气象信息的三维空间建模与可视化研究

各种气象要素在大气空间中的存在变化具有明显的时空特性，其基于地表特征的相互复杂作用对于天气的成因分析至关重要。目前，各种气象要素信息的表达分析还基本局限在静态的二维投影或切片空间，并且相互独立，缺乏丰富的地理信息支持，难以进行全面的综合分析。本课题立足于气象信息全面的多尺度三维可视化表达分析，通过对以地表为下垫面约束的气象空间进行多尺度多分辨率的离散、剖分与重构，构建相应的三维空间数据模型及其在不同尺度下的数据组织结构与存储方案和高效的三维空间索引机制，实现各种相关模型的无缝协同，在数据层面上将气象信息专业机理模式与GIS集成；并结合气象信息的三维空间插值，构建多尺度虚拟气象空间，实现符合行业规范与习惯的气象信息三维可视化表达，解决气象信息多尺度三维动态模拟的关键理论与技术问题，为气象专业领域的综合分析研究提供支持，为虚拟气象的构建奠定基础，对三维GIS、VGE等领域的发展都具有重要意义。

本研究通过对气象信息的自身空间特征及其专业领域应用特征的深入剖析, 提出了采用“赋无形于有形”的思想策略，构建能够集成地表特征信息的气象空间框架以实现对气象信息的建模与可视化。本研究首先对点、线、面、体 进行了认知层面的重新理解，认为在一定的尺度与环境下，线、面、体都是点在不同维度的拓展，是一种特殊的点。线是点的一维拓展，面是点的二维拓展，体是点的三维拓展，从而有效地将不同维度的空间对象点、线、面、体 进行了概念上的统一，形成了二维投影点阵模型系列、三维曲面点阵模型系列、三维体点阵模型系列以及一系列面元、体元模型的衍生模型体系，有效实现了各种模型之间的集成与无缝转换，为气象信息的表达分析等提供了有形的空间框架；继而围绕多维度点阵格网模型体系，研究了矢量数据的集成组织方法，海量点数据组织与索引方法以及气象信息的空间分布插值方法，实现其相关对象及算法的类库建设，在此基础上研究对气压场、雷达探测云场以及大地电场的建模与可视化表达方法，并有效地在Google Earth、ArcGIS以及自主研发可视化平台上进行了多维可视化呈现，形成了一整套行之有效的气象信息建模与可视化的理论与方法体系，并成功构建了一系列类库及软件产品，相关成果得到有效的转化，已经在10多个省市气象局推广应用，为气象专业领域与GIS的集成做出了有益的探索。