氣象數(shù)據(jù)可視化范文

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篇1

[關(guān)鍵詞]八叉樹；氣象數(shù)據(jù)；可視化

中圖分類號(hào)：TU211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）17-0215-02

1 引言

科學(xué)計(jì)算可視化是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，可視化技術(shù)極大地提高了數(shù)據(jù)處理的速度和處理的質(zhì)量推進(jìn)了科學(xué)計(jì)算工具和研究環(huán)境的進(jìn)一步現(xiàn)代化。云是自然界中常見(jiàn)的景觀，在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益成熟的今天，云的計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為可能并已廣泛的引用到各種領(lǐng)域中，如影視特效、游戲場(chǎng)景、氣象預(yù)報(bào)等。作為自然界中做常見(jiàn)的現(xiàn)象，云的模擬在涉及到自然場(chǎng)景的游戲中已不可或缺；對(duì)于影視劇的情節(jié)需要生產(chǎn)各種滿足藝術(shù)家要求的云也是非常實(shí)用并且有效的；在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，云的模擬有利于天氣信息的視覺(jué)直觀表達(dá)。

三維云的計(jì)算機(jī)模擬的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。Dobashi等人提出給予元細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的模擬方法對(duì)云進(jìn)行模擬，他們提出的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)云圖的三維建模，此外，他們提出了全球級(jí)云的建模方法較好的完成了交互式云密度的生成[。Miyazaki[1]等人提出了CML方法對(duì)云形成的物理過(guò)程進(jìn)行了近似模擬，能夠根據(jù)一定的大氣參數(shù)設(shè)置生成不同類型的云。這為本文的研究工作找到了切合點(diǎn)，本文對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，但不同的是，利用八叉樹[4]對(duì)粒子進(jìn)行層次管理，采用粒子系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)云的可視化。

（2）自適應(yīng)調(diào)度：

多粒度支持下的自適應(yīng)調(diào)度，隨著視點(diǎn)的移動(dòng)，程序自動(dòng)地調(diào)用不同層次的數(shù)據(jù)。在實(shí)際的程序中 調(diào)度 是不同層次節(jié)點(diǎn)描述文件的調(diào)度。

2.2 八叉樹管理下場(chǎng)景的建立

這一部分的目的是將渲染文件生成渲染結(jié)點(diǎn)，并構(gòu)建成渲染的場(chǎng)景。應(yīng)用程序根據(jù)攝像機(jī)的具置和朝向，調(diào)用不同的層次的數(shù)據(jù)。

（1）節(jié)點(diǎn)形狀的選擇

由此我們的方案時(shí)，每個(gè)立方體包含多個(gè)面（子節(jié)點(diǎn)），而我們?cè)阡秩緯r(shí)就是自適應(yīng)調(diào)度這些立方體。這里我們選擇的面是正方形。（同時(shí)也可以考慮六邊形）。同樣我們可以考慮下面任何一種形狀，如圖2所示：

（2）子節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置的確定

64*64*64 的規(guī)格數(shù)據(jù)塊在八叉樹的管理下，我們可以得到每層每個(gè)地方體內(nèi)云的平均密度。根據(jù)平均密度確定盒子中包含的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，如圖3所示。

確定完子節(jié)點(diǎn)的數(shù)目n后，在盒子內(nèi)隨機(jī)創(chuàng)建n個(gè)位置，作為子節(jié)點(diǎn)的中心位置。子節(jié)點(diǎn)的位置盡可能覆蓋整個(gè)盒子。每個(gè)盒子的子節(jié)點(diǎn)的信息需要保存起來(lái)，放置在節(jié)點(diǎn)的描述文件中，（例如：子節(jié)點(diǎn)的中心位置，尺寸，對(duì)應(yīng)于下層細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)中的位置等，下面繼續(xù)介紹）。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)（面）的尺寸由盒子的尺寸和該區(qū)域云的平均密度確定。

創(chuàng)建好一些列子節(jié)點(diǎn)的中心位置之后，我們需要對(duì)子節(jié)點(diǎn)的中心位置進(jìn)行優(yōu)化，確保任何兩個(gè)相鄰的子節(jié)點(diǎn)的位置在我們給定的某一確定值之外，這個(gè)確定值由節(jié)點(diǎn)的尺寸確定，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)為節(jié)點(diǎn)尺寸的1/3，效果較好。

為了確保在切換到細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)時(shí)，云的整體形狀不會(huì)產(chǎn)生太大的變化，我們要保存上層節(jié)點(diǎn)，在切換時(shí)我們只是在相應(yīng)的位置添加一些隨機(jī)放置的節(jié)點(diǎn)，但這些新增的節(jié)點(diǎn)的尺寸，紋理和數(shù)量是有該下層盒子的尺寸和平均云密度決定的。（下面繼續(xù)介紹），同時(shí)也需要對(duì)該盒子內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的空間距離不過(guò)于太小。

