湛江空管站天氣雷達(dá)體掃描三維顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黎江峰

摘要：湛江空管站天氣雷達(dá)體掃描三維顯示系統(tǒng)通過采集湛江多普勒天氣雷達(dá)的多層CAPPI產(chǎn)品，經(jīng)過平滑算法、取樣和三角剖分等處理拼接成立體的三維圖形，并使用WEB形式展示給預(yù)報員。預(yù)報員在網(wǎng)頁上通過簡單的操作即可觀察回波的頂高以及垂直運動情況，在強對流天氣中能更有把握的作出預(yù)報。

關(guān)鍵詞：三維顯示系統(tǒng)；three.js；平滑算法；三角剖分；AJAX

1引言

自建成以來，湛江空管站的新多普勒天氣雷達(dá)為預(yù)報員帶來了豐富多樣的產(chǎn)品，但是在這些繁雜的產(chǎn)品中卻缺少了雷達(dá)體掃描三維顯示。預(yù)報員在查看VOL數(shù)據(jù)時只能通過CAPPI方式；既不直觀，也不方便，往往不能準(zhǔn)確及時的掌握回波整體的動態(tài)。因此，有必要開發(fā)一套基于雷達(dá)體掃描數(shù)據(jù)的回波三維顯示系統(tǒng)。

雷達(dá)體掃描三維顯示能直觀的展示雷達(dá)回波的立體圖像，讓預(yù)報員更方便的掌握回波頂高、回波頂高的變化以及回波垂直運動的趨勢，在強對流天氣中能更有把握的作出預(yù)報。經(jīng)過對預(yù)報員的意見進(jìn)行征集，認(rèn)為開發(fā)一套湛江空管站天氣雷達(dá)體掃描三維顯示系統(tǒng)（以下簡稱三維系統(tǒng)）是必需的。

2系統(tǒng)概要設(shè)計

2.1系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)為方便預(yù)報員的使用同時野考慮到日后的升級維護(hù)，使用B/S架構(gòu)。后臺端系統(tǒng)自動獲取雷達(dá)服務(wù)器中的多層CAPPI產(chǎn)品，合并成一個整體的三維回波。前臺端系統(tǒng)使用插件顯示后臺傳送來的三維回波。預(yù)報員可使用鼠標(biāo)或鍵盤對回波進(jìn)行拖動縮放等操作，實現(xiàn)全方位的查看。

2.2系統(tǒng)流程

三維系統(tǒng)使用MATLAB軟件作為后臺處理平臺，定時采集雷達(dá)服務(wù)器中的多層CAPPI產(chǎn)品，將其各自還原成強度數(shù)據(jù)后通過平滑算法拼接為一個整體的三維模型。由于網(wǎng)頁顯示時終端的運算能力不強，只提取模型的表面，并將其三角剖分后制作成點陣模型。

三維系統(tǒng)的網(wǎng)頁服務(wù)器采用nodejs，定時采集存放在指定目錄的模型文件，通過socket技術(shù)異步發(fā)往前臺瀏覽器。

三維系統(tǒng)的在瀏覽器接收到服務(wù)器異步發(fā)來的模型文件后，將其調(diào)整大小、染色、賦予材質(zhì)，最終顯示給客戶。

流程如圖1

2.3系統(tǒng)環(huán)境

考慮到還原CAPPI產(chǎn)品、拼接時的平滑算法以及三角剖分操作等都需要專業(yè)的數(shù)字處理軟件，系統(tǒng)處理平臺決定采用MATLAB軟件。

由于系統(tǒng)需要后臺定時獲取模型，決定利用nodejs作為網(wǎng)頁服務(wù)器。

前臺則采用THREE.JS腳本負(fù)責(zé)顯示三維模型。THREE.JS腳本具有擴展性好、使用方便和性能強大等特點，可在IE/CHROME/FIREFOX等瀏覽器上展示絢麗的三維效果，非常適合本軟件的需求。

3系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

3.1處理平臺

1）由于湛江多普勒天氣雷達(dá)每6分鐘生成一份VOL數(shù)據(jù)，處理平臺每隔6分鐘在雷達(dá)服務(wù)器中讀取多層CAPPI產(chǎn)品圖片。讀取CAPPI圖片后MATLAB將其加載到內(nèi)存中，通過對比色標(biāo)將圖片轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的強度矩陣。然后15層二維強度矩陣疊加合成一個三位強度矩陣。為了減輕系統(tǒng)處理壓力，使用interp3函數(shù)對矩陣取樣，分別在長、寬、高三個維度上縮減規(guī)模。為了減少每層間資料缺失造成的不連續(xù)，還應(yīng)用了smooth函數(shù)進(jìn)行平滑化插值。

