冬奧氣象圖形產(chǎn)品可視化模型研究

豐德恩,唐 衛(wèi),王慕華,郝江波,袁亞男,趙 瑞,王孝通

(中國氣象局公共氣象服務(wù)中心,北京 100081)

0 引 言

第二十四屆冬季奧林匹克運(yùn)動會(簡稱“冬奧會”)于2022年2月4日至20日在中國北京和張家口舉行。冰雪項(xiàng)目與氣象條件密切相關(guān),尤其雪上運(yùn)動項(xiàng)目受氣象條件影響更大,氣象條件是冬奧會成功舉辦最關(guān)鍵因素之一[1]。嚴(yán)苛的氣象條件要求給冬奧氣象服務(wù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為完成高質(zhì)量氣象服務(wù)保障工作,中國氣象工作者研發(fā)了空間分辨率達(dá)50米、時間分辨率達(dá)分鐘級、從地面到高空精細(xì)化氣象數(shù)據(jù),以及直升機(jī)救援、軌道交通轉(zhuǎn)場等專項(xiàng)服務(wù)保障產(chǎn)品,為冬奧氣象服務(wù)提供了精細(xì)化數(shù)據(jù)支撐。將氣象數(shù)據(jù)以直觀的圖形產(chǎn)品形式傳達(dá)給賽事組織、國際氣象專家及公眾是氣象服務(wù)鏈條上的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)《2022年冬奧會和冬殘奧會氣象服務(wù)需求分析報告(2017版)》顯示制圖渲染概括為賽區(qū)、賽場和關(guān)鍵點(diǎn)3種空間尺度氣象信息可視化。賽區(qū)尺度產(chǎn)品以北京、延慶、張家口及周邊為制圖區(qū)域,對常規(guī)氣象信息、賽事外圍服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行渲染,顯示氣象信息整體分布情況和空間變化趨勢,為公眾出行、運(yùn)動員轉(zhuǎn)場等活動提供服務(wù);賽場尺度產(chǎn)品對三維氣象信息在山地賽場空間進(jìn)行渲染,顯示氣象信息隨地形和不同高度場的差異,為直升機(jī)救援、賽事保障等提供服務(wù);關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)品對賽道和場館任意位置的長時間序列氣象信息進(jìn)行渲染,顯示氣象要素信息隨時間演變趨勢,在惡劣天氣條件下尋找比賽窗口期。

目前,中國已建成MICAPS、MESIS、CIPAS、WeatherStudio、天目三維氣象影視制播系統(tǒng)等不同服務(wù)場景產(chǎn)品制作系統(tǒng),在日常業(yè)務(wù)和重大活動保障中發(fā)揮了很好的支撐作用[2-7];針對2008年北京奧運(yùn)會服務(wù)需求,研發(fā)了北京奧運(yùn)會氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)10余種賽事保障產(chǎn)品制作[8]。以上成果為冬奧氣象服務(wù)產(chǎn)品可視化研究奠定了基礎(chǔ),但冬奧氣象數(shù)據(jù)具有時空分辨率更高、更新頻次更快等特點(diǎn),制圖渲染屬于小區(qū)域復(fù)雜地形三維場景范疇,較常規(guī)大區(qū)域產(chǎn)品可視化更精細(xì);此外,冬奧氣象服務(wù)用戶包括賽事管理部門、參賽人員、公眾、城市運(yùn)行管理部門等,對產(chǎn)品加工提出了差異化和準(zhǔn)實(shí)時業(yè)務(wù)需求。為豐富冬奧氣象圖形產(chǎn)品表現(xiàn)樣式、提高制圖渲染響應(yīng)速度,急需開展圖形產(chǎn)品可視化模型研究,滿足賽事服務(wù)精細(xì)化氣象圖形產(chǎn)品制作需求。

1 可視化渲染概念模型

1.1 數(shù)據(jù)多維特征分析

冬奧氣象服務(wù)數(shù)據(jù)由實(shí)況監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、專項(xiàng)保障產(chǎn)品組成。實(shí)況監(jiān)測數(shù)據(jù)包括賽區(qū)逐小時天氣實(shí)況,場館代表站分鐘級天氣實(shí)況,賽區(qū)指定位置雪面溫度等特殊要素逐30分鐘監(jiān)測,山地賽場50米分辨率三維融合再分析等產(chǎn)品;預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)包括山地賽區(qū)100米分辨率鄰近預(yù)報、京津冀地區(qū)未來10天1公里分辨率數(shù)值預(yù)報,場館及雪上項(xiàng)目關(guān)鍵點(diǎn)未來1天逐小時、未來3天逐3小時、未來10天逐12小時主觀預(yù)報,競賽場館和非競賽場館的高影響天氣預(yù)警等產(chǎn)品;專項(xiàng)保障產(chǎn)品包括直升機(jī)緊急救援氣象保障,公路交通氣象風(fēng)險、公眾觀賽氣象影響預(yù)報等產(chǎn)品。