（3）子節(jié)點(diǎn)紋理的選擇

創(chuàng)建了一些列的位置以后，我們需要為每個(gè)面賦予給定相應(yīng)的紋理，以構(gòu)建云的形狀。那么如何選擇紋理呢？ 我們的解決方案是根據(jù)云密度的不同，選擇不同的紋理。同一階段的密度，我們需要給定多個(gè)可供選擇的紋理，以避免紋理太過(guò)于單調(diào)。如下圖5所示：

上面的這一些列的操作需要對(duì)任何一個(gè)八叉樹結(jié)構(gòu)下的盒子操作的，節(jié)點(diǎn)的紋理選定好后，我們還需要對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行角度的偏轉(zhuǎn)，使由節(jié)點(diǎn)紋理組成的云的形狀更加真實(shí)，而不是顯得那么有規(guī)則。同時(shí)并保存旋轉(zhuǎn)的角度。對(duì)于每個(gè)盒子，除了選定的那些特定的節(jié)點(diǎn)外，我們還需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)底面節(jié)點(diǎn)，底面節(jié)點(diǎn)的偏移角度在0-5度的范圍之間，而其他節(jié)點(diǎn)的偏移角度在0-360度的范圍內(nèi)。

在節(jié)點(diǎn)的紋理選擇過(guò)程中我們我們需要考慮的問(wèn)題就是在層次切換過(guò)程中盡可能減少突變的程度。所以我們的解決方法是：下層云的密度影響上層相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)的紋理的選擇。

（4）子節(jié)點(diǎn)顏色的確定

當(dāng)所有的子節(jié)點(diǎn)選擇好紋理后，構(gòu)建了云的整體形狀，但是由于實(shí)際生活中云顏色并不是一樣的，所以我們需要確定所有節(jié)點(diǎn)的頂點(diǎn)的顏色，以繪制出高逼真的云。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用基于八叉樹的氣象數(shù)據(jù)的管理，語(yǔ)義映射的自適應(yīng)多線程可視化，可以很好的描述出大氣中云的狀態(tài)。八叉樹作為描述三維氣象數(shù)據(jù)的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在多粒度場(chǎng)景結(jié)點(diǎn)構(gòu)建過(guò)程中，可以準(zhǔn)確地描繪每個(gè)粒度（層級(jí)）的場(chǎng)景信息。3D氣象數(shù)據(jù)渲染系統(tǒng)直觀地展現(xiàn)出大氣信息，對(duì)氣象研究工作有著非常深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Ryo Miyazaki S Y，et al. A method for modeling clouds based on Atmospheric Fluid dynamics [C]//Proceedings of the 9th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications，2001：363.

[2] Pantelis Elinas W S. Real-time rendering of 3D clouds[J]. Journal of Graphics Tools， 2000， 5（4）： 33-45.

篇2

Part 1：從地球模擬器說(shuō)起

“NEC地球模擬器”自問(wèn)世以來(lái)就引起許多人的關(guān)注。幾年前，由NEC為日本海洋科學(xué)技術(shù)中心打造的這臺(tái)地球模擬器大型機(jī)以強(qiáng)大的運(yùn)算能力連續(xù)兩年占據(jù)著Top500超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜的榜首。雖然在今天看來(lái)，地球模擬器35.61 TFlops*的浮點(diǎn)運(yùn)算能力也不過(guò)與幾十塊NVIDIA Geforce GTX 280顯卡的運(yùn)算能力相當(dāng)，但在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是非常厲害了。因?yàn)樵?002年排名第二的IBM ASCI White-Pacific超級(jí)計(jì)算機(jī)也不過(guò)只有7 TFlops的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。1G=1024M、 1M=1024K ， 這里的TFLOPS就是每秒運(yùn)算能力為1兆＝10的9次方，1TFLOPS等于1萬(wàn)億次浮點(diǎn)指令。

和藍(lán)色基因、RoadRunner這樣拗口的超級(jí)計(jì)算機(jī)名字相比，地球模擬器不僅易懂，還富有強(qiáng)烈的科幻色彩。一部超級(jí)計(jì)算機(jī)，真的能模擬地球的一切運(yùn)作嗎？事實(shí)上地球模擬器所能做的，只是幫助人們模擬全球變暖問(wèn)題，并且預(yù)測(cè)地球總體氣候變化趨勢(shì)而已，距離模擬整個(gè)地球的各個(gè)子環(huán)境運(yùn)行仍然有著遙不可及的距離。但即便如此，把地球模擬器在1秒鐘內(nèi)完成的計(jì)算任務(wù)，交給一個(gè)人使用計(jì)算器來(lái)完成，卻需要花上3000萬(wàn)年。毫無(wú)疑問(wèn)，模擬天氣變化仍然是當(dāng)今龐大驚人的計(jì)算之一，我們每天看的天氣預(yù)報(bào)背后實(shí)際上就是無(wú)數(shù)超級(jí)計(jì)算機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果。

