基于WebGIS和粒子系統(tǒng)的空氣污染預測動態(tài)可視化展示技術

黎嘉明 付紅彬 張志敏

（廣東省環(huán)境信息中心，廣州 510308）

1.研究背景

“重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范”（Synthesized Prevention Techniques for Air Pollution Complex and Integrated Demonstration in Key City-Cluster Region ,英文簡寫為3c-star，以下簡稱“項目”）是中國“十一五”期間，由國家高技術研究與發(fā)展計劃（863）設立的一個項目，以增強城市群區(qū)域大氣復合污染控制能力，參與的單位包括北京大學、清華大學、中科院等著名院校及科研部門，也包括廣東及京津地區(qū)政府環(huán)保部門，以使這些項目的成果能更好地在實際應用部門“落地”。作者所在的廣東省環(huán)境信息中心承擔了項目中的《區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)》的研發(fā)工作，工作的目標是將項目中各個課題的研究成果與廣東省環(huán)保廳的業(yè)務需求相結合，讓研究成果可以應用到實際工作中。本文闡述的大氣污染預測數(shù)據(jù)可視化動態(tài)展示技術結合了項目中北京大學、中科院大氣所的研究成果，研究適合在現(xiàn)代網(wǎng)絡和移動終端中可視化展示的方法和技術。

2.研發(fā)目標

項目中由中科院大氣所研發(fā)的大氣污染預測模式生成的數(shù)據(jù)是三維的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，格式為NetCDF，數(shù)據(jù)描述在一個立體空間里面，由高到低分成20個平面，每個平面會分成多個小方塊，每個小方塊的大小為3km×3km，共120×100個，方塊包含20多個變量，每次預測的時間為72個小時。這種數(shù)據(jù)的時序變化比較好的方法是使用動畫來展示，而且因為它是平面的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍超過以往監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，如果能結合GIS一起展示會有更好的效果。雖然在科學研究領域中，已經有一些科學軟件可以對NetCDF格式的數(shù)據(jù)進行圖像渲染，這些軟件可將NetCDF格式數(shù)據(jù)生成二維圖片、圖表、甚至gif動畫等等，但是這些軟件多是基于Linux工作站的商業(yè)軟件，無法在網(wǎng)絡環(huán)境中實現(xiàn)多用戶的互動可視化，更不能與GIS平臺集成。因此需要針對現(xiàn)有的網(wǎng)絡環(huán)境以及地理信息系統(tǒng)平臺，結合應用部門的需求。我們希望通過研究新的技術很好地解決以上的問題。為此制定了以下的研發(fā)目標：

（1）實現(xiàn)污染物濃度值和評價值以多色漸變、多色梯度、單色漸變、單色梯度以及等值線等方式進行可視化渲染；

（2）實現(xiàn)大氣污染預測數(shù)據(jù)的時間演變動畫，動畫實時生成，可以由用戶“互動”檢索（快進、回退、調整播放速度、查看任意位置的數(shù)值）；

（3）實現(xiàn)模式域任意縱向剖面的狀態(tài)，需要研究如何從NetCDF中快速地獲取一個縱向剖面的數(shù)據(jù)進行可視化顯示；

（4）更好地關聯(lián)顯示氣象因素，使氣象與大氣污染的變化可以緊密集成；

（5）基于WebGIS，可疊加更多的業(yè)務數(shù)據(jù)（例如污染源數(shù)據(jù)、空氣實時監(jiān)測數(shù)據(jù)）。

3.關鍵技術攻關任務

為了實現(xiàn)以上的研發(fā)目標，我們將項目分解為多個技術研究的任務，其中取得比較大的技術進步的有以下幾個：

3.1 對NetCDF文件格式數(shù)據(jù)的整合技術

要實現(xiàn)研發(fā)目標，抽取NetCDF數(shù)據(jù)是首要任務。由于現(xiàn)有的工具大多是linux命令行模式的程序，不適合我們的應用服務器整合，因此需要開發(fā)軟件直接對NetCDF文件進行解析讀取。NetCDF數(shù)據(jù)格式屬于自解釋格式，它的存儲是按照時間對每一個變量進行分塊存儲，對于單時間整塊數(shù)據(jù)可以很快地進行定位讀取，但是對于多時間數(shù)據(jù)的讀取，需要從NetCDF文件所有塊中分別讀取數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)在物理磁盤上是分開存放，磁盤IO花費的時間很大，造成讀取效率低下。因此我們引入一種新的數(shù)據(jù)存儲格式對數(shù)據(jù)進行轉換，這個轉換工作放在模式計算完成后自動執(zhí)行，在數(shù)據(jù)轉換的同時也對多個模式的數(shù)據(jù)進行綜合平均，并計算API、RAQI等評價結果。

