq+G.v*Gq+H.v*Hq；

其中，P.v表示指定网格点P的污染物浓度数据，A.v表示网格点A的污染物浓度数据，B.v表示网格点B的污染物浓度数据，C.v表示网格点C的污染物浓度数据，D.v表示网格点D的污染物浓度数据，E.v表示网格点E的污染物浓度数据，F.v表示网格点F的污染物浓度数据，G.v表示网格点G的污染物浓度数据，H.v表示网格点H的污染物浓度数据，Aq表示网格点A对指定网格点P的污染权重，Bq表示网格点B对指定网格点P的污染权重，Cq表示网格点C对指定网格点P的污染权重，Dq表示网格点D对指定网格点P的污染权重，Eq表示网格点E对指定网格点P的污染权重，Fq表示网格点F对指定网格点P的污染权重，Gq表示网格点G对指定网格点P的污染权重，Hq表示网格点H对指定网格点P的污染权重；

其中，

Aq＝(1–Qx)*(1–Qy)*(1–Qz)；

Bq＝Qx*(1–Qy)*(1–Qz)；

Cq＝Qx*Qy*(1–Qz)；

Dq＝(1–Qx)*Qy*(1–Qz)；

Eq＝(1–Qx)*(1–Qy)*Qz；

Fq＝Qx*(1–Qy)*Qz；

Gq＝Qx*Qy*Qz；

Hq＝(1–Qx)*Qy*Qz；

计算各个方向上网格点对P点的权重如下：

Qx＝(x–A.x)/Lx；x值大于P点x值一侧网格点在x方向的权重，相应的另一侧的为1–Qx；

Qy＝(y–A.y)/Ly；y值大于P点y值一侧网格点在y方向的权重，相应的另一侧的为1–Qy；

Qz＝(z–A.z)/Lz；z值大于P点z值一侧网格点在z方向的权重，

相应的另一侧的为1–Qz；

其中，

Lx＝G.x–A.x；

Ly＝G.y–A.y；

Lz＝G.z–A.z；

Lx，Ly，Lz分别为指定三维网格的长宽高，A.x、A.y、A.z分别为A点的X轴坐标、A点的Y轴坐标、A点的Z轴坐标，G.x、G.y、G.z分别为G点的X轴坐标、G点的Y轴坐标、G点的Z轴坐标，x、y、z分别为指定网格点P在三维坐标中的x,y,z坐标值。通过本可选实施例，可以获取区域中任意网格点的污染物浓度数据，提升了数据的丰富性和准确度。

上述步骤S107涉及在该虚拟地球中展示该第一污染物浓度数据和该第二污染物浓度数据，在一个可选实施例中，获取与各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引，根据该颜色索引获取与各个网格的污染物浓度数据对应的颜色，其中，通过如下公式获取与各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引：

cIndex＝((V–Nmin)/(Nmax–Nmin))*CLength；

其中，cIndex表示颜色索引，V表示与每个网格对应的污染物浓度数据，Nmin表示染物浓度数据最小值，Nmax表示染物浓度数据最大值，CLength表示环境污染渲染图例的颜色个数。颜色索引和各个网格的环境数据的颜色的对应关系是预先设置好的，例如为10个格子设置1-10的编号，依次往里放了10个颜色，每次根据计算出来的编号去对应颜色，例如编号为6，那就去获取第6个颜色。

具体地，例如任意一个网格点P的污染物(PM2.5)浓度为N，本可选实施例中0<＝N<＝350μg/m³，通过本可选实施例设置污染物浓度的渲染颜色，渲染污染物的浓度分布如图8所示。

因为一般情况下，污染物预报数据有三个维度，时间、空间跨度大，数据种类多(每一种污染物的预报数据就是一类数据，如PM2.5、PM10、沙尘等等)，最后生成的数据体量非常大，如果按照正常的数据请求方式和展示处理方法，根本达不到连续动态展示空气质量分布的效果。例如，本发明实施例构建的三维数据网格，地理范围为：经度在26.03304度至178.060065度之间，纬度在-6.59913度(南纬)至68.6035717度之间，层高为1至20层；在经度方向共有750个网格，每0.20270270度一个数据网格；在纬度方向共371个网格，每0.20270270度一个数据网格。所以，一个时刻的PM2.5的浓度预报数据，网格点总数计算方法如下：Sum＝Xn*Yn*Zn；其中Xn、Yn、Zn分别代表经度方向、纬度方向、高度方向的数据网格点数。所以本实施例中的一个时刻，单个污染污染指标的数据就有750*371*20＝5565000个网格点，每个网格点存储污染物的浓度数据。这样的话，展示不同的污染物，连续不同的时刻，数据量会很大。

