劉 誠，柳青揚(yáng)，張開碩，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)域大氣在一定時間內(nèi)的狀態(tài)和現(xiàn)象。現(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，符號的載體也應(yīng)由二維的圖形符號擴(kuò)展為三維甚至多維符號。

對于氣象現(xiàn)象的三維表達(dá)，國內(nèi)外已有許多學(xué)者開展了相關(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)時交互控制；刑峰等[2]基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了動態(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]開發(fā)了三維氣象GIS平臺，但他們的三維氣象平臺仍以二維氣象符號為主，在三維氣象符號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，一方面針對某一種天氣現(xiàn)象，力求直觀、形象地表現(xiàn)其動態(tài)特性，而天氣現(xiàn)象的氣象學(xué)屬性及空間分布特征，則僅是通過仿真模擬的視覺效果間接表達(dá)，并沒有形成三維符號；另一方面針對氣象數(shù)據(jù)與GIS的結(jié)合，使用的三維符號較少且符號設(shè)計沒有形成系統(tǒng)，多數(shù)是簡單的三維氣象模型，而參照地圖符號的設(shè)計，三維氣象符號不是三維氣象模型，而應(yīng)是視覺形象的抽象體，強(qiáng)調(diào)簡潔性、邏輯性、抽象化與形象化均衡。因此，如何通過視覺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化，需要回答兩個問題：一是表示哪些氣象特征，二是如何通過視覺元素將這些氣象特征表示出來。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義邏輯系統(tǒng)是進(jìn)行氣象符號化表達(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)計和實(shí)現(xiàn)不確定性現(xiàn)象的符號模型是氣象符號化的關(guān)鍵。針對上述問題，本文首先通過對氣象特征進(jìn)行語義邏輯分解，設(shè)計氣象的符號可視化元素，在此基礎(chǔ)上，采用粒子系統(tǒng)技術(shù)對邊界模糊的氣象現(xiàn)象進(jìn)行三維可視化，探究三維氣象符號化表達(dá)的技術(shù)和方法。

1 三維氣象符號設(shè)計的基本思路

1.1 氣象現(xiàn)象的可視化元素解析

根據(jù)符號理論[8]，地圖符號的設(shè)計被分為語義模型設(shè)計、圖形形式設(shè)計和符號生成規(guī)則設(shè)計三部分。 三者分別對應(yīng)表達(dá)對象語義特征的提取收集、符號基本圖形形式系統(tǒng)的設(shè)計搭建，以及基本圖形形式和語義特征相互對應(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、按形成機(jī)理分類的方法對各種現(xiàn)象進(jìn)行邏輯分類，如圖1所示。氣象現(xiàn)象可以按照尺度分為三個大類，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 三級分級體系。

圖1 氣象現(xiàn)象概念體系

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

表1 氣象現(xiàn)象的基本符號元素及圖形示例

1.2 氣象的三維符號化設(shè)計

為了形象地表示上述氣象現(xiàn)象，本文采用粒子系統(tǒng)對氣象符號元素進(jìn)行設(shè)計和制作。粒子系統(tǒng)的基本思想是使用計算機(jī)隨機(jī)生成眾多粒子來模擬邊緣模糊的現(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特征。

1）形狀設(shè)計。氣象現(xiàn)象的形狀設(shè)計方法由表達(dá)對象的特點(diǎn)來決定。對于氣團(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，可模擬出大致形狀；對于雨、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，可以通過設(shè)置不同的尺寸和最大數(shù)量來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。氣象符號的顏色設(shè)計有兩種情況，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。對于簡單建模形成的符號，如氣壓帶，可以直接修改符號的尺寸屬性。對于復(fù)合粒子系統(tǒng)，則要單獨(dú)調(diào)整每個粒子系統(tǒng)中粒子源和粒子的尺寸。

4）變化速度設(shè)計。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變量儲存起來，可以通過調(diào)整關(guān)鍵點(diǎn)的位置、數(shù)量和屬性，來控制變化的整體 效果。

Gradient變量通過在生命周期內(nèi)的不同時間點(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，通過控制關(guān)鍵點(diǎn)的個數(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，用戶可以在粒子的生命周期內(nèi)插入多個控制點(diǎn)，通過調(diào)整每個點(diǎn)處的法線方向和位置來調(diào)整粒子系統(tǒng)變化的各種細(xì)節(jié)。

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

2 三維氣象符號設(shè)計的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前述三維氣象符號設(shè)計的基本原理和方法，筆者采用Unity3D軟件平臺制作了三維動態(tài)氣象符號模型。以鋒面系統(tǒng)為例，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 鋒面系統(tǒng)符號設(shè)計流程

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

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

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

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

2.1 剖解語義特征

如表1所述，拆分鋒面系統(tǒng)的概念，可以得到如下語義特征：

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

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

2.2 符素的制作與調(diào)整

對符素庫中涉及到的符素進(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)色來區(qū)分氣團(tuán)的冷暖，用三維箭頭模型來表示強(qiáng)勢氣團(tuán)的運(yùn)動趨勢，箭頭的顏色與強(qiáng)勢氣團(tuán)的顏色一致。

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

2.3 符素組合

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

圖3 部分成果展示

這些三維動態(tài)氣象符號均以粒子系統(tǒng)為主體，部分符號配以箭頭等輔助要素。簡單的氣象現(xiàn)象如積云，本身就可以看作是一個符素；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、雷電和降雨等的組合。

以冷鋒為例，構(gòu)建三維地形場景，在場景中配置氣象符號，如圖4所示，該場景配置了冷鋒的鋒面、鋒線、鋒的移動方向符號、氣流運(yùn)動方向以及鋒面雨符號。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 場景實(shí)例展示

在鋒面場景實(shí)驗(yàn)中，粒子系統(tǒng)對云、雨、霧等的表達(dá)達(dá)到了三維符號的基本要求，偏向仿真；鋒面、鋒線等在場景中可視化效果較好，偏向抽象。各符號的有效配置，能夠簡潔直觀地表現(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達(dá)到了設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。

3 結(jié) 語

依據(jù)目前對三維氣象符號的需求，對氣象現(xiàn)象進(jìn)行邏輯分類，設(shè)計一套三維氣象符號體系，并通過粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣象現(xiàn)象的三維動態(tài)符號化表達(dá)。該符號體系實(shí)現(xiàn)了簡潔性、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)合等問題提供了一種解決辦法。需要注意到這一符號體系尚有欠缺，如小尺度集成效果欠佳、面向使用者的交互較少等。這些問題將隨著本研究的深入得到逐步的解決。