基于粒子系統(tǒng)的三維氣象符號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 誠(chéng)，柳青揚(yáng)，張開(kāi)碩，劉小情，黃麗娜

（1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072）

氣象指某一區(qū)域大氣在一定時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)和現(xiàn)象?，F(xiàn)階段，氣象主要采用二維形式以平面地圖為背景進(jìn)行符號(hào)化表達(dá)。隨著空間數(shù)據(jù)分析與顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的二維地圖已經(jīng)在向三維地圖進(jìn)行轉(zhuǎn)變，符號(hào)的載體也應(yīng)由二維的圖形符號(hào)擴(kuò)展為三維甚至多維符號(hào)。

對(duì)于氣象現(xiàn)象的三維表達(dá)，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。研究成果主要集中在仿真模擬的理論和技術(shù)方面。陶建新[1]在Unity3D平臺(tái)上利用粒子系統(tǒng)和Kinect設(shè)備實(shí)現(xiàn)了龍卷風(fēng)的模擬和實(shí)時(shí)交互控制；刑峰等[2]基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)云景的模擬；龔琳等[3]基于粒子系統(tǒng)、變形球模型等實(shí)現(xiàn)了三維云模型的建模和繪制；劉偉[4]研究了基于立體圖像對(duì)云的表面的三維重建技術(shù)；范暉[5]基于OpenGL實(shí)現(xiàn)了氣象雷達(dá)降水回波三維圖形的構(gòu)建與處理。然而，他們的工作大都面向氣象領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)模擬的逼真性。楊軍等[6]利用ArcGIS Explorer二次開(kāi)發(fā)工具和OGC KML建成了三維GIS氣象綜合業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)；張學(xué)全等[7]開(kāi)發(fā)了三維氣象GIS平臺(tái)，但他們的三維氣象平臺(tái)仍以二維氣象符號(hào)為主，在三維氣象符號(hào)方面還有很大的改進(jìn)空間?？v觀現(xiàn)有的氣象可視化研究成果，一方面針對(duì)某一種天氣現(xiàn)象，力求直觀、形象地表現(xiàn)其動(dòng)態(tài)特性，而天氣現(xiàn)象的氣象學(xué)屬性及空間分布特征，則僅是通過(guò)仿真模擬的視覺(jué)效果間接表達(dá)，并沒(méi)有形成三維符號(hào)；另一方面針對(duì)氣象數(shù)據(jù)與GIS的結(jié)合，使用的三維符號(hào)較少且符號(hào)設(shè)計(jì)沒(méi)有形成系統(tǒng)，多數(shù)是簡(jiǎn)單的三維氣象模型，而參照地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)，三維氣象符號(hào)不是三維氣象模型，而應(yīng)是視覺(jué)形象的抽象體，強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)潔性、邏輯性、抽象化與形象化均衡。因此，如何通過(guò)視覺(jué)元素顯式表示天氣的氣象學(xué)特征并系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)其三維符號(hào)化，仍然有待探究。

實(shí)現(xiàn)顧及氣象學(xué)特征的三維氣象符號(hào)化，需要回答兩個(gè)問(wèn)題：一是表示哪些氣象特征，二是如何通過(guò)視覺(jué)元素將這些氣象特征表示出來(lái)。根據(jù)影響范圍和形成機(jī)理的不同，氣象特征可分為霜、凍、冰等微觀表征，云、雨、霧等為中觀表征，氣候區(qū)、氣壓帶等宏觀表征。建立描述氣象特征的語(yǔ)義邏輯系統(tǒng)是進(jìn)行氣象符號(hào)化表達(dá)的基礎(chǔ)。另一方面，相比于地物、地質(zhì)地貌現(xiàn)象等具體形狀較為固定、變化較為規(guī)律的現(xiàn)象，氣象現(xiàn)象具有外形不規(guī)則、邊緣模糊等特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不確定性現(xiàn)象的符號(hào)模型是氣象符號(hào)化的關(guān)鍵。針對(duì)上述問(wèn)題，本文首先通過(guò)對(duì)氣象特征進(jìn)行語(yǔ)義邏輯分解，設(shè)計(jì)氣象的符號(hào)可視化元素，在此基礎(chǔ)上，采用粒子系統(tǒng)技術(shù)對(duì)邊界模糊的氣象現(xiàn)象進(jìn)行三維可視化，探究三維氣象符號(hào)化表達(dá)的技術(shù)和方法。

1 三維氣象符號(hào)設(shè)計(jì)的基本思路

1.1 氣象現(xiàn)象的可視化元素解析

根據(jù)符號(hào)理論[8]，地圖符號(hào)的設(shè)計(jì)被分為語(yǔ)義模型設(shè)計(jì)、圖形形式設(shè)計(jì)和符號(hào)生成規(guī)則設(shè)計(jì)三部分。 三者分別對(duì)應(yīng)表達(dá)對(duì)象語(yǔ)義特征的提取收集、符號(hào)基本圖形形式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建，以及基本圖形形式和語(yǔ)義特征相互對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定。