考虑到Web浏览器端数据请求效率和连续可视化效果，利用2个时刻的数据，去模拟中间时刻的数据，这样可以降低数据传输量，同时能提升污染物按照趋势变化的动态效果。例如可以用每天的0点、4点、8点、12点、16点、20点6个时刻的污染物预报浓度数据，通过在时间维度的插值，获取全天任意时刻的污染物浓度预报数据。

为了解决该问题，在一个可选实施例中，获取指定网格在第一时刻的第三污染物浓度数据和在第二时刻的第四污染物浓度数据，根据第三污染物浓度数据和第四污染物浓度数据通过如下公式获取第三时刻的污染物浓度数据，其中，第三时刻是该第一时刻和第二时刻之间的时刻，

A表示第一时刻，B表示第二时刻，T表示第三时刻，Tn表示第三时刻的污染物浓度数据，An表示第一时刻的污染物浓度数据，Bn表示第二时刻的污染物浓度数据。

例如，已知8点和12点的PM2.5预报浓度数据分别为36μg/m³和68μg/m³，那么11点的PM2.5的浓度数据可以模拟为：

这样就可以不仅能减少数据传输压力，还可以为计算机处理数据节省资源，处理的数据量少，实现连续动态的污染物浓度随着时间在地理空间中的趋势变化展示。

在本实施例中还提供了一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”为可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本实施例提供一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，如图9所示，包括：

第一获取模块91，用于获取待可视化模式预报区域；

第二获取模块92，用于根据该待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；

第三获取模块93，用于获取与该第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；

绘制模块94，用于将该第一数据展示区域和该第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；

第四获取模块95，用于通过指定空气质量预报模式系统获取该第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；

第五获取模块96，用于通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；

展示模块97，用于在该虚拟地球中展示该第一污染物浓度数据和该第二污染物浓度数据。

可选地，该第二获取模块和该第三获取模块具体用于：

构建与该待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系；

在该三维空间坐标系的三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型；

根据该三维网格模型获取该第一数据展示区域和该第二数据展示区域。

所述第四获取模块和所述第五获取模块具体用于：

通过所述指定空气质量预报模式系统获取所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据；

根据所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

本实施例中的基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。

上述各个模块的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种电子设备，具有上述图9所示的基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置。

请参阅图10，图10是本发明可选实施例提供的电子设备的结构示意图，如图10所示，该终端可以包括：至少一个处理器1001，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口1003，存储器1004，至少一个通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口1003可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器1004可以是高速RAM存储器(Random Access Memory，随机存取存储器)，也可以是非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器1004可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器1001的存储装置。其中处理器1001可以结合图9所描述的装置，存储器1004中存储应用程序，且处理器1001调用存储器1004中存储的程序代码，以用于执行上述任一基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法。

其中，通信总线1002可以是外设部件互连标准(peripheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线1002可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图10中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

其中，存储器1004可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：harddisk drive，缩写：HDD)或固态硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器1004还可以包括上述种类的存储器的组合。

其中，处理器1001可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。

其中，处理器1001还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。

可选地，存储器1004还用于存储程序指令。处理器1001可以调用程序指令，实现如本申请图1实施例中所示的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法。

本发明实施例还提供了一种非暂态计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，其特征在于，包括：

获取待可视化模式预报区域；

根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；

获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；

将所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；

通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；

通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；

在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

2.根据权利要求1所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，其特征在于，根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域包括：

构建与所述待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系；

在所述三维空间坐标系的三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型；

根据所述三维网格模型获取所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域。

3.根据权利要求2所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，其特征在于，通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据包括：

通过所述指定空气质量预报模式系统获取所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据；

根据所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

4.根据权利要求3所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取指定三维网格和所述指定三维网格内的指定网格点P；其中，所述指定三维网格的一面的四个网格点为A、B、C、D，该一面的对应面的四个网格点为E、F、G，H；