可是雖然當(dāng)今最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)IBM Roadrunner運(yùn)算能力也已經(jīng)達(dá)到1.026P Flops（千萬(wàn)億次），但在Top500超級(jí)計(jì)算機(jī)排行榜中，仍然有大量超級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，被天氣變化和環(huán)境預(yù)測(cè)程序所消耗殆盡?？梢灶A(yù)見(jiàn)，氣候與環(huán)境的預(yù)測(cè)分析仍然是超級(jí)計(jì)算機(jī)們大顯身手的領(lǐng)域。究竟氣象與環(huán)境預(yù)測(cè)為什么需要如此驚人的計(jì)算能力？我們?cè)诙嗑玫奈磥?lái)才能獲得完全準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)甚至是地震警報(bào)？接下來(lái)請(qǐng)隨我們一探究竟。

Part 2：氣象模擬與預(yù)測(cè)：精確度與計(jì)算能力的較量

1．計(jì)算機(jī)在天氣預(yù)報(bào)中起到的作用

天氣預(yù)報(bào)自誕生以來(lái)就成了我們生活中不可或缺的重要元素。我們每天都會(huì)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)確定著裝、是否帶雨具等生活問(wèn)題。如你所知，當(dāng)今的天氣預(yù)報(bào)仍然無(wú)法做到十分準(zhǔn)確，無(wú)論是降雨還是氣溫都難以預(yù)報(bào)到百發(fā)百中。然而如今的天氣預(yù)報(bào)，其實(shí)已經(jīng)包含了無(wú)數(shù)科技上的巨大進(jìn)步。

在過(guò)去我們只能使用天氣圖配合過(guò)去天氣記錄來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)。整個(gè)天氣預(yù)報(bào)以天氣圖為主，配合衛(wèi)星云圖、雷達(dá)圖等，用天氣學(xué)的原理來(lái)分析和研究天氣的變化規(guī)律，并通過(guò)概率統(tǒng)計(jì)總結(jié)出天氣變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)。而隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，當(dāng)今的天氣預(yù)報(bào)，除了運(yùn)用上述手段外還引入了數(shù)值預(yù)報(bào)方法，即利用大型、快速的電子計(jì)算機(jī)求解描述大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組來(lái)制作天氣預(yù)報(bào)。在這三種方法融合的情況下，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率已經(jīng)大大提升。對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，天氣預(yù)報(bào)實(shí)際上是海量的方程求解，由于整個(gè)計(jì)算涉及大量方程組和變量，只要有細(xì)微的參數(shù)發(fā)生變化，整個(gè)結(jié)果就會(huì)完全不同。和其它科學(xué)計(jì)算相比，天氣預(yù)測(cè)計(jì)算還有極強(qiáng)的時(shí)效性――面對(duì)瞬息萬(wàn)變的氣候，也許大量參數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中就需要進(jìn)行修正，天氣預(yù)報(bào)更是在4~12小時(shí)內(nèi)就會(huì)重新一次，這就意味著計(jì)算機(jī)必須在時(shí)限之內(nèi)完成計(jì)算任務(wù)。

如果我們將獲得的所有天氣參數(shù)都交由計(jì)算機(jī)運(yùn)算，那即便是Roadrunner也需要幾天時(shí)間。為了解決時(shí)效性與精細(xì)度、精確度之間的矛盾，人們又構(gòu)建了許多天氣預(yù)報(bào)模型。當(dāng)今我國(guó)使用的天氣預(yù)報(bào)計(jì)算模型主要有國(guó)家氣象中心中期數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)譜模型（T106L19）、有限區(qū)域模式（HLAFS）、MM5模型以及WRF(Weather Research and Forecasting)模型等。其中T106L19和HLAFS模型一般只能用作中期（48~96小時(shí)）天氣預(yù)報(bào)，而MM5模型則由美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國(guó)氣象研究所聯(lián)合開發(fā)，適用于更精細(xì)尺度的短期天氣預(yù)報(bào)。作為新一代的天氣預(yù)測(cè)計(jì)算模型， WRF有著更準(zhǔn)確的結(jié)果和區(qū)域性，但其計(jì)算量同樣基于所有類型之首。在當(dāng)今計(jì)算能力的限制下，我們一般只采用中尺度計(jì)算“顆?！?（20~200km）,而對(duì)于MM5和WRF來(lái)說(shuō)精細(xì)度其實(shí)完全可以做到1km。

