王連杰，韋 群

（1. 航天工程大學(xué)，北京 101400；2. 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000）

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，氣象衛(wèi)星通過(guò)搭載的各種氣象遙感器，能夠從太空進(jìn)行全方位、全天候觀測(cè)，觀測(cè)的內(nèi)容包括云圖的拍攝、云頂溫度和水汽、臭氧等內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)經(jīng)地面站處理后，可以得到紅外云圖、水汽圖以及可見(jiàn)光云圖。然而，基層臺(tái)站目前接收的云圖數(shù)據(jù)基本上都是二維云圖，用戶(hù)根據(jù)云圖的顏色不同，對(duì)云圖進(jìn)行分析。對(duì)比三維云圖而言，二維云圖不能反應(yīng)云團(tuán)的垂直分布特征，對(duì)臺(tái)風(fēng)、低渦等天氣系統(tǒng)反應(yīng)不夠直觀，真實(shí)感較差。

由于云狀能夠直接反應(yīng)的大氣的活動(dòng)狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了云圖的三維可視化研究。主要有申閆春等從二維云圖中提取云的三維信息，并利用改進(jìn)的Billboard算法對(duì)其進(jìn)行空間填充實(shí)現(xiàn)三維立體云的仿真[1]；Mark J.Harris等人利用前向散射的云陰影算法，在運(yùn)行過(guò)程中利用一階各向異性散射和幀對(duì)幀的相干性加快云的繪制速度，構(gòu)建出的三維云圖仿真算法[2]；還有郭勝等利用實(shí)時(shí)的紅外云圖數(shù)據(jù)，在數(shù)字地球上采用OGS三維渲染技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云圖的三維顯示[3]。

前人的眾多研究，都為本文奠定了很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)[4-5]。本文將采用基層臺(tái)站接收的紅外云圖數(shù)據(jù)，利用OpenGL圖形和模型庫(kù)，研究構(gòu)建云圖的三維模型，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三維云圖仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)將極大的方便崗位人員掌握云團(tuán)的變化情況，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 紅外衛(wèi)星云圖概述

1.1 紅外衛(wèi)星云圖的探測(cè)原理

在氣象衛(wèi)星上，安裝紅外線儀器對(duì)云層中的溫度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果將以灰度的形式表現(xiàn)出來(lái)，衛(wèi)星上的紅外線儀器能夠接收紅外譜段為 10.5-12.5 μm的輻射，輻射通量的表達(dá)式為

其中上式表達(dá)式中Ts表示地表的溫度，?S表示衛(wèi)星觀測(cè)地表的面積，??表示衛(wèi)星儀器上觀測(cè)的立體角。通過(guò)上式（1）可知，如果云團(tuán)的溫度越高，那么向外輻射的紅外輻射就會(huì)越強(qiáng)；反之就會(huì)越小。也可以認(rèn)為紅外云圖反應(yīng)的是溫度分布圖，通常云頂溫度高、輻射強(qiáng)的云團(tuán)，對(duì)應(yīng)的灰度值也相對(duì)較小，像素點(diǎn)表現(xiàn)比較暗，反之則相反[6]。

1.2 紅外云圖的數(shù)據(jù)格式

目前，對(duì)于基層臺(tái)站而言，最為簡(jiǎn)單和直接的方法獲取衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)就是通過(guò) CMACast系統(tǒng)接收衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式采用Micaps第十三類(lèi)數(shù)據(jù)格式，具體紅外云圖的數(shù)據(jù)內(nèi)容見(jiàn)表1所示。

表1 第十三類(lèi)數(shù)據(jù)圖像文件Tab.1 13th Class data image file

文件的描述部分共有128個(gè)字符組成，在描述文件后，就是存儲(chǔ)的云圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)全部為二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，按照先X方向后Y方向的順序進(jìn)行存儲(chǔ)，每一個(gè)像素點(diǎn)占一個(gè)字節(jié)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

云團(tuán)的變化能夠直接反應(yīng)大氣運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此對(duì)于云狀的觀測(cè)始終是氣象觀測(cè)的重點(diǎn)。但對(duì)于基層臺(tái)站觀測(cè)員而言，夜間往往會(huì)受到光線或視野的影響，造成觀測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響天氣預(yù)報(bào)的制作。另外，預(yù)報(bào)員在分析云圖過(guò)程中，部分云系的特征不夠明確，也可能造成崗位人員對(duì)天氣系統(tǒng)的誤判。