通过所述指定空气质量预报模式系统获取网格点A、网格点B、网格点C、网格点D、网格点E、网格点F、网格点G、网格点H的污染物浓度数据；

通过如下公式计算所述指定网格点P的污染物浓度数据：

P.v＝A.v*Aq+B.v*Bq+C.v*Cq+D.v*Dq+E.v*Eq+F.v*Fq+G.v*Gq+H.v*Hq；

其中，P.v表示所述指定网格点P的污染物浓度数据，A.v表示网格点A的污染物浓度数据，B.v表示网格点B的污染物浓度数据，C.v表示网格点C的污染物浓度数据，D.v表示网格点D的污染物浓度数据，E.v表示网格点E的污染物浓度数据，F.v表示网格点F的污染物浓度数据，G.v表示网格点G的污染物浓度数据，H.v表示网格点H的污染物浓度数据，Aq表示网格点A对指定网格点P的污染权重，Bq表示网格点B对指定网格点P的污染权重，Cq表示网格点C对指定网格点P的污染权重，Dq表示网格点D对指定网格点P的污染权重，Eq表示网格点E对指定网格点P的污染权重，Fq表示网格点F对指定网格点P的污染权重，Gq表示网格点G对指定网格点P的污染权重，Hq表示网格点H对指定网格点P的污染权重；

其中，

Aq＝(1–Qx)*(1–Qy)*(1–Qz)；

Bq＝Qx*(1–Qy)*(1–Qz)；

Cq＝Qx*Qy*(1–Qz)；

Dq＝(1–Qx)*Qy*(1–Qz)；

Eq＝(1–Qx)*(1–Qy)*Qz；

Fq＝Qx*(1–Qy)*Qz；

Gq＝Qx*Qy*Qz；

Hq＝(1–Qx)*Qy*Qz；

其中，

Qx＝(x–A.x)/Lx；

Qy＝(y–A.y)/Ly；

Qz＝(z–A.z)/Lz；

其中，

Lx＝G.x–A.x；

Ly＝G.y–A.y；

Lz＝G.z–A.z；

Lx，Ly，Lz分别为指定三维网格的长宽高，A.x、A.y、A.z分别为A点的X轴坐标、A点的Y轴坐标、A点的Z轴坐标，G.x、G.y、G.z分别为G点的X轴坐标、G点的Y轴坐标、G点的Z轴坐标，x、y、z分别为指定网格点P在三维坐标中的x,y,z坐标值。

5.根据权利要求2-4中任一所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法，其特征在于，在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据包括：

获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引；

根据所述颜色索引获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色；

其中，通过如下公式获取与所述各个网格的污染物浓度数据对应的颜色索引：

cIndex＝((V–Nmin)/(Nmax–Nmin))*CLength；

其中，cIndex表示颜色索引，V表示与每个网格对应的污染物浓度数据，Nmin表示染物浓度数据最小值，Nmax表示染物浓度数据最大值，CLength表示环境污染渲染图例的颜色个数。

6.一种基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取待可视化模式预报区域；

第二获取模块，用于根据所述待可视化模式预报区域的经纬度坐标获取平行于地面的第一数据展示区域；

第三获取模块，用于获取与所述第一数据展示区域对应的垂直于地面的第二数据展示区域；

绘制模块，用于将所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域对应绘制至虚拟地球；

第四获取模块，用于通过指定空气质量预报模式系统获取所述第一数据展示区域的第一污染物浓度数据；

第五获取模块，用于通过指定空气质量预报模式系统获取各个层高的第二污染物浓度数据；

展示模块，用于在所述虚拟地球中展示所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

7.根据权利要求6所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，其特征在于，所述第二获取模块和所述第三获取模块具体用于：

构建与所述待可视化模式预报区域对应的三维空间坐标系；

在所述三维空间坐标系的三个方向确定网格数和每一个网格的大小，构建三维网格模型；

根据所述三维网格模型获取所述第一数据展示区域和所述第二数据展示区域。

8.根据权利要求6所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化装置，所述第四获取模块和所述第五获取模块具体用于：

通过所述指定空气质量预报模式系统获取所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据；

根据所述三维网格模型中各个网格的污染物浓度数据获取所述第一污染物浓度数据和所述第二污染物浓度数据。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述权利要求1-5中任一所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现上述权利要求1-5中任一所述的基于三维虚拟地球的环境数据可视化方法。

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