3.2 數(shù)據(jù)的空間投影變換技術

由于數(shù)據(jù)需要在GIS平臺上展示,要求NetCDF數(shù)據(jù)的空間參考與GIS平臺一致，從預測模式生成的NetCDF數(shù)據(jù)所使用的坐標系為蘭伯特投影，GIS平臺使用的則是WGS1984麥卡托投影，這需要在可視化之前對多維數(shù)據(jù)集先進行投影變換，多維數(shù)據(jù)集不是GIS圖層，無法使用現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)的投影變換功能，因此需要獨立開發(fā)軟件，編寫變換算法。對于預測模式來講，源清單的投影以及模式域一旦確定下來，一般不會經常改變，這就可以將空間變換的參數(shù)當作一個靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)有的GIS軟件將之每個格網(wǎng)的坐標變換到目標坐標系下，并將坐標對應關系存儲在數(shù)據(jù)庫中，在可視化時通過查數(shù)據(jù)庫的方式間接地實現(xiàn)投影變換。這種技術經過實驗證明可行，可以非?？焖俚貙etCDF的數(shù)據(jù)映射到GIS上。

3.3 WebGIS平臺上的“互動”技術

以上的數(shù)據(jù)轉換、處理工作均在后臺服務器端自動運行，而為了實現(xiàn)用戶“互動”檢索功能，還需要自己開發(fā)前臺客戶端軟件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)和查詢。為了實現(xiàn)這一目標，我們使用Silverlight前端技術，結合Esri ArcGIS的WebGIS平臺，以地圖層的方式展示大氣污染預測數(shù)據(jù)，并可以與其他的業(yè)務數(shù)據(jù)層一起整合。

3.4 氣象因素的整合展示技術

為了更好地展示氣象因素與大氣污染的變化的關聯(lián)，我們進一步在以上的基礎上加以改進，引入新的技術和方法，研究出一套新的制作大氣污染預測數(shù)據(jù)時序變化動畫的技術，要點如下：

（1）使用插值的方法將動畫由每小時1幀變?yōu)槊啃r12幀，以提高動畫的流暢度。經過多次的實驗，我們發(fā)現(xiàn)固定位置的數(shù)值時序變化的插值，并不能達到預期的效果。傳統(tǒng)上表現(xiàn)風力和方向的方法，是在小方格上畫一個矢量箭頭，箭頭的方向和長短根據(jù)風力的方向和長短而變化。但是這個風也是“固定位置”的，需要有一種新的技術來實現(xiàn)“移動位置的時序變化”。

（2）引入粒子系統(tǒng)技術來展示大氣的流動。“粒子系統(tǒng)技術”是計算機圖形學中模擬一些特定的模糊現(xiàn)象的技術，這些現(xiàn)象用其他傳統(tǒng)的渲染技術難以實現(xiàn)。例如：火、爆炸、煙、水流、火花、落葉、云、霧、雪、塵、流星尾跡或者像發(fā)光軌跡這樣的抽象視覺效果等。利用粒子系統(tǒng)技術，結合大氣污染預測數(shù)據(jù)中風力的數(shù)據(jù)，模擬出空氣流動的變化，既解決了動畫插值的流暢度的問題，也同時實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)與大氣污染數(shù)據(jù)的關聯(lián)展示，從動畫中可以非常直觀地看出大氣污染帶隨氣流的漂移、污染帶在停滯的氣流環(huán)境下的累積等現(xiàn)象，這些都是在傳統(tǒng)的展示技術中難以實現(xiàn)的。

（3）使用32bit的計算機圖形格式，基于Alpha通道實現(xiàn)多層圖形數(shù)據(jù)的無損疊加，可實現(xiàn)GIS地圖層、標注層和其他業(yè)務數(shù)據(jù)的疊加，更容易實現(xiàn)業(yè)務管理的需要，利用這種技術我們開發(fā)出應用服務，每天緊接著大氣預測模式運行，自動生成預測數(shù)據(jù)的動畫文件（MP4格式，可直接在網(wǎng)絡瀏覽器和移動終端上播放），效果如下圖所示：

4.應用成果

本文闡述的“基于WebGIS和粒子系統(tǒng)的大氣污染預測數(shù)據(jù)展示技術”是國家“863”項目“重點城市群大氣復合污染綜合防治技術與集成示范”（3c-star）的重點科研成果之一。與以往使用科學計算工具對預測數(shù)據(jù)進行分析的工作不同，此項技術是國內首個對預測數(shù)據(jù)進行底層的、深入的全面的分析、處理、展示的技術。該技術已運用于具有自主知識產權的“區(qū)域大氣環(huán)境綜合管理和輔助決策系統(tǒng)”，并運行于廣東省環(huán)境保護廳的內部信息平臺上，其效果獲得國內外專家的好評。

[1] NetCDF Documentation （http://www.unidata.ucar.edu/software/netcdf/#documentation）.