冬奧氣象數(shù)據(jù)屬于地理信息范疇,具有實(shí)體空間結(jié)構(gòu)特征、對象屬性形態(tài)信息、現(xiàn)實(shí)時間變化規(guī)律[9],按照空間信息屬性約束定義包含主體對象、屬性維度、對象屬性特征和關(guān)聯(lián)關(guān)系。主體對象在可視化數(shù)據(jù)組織過程中起到了主導(dǎo)作用,包括賽區(qū)各關(guān)鍵點(diǎn)、場館、賽道,以及任意空間區(qū)域等組成的氣象信息空間載體;屬性維度包括氣象信息要素、時間維度和空間維度集合,要素維度指主體對象具有的溫度、風(fēng)速、降水量等要素類型,時間維度指主體對象表示氣象信息有效時間范圍,空間維度表征主體對象在空間連續(xù)或離散分布位置;對象屬性特征指主體對象在屬性維度集合約束下形成的多條定性或定量氣象信息集合;關(guān)聯(lián)關(guān)系指多個信息主體之間所屬、包含、疊加、指代等結(jié)構(gòu)關(guān)系。定義一條服務(wù)主題的多維度氣象信息集合為：

C={OBJ,REL,DIM,CHAR}

(1)

其中,OBJ={oi|1≤i≤n}表示氣象信息主體對象集合;REL={ri|1≤i≤m}表示氣象信息主體對象之間關(guān)聯(lián)關(guān)系集合;DIM={di|1≤i≤s}表示氣象信息屬性維度集合;CHAR={chi|1≤i≤t}表示氣象信息主體對象屬性特征集合。

1.2 制圖渲染關(guān)鍵要素

可視化渲染是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人們可以形象理解的圖形,以增強(qiáng)對信息的認(rèn)知能力。其核心是將數(shù)據(jù)多維特征轉(zhuǎn)化為二維、三維空間圖形結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征易于快速感知,能夠充分表達(dá)信息的趨勢性和差別性等特征,通常采用多視圖結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)將多維信息分散在不同視圖和圖形進(jìn)行表達(dá),在視圖中選擇不同的空間結(jié)構(gòu)類型表達(dá)圖形元素和屬性。

在冬奧氣象服務(wù)圖形產(chǎn)品合理表達(dá)過程,制圖元素、視圖結(jié)構(gòu)、空間類型和元素屬性在可視化渲染中為關(guān)鍵制圖要素[10]。制圖元素是由簡單幾何圖形經(jīng)過組合形成的基本圖形單元,可對單個信息對象進(jìn)行完整表達(dá),如指北針、制圖標(biāo)題、天氣圖層等;視圖結(jié)構(gòu)布局是指多個制圖元素在產(chǎn)品視圖中的結(jié)構(gòu)和組織,是制圖元素之間邏輯關(guān)系表現(xiàn)形式;空間類型是對制圖元素選擇二維、三維的空間類型進(jìn)行呈現(xiàn),保證氣象信息在視圖內(nèi)部完整表達(dá);元素屬性是結(jié)合服務(wù)需求和氣象信息量級對制圖元素表現(xiàn)樣式和視覺屬性表達(dá)設(shè)計(jì)。定義一張氣象服務(wù)圖形產(chǎn)品渲染要素集合為：

V={STRUC,SP,EL,ATR}

(2)

其中,STRUC={stri|1≤i≤s}表示產(chǎn)品視圖結(jié)構(gòu);SP={si|1≤i≤s}表示產(chǎn)品空間類型;EL={ei|1≤i≤n}表示制圖元素集合;ATR={ai|1≤i≤t}表示制圖元素屬性集合。

1.3 概念模型表達(dá)

冬奧氣象圖形可視化本質(zhì)為采用圖形語言,利用人類對視覺可視模式的快速識別能力對冬奧氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行視覺呈現(xiàn),需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、可視映射、視圖轉(zhuǎn)換等過程。冬奧氣象產(chǎn)品可視化是將冬奧氣象信息多維度特征與制圖渲染關(guān)鍵要素形成對應(yīng)關(guān)系,完成氣象數(shù)據(jù)到圖形渲染要素的轉(zhuǎn)換映射,可表示為以冬奧氣象數(shù)據(jù)集合為定義域,以圖形渲染要素集合為值域的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。冬奧氣象圖形產(chǎn)品可視化渲染模型表示為函數(shù)關(guān)系M：C→V。