本文根據(jù)具體制圖需求，分別使用按尺度大小分類(lèi)、按形成機(jī)理分類(lèi)的方法對(duì)各種現(xiàn)象進(jìn)行邏輯分類(lèi)，如圖1所示。氣象現(xiàn)象可以按照尺度分為三個(gè)大類(lèi)，而后可以根據(jù)有關(guān)概念進(jìn)一步細(xì)分，最后形成一個(gè) 三級(jí)分級(jí)體系。

圖1 氣象現(xiàn)象概念體系

根據(jù)圖1對(duì)氣象現(xiàn)象進(jìn)行語(yǔ)義分解和符素設(shè)計(jì)，得到基本符號(hào)素體系如表1所示。

表1 氣象現(xiàn)象的基本符號(hào)元素及圖形示例

1.2 氣象的三維符號(hào)化設(shè)計(jì)

為了形象地表示上述氣象現(xiàn)象，本文采用粒子系統(tǒng)對(duì)氣象符號(hào)元素進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。粒子系統(tǒng)的基本思想是使用計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成眾多粒子來(lái)模擬邊緣模糊的現(xiàn)象。因此，利用粒子系統(tǒng)技術(shù)可以有效表達(dá)三維立體、邊界模糊的氣象視覺(jué)特征。

1）形狀設(shè)計(jì)。氣象現(xiàn)象的形狀設(shè)計(jì)方法由表達(dá)對(duì)象的特點(diǎn)來(lái)決定。對(duì)于氣團(tuán)、云系等具有大致輪廓的氣象現(xiàn)象，常用粒子源的形狀來(lái)控制粒子系統(tǒng)整體的形狀，設(shè)置粒子在粒子源內(nèi)部各處均可產(chǎn)生，并且限制粒子的移動(dòng)，可模擬出大致形狀；對(duì)于雨、雪等形狀不定的氣象現(xiàn)象，則要綜合使用粒子的尺寸、最大數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行表達(dá)，比如，可以通過(guò)設(shè)置不同的尺寸和最大數(shù)量來(lái)表示雨雪天氣的惡劣程度。

以逗點(diǎn)狀云系為例，可先制作出逗點(diǎn)狀的網(wǎng)格模型作為粒子源，然后使粒子在粒子源內(nèi)部生成，得到整體輪廓確定，而細(xì)節(jié)邊界模糊的效果。

2）顏色設(shè)計(jì)。氣象符號(hào)的顏色設(shè)計(jì)有兩種情況，一種是要模擬氣象現(xiàn)象本身的顏色，另一種是為了強(qiáng)調(diào)氣象現(xiàn)象的某些屬性而設(shè)定的顏色，例如，為了區(qū)分鋒面系統(tǒng)中氣團(tuán)的性質(zhì)，把冷氣團(tuán)設(shè)定為藍(lán)色，把暖氣團(tuán)設(shè)定為紅色。

3）尺寸設(shè)計(jì)。對(duì)于簡(jiǎn)單建模形成的符號(hào)，如氣壓帶，可以直接修改符號(hào)的尺寸屬性。對(duì)于復(fù)合粒子系統(tǒng)，則要單獨(dú)調(diào)整每個(gè)粒子系統(tǒng)中粒子源和粒子的尺寸。

4）變化速度設(shè)計(jì)。粒子系統(tǒng)的變化涉及到粒子的顏色、尺寸等多種屬性，常用粒子在一個(gè)生命周期內(nèi)的變化表示，在Unity3D中，這種連續(xù)性的變化用Gradient變量或Curve變量?jī)?chǔ)存起來(lái)，可以通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵點(diǎn)的位置、數(shù)量和屬性，來(lái)控制變化的整體 效果。

Gradient變量通過(guò)在生命周期內(nèi)的不同時(shí)間點(diǎn)設(shè)置不同色值和透明度，可以實(shí)現(xiàn)粒子的顏色漸變，通過(guò)控制關(guān)鍵點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置，可以調(diào)整變化的速率。

Curve變量將粒子的屬性值看作一條光滑的曲線(xiàn)，用戶(hù)可以在粒子的生命周期內(nèi)插入多個(gè)控制點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整每個(gè)點(diǎn)處的法線(xiàn)方向和位置來(lái)調(diào)整粒子系統(tǒng)變化的各種細(xì)節(jié)。

5）運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)。在Unity3D中，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用多種方式表示。簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，可以直接設(shè)置粒子的初始運(yùn)動(dòng)方向、速度等參數(shù)，還可使用多個(gè)Curve變量來(lái)表示粒子在一個(gè)生命周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡變化。對(duì)于較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以在粒子系統(tǒng)中加入風(fēng)場(chǎng)，讓粒子受風(fēng)力作用發(fā)生運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)粒子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，還可以為粒子的運(yùn)動(dòng)設(shè)置噪聲，使之能在整體趨勢(shì)確定的情況下進(jìn)行一定程度的隨機(jī) 變化。