*注釋：中尺度計(jì)算“顆?！本褪蔷嚯x在20~200km之間的天氣預(yù)報(bào)模型。顆粒是計(jì)算尺度/精度，20~200km之間為一個(gè)顆粒。

2．計(jì)算機(jī)可視化對(duì)氣象預(yù)報(bào)的分析

那天氣預(yù)報(bào)是如何在電腦上進(jìn)行的？至此我們需要粗略了解一下什么是可視化計(jì)算。你可千萬(wàn)別以為我們當(dāng)今玩的3D游戲、進(jìn)行一些3D模型渲染就被稱作可視化計(jì)算。事實(shí)上科學(xué)計(jì)算可視化(Visualization inScientific Computing)是發(fā)達(dá)國(guó)家在80年代后期提出并發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。所謂可視化計(jì)算，是將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái),并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)計(jì)算可視化的含義已經(jīng)大大擴(kuò)展,它不僅包括科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化,而且包括工程計(jì)算數(shù)據(jù)的可視化：如有限元分析的結(jié)果等；同時(shí)也包括測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化：如用于醫(yī)療領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)數(shù)據(jù)及核磁共振(MRI)數(shù)據(jù)的可視化等等。

氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性依賴于對(duì)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析。一方面，科學(xué)計(jì)算可視化可將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出某一時(shí)刻的等壓面、等溫面、位渦、云層的位置及運(yùn)動(dòng)、暴雨區(qū)的位置及其強(qiáng)度、風(fēng)力的大小及方向等，使預(yù)報(bào)人員能對(duì)未來(lái)的天氣作出準(zhǔn)確的分析和預(yù)測(cè)。

篇3

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)警報(bào) net framework ftp協(xié)議

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（b）-0015-02

根據(jù)民航空管局的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)本機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)或預(yù)計(jì)出現(xiàn)重要天氣并達(dá)到一定條件時(shí)，機(jī)場(chǎng)氣象臺(tái)應(yīng)及時(shí)機(jī)場(chǎng)預(yù)警信息，并上傳民航空管局地區(qū)氣象中心。

目前，民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通訊服務(wù)器為linux系統(tǒng)，沒(méi)有可視化操作界面。將機(jī)場(chǎng)警報(bào)文件上傳到民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通訊服務(wù)器，預(yù)報(bào)員只能采用命令行的形式連接民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通訊服務(wù)器，經(jīng)過(guò)一系列的命令行指令將文件上傳。此方法操作復(fù)雜，沒(méi)有可視化操作界面，易出錯(cuò)，要求預(yù)報(bào)員熟悉linux系統(tǒng)及操作指令，不便于預(yù)報(bào)員的日常工作。

為解決這一問(wèn)題，防止誤操作，有效的管理和規(guī)范機(jī)場(chǎng)警報(bào)產(chǎn)品在民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的交換，保障業(yè)務(wù)生產(chǎn)安全性，參照《民用航空氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行管理規(guī)定》中有關(guān)規(guī)定，特開發(fā)了機(jī)場(chǎng)警報(bào)傳送軟件。

1 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

機(jī)場(chǎng)警報(bào)傳送軟件主要功能是將本地機(jī)場(chǎng)警報(bào)文件上傳到民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)通訊服務(wù)器系統(tǒng)，主要為氣象預(yù)報(bào)員提供服務(wù)。系統(tǒng)采用用戶及密碼進(jìn)行身份認(rèn)證的安全機(jī)制，通過(guò)身份認(rèn)證的用戶可根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇文件上傳到服務(wù)器系統(tǒng)，系統(tǒng)功能及用戶界面。

1.1 連接服務(wù)器、保存配置功能

本系統(tǒng)中，用戶可自行設(shè)置各個(gè)連接參數(shù)，包括服務(wù)器IP、默認(rèn)目錄、用戶名、用戶密碼、端口號(hào)等，同時(shí)為方便用戶操作，本系統(tǒng)提供保存連接參數(shù)配置功能?；诎踩紤]，用戶可自行選擇是否保存密碼，如圖1所示。

1.2 查看遠(yuǎn)程服務(wù)器文件列表功能

在成功連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器后，用戶可查看授權(quán)文件列表。如圖2系統(tǒng)界面所示，左邊是文件夾列表，以樹形結(jié)構(gòu)顯示，其中文字背景陰影的文件夾表示當(dāng)前選中的文件夾；右邊是文件列表，表示當(dāng)前選中的文件夾所包含的文件列表。每個(gè)文件有名稱、狀態(tài)、大小、修改時(shí)間及權(quán)限5種屬性，其中名稱表示文件名；狀態(tài)checkin表示文件已存在；大小表示文件的大小，單位為字節(jié)；修改時(shí)間表示文件最后一次修改的日期時(shí)間；權(quán)限主要是針對(duì)服務(wù)器為linux系統(tǒng)，顯示文件是否可讀可寫可執(zhí)行。