2）三維矩陣生成后，然后按回波強度等級劃分為12個新矩陣。使用isosuface函數(shù)對這些矩陣進(jìn)行等值面取樣。由于強度已經(jīng)劃分，每個矩陣中回波強度都是一致的，因此等值面就是矩陣表面。同時該函數(shù)還能對所取的表面數(shù)據(jù)離散化并進(jìn)行三角剖分。此步驟完成后，將得到12個三維模型的面數(shù)據(jù)和法線向量數(shù)據(jù)。

3）將這些三維模型的面數(shù)據(jù)和法線向量數(shù)據(jù)按照obi文件的規(guī)范進(jìn)行排序和編寫。同時，為了配合下一步在B/S架構(gòu)中使用這些0bi文件，編寫時使用JSON格式。由于MATLAB在寫入文件時偏向于整體寫入，若指定每行每列的格式則效率大大降低，于是需要預(yù)先使用矩陣轉(zhuǎn)置整體除法等對矩陣進(jìn)行處理。

3.2服務(wù)器

1）服務(wù)器同樣每隔6分鐘讀取一次處理平臺生成的obi文件。讀取后放到網(wǎng)頁資源文件夾中，等待前臺獲取。而且根據(jù)文件夾中當(dāng)前所含的obi文件生成文件清單。

2）當(dāng)前臺瀏覽器請求網(wǎng)頁時，生成瀏覽頁面送到前端。此頁面包括了顯示模型文件的iavascript插件。

3.3前端

1）用戶打開頁面時，瀏覽器從服務(wù)器獲取網(wǎng)頁，然后加載其中的iavascript插件。其中包含了THREE.is插件，用于最終顯示模型。

2）前臺每隔10秒鐘向服務(wù)器請求一次文件清單。如果文件清單變更，則通過AJAX技術(shù)異步獲取新增的obj文件并寫入前臺的內(nèi)存。使用AJAX技術(shù)可在瀏覽器等待obi文件數(shù)據(jù)時CPU仍然為其余語句分配資源，避免了單線程的iavascript下載模型文件時無法正常渲染正在顯示的模型。當(dāng)模型文件全部獲取完畢后處理模型的語句才會執(zhí)行。

3）獲取0bi文件后使用THREE.is的loader函數(shù)按文件描述的面和法向量在內(nèi)存中生成相應(yīng)的多邊形模型geometry。此geometry緩存到一個模型數(shù)組中等待render函數(shù)將其調(diào)取、渲染。由于瀏覽器內(nèi)存開辟限制，經(jīng)過反復(fù)試驗，將瀏覽器緩存模型數(shù)設(shè)為三個。因此，在生成新模型的同時要使用dispose函數(shù)刪除舊的模型，將內(nèi)存釋放，以防內(nèi)存耗盡。

4）在調(diào)整模型的大小、位置后為其賦予材質(zhì)。在這里，為了方便顯示不同強度的回波且減少瀏覽器負(fù)擔(dān)，使用了meshbasemeterial材質(zhì)的線條顯示方式。然后THREE.is使用rander函數(shù)對其進(jìn)行渲染并顯示給用戶。為了用戶更直觀的查看不同高度的回波，還將15層不同高度的cappi也各自覆蓋在對應(yīng)的高度層上。最后，還要構(gòu)建一個顯示環(huán)境，其中包括光源、畫布、相機等用于容納和顯示回波模型。

3.4用戶操作界面

用戶在前臺頁面中可通過鼠標(biāo)滾輪將回波拉近或拉遠(yuǎn)，亦可通過右側(cè)的卷動條放大縮小。在最上方的選擇欄中可選擇過濾不同的回波強度。中間的選擇欄可以選擇瀏覽器緩存的最近三個時次的回波模型。最下方的卷動條則可以將回波模型按不同高度層進(jìn)行切面，此時顯示的切面邊緣是表面模型的切線，內(nèi)側(cè)則是15層CAPPI平面模型中的其中一張。由于采用異步方式傳輸模型文件，用戶在操作和查看回波時不會被打斷。

用戶操作界面如圖2：

4結(jié)論

湛江空管站天氣雷達(dá)體掃描三維顯示系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)。數(shù)據(jù)處理上，使用MATLAB平臺對湛江多普勒雷達(dá)的產(chǎn)品進(jìn)行拼接和模型生成；對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，使用nodejs作為網(wǎng)頁和模型傳輸服務(wù)器；最后在前端顯示方面采用Web甜技術(shù)的強大插件Three.js進(jìn)行回波模型的顯示。

本系統(tǒng)能簡單高效的生成回波三維模型，并進(jìn)行流暢的展示，讓湛江空管站氣象臺的預(yù)報員有了一個更為直觀、方便查看雷達(dá)回波的手段，預(yù)報員更能掌握當(dāng)前強對流天氣動態(tài)。

目前本系統(tǒng)還有模型生成速度偏慢、前端緩存模型數(shù)量偏少等缺點。后續(xù)將對MATLBA增加并行運算功能，提高模型生成的速度；進(jìn)一步優(yōu)化前臺的模型大小，使前端能緩存更多的模型。