气象雷达产品可视化的设计
樊文有，闫梦丽，雷志强
摘要：气象雷达是专门用于大气探测的雷达，用于警戒和预报中、小尺度天气系统[1]，气象雷达产品显示系统与气象雷达产品生成系统进行数据通信，负责将雷达产品数据用二维图像，三维图像，字符以及地理信息等形式显示，并可以对显示结果进行系列的操作及控制，得到需要的产品，为相关部门提供一套精准，便捷的气象显示系统，优化天气分析工作质量。本文主要概述了气象雷达显示系统的主要功能，系统结构以及关键技术的实现方法。
关键词： 气象；显示系统；产品请求；图像显示；文件管理
1 引言
近年来，随着我国计算机系统的普及应用和网络技术快速发展，信息化建设不断深入[2]，为气象雷达建设业务相关领域带来了新的突破。目前，我国在天气雷达的设计与研究上取得了很大的进步，采用最新的计算机、通信和图像处理技术，使得雷达的数据处理和显示分析系统功能越来越强大，可以完成雷达回波的显示及雷达的控制等多种功能[3]。雷达产品生成系统通过与雷达站点进行数据通信，获取雷达站点产品数据，气象雷达显示系统通过向生成系统发送产品请求获取产品并进行可视化处理。
2 概要设计
2.1 系统概述
气象雷达产品显示系统是为新一代天气雷达业务运行开发的通用软件系统，实现雷达资料预处理、雷达基数据质量控制、雷达产品生成和雷达产品显示等。雷达气象产品显示系统是雷达气象建设业务软件的一部分，负责以图像、字符、动画等形式显示产品生成系统生成的雷达产品数据，供天气预报和天气现象分析使用。
气象雷达产品显示系统分产品二维显示，产品三维显示和文件管理系统三部分，利用成熟的产品图像显示方法，分别在二维与三维显示视图中将气象观测资料和雷达产品以及地理信息进行显示，并可以提供基础的显示控制与分析计算等功能。
2.2 总体架构
气象雷达产品显示系统包含三个子系统：雷达产品文件管理系统、雷达产品二维显示系统和雷达产品三维显示系统。三个子系统是独立的运行程序，但是相互之间是有关系的（图1）。
雷达产品文件管理系统包括产品文件接收客户端、产品文件监控及存储管理，产品文件接收客户端通过向产品生产系统发送产品请求，接收雷达产品文件并进行存储。二维显示系统与三维显示系统分别将雷达产品文件管理系统获取的数据进行二维或者三维显示，但是二维与三维显示系统是两个相互独立的系统。二维显示系统通过配置常规产品列表或者发送一次性产品请求、警报产品请求，由文件管理系统接收相应的数据，然后二维显示系统进行雷达产品数据解析、绘制和显示。三维显示系统从文件管理系统生成的产品文件目录里读取单站雷达基数据，同时也可从本地目录读取组网等经纬网格数据，进行三维显示。
雷达产品文件管理系统主要实现雷达产品文件接收、监控与存储；二维显示系统主要实现产品打开、产品二维显示和显示控制等功能；三维显示系统主要实现产品打开、单站基数据锥面显示、组网数据体显示、体模型动态剖切与属性查询等功能。
ROSE显示系统雷达产品文件管理系统ROSE二维显示系统ROSE三维显示系统产品文件接收产品文件监控产品文件存储产品请求产品打开产品二维显示显示控制地理信息显示系统管理产品打开产品三维显示锥面显示体扫动画体显示动画剖切其它显示控制功能
图1 系统总体结构图
2.3 处理流程
雷达产品生产系统根据请求发送雷达产品文件，雷达产品文件管理系统对获取的雷达产品文件进行管理，然后分别进行二维或三维的显示。3个子系统之间以及与雷达产品生成系统的处理过程如图2所示。
ROSE二维显示系统产品请求常规产品请求一次性产品请求警报产品请求产品数据极坐标产品经纬网格产品栅格坐标产品栅格坐标产品极坐标显示图形显示文本显示气象符号显示雷达产品文件管理系统雷达产品生产系统发送一次性产品请求交换目录request获取的文件进行存储返回一次性产品文件常规产品请求列表返回常规产品文件responseroutine存储目录RadarData雷达单站基数据ROSE三维显示系统锥面显示分层显示叠加显示体扫动画动画演示体显示雷达组网数据动态剖切属性查询切片显示属性值过滤