根據(jù)紅外衛(wèi)星云圖夜間能夠成像的特點(diǎn)，研究實(shí)現(xiàn)三維云圖仿真系統(tǒng)，將有效提高對(duì)云狀的判斷準(zhǔn)確度。系統(tǒng)需要完成以下功能：（一）應(yīng)用接收到紅外云圖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云圖的二維、三維顯示；（二）云圖數(shù)據(jù)瀏覽過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)向前、向后翻頁(yè)、旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及動(dòng)畫(huà)功能；（三）對(duì)于云圖成像過(guò)程中，用戶(hù)可以應(yīng)用不同的調(diào)色板，改變?cè)茍D的顏色，并且能夠?qū)⒃茍D數(shù)據(jù)輸出。

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，本系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)導(dǎo)入和數(shù)據(jù)顯示兩個(gè)模塊，各個(gè)子功能模塊如圖1所示。

圖1 三維云圖仿真系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Functional modules of 3D cloud map simulation system

數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，主要是用于將云圖、地圖以及調(diào)色板數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)。其中云圖數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)了大量的灰度值信息，在讀取過(guò)程中需要根據(jù)云圖描述文件中x、y軸圖像的大小，將灰度值數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組中；載入地圖的大小則根據(jù)云圖描述文件中的頭文件中包含經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息，將與云圖數(shù)據(jù)相應(yīng)大小的bmp文件載入到系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)地理信息顯示的功能；調(diào)色板中的數(shù)據(jù)主要用于將灰度值與各顏色分量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)云圖的著色。

數(shù)據(jù)顯示是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的核心部分，主要用于將載入系統(tǒng)的云圖數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理，構(gòu)建出三維云圖模型，與地圖文件共同實(shí)現(xiàn)云圖的顯示，并且在可視化過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云圖的縮放、平移、動(dòng)畫(huà)、旋轉(zhuǎn)等功能，便于用戶(hù)的瀏覽。

2.3 系統(tǒng)坐標(biāo)系

在自然界之中，任何大于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)向外產(chǎn)生黑體輻射，并且隨著物體溫度越高，輻射也會(huì)越強(qiáng)。在云團(tuán)中，高度每上升 1000m，云團(tuán)的溫度就會(huì)下降 6℃，當(dāng)云團(tuán)的溫度越高，表明云圖越貼近地面，則該類(lèi)云圖對(duì)應(yīng)的灰度值就會(huì)變小，在云圖顯示過(guò)程中表現(xiàn)的色調(diào)就越暗，如圖2所示。

圖2 紅外云圖三維仿真原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of three dimensional simulation principle of infrared cloud image

由于云圖的灰度值與云團(tuán)高度具有一定的相關(guān)性，云團(tuán)的灰度值越大，則表明云團(tuán)的高度越高，可以利用云圖的灰度值來(lái)近似的反應(yīng)云團(tuán)的高低起伏變化。此外，在云圖的頭文件中包含了經(jīng)緯度起始坐標(biāo)信息和圖像的大小，因此可以選用經(jīng)度坐標(biāo)為x軸坐標(biāo)，緯度坐標(biāo)為y軸坐標(biāo)，云圖的灰度值為z軸坐標(biāo)的方式來(lái)構(gòu)建云圖的坐標(biāo)系，其視口坐標(biāo)系如下圖3所示。

圖3 OpenGL 視口中的坐標(biāo)系Fig.3 Coordinate system in OpenGL viewport

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 云圖三維模型構(gòu)建

在構(gòu)建云圖的三維模型過(guò)程中，除了需要云團(tuán)的經(jīng)緯度信息準(zhǔn)確以外，還需要利用灰度值來(lái)準(zhǔn)確的反應(yīng)云頂?shù)母叨?，將相鄰的像素點(diǎn)進(jìn)行連接，這是構(gòu)建云圖仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵。在設(shè)置云圖的高度值時(shí)，發(fā)現(xiàn)直接使用灰度值作為高度值，會(huì)造成云圖三維模型上下起伏過(guò)于明顯，三維云圖仿真效果不夠理想。因此在使用灰度值數(shù)據(jù)過(guò)程中，采用將灰度值數(shù)據(jù)除以10，作為云圖的高程值，能夠有效降低了云圖的上下起伏程度，提高云圖顯示效果，還不會(huì)造成云圖信息的丟失。此外，為了達(dá)到快速將三角形連接起來(lái)的目的，本系統(tǒng)選用OpenGL中的GL_TRIANGLE_STRIP線型連續(xù)填充函數(shù)來(lái)構(gòu)造三角形，該函數(shù)在繪制三角形過(guò)程中，對(duì)比其他OpenGL幾何圖元函數(shù)，能夠使三角形更加具有連續(xù)性，其繪制方法是根據(jù)函數(shù)頂點(diǎn)的奇偶性來(lái)將云圖數(shù)據(jù)中的每3個(gè)像素點(diǎn)連接成為一個(gè)小三角形，如圖4所示。

