基于Web的气象雷达数据三维可视化研究

摘要

近年来，许多相关科学技术投入到气象领域的研究，帮助气象人员对强对流天气做出准确及时的分析和判断，降低气象灾害所造成的经济损失。伴随着计算机技术和网络技术的飞速发展，Web应用也逐步从二维向三维拓展，如何在Web中高效地进行三维可视化数据成为三维可视化研究的一个重要方向。目前基于Web雷达数据可视化主要针对二维的栅格图像和点、线、面矢量符号，缺乏三维空间的几何位置信息以及拓扑信息，无法获取高度方向上气象要素的分布特征。将Web3D与雷达数据三维可视化相结合，充分利用Web随时随地访问、瘦客户端、跨平台等优点，可以实现气象数据的实时共享和协同分析，可以愈加快速、方便地展现气象雷达回波的三维立体结构，能够直观地显示天气状况的发展进程及趋势，加强人们对三维空间的认知，有利于对天气过程的深入分析。目前雷达三维可视化数据基本上以矢量数据居多，使用矢量数据可以更加精确地表达降水云体的地理空间位置。因此，本文致力于面向Web的气象雷达三维矢量可视化研究。论文的主要研究结果如下: (1)气象雷达基数据的预处理，解析基数据文件，并将气象雷达球坐标系下的点数据转换成笛卡坐标系下的三维格网数据，并相关算法完成三维等值面矢量数据和三维垂直剖面数据的提取，得到较好的结果。 (2)面向Web网络数据格式的设计，对提取到的等值面数据和剖面数据进行格式化处理，设定数据传输的格式，使其适合于网络环境下传输。 (3)服务器端创建REST雷达资源接口，提供相应的可视化算法资源;客户端利用Cesium框架对提取结果进行三维渲染，验证成果的有效性，实现三维雷达数据的颜色填充和透明度显示。 本文使用多个样本数据对基于Web的气象雷达三维算法进行了测试，重构结果与实际状况一致，矢量结构表面连续平滑、良好的空间连续性，数据量精简，网络传输效率较高，可以直观的获取回波整体结构特征信息，为气象预测提供重要的依据。

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摘要

第一章绪论

1．1．研究目的和意义

1．2．国内外研究现状

1．3．文章结构和技术路线

2．1．气象雷达基数据

2．2．气象雷达数据三维格点化

2．3．本章小结

第三章雷达三维等值面算法

3．1．基于六面体的等值面算法

3．2．MC算法存在的问题

3．3．经典的解决面二义性方法

3．4．等值面改进算法

3．4．1． 算法思路

3．4．2． 改进算法比较

3．5．本章小结

第四章雷达三维垂直剖面算法

4．1．算法思路

4．2．剖切平面的网格提取

4．3．确定小网格内等值面片连接方式

4．4．网格内等值面片提取

4．5．剖面数据结构优化

4．6．算法效率

4．7．本章小结

第五章气象雷达三维矢量数据的网络传输

5．1．JSON格式介绍

5．2．二进制格式介绍

5．3．矢量数据结构

5．4．JSON格式数据组织方案

5．5．二进制格式数据组织方案

5．6．JSON与二进制的比较

5．7．本章小结

第六章基于Web的气象雷达三维可视化应用

6．1．整体设计

6．2．REST网络服务设计与实现

6．2．1． REST规范简介

6．2．2． REST网络服务设计

6．3．web客户端可视化设计与实现

6．3．1． 功能设计

6．3．2．WebGL简介及Cesium介绍

6．3．3． 多边形的绘制

6．4．实验结果

6．4．1． 三维等值面可视化效率

6．4．2． 三维垂直剖面可视化效率

6．4．3． 三维可视化效果

6．5．本章小结

7．1．本文主要结论

7．2．创新点

7．3．存在的不足

参考文献

致谢

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