图2 气象雷达产品显示系统处理流程图
3 主要功能实现思路
气象雷达产品显示系统通过向产品生成系统发送产品请求，获取产品生成系统生成的雷达产品数据并进行存储，然后对接收到的雷达产品数据进行解析、绘制和显示。
气象雷达产品显示系统主要功能包括：产品请求、产品显示和显示控制。其中，产品显示主要包括二维图像显示、三维图像显示、地理信息显示。用户可以选择显示雷达产品数据的二维、三维图像和文字信息，也可以在产品图像上添加注释信息、叠加地理信息等。
雷达产品文件管理系统通过向产品生产系统发送产品请求，接收到生成系统返回的雷达产品文件之后，对产品文件进行存储，雷达产品文件存储的根目录名称是RadarData。二维
显示系统与三维显示系统分别从雷达产品文件管理系统获取数据并进行二维或者三维显示。
用户可以对显示的二维图像进行基本的动态缩放、拖拽漫游、定位（重置中心/恢复中心）、光标控制（光标联动、鼠标跟踪）、动画播放等操作，还可以对显示的二维图像进行颜色控制（颜色过滤、颜色合并、彩色/灰度显示等）、图层控制、产品叠加、剖面显示等操作，可以选择产品显示的背景（距离圈、经纬网格、地理信息、背景图片等），以及进行雷达产品数据与其它气象观测资料的综合显示。 用户可以对显示的三维图像进行基本的平移、旋转、缩放等操作，可以对显示的三维图像进行三维空间的剖切、叠加、动画播放等操作。
3.1 文件管理
雷达产品文件管理系统用于衔接生成系统与显示系统，实现通信、产品请求及文件存储。通过向产品生产系统发送产品请求，接收到生成系统返回的雷达产品文件之后，对产品文件进行存储，然后为二、三维显示系统提供雷达产品文件。雷达产品文件存储的根目录名称是RadarData，文件存储组织方式及目录命名与雷达产品生成系统保持一致。同时，雷达产品文件管理系统实现对雷达产品存储所在的磁盘进行大小检测、定期清理，设置默认保持天数等。
雷达产品文件管理系统主要包括三个功能模块：产品数据接收模块、产品数据监控模块和产品数据存储模块，关系如图3所示。
对产品进行监听产品数据监控模块将接收到的产品文件进行通知产品数据接收模块产品数据存储模块
图3 文件管理系统功能模块关系图
（1）产品数据接收模块由产品生成系统提供，主要负责请求台站的常规产品和一次性产品。接收端会建立三个目录：常规产品目录routine、一次性请求目录request、一次性产品响应目录response。
（2）产品数据监控模块负责对常规产品目录routine，一次性产品响应目录response进行监听，当目录中存在产品文件时，通知给产品存储模块。
（3）产品数据存储模块负责创建文件目录结构，该目录结构与生成系统的文件目录结构保持一致；负责对数据进行增加和删除，同时建立文件索引。同时，该模块负责产品数据的定期清理工作。
3.2 产品请求
产品请求包括对单站产品和组网产品的请求，两种产品都有“常规产品请求”，“警报产品请求”，“一次性产品请求”三种类型，其流程图如图4。
产品请求产品请求信息一次性产品请求xml组网产品常规产品请求警报产品请求一次性产品请求常规产品请求xml通讯模块列表刷新单站产品常规产品请求警报产品请求一次性产品请求警报产品请求xml雷达站列表xml可生成产品列表xml
图4 产品请求处理流程图
常规产品请求和一次性产品请求是直接将相关参数发送给文件管理系统，处理流程比较简单，这里重点介绍警报产品请求。
警报产品请求可以指定有效时间，超过有效时间后，该警报产品请求失效。用户可同时指定多个报警区域，一个报警区域可以有多个警报产品，一个警报产品可以附加多个相关产品。
处理流程如下：