圖4 GL_TRIANGLE_STRIP 函數(shù)幾何圖元示意圖Fig.4 GL_TRIANGLE_STRIP function geometric diagram

3.2 法向量的處理

在構(gòu)建云圖的三維模型過(guò)程中，如果不對(duì)光照的反射進(jìn)行處理，則會(huì)導(dǎo)致模型表面不夠光滑，出現(xiàn)棱角不夠分明，圖像看不出的情況發(fā)生，因此對(duì)頂點(diǎn)法向量進(jìn)行處理就顯得尤為重要。在衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)中，由于該類(lèi)數(shù)據(jù)并沒(méi)有保存頂點(diǎn)的法向量信息，因此需要通過(guò)逐個(gè)計(jì)算得到頂點(diǎn)法向量數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建云圖的三維模型過(guò)程中，共構(gòu)造出了512*511個(gè)三角形，計(jì)算頂點(diǎn)法向量的過(guò)程如下：

（1）計(jì)算每個(gè)三角形的平面法向量；平面上有P0、P1、P2三個(gè)點(diǎn)，那么其法向量為N。

其中

（2）將平面法向量進(jìn)行歸一化處理，得到法向單位向量e；

（3）一個(gè)點(diǎn)的法向量等于以該點(diǎn)為頂點(diǎn)的所有三角形的法向量之和平均值，在云圖的網(wǎng)格之中一個(gè)點(diǎn)法向量往往由8個(gè)三角形面求平均而得出，由8個(gè)單位法向量的平均值既可以得到該點(diǎn)的頂點(diǎn)法向量。

3.3 調(diào)色板及透明度處理

在構(gòu)建完云圖的三維模型后，可以采用紋理映射的方式為云團(tuán)進(jìn)行著色，實(shí)現(xiàn)云圖的三維顯示。但是由于云系高低起伏不平，高云和低云之間存在著顏色上的差異，相對(duì)而言，使用紋理映射的方式會(huì)造成大量的數(shù)據(jù)進(jìn)入到內(nèi)存中。為此本文在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用glColor4ub函數(shù)為每個(gè)頂點(diǎn)以及組成三角形的邊，賦值相應(yīng)的像素值顏色。在賦值過(guò)程中，由于OpenGL中的glColor4ub其顏色強(qiáng)度值為0-255，而 Micaps調(diào)色板中各顏色分量強(qiáng)度為0-65535，其轉(zhuǎn)換公式為

利用公式（8），可以將Micaps中的顏色強(qiáng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到適用于glColor4ub的顏色強(qiáng)度。

另外，在云系的顯示過(guò)程中，存在著一些云系不連續(xù)的過(guò)渡地帶，在系統(tǒng)在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要采用glColor4ub函數(shù)來(lái)控制Alpha的值，根據(jù)在多年工作中的經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)將灰度值在112.5-176.25，設(shè)置為云團(tuán)的過(guò)渡地帶，當(dāng)灰度值小于112.5，則認(rèn)為探測(cè)到的為地物向外的輻射，其透明度為 0；而大于 176.25，則默認(rèn)為云圖的紅外輻射，全部進(jìn)行顯示；其余則為過(guò)渡云團(tuán)的顏色。

4 三維云圖仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

在三維云圖仿真過(guò)程中，主要步驟可以分為（一）讀取云圖文件，并實(shí)現(xiàn)云圖數(shù)據(jù)網(wǎng)格化；（二）利用OpenGL構(gòu)造三角模型，并計(jì)算三角形中各個(gè)頂點(diǎn)的法向量，根據(jù)調(diào)色板為云團(tuán)進(jìn)行著色處理；（三）將得到的三維云圖和地圖進(jìn)行融合顯示，系統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系圖如圖5所示。

4.1 讀取云圖文件模塊設(shè)計(jì)