1.3 上傳文件到服務(wù)器功能

上傳文件到服務(wù)器功能是系統(tǒng)的核心功能。當(dāng)用戶左擊“上傳（S）”菜單，系統(tǒng)彈出文件選擇對(duì)話框（如圖3右邊對(duì)話框），用戶可選擇所需上傳文件，點(diǎn)擊“打開（O）”確定上傳文件，文件將上傳到當(dāng)前選中的文件夾中。用戶可通過(guò)文件選擇對(duì)話框左上角的文字來(lái)確認(rèn)當(dāng)前上傳的文件夾是否為所需文件夾，圖3文件選擇對(duì)話框左上角為“上傳文件到/氣象設(shè)備簡(jiǎn)介/”，即文件將上傳到名稱為“氣象設(shè)備簡(jiǎn)介”的文件夾。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 net framework

機(jī)場(chǎng)警報(bào)傳送軟件基于.NET Framework平臺(tái)開發(fā)。NET Framework又稱.Net框架。是由微軟開發(fā)，一個(gè)致力于敏捷軟件開發(fā)（Agile software development）、快速應(yīng)用開發(fā)（Rapid application development）、平

臺(tái)無(wú)關(guān)性和網(wǎng)絡(luò)透明化的軟件開發(fā)平臺(tái)。NET框架是以一種采用系統(tǒng)虛擬機(jī)運(yùn)行的編程平臺(tái)，以通用語(yǔ)言運(yùn)行庫(kù)（Common Language Runtime）為基礎(chǔ)，支持多種語(yǔ)言（C#、VB、C++、Python等）的開發(fā)。提供了一個(gè)新的反射性的且面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)編程接口。NET設(shè)計(jì)得足夠通用化從而使許多不同高級(jí)語(yǔ)言都得以被匯集。NET Framework安全解決方案基于管理代碼的概念，以及由通用語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)（CLR）加強(qiáng)的安全規(guī)則。

2.2 ftp文件傳輸協(xié)議

本系統(tǒng)的核心部分主要基于ftp文件傳輸協(xié)議。是一個(gè)用于在兩臺(tái)裝有不同操作系統(tǒng)的機(jī)器中傳輸計(jì)算機(jī)文件的軟件標(biāo)準(zhǔn)。它屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組的應(yīng)用層。ftp促進(jìn)文件的共享（計(jì)算機(jī)程序或數(shù)據(jù)），鼓勵(lì)間接或者隱式的使用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，向用戶屏蔽不同主機(jī)中各種文件存儲(chǔ)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，提供可靠和高效的傳輸數(shù)據(jù)其文件上傳功能。本系統(tǒng)將ftp命令進(jìn)行封裝，并以可視化界面展示給用戶。

2.3 文件系統(tǒng)處理

在查看遠(yuǎn)程服務(wù)器文件列表功能中，需要對(duì)文件進(jìn)行處理，如查看文件大小、修改時(shí)間、權(quán)限等，也就是需要處理文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確磁盤或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；即在磁盤上組織文件的方法。文件系統(tǒng)是對(duì)文件存儲(chǔ)器空間進(jìn)行組織和分配，負(fù)責(zé)文件存儲(chǔ)并對(duì)存入的文件進(jìn)行保護(hù)和檢索的系統(tǒng)。具體地說(shuō)，它負(fù)責(zé)為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)儲(chǔ)文件，控制文件的存取。

3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

3.1 可視化操作，使用簡(jiǎn)單

本系統(tǒng)提供可視化操作界面而非命令行形式，使用簡(jiǎn)單，用戶無(wú)需計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，更不用熟悉linux系統(tǒng)及操作指令。同時(shí)系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)符合人性化，采用菜單和按鈕設(shè)計(jì)，并且支持快捷鍵操作?？旖萱I如：alt+F（文件菜單）、alt+V（視圖菜單）、alt+S（上傳）、alt+H（幫助）、F5（刷新）等。

3.2 統(tǒng)一操作，跨平臺(tái)連接

本系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器系統(tǒng)可跨平臺(tái)連接，服務(wù)器端系統(tǒng)可是windows系統(tǒng)，亦可是linux或unix。并且所有操作都于服務(wù)器系統(tǒng)無(wú)關(guān)，統(tǒng)一操作。