該映射函數(shù)表現(xiàn)為：

(3)

其中,?r(r∈C∧r∈REL)→M(r)=str,str∈STRUC表示氣象信息關(guān)聯(lián)關(guān)系到產(chǎn)品視圖結(jié)構(gòu)的映射;?o(o∈C∧o∈OBJ)→M(o)=e,e∈EL表示氣象信息主體對象到制圖元素的映射;?d(d∈C∧d∈DIM)→M(d)=s,s∈SP表示氣象信息屬性維度到產(chǎn)品視圖空間的映射;?ch(ch∈C∧ch∈CHAR)→M(ch)=a,a∈ATR表示主體對象屬性特征信息到制圖元素屬性的映射。

2 可視化渲染過程模型

根據(jù)可視化概念模型表述,可視化過程是一個從多源氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化結(jié)構(gòu)映射、空間映射、元素映射和屬性映射順向組織渲染過程,可視化結(jié)構(gòu)和空間映射是制圖框架設(shè)計(jì),可視化元素和屬性映射決定產(chǎn)品渲染效果和細(xì)節(jié)。圖形產(chǎn)品可視化過程也需要業(yè)務(wù)工作者通過交互制圖、模板設(shè)計(jì)、可視化布局和數(shù)據(jù)組織更新反向業(yè)務(wù)需求傳遞過程。可視化映射和需求傳遞形成一個閉合回路,需多次交互設(shè)計(jì)才能達(dá)到最佳效果。冬奧氣象圖形產(chǎn)品可視化渲染過程如圖1所示。

圖1 冬奧氣象圖形產(chǎn)品可視化過程模型

2.1 基于數(shù)據(jù)引擎的結(jié)構(gòu)映射

構(gòu)建冬奧氣象服務(wù)數(shù)據(jù)控制引擎,對冬奧氣象信息進(jìn)行時空特征提取和關(guān)聯(lián)分析,將多源氣象信息轉(zhuǎn)換為可視化目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。映射過程需確定一個主體結(jié)構(gòu)為根節(jié)點(diǎn),對與其相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象進(jìn)行時間、空間和賽事服務(wù)關(guān)聯(lián)組合。定義時間流氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以站點(diǎn)時間序列氣象信息為主體結(jié)構(gòu),關(guān)聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)、賽道等空間載體信息,對任意位置長時間序列氣象信息進(jìn)行組織;定義格點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以三維氣象場格點(diǎn)信息為主體結(jié)構(gòu),定義矢量氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以點(diǎn)線面格式的氣象信息為主體結(jié)構(gòu),分別關(guān)聯(lián)地理底圖等下墊面信息,對賽區(qū)平面和賽場三維氣象信息進(jìn)行組織。結(jié)構(gòu)映射對屬性映射環(huán)節(jié)發(fā)送的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)重組和更新處理,提供渲染所需的氣象信息屬性特征集合。

2.2 基于賽事服務(wù)的空間映射

針對不同賽事服務(wù)需求和應(yīng)用場景,將多維度氣象信息在有限制圖空間進(jìn)行約束轉(zhuǎn)化和排列組合,生成可視化產(chǎn)品空間布局。針對賽區(qū)尺度產(chǎn)品制圖需求,設(shè)計(jì)區(qū)域平面氣象可視化布局[11],渲染格點(diǎn)和站點(diǎn)類常規(guī)氣象數(shù)據(jù)、專項(xiàng)保障等服務(wù)產(chǎn)品,疊加賽區(qū)及周邊地理底圖,顯示氣象信息整體分布情況和空間變化趨勢。針對賽場尺度產(chǎn)品制圖需求,設(shè)計(jì)小尺度三維氣象可視化布局[12],渲染三維氣象數(shù)據(jù),疊加賽場三維地理模型,顯示氣象信息在不同空高度場隨地形的差異變化,為直升機(jī)救援、賽事保障等提供服務(wù)。針對任意位置點(diǎn)制圖需求,設(shè)計(jì)圖表氣象可視化布局[13],渲染關(guān)鍵點(diǎn)長時間序列氣象信息,關(guān)聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)、賽道等空間載體信息,顯示任意位置氣象信息隨時間的演變趨勢。