2 三維氣象符號(hào)設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述三維氣象符號(hào)設(shè)計(jì)的基本原理和方法，筆者采用Unity3D軟件平臺(tái)制作了三維動(dòng)態(tài)氣象符號(hào)模型。以鋒面系統(tǒng)為例，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 鋒面系統(tǒng)符號(hào)設(shè)計(jì)流程

第一步，根據(jù)對(duì)鋒面系統(tǒng)這一概念進(jìn)行語(yǔ)義分析，剖解語(yǔ)義特征。

第二步，從符素庫(kù)中提取對(duì)應(yīng)的符素，聯(lián)系符素和語(yǔ)義特征詞匯，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

第三步，根據(jù)前面分析得到的語(yǔ)義關(guān)系，將符素組合在一起，得到符號(hào)原型。最后對(duì)符號(hào)原型進(jìn)行整飾，直到符合要求。

下面以鋒面系統(tǒng)的符號(hào)確定為例，具體闡述由內(nèi)涵語(yǔ)義關(guān)系決定的符素組合的過(guò)程。

2.1 剖解語(yǔ)義特征

如表1所述，拆分鋒面系統(tǒng)的概念，可以得到如下語(yǔ)義特征：

鋒面系統(tǒng)-[氣團(tuán)]+[移動(dòng)方向]+[鋒面]+[鋒線(xiàn)]

其中，冷暖氣團(tuán)和整個(gè)鋒面系統(tǒng)的移動(dòng)方向是該天氣現(xiàn)象的主體，鋒面和鋒線(xiàn)是依托氣團(tuán)的相互運(yùn)動(dòng)而存在的假想概念。鋒面位于氣團(tuán)的交界面處，鋒線(xiàn)為鋒面與地面的交線(xiàn)。

2.2 符素的制作與調(diào)整

對(duì)符素庫(kù)中涉及到的符素進(jìn)行重制和調(diào)整，使之更適合要表達(dá)的對(duì)象。

在Unity3D中用粒子系統(tǒng)創(chuàng)建出氣團(tuán)。將粒子發(fā)射器的形狀設(shè)為半球形，合理調(diào)整粒子的大小、形狀和生命周期等參數(shù)，用紅色和藍(lán)色來(lái)區(qū)分氣團(tuán)的冷暖，用三維箭頭模型來(lái)表示強(qiáng)勢(shì)氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，箭頭的顏色與強(qiáng)勢(shì)氣團(tuán)的顏色一致。

鋒面和鋒線(xiàn)則可以直接使用庫(kù)中已有符素，在Unity3D中創(chuàng)建面，將已有的符素作為貼圖賦給面對(duì)象。

2.3 符素組合

根據(jù)鋒面系統(tǒng)語(yǔ)義特征之間的聯(lián)系，將對(duì)應(yīng)的符素組合到一起。適當(dāng)調(diào)整符素間的相對(duì)位置和角度，得到鋒面系統(tǒng)的三維符號(hào)，如圖3所示。

圖3 部分成果展示

這些三維動(dòng)態(tài)氣象符號(hào)均以粒子系統(tǒng)為主體，部分符號(hào)配以箭頭等輔助要素。簡(jiǎn)單的氣象現(xiàn)象如積云，本身就可以看作是一個(gè)符素；較為復(fù)雜的氣象現(xiàn)象，如積雨云，可以看作是云層、氣流運(yùn)動(dòng)、雷電和降雨等的組合。

以冷鋒為例，構(gòu)建三維地形場(chǎng)景，在場(chǎng)景中配置氣象符號(hào)，如圖4所示，該場(chǎng)景配置了冷鋒的鋒面、鋒線(xiàn)、鋒的移動(dòng)方向符號(hào)、氣流運(yùn)動(dòng)方向以及鋒面雨符號(hào)。為表現(xiàn)冷鋒云系縱向的發(fā)展，從鋒前到鋒后依次配置了積雨云和細(xì)胞狀云系。

圖4 場(chǎng)景實(shí)例展示

在鋒面場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)中，粒子系統(tǒng)對(duì)云、雨、霧等的表達(dá)達(dá)到了三維符號(hào)的基本要求，偏向仿真；鋒面、鋒線(xiàn)等在場(chǎng)景中可視化效果較好，偏向抽象。各符號(hào)的有效配置，能夠簡(jiǎn)潔直觀地表現(xiàn)鋒面系統(tǒng)的天氣現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這一套三維氣象符號(hào)達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)目前對(duì)三維氣象符號(hào)的需求，對(duì)氣象現(xiàn)象進(jìn)行邏輯分類(lèi)，設(shè)計(jì)一套三維氣象符號(hào)體系，并通過(guò)粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣象現(xiàn)象的三維動(dòng)態(tài)符號(hào)化表達(dá)。該符號(hào)體系實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)潔性、邏輯性、抽象化與形象化均衡的特征，為氣象現(xiàn)象的三維表達(dá)以及與GIS的結(jié)合等問(wèn)題提供了一種解決辦法。需要注意到這一符號(hào)體系尚有欠缺，如小尺度集成效果欠佳、面向使用者的交互較少等。這些問(wèn)題將隨著本研究的深入得到逐步的解決。