3.3 身份認(rèn)證，安全傳輸

上傳文件到遠(yuǎn)程服務(wù)器需通過(guò)身份認(rèn)證，本系統(tǒng)采用用戶及密碼的形式，并且對(duì)遠(yuǎn)程服務(wù)器的文件只提供查看功能，不可修改，不可下載，只可上傳，從而到達(dá)安全需求。

3.4 配置可修改，易于擴(kuò)展

基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)位置不同，本系統(tǒng)的所有連接參數(shù)配置非固定不變，可根據(jù)具體需求自行修改，易于擴(kuò)展到不同的遠(yuǎn)程服務(wù)器中使用。同時(shí)連接配置可保存，免于繁瑣的重復(fù)輸入工作。

3.5 檢查識(shí)別，提醒告警

具有較強(qiáng)的告警功能，對(duì)預(yù)報(bào)員因操作失誤而導(dǎo)致的產(chǎn)品文件格式不對(duì)、產(chǎn)品不成功等錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和判斷，并以告警框的方式提醒預(yù)報(bào)員檢查。

4 結(jié)語(yǔ)

深圳機(jī)場(chǎng)警報(bào)傳送軟件是氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中輔助功能，同時(shí)連接深圳機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和氣象預(yù)報(bào)工作平臺(tái)。該系統(tǒng)搭建在氣象預(yù)報(bào)工作平臺(tái)，獲取區(qū)機(jī)場(chǎng)警報(bào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)上傳至氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；同時(shí)根據(jù)的相關(guān)規(guī)則對(duì)的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)分析檢測(cè)，并進(jìn)行告警提示。參照《民用航空氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行管理規(guī)定》中的相關(guān)規(guī)定和要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)場(chǎng)警報(bào)產(chǎn)品在民航氣象數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的交換進(jìn)行有效的管理和規(guī)范，保障業(yè)務(wù)生產(chǎn)安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] http：///zh-cn/vstudio/aa496123，net framework[EB/OL]學(xué)習(xí)中心，2012.

篇4

關(guān)鍵詞：可視化；點(diǎn)密度；聚類

中圖分類號(hào)：TP391.41

近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子商務(wù)技術(shù)等的發(fā)展，可視化技術(shù)得到了更深入的發(fā)展，所謂數(shù)據(jù)可視化是對(duì)大型數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)的可視化，它是可視化技術(shù)在非空間數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用，使人們不再局限于通過(guò)關(guān)系數(shù)據(jù)表來(lái)觀察和分析數(shù)據(jù)信息，還能以更直觀的方式看到數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)關(guān)系[1]。

在電力、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等應(yīng)用系統(tǒng)中，往往需要把相應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，以更直觀形象的反應(yīng)區(qū)域數(shù)據(jù)分布問(wèn)題。區(qū)域數(shù)據(jù)的可視化比較適合于用點(diǎn)密度圖來(lái)描述，更符合人眼對(duì)密度判定的感知與決策。用點(diǎn)密度圖來(lái)顯示區(qū)域數(shù)據(jù)密度圖上通常用打上圓點(diǎn)或其它符號(hào)在給定的特定區(qū)域描繪特有的數(shù)據(jù)，符號(hào)都可以代表一個(gè)實(shí)體或一個(gè)群體。點(diǎn)密度圖對(duì)表現(xiàn)特有數(shù)據(jù)時(shí)它們通常可以在區(qū)域之間進(jìn)行比較，這些符號(hào)或圓點(diǎn)并沒(méi)有明確的指所在的位置它們通常是代表一定范圍之內(nèi)的多邊形區(qū)域里的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)相應(yīng)行業(yè)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，可以為行業(yè)決策分析發(fā)展提供更穩(wěn)定可靠的分析依據(jù)。本文提供一種基于密度聚類的區(qū)域數(shù)據(jù)可視化方法，通過(guò)該方法得到區(qū)域數(shù)據(jù)密度可視化的直觀效果圖，可以為行業(yè)資源的合理分配、決策分析發(fā)展提供更穩(wěn)定可靠的依據(jù)。

1 創(chuàng)建多維區(qū)域數(shù)據(jù)集

創(chuàng)建用于聚類和數(shù)據(jù)負(fù)荷分析的多維數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)集D[2]，主要包括具有行業(yè)代表特征的數(shù)據(jù)子集、相關(guān)聯(lián)的氣象信息數(shù)據(jù)子集、相關(guān)聯(lián)的地區(qū)信息代碼子集等，以多維方式建立的數(shù)據(jù)模型有利于簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)分析復(fù)雜度和提高數(shù)據(jù)查詢性能。

圖1 多維區(qū)域數(shù)據(jù)集示意圖

圖2 三維立體信息數(shù)據(jù)模型圖

2 基于密度計(jì)算的聚類模型

（1）對(duì)多維數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)集D，按照如下聚類目標(biāo)的估計(jì)模型[3]確定聚類中心點(diǎn)： ，xi，xj為數(shù)據(jù)集D中的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