2.3 基于組件應(yīng)用的元素映射

基于可視化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將可視化對象以基本幾何圖形形式呈現(xiàn)在圖形界面。由于天氣過程不確定性和服務(wù)需求多樣性,映射過程采用組件化開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[14],對制圖元素進(jìn)行概念化抽象,形成氣象圖表、天氣圖層和三維氣象原子組件,組件內(nèi)核框架具有8個樣式視覺變量：形狀、尺寸、方向、明度、密度、結(jié)構(gòu)、顏色和位置[15],支持氣象信息在平面氣象、三維氣象和圖表氣象可視化布局中的展示。原子組件具有雙向數(shù)據(jù)綁定功能,當(dāng)結(jié)構(gòu)映射對數(shù)據(jù)進(jìn)行重組時,視圖中制圖元素按照預(yù)設(shè)定的邏輯程序主動更新視圖;用戶重新定義視圖中的制圖元素屬性信息,結(jié)構(gòu)映射重組可視化數(shù)據(jù)對象。

2.4 基于派生設(shè)計(jì)的屬性映射

基于冬奧氣象服務(wù)場景化需求,調(diào)整元素映射中制圖元素數(shù)據(jù)和樣式屬性信息,實(shí)現(xiàn)氣象信息準(zhǔn)確、美觀可視化表達(dá),是用戶根據(jù)制圖表達(dá)需求的一個反復(fù)交互設(shè)計(jì)過程。派生設(shè)計(jì)思想是根據(jù)給定產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求,在原產(chǎn)品樣式庫中尋找能實(shí)現(xiàn)相同或相似功能產(chǎn)品組成部件,通過變更組成部件結(jié)構(gòu)、配置和尺寸,完成新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)[16]。將該設(shè)計(jì)思想對冬奧氣象可視化產(chǎn)品進(jìn)行屬性派生變形設(shè)計(jì),快速形成新服務(wù)產(chǎn)品可視化內(nèi)容和表達(dá)樣式。對數(shù)據(jù)屬性派生設(shè)計(jì),確定產(chǎn)品服務(wù)對象時間范圍、空間區(qū)域和氣象要素等可視化信息;對樣式屬性派生設(shè)計(jì),選擇冬奧氣象產(chǎn)品組件,對制圖元素視覺變量進(jìn)行交互設(shè)置,豐富用戶視覺感知。

3 可視化模型業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1 可視化模型表達(dá)框架

為了使可視化模型在結(jié)構(gòu)映射、空間映射環(huán)節(jié)具有擴(kuò)展性,在元素映射和屬性映射環(huán)節(jié)有很好的交互性,本研究采用可視化模型表達(dá)框架對可視化模型進(jìn)行存儲和組織,提高可視化模型開發(fā)應(yīng)用效率。DVDL是一種模塊化、層次化可視化描述語言,廣泛應(yīng)用于信息系統(tǒng)可視化模型的抽象表達(dá)設(shè)計(jì)[17]。冬奧氣象可視化模型表達(dá)框架在設(shè)計(jì)過程繼承使用了DVDL模型中具體可視化模塊(ViewStruct)、抽象數(shù)據(jù)描述模塊(MeteData)、布局映射模塊(Mapping),去掉可視化數(shù)據(jù)、用戶和資源等業(yè)務(wù)應(yīng)用關(guān)聯(lián)不高的模塊,保留模型表達(dá)框架描述可讀性、業(yè)務(wù)擴(kuò)展性等特點(diǎn)。冬奧氣象可視化模型表達(dá)框架前三級節(jié)點(diǎn)的XML Schema結(jié)構(gòu)如圖2所示。在結(jié)構(gòu)中矩形框表示一個布局節(jié)點(diǎn)元素,矩形框后方的加號和減號表示該元素是否展開,矩形框下方數(shù)字代表節(jié)點(diǎn)元素允許出現(xiàn)的次數(shù),標(biāo)識S,C,A的矩形框分別表示所有元素依次、選擇一項(xiàng)和全部出現(xiàn)。

圖2 冬奧氣象產(chǎn)品可視化模型表達(dá)框架

其中,具體可視化模塊對元素映射過程設(shè)計(jì)的3種原子組件(氣象圖表、天氣圖層和三維氣象)的樣式和屬性進(jìn)行概括描述,抽象數(shù)據(jù)描述模塊對結(jié)構(gòu)映射中的3種氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(時間流、格點(diǎn)和矢量)的配置表達(dá)進(jìn)行概況描述,布局映射模塊對空間映射形成的3種產(chǎn)品布局結(jié)構(gòu)(平面氣象、三維氣象和圖表氣象)進(jìn)行概況描述。一個產(chǎn)品可視化描述文件各包括了一個或多個具體可視化模塊、可視化數(shù)據(jù)模塊以及一個布局映射模塊,實(shí)現(xiàn)可視化樣式在一定抽象層次上可復(fù)用。

