一种基于全球划分的大规模气象体数据绘制方法

摘要

本发明公开了一种基于全球划分的大规模气象体数据绘制方法，其包括如下步骤：对原始气象体数据进行预处理并对地球上空高度为h1至h2的空间进行划分；根据每一最终剖分子块的空间坐标范围获得体数据块，并对所有体数据块进行颜色映射，得到体数据块颜色索引块；依据各个体数据块与视点P1之间的距离对体数据块进行排序，得到体数据块的绘制列表；根据所得绘制列表，利用GPU调色板与所得体数据块颜色索引块对绘制列表中的每一体数据块进行体绘制；随机移动视点，重复上述步骤。本发明的主要优点在于基于全球划分的策略对规则气象体数据进行绘制，从而突破了GPU存储容量的瓶颈，达到在球面上高效、快速绘制大规模气象体数据的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于全球划分的大规模气象体数据绘制方法。

背景技术

随着科技的发展，人们需要处理的数据也越来越复杂，这就需要计算机辅助可视化 将复杂的数据信息转换为直观的图形图像并在屏幕上显示出来。海量数据只有通过可视 化变成形象，人们才能从表面杂乱无章的海量数据中挖掘出其隐藏的规律，才能为科学 发现、气象学、业务决策等领域提供依据。体绘制是一种有效的数据可视化手段，能够 揭示体数据内部信息，而不仅仅是显示对象的表面信息，在气象领域取得了广泛的应用。

然而，目前体数据绘制技术远未成熟，在理论研究和实际应用中还有许多问题亟待 解决。其存在的问题具体表现在以下几个方面：对于大规模的气象体数据而言，基于球 面进行体绘制还没有成熟的方法；当需要对不同时区下、不同投影下的多个体数据绘制 时，目前的体绘制方法没办法集成绘制，绘制效率不高；虽然随着计算机图形硬件的发 展，基于GPU的体绘制算法与传统的基于CPU的体绘制算法相比，绘制速度有了极大的 提高，但是当数据规模较大时，体绘制算法仍然难以达到实时绘制的速度；由于受GPU 存储容量的限制，在绘制大规模的体数据时，例如大规模的气象体数据，绘制能力大大 受限。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于全球划分的大规模气象体数 据绘制方法，本发明的主要优点在于基于全球划分的策略对规则气象体数据进行绘 制，从而突破了GPU存储容量的瓶颈，达到在球面上高效、快速绘制大规模气象体数据 的目的。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于全球划分的大规模气象体数 据绘制方法，其包括如下步骤：

(1)对原始气象体数据进行预处理并对地球上空高度为h1至h2的空间进行划分；

其中对原始气象体数据进行预处理是对原始气象体数据进行插值预处理，使原始非 规则气象体数据变成规则气象体数据；

其中对地球上空高度为h1至h2的空间进行划分的步骤如下：

(I)对地球上空高度为h1至h2的空间进行全球初始划分，将此空间在经度上均 匀划分成m个行、在纬度上均匀划分成n个列、在高度上均匀划分成k个层，得到m*n*k 个初始分块，并对所得到的所有初始分块进行编号；

(II)确定视点在位置P1处时的可见视域范围，得到此视域范围内的所有q块可 见初始分块的列表；

(III)在以位置P1为原点的视口坐标系下，计算步骤(II)中得到的所有可见初 始分块中的每一可见初始分块与视点之间的距离d_i，1≤i≤q，并根据该距离d_i确定步 骤(II)中得到的列表中每一可见初始分块所需的再次剖分次数n_i，每一可见初始分块 所需的再次剖分次数n_i随着每一可见初始分块与视点之间的距离d_i的减小而增大，然后 根据所得的每一可见初始分块的再次剖分次数n_i对对应的可见初始分块进行剖分，得到 最终剖分子块；

(2)根据每一最终剖分子块的空间坐标范围获取落在其坐标范围内的体数据信息， 包含体数据信息的剖分子块形成体数据块，并对所有体数据块进行颜色映射，得到体数 据块颜色索引块；

(3)依据各个体数据块与视点P1之间的距离、由近及远地对所有体数据块进行排 序，得到体数据块的绘制列表；

(4)根据步骤(3)中得到的绘制列表，利用GPU调色板与步骤(2)中得到的体 数据块颜色索引块的信息对步骤(3)中得到的绘制列表中的每一体数据块进行体绘制；

(5)将视点依次随机移动至位置P2、P3、P4、P5或P6……Pn，其中n为自然数， 重复上述步骤(II)、(III)、(2)、(3)、(4)。

在上述步骤(1)中，用克里金插值方法对原始气象体数据进行插值预处理将原始 非规则气象体数据变成规则气象体数据，其中原始气象体数据是非规则层状数据，其层 与层之间是非等间距的，而规则气象体数据是层与层之间是等间距的层状数据。