其中σ選取0.5，選取密度最大的前k個(gè)數(shù)據(jù)作為初始聚類中心點(diǎn)，形成D?，D?包含k個(gè)初始類子集{d1，d2，…dk}。

（2）依次計(jì)算初始類子集中每一個(gè)對(duì)象sl到k個(gè)種子點(diǎn)的距離，其中：l={1，2，…，n}，將sl逐個(gè)分派到其最近均值的類中去，重新計(jì)算接受新對(duì)象的類和失去對(duì)象類的均值 （sl∈di）。

（3）重復(fù)第（2）步，直到各類再無(wú)元素進(jìn)出[4]。

3 區(qū)域數(shù)據(jù)可視化

（1）對(duì)于一定范圍內(nèi)地理區(qū)域，形成相應(yīng)的不規(guī)則多邊形的集合V[5]，并計(jì)算出V中各個(gè)多邊形Vi（i∈l：n）的邊界條件，即多邊形Vi各個(gè)頂點(diǎn)x，y坐標(biāo)的最大值和最小值{xmin，xmax，ymin，ymax}。

（2）對(duì)于每個(gè)di（i∈l：k）中的點(diǎn)P（x，y），讀取點(diǎn)P的坐標(biāo)并遍歷集合V，確定點(diǎn)P坐標(biāo)的范圍{xmin

（3）對(duì)于點(diǎn)P和V?，從P點(diǎn)引出向右射線，判斷P與不規(guī)則多邊形Vi（Vi∈V?）邊界的交點(diǎn)數(shù)，如果焦點(diǎn)個(gè)數(shù)為0或偶數(shù)則點(diǎn)P不在Vi對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)。若P點(diǎn)的向右射線恰好過(guò)邊界頂點(diǎn)，則可以將向右射線順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，繼續(xù)前述步驟進(jìn)行判斷（但要求移動(dòng)后的P點(diǎn)屬性沒(méi)有發(fā)生變化）；

（4）在Vi中打印輸出P點(diǎn)，重復(fù)本步驟，直到{d1，d2，…dk}中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)打印輸出完畢。

圖3 區(qū)域數(shù)據(jù)密度點(diǎn)生成流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中的算法適用于電力、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)中，在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，可就產(chǎn)品線上線下訂單及物流分布情況進(jìn)行特點(diǎn)分析，可有助于相應(yīng)的產(chǎn)品調(diào)度配送方案調(diào)整。通過(guò)本文中方法得到區(qū)域數(shù)據(jù)密度可視化的直觀效果圖，可以為行業(yè)資源的合理分配、決策分析發(fā)展提供更穩(wěn)定可靠的依據(jù)。例如可以在所屬地理轄區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意時(shí)刻任意地區(qū)的電力負(fù)荷信息的總覽，便于實(shí)現(xiàn)宏觀調(diào)控和決策。對(duì)任意時(shí)刻任意地區(qū)的電力故障信息的總覽，便于實(shí)現(xiàn)預(yù)防應(yīng)對(duì)和搶修決策。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，區(qū)域數(shù)據(jù)可視化可以與遙感監(jiān)測(cè)等進(jìn)行緊密結(jié)合，為農(nóng)作物種植形態(tài)的結(jié)構(gòu)規(guī)劃提供決策服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉勘，周曉崢，周洞汝.數(shù)據(jù)可視化的研究與發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)工程，2002（08）.

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[4]Baolin Yi，Haiquan Qiao.An Improved Initialization Center Algorithm for K-means Clustering[J]，2010.

[5]樊淑麗，基于SVG的電力系統(tǒng)信息可視化技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2007.

篇5

關(guān)鍵詞：電力大數(shù)據(jù)；可視化；可視化系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)；技術(shù)研究；趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）30-0062-02

1 引 言

智能電網(wǎng)技術(shù)高度融合了傳統(tǒng)的電力技術(shù)和信息、控制、自動(dòng)化等技術(shù)，通過(guò)對(duì)發(fā)送、輸送、配置、使用以及調(diào)試、營(yíng)銷等很多環(huán)節(jié)收集大量的數(shù)據(jù)信息，對(duì)信息進(jìn)行分析、挖掘，最終能夠掌握并控制各個(gè)環(huán)節(jié)決策并優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)生產(chǎn)效率的提高、電網(wǎng)運(yùn)行達(dá)到較高的穩(wěn)定性、滿足電力客戶的用電需求。

智能電網(wǎng)都在不斷進(jìn)步、規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，多種智能電表、信息系統(tǒng)以及傳感器等異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)源連續(xù)的產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，所以被稱作是電力大數(shù)據(jù)。