在應(yīng)用MFC開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用Doc類(lèi)來(lái)管理、加載以及保存應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將云圖數(shù)據(jù)的加載、讀取以及獲取云圖的標(biāo)題等功能在CCloudFile類(lèi)中實(shí)現(xiàn)（如圖6所示），CDoc類(lèi)依賴(lài)于File類(lèi)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中由于云圖的灰度值范圍為0-255，因此將存儲(chǔ)云圖數(shù)據(jù)的數(shù)組設(shè)置成為unsigned char型，使其顯示的數(shù)據(jù)范圍為0-255。

圖5 函數(shù)關(guān)系圖Fig.5 Function relation graph

4.2 繪制云圖模塊設(shè)計(jì)

3dCloudView作為仿真系統(tǒng)的核心類(lèi)，其在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)來(lái)源于Doc類(lèi)，在構(gòu)建云圖的三維模型主要通過(guò)DrawCloud函數(shù)實(shí)現(xiàn)，首先將云圖數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后，再使用OpenGL函數(shù)對(duì)云團(tuán)進(jìn)行透明化處理，為云團(tuán)進(jìn)行著色；另外，還需要在該類(lèi)中還需要使用LoadMap函數(shù)實(shí)現(xiàn)地理底圖的加載，以及DrawMap函數(shù)實(shí)現(xiàn)地圖文件的繪制，其在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還需要依賴(lài)Pal類(lèi)獲取灰度的轉(zhuǎn)換信息和Graph類(lèi)實(shí)現(xiàn)OpenGL的信息。

4.3 可視化功能實(shí)現(xiàn)

MainFrame該類(lèi)主要用于實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，主要的功能有實(shí)現(xiàn)云圖的前后翻頁(yè)、動(dòng)畫(huà)、全屏、保存、云圖的前后翻頁(yè)等功能。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要是基于 OpenGL函數(shù)庫(kù)和 MFC類(lèi)庫(kù)，利用C++語(yǔ)言，進(jìn)行的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。在使用該系統(tǒng)進(jìn)行顯示云圖過(guò)程中，能夠準(zhǔn)確顯示云圖中所包含的信息，臺(tái)風(fēng)等云系特征明顯，圖6為系統(tǒng)運(yùn)行效果圖。

圖6 三維云圖仿真系統(tǒng)運(yùn)行效果圖Fig.6 Running effect Map of 3D Cloud image simulation system

6 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了三維云圖仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題，主要對(duì)云圖三維模型構(gòu)建與調(diào)色板應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。經(jīng)過(guò)實(shí)例證明，應(yīng)用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)云圖的三維仿真顯示，有效提高了云圖數(shù)據(jù)的使用效率。但是，本系統(tǒng)目前只能夠提供三維云圖的瀏覽，功能上相對(duì)簡(jiǎn)單，今后將擴(kuò)展本系統(tǒng)的功能，進(jìn)一步挖掘云圖中的信息。

[1] 申閆春, 朱幼虹, 曹莉, 溫轉(zhuǎn)萍. 基于OSG的三維仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2007(06): 207-211.

[2] Mark J. Harris and Anselmo Lastra Department of Computer Science, University of North Carolina, Chapel Hill, North Carolina, USA Real- Time Cloud Rendering EUROGRAPHICS 2001/A. Chalmers and T.- M. Rhyne.

[3] 葛亮, 姜曉峰, 倪小軍. 一種云場(chǎng)景的實(shí)時(shí)渲染方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2011, 47(11): 167-170.

[4] 汪歸歸, 宋歌, 陳安太, 楊紅雨. 飛行模擬場(chǎng)景中三維云的實(shí)時(shí)建模和繪制[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2011, 32(07):2414-2416+2522.

[5] 佟志忠, 姜洪洲, 韓俊偉. 面向飛行模擬的云仿真及其實(shí)時(shí)繪制[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2008(06): 1434-1440.

[6] 孫文廣, 吳玲達(dá), 宋漢辰, 張玉新. 基于紅外衛(wèi)星云圖的云的三維表現(xiàn)[A]. 中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)、ACM SIGCHI中國(guó)分會(huì)、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系.第一屆建立和諧人機(jī)環(huán)境聯(lián)合學(xué)術(shù)會(huì)議(HHME2005)論文集[C]. 中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)、中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)、ACM SIGCHI中國(guó)分會(huì)、清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系, 2005: 6.

[7] 李培軍, 譚永強(qiáng). 一種基于衛(wèi)星云圖定量估計(jì)的三維顯示方法[J]. 氣象科學(xué), 2007(03): 329-334.