3.2 圖形產(chǎn)品加工系統(tǒng)

基于冬奧氣象服務(wù)模型表達(dá)框架,集成ECharts、WebGL等開源可視化成果,研發(fā)由可視化數(shù)據(jù)引擎、冬奧氣象制圖組件庫、產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)視圖和可視化制圖交互界面組成的冬奧氣象圖形產(chǎn)品加工系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了冬奧氣象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化組織、整體布局規(guī)劃、個性化呈現(xiàn)和交互編輯制作。

3.2.1 可視化數(shù)據(jù)引擎

對抽象數(shù)據(jù)描述模塊進(jìn)行分類抽象約束描述,實(shí)時采集和處理多源異構(gòu)冬奧氣象信息,研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)服務(wù)接口,為氣象信息可視化提供數(shù)據(jù)支撐。時間流數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約束條件包含站點(diǎn)信息、氣象要素、時間范圍和時間分辨,對關(guān)鍵點(diǎn)逐分鐘,1小時,3小時,12小時的實(shí)況和預(yù)報數(shù)據(jù)進(jìn)行時空分辨率無縫拼接和滾動更新。格點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約束條件包含氣象要素、時間序列、空間范圍和高度場,對山地賽場50米分辨率三維實(shí)況融合再分析數(shù)據(jù)、賽區(qū)100米分辨率短臨預(yù)報數(shù)據(jù)、京津冀地區(qū)1公里分辨率未來10天預(yù)報數(shù)據(jù),進(jìn)行水平面向地面高度場轉(zhuǎn)化、水平分辨率與垂直分辨率一致性插值等處理。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約束條件包含點(diǎn)線面空間形狀、時間序列、要素集合和空間投影,對賽道、場館、DEM、行政區(qū)劃等下墊面數(shù)據(jù),以及直升機(jī)緊急救援氣象保障、公路交通氣象風(fēng)險、公眾觀賽氣象影響預(yù)報等矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。

3.2.2 冬奧氣象制圖組件庫

對具體可視化模塊原子組件進(jìn)行分類型設(shè)計(jì),設(shè)置原子組件各部件的視覺屬性變量,規(guī)范組件可解譯的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型,研發(fā)功能可復(fù)用的可視化組件。分類型冬奧氣象可視化原子組件描述節(jié)點(diǎn)如圖3所示。氣象圖表原子組件對坐標(biāo)軸、組件樣式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)約束,坐標(biāo)軸展示時間和氣象要素信息,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對時間流數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例化,基于組件樣式研發(fā)單柱、雙柱、堆積柱、瀑布柱等柱圖組件,單折線、雙折線、折點(diǎn)等折線組件,文本、天氣圖標(biāo)等字版圖組件。二維氣象原子組件中視圖范圍規(guī)范組件大小、位置和比例尺等信息,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對格點(diǎn)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化,基于圖層樣式研發(fā)了風(fēng)流場、格點(diǎn)預(yù)報、站點(diǎn)實(shí)況、點(diǎn)線面形狀等可視化組件。三維氣象原子組件中三維范圍規(guī)范組件大小、位置、比例尺等信息,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對格點(diǎn)和矢量類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例化,基于三維氣象組件樣式研發(fā)了三維風(fēng)流場、空間格點(diǎn)圖層和離子氣象體等可視化組件。

(a)氣象圖表原子組件結(jié)構(gòu)