（1）用户选择警报区域，获取用户选择的报警区域范围（包括规则矩形区域和不规则行政区域两种），保存矩形报警区域的四个点的位置坐标（经纬度值），对于选定行政区域报警，需获取行政区划外接矩形四个点的位置坐标并进行记录；
（2）获取和保存用户选择的报警产品、设置的报警级别和相应的阈值以及根据需要选择的警报产品的附加产品，形成警报产品请求列表；
（3）将报警区域（矩形区域）信息和警报产品请求列表封装成警报产品请求消息写入请求目录中。
3.3 交互产品显示 3.3.1 产品剖面显示
二维显示系统提供对雷达产品的剖面显示功能，具有空间多层数据的基本产品R、V、W的雷达产品可以进行剖面显示操作。产品剖切显示功能支持对雷达产品的连续剖切操作。剖切操作要求雷达产品数据至少有6个不同仰角层的数据，而且提供定制距离的功能，用户能剖切固定长度的产品。
处理流程如下：
（1）获取需要做剖面的产品的相关参数，如仰角、方位角、距离库等； （2）获取剖面线起止点的位置坐标，计算两个端点对应的距离和方位角； （3）获取剖面线上各点的距离和方位角； （4）对于定制距离，只需要计算方位角即可；
（5）将计算好的参数封装成产品剖面的一次性产品请求，发送给文件管理系统； （6）文件管理系统向产品生成系统请求数据，将返回的产品文件绘制并显示。
3.3.2 组合反射率显示
组合反射率是将一个体扫中各常定仰角方位扫描中的最大反射率因子投影到笛卡尔坐标格点上的产品，即某个格点垂直方向上的反射率因子最大值，系统以极坐标投影方式绘制
显示。其处理流程如下：
（1）获取用户设定的组合反射率请求参数，将参数封装成组合反射率的一次性产品请求；
（2）将请求发送给文件管理系统，文件管理系统向产品生成系统请求产品文件； （3）从文件管理系统中读取组合反射率产品；
（4）取出每个格点垂直方向上每层反射率因子的值，获取最大值； （5）将解析完的数据做投影变换并进行绘制与显示。
3.4 三维体显示
对等经纬网格数、单站极坐标基数据进行三维体显示处理流程如下：
（1）对于等经纬网格数据，直接解析其雷达中心、经纬度范围、dBz等信息；对于单站极坐标基数据，需要提取dBz，然后通过栅格化方法将极坐标插值成等经纬网格化数据，读取其雷达中心、经纬度范围、dBz等；
（2）建立等经纬网格数据的LOD模型；
（3）将等经纬网格数据映射成颜色值；通过创建体纹理，将其载入显存； （4）通过MapGIS TDE体纹理绘制方法，绘制三维体模型。
3.5 地理信息显示
三维上地理信息显示包括地形、影像和矢量数据的显示，因为是以三维球为背景，各个站点的三维显示系统都配置全国的地形高程、影像和矢量数据，对显示的各种数据以图层的方式进行管理与控制。
3.5.1 高程影像及地形数据显示
解析地形高程、影像和矢量地图数据，绘制GIS信息图形输出到雷达三维产品显示窗口。GIS图形信息一般作为雷达产品背景与雷达产品图像叠加显示。其处理流程如下：
（1）解析地图数据文件和产品数据文件；
（2）根据产品数据文件提供的地理定位信息确定所要绘制地图的地理范围； （3）获取系统默认或用户设置的需要绘制的地理信息层数； （4）根据地理范围和地理信息层绘制相应的地图； （5）将地图与产品图片叠加显示。
3.5.2 图层控制
图层控制的主要功能是对GIS地理信息中所包括的子相关信息进行显示和隐藏等操作，以及子信息对应图层的上下顺序调整。
处理流程如下：
（1）GIS子信息的显示和隐藏：
（2）将当前显示的子信息存放到GIS显示数组中； （3）根据GIS显示数组元素重绘地图； （4）标记显示的GIS子信息；
（5）GIS子信息对应图层的上下顺序调整：
（6）获取选择GIS子信息和调整顺序（向上或向下）；
（7）根据要交换的GIS信息在GIS显示数组中进行相应的上下顺序调整； （8）根据GIS显示数组元素依次重绘GIS图层； （9）交换GIS子信息的显示标记。
1-气象雷达产品可视化的设计（定稿） - 图文