在上述步骤(I)中，将位于第a行第b列第c层处的初始分块编号为(a，b，c)， 其中0≤a≤m-1、0≤b≤n-1、0≤c≤k-1。

在步骤(II)中，得到P1的视域范围内的所有q块可见初始分块(a₁，b₁，c₁)、(a₂， b₂，c₂)……的列表。

在步骤(III)中，采用八叉树剖分法根据与每一可见初始分块对应的再次剖分次 数n对该可见初始分块进行剖分。

与现有技术相比，本发明提供的基于全球划分的大规模气象体数据绘制方法具有以 下优点：基于全球划分的策略对规则气象体数据进行绘制，剥离了与数据的相关性，可 以将不同时区下、不同投影下的气象体数据集成绘制，能处理大规模的气象体数据，并 可以在保证图像质量的同时大大地提高了绘制的速度；根据视点计算球面下视域内的可 见分块，然后只对可见分块进行绘制，降低了对图形硬件资源的占用，同时提高了绘制 效率；若视点移动，可动态地得到视点与初始分块的距离，并实时计算出分块剖分的级 数，达到实时绘制的目的；利用GPU调色板记录颜色编号，体数据块的颜色值就根据颜 色索引块找相应的颜色，有效地解决了GPU存储容量的瓶颈问题，充分利用了图形硬件 的加速功能，提高了大规模数据的绘制速度；本发明实现了对大规模气象体数据在球面 上的快速绘制，速度可以达到实时交互；本发明实现的基于球面的大规模气象体数据绘 制效果形象逼真。

附图说明

图1是本发明的基于全球划分的大规模气象体数据绘制方法的流程图。

图2是本发明的初始划分的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明提供的基于全球划分的大规模气象体数据绘制方 法做进一步详细说明。

步骤1：对原始气象体数据进行预处理：

用克里金插值方法对原始气象体数据进行插值预处理将原始非规则气象体数据变 成规则气象体数据。其中原始气象体数据是非规则层状数据，其层与层之间是非等间距 的，而规则气象体数据是层与层之间是等间距的层状数据。

步骤2：按照如下步骤对地球上空高度为h1至h2的空间进行划分：

(I)对地球上空高度为h1至h2的空间进行全球初始划分，将此空间在经度上均 匀划分成m个行、在纬度上均匀划分成n个列、在高度上均匀划分成k个层，得到m*n*k 个初始分块，并对所得到的所有初始分块进行编号，将位于第a行第b列第c层处的初 始分块编号为(a，b，c)，其中0≤a≤m-1、0≤b≤n-1、0≤c≤k-1。

(II)确定视点在位置P1处时的可见视域范围，得到此视域范围内的所有q块可 见初始分块(a₁，b₁，c₁)、(a₂，b₂，c₂)……的列表。

(III)在以位置P1为原点的视口坐标系下，计算步骤(II)中得到的所有可见初 始分块中的每一可见初始分块与视点之间的距离d_i，1≤i≤q，并根据该距离d_i确定步 骤(II)中得到的列表中每一可见初始分块所需的再次剖分次数n_i，每一可见初始分块 所需的再次剖分次数n_i随着每一可见初始分块与视点之间的距离d_i的减小而增大，初始 分块距视点的距离越近所需的再次剖分次数越大，然后采用八叉树剖分法根据所得的每 一可见初始分块的再次剖分次数n_i对对应的可见初始分块进行剖分，得到最终剖分子 块。

步骤3：根据每一最终剖分子块的空间坐标范围获取落在其坐标范围内的体数据信 息，包含体数据信息的剖分子块形成体数据块，并对所有体数据块进行颜色映射，得到 体数据块颜色索引块。

步骤4：依据各个体数据块与视点P1之间的距离、由近及远地对所有体数据块进行 排序，得到体数据块的绘制列表。

步骤5：根据步骤4中得到的绘制列表，利用GPU调色板与步骤3中得到的体数据 块颜色索引块的信息对步骤4中得到的绘制列表中的每一体数据块进行体绘制。

步骤6：将视点依次随机移动至位置P2、P3、P4、P5或P6……Pn，其中n为自然 数，重复上述步骤(II)、(III)、3、4、5。视点随时间而移动，视点的移动会造成视 域范围的变化，所得的可见分块列表也会产生变化，且可见分块与视点的距离也会发生 变化，随机移动视点，实时计算这些参数，从而保证整个绘制过程是流畅、动态实时的。

本发明提出的全球划分的策略是基于球面的，全球划分虽然也是分块的思想，但划 分的是空间范围，而不是对实际的体数据进行分块，可以将不同时区下、不同投影下的 气象体数据集成绘制，能处理大规模的气象体数据，并可以在保证图像质量的同时大大 地提高了绘制的速度。本发明解决的是球面上的大规模体数据的绘制方法，实际中，气 象数据是在地球上空的，因此气象领域中气象体数据的绘制在实际展示中，更适用采用 本发明方法。