3.2.3 產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)視圖

基于布局映射模塊描述的分型氣象產(chǎn)品空間布局,對組件庫中的組件進(jìn)行組織和調(diào)用,形成冬奧氣象產(chǎn)品可視化基礎(chǔ)樣式,一個樣式由一個獨(dú)立的可視化模型框架文件進(jìn)行存儲。圖表氣象布局結(jié)構(gòu)以氣象圖表組件為主體,關(guān)聯(lián)關(guān)鍵點(diǎn)、賽道等空間載體組件,在布局中對賽道、關(guān)鍵點(diǎn)和氣象要素選擇,形成單點(diǎn)單要素和單點(diǎn)多要素產(chǎn)品樣式,渲染關(guān)鍵點(diǎn)任意時段內(nèi)一種或多種氣象要素變化趨勢;形成多點(diǎn)單要素多點(diǎn)多要素樣式,渲染賽道上多個關(guān)鍵點(diǎn)相同時間內(nèi)氣象要素對比情況。區(qū)域平面氣象布局結(jié)構(gòu)以天氣圖層類組件為主體,疊加賽區(qū)及周邊地理底圖組件,對模型中時間和氣象要素節(jié)點(diǎn)選擇,形成格點(diǎn)預(yù)報、實(shí)況觀測、動畫圖等平面產(chǎn)品基礎(chǔ)樣式,渲染氣象信息在二維空間的分布。小尺度三維氣象布局結(jié)構(gòu)以三維氣象體組為主體,疊加賽場三維地理模型組件,對模型中氣象要素、范圍、高度場節(jié)點(diǎn)選擇,形成山地三維流場、山地三維氣象體產(chǎn)品樣式,渲染高空氣象信息整體變化趨勢。部分冬奧氣象圖形基礎(chǔ)樣式如圖4所示。

圖4 部分冬奧氣象產(chǎn)品基礎(chǔ)樣式

3.2.4 可視化制圖交互頁面

基于冬奧氣象可視化模型表達(dá)框架,研發(fā)由制圖元素編輯、制圖模板庫、產(chǎn)品自動化加工功能組成的制圖交互頁面,實(shí)現(xiàn)冬奧氣象服務(wù)產(chǎn)品的自動化和人機(jī)交互制作。制圖元素編輯根據(jù)冬奧氣象服務(wù)產(chǎn)品基礎(chǔ)樣式和制圖模板,通過設(shè)置組件樣式、制圖背景、文本編輯、地圖編輯等操作,實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用場景制圖模板開發(fā);制圖模板庫對不同天氣過程、賽事服務(wù)場景制圖模板進(jìn)行存儲和管理,提供模板再編輯、制圖輸出等功能;產(chǎn)品自動化加工對制圖模板設(shè)置運(yùn)行時間和數(shù)據(jù)源參數(shù),監(jiān)聽服務(wù)器時間,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定時自動化加工。以男子速降起始點(diǎn)未來10天溫度預(yù)報圖模板設(shè)計(jì)為例,介紹產(chǎn)品派生思想在可視化制圖交互中的應(yīng)用,選擇冬奧氣象柱狀圖樣式,對賽事、關(guān)鍵點(diǎn)、氣象要素、資料類型和時長等數(shù)據(jù)屬性進(jìn)行派生設(shè)置,對制圖元素交互派生編輯,實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)樣式到制圖模板的快速生成。柱狀圖模板派設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 柱狀圖模板派生編輯流程

4 結(jié)束語

基于冬奧氣象服務(wù)需求和高時空分辨率氣象數(shù)據(jù)特征,該文提出了由可視化結(jié)構(gòu)映射、空間映射、元素映射和屬性映射組成的冬奧氣象圖形產(chǎn)品可視化概念模型和過程模型,實(shí)現(xiàn)了任意位置點(diǎn)長時間序列氣象信息、山地賽場復(fù)雜地形三維氣象信息、多賽區(qū)綜合服務(wù)氣象信息的產(chǎn)品可視化展示,為冬奧服務(wù)全量氣象信息展示提供了綜合解決方案?；贒VDL可視化描述語言、可視化組件開發(fā)應(yīng)用、產(chǎn)品派生設(shè)計(jì)等技術(shù),設(shè)計(jì)了冬奧氣象可視化模型表達(dá)框架對模型進(jìn)行業(yè)務(wù)組織和存儲,研發(fā)了冬奧氣象圖形產(chǎn)品加工系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了制圖模板便捷組合渲染,滿足了個性化服務(wù)產(chǎn)品加工快速響應(yīng)的需求。

可視化模型在冬奧氣象服務(wù)中得到應(yīng)用,研發(fā)了50余種不同類型產(chǎn)品基礎(chǔ)樣式,根據(jù)冬奧氣象服務(wù)需求派生出200余種不同服務(wù)主題制圖模板,可延伸應(yīng)用到其他冬季賽事和重大活動氣象服務(wù)保障。另外,隨著5G短視頻應(yīng)用興起和3R技術(shù)發(fā)展[18-19],可視化渲染后續(xù)應(yīng)向虛擬現(xiàn)實(shí)和短視頻創(chuàng)作的產(chǎn)品可視化方面開展深入研究。