電力大數(shù)據(jù)可以說(shuō)是電網(wǎng)職能的主要支撐體系，所以在眾多工作內(nèi)容中，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、挖掘是工作的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 電力大數(shù)據(jù)概念以及特征

電力大數(shù)據(jù)主要是指智能電網(wǎng)在發(fā)電、配電、輸電、營(yíng)銷以及管理等環(huán)節(jié)的海量數(shù)據(jù)。

按照電網(wǎng)企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)將數(shù)據(jù)大致可分為電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電力企業(yè)銷售數(shù)據(jù)、及電力企業(yè)管理數(shù)據(jù)三類。

隨著智能化設(shè)備的廣泛應(yīng)用，大數(shù)據(jù)的來(lái)源包括安裝于家家戶戶的智能電表、數(shù)以萬(wàn)計(jì)的發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)設(shè)備、架空線路、高壓電纜等設(shè)備中獲取的高速增長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，光伏和風(fēng)電功率預(yù)測(cè)所需的大量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

電力大數(shù)據(jù)是建設(shè)性能穩(wěn)定、安全可靠、高效運(yùn)作、節(jié)能電網(wǎng)的重要保障。

為了能夠分析電力大數(shù)據(jù)，使得智能電網(wǎng)的管理水平得到提高，需要建立更加科學(xué)的數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)。

電力大數(shù)據(jù)有很多特征，比如體量大、多類型、速度快等：

①體量大：電力大數(shù)據(jù)所收集的數(shù)據(jù)規(guī)模可以達(dá)到PB數(shù)量級(jí)別。

②類型多：不僅可以得到傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而且還可以在營(yíng)銷系統(tǒng)、生產(chǎn)管理等方面產(chǎn)生大量的非結(jié)構(gòu)以及半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

③速度快：電力大數(shù)據(jù)無(wú)論采集還是處理都有著極快的特點(diǎn)。

此外電力大數(shù)據(jù)可以通過(guò)和其他行業(yè)的行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度挖掘與分析。

3 基于電力大數(shù)據(jù)的可視化以及在電力系統(tǒng)中的 應(yīng)用

電力系統(tǒng)工作人員為了能夠使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)，就必須對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)備和工作狀態(tài)進(jìn)行隨時(shí)的監(jiān)測(cè)。但是，電網(wǎng)內(nèi)大量設(shè)備都互聯(lián)，監(jiān)測(cè)設(shè)備的連接方式、設(shè)備之間的相互影響是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化系統(tǒng)可以在其生成的圖像中展示大量信息，方便操作人員準(zhǔn)確快速理解，實(shí)時(shí)監(jiān)控所有設(shè)備狀態(tài)，并完成可靠操作，電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可視化操作系統(tǒng)可以為工作人員的工作帶來(lái)很大的便利，是一種高效的方案。

智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)量最大的應(yīng)屬于電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括電網(wǎng)運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)、電網(wǎng)潮流、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)遙信、缺陷記錄、供電場(chǎng)所視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。提取系統(tǒng)的主參數(shù)及配網(wǎng)終端數(shù)據(jù)，能夠構(gòu)建一個(gè)全景的電網(wǎng)絡(luò)信息拓?fù)鋱D像，并在圖中采取可視化技術(shù)手段將相關(guān)豐富信息的集中展示。

在此全景的電網(wǎng)拓?fù)鋱D中能夠?qū)崿F(xiàn)如下幾類問(wèn)題的在線分析：重要設(shè)備健康狀況的在線監(jiān)測(cè)與分析，專線用戶的用電行為特征分析與預(yù)測(cè)；對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行在線評(píng)價(jià)與分析等。

到目前為止，電力系統(tǒng)可視化研究主要包括三個(gè)方面，分別是靜態(tài)數(shù)據(jù)的可視化研究、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化研究、電力系統(tǒng)元件。

運(yùn)行狀態(tài)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是各參數(shù)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以及各狀態(tài)量的關(guān)聯(lián)度及其權(quán)重。目前，各種適用于大數(shù)據(jù)分析的深度關(guān)聯(lián)規(guī)則有：基于粒計(jì)算的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法、基于壓縮矩陣的Apriori算法、基于云計(jì)算平臺(tái)Hadoop的快速關(guān)聯(lián)規(guī)則增量更新算法（C-FUP）等。

4 可視化系統(tǒng)開發(fā)的步驟

在開發(fā)這個(gè)系統(tǒng)的時(shí)候使用面向?qū)ο髾C(jī)制，定義不同的模塊和插件達(dá)到各種功能實(shí)現(xiàn)的目的。可以分為七個(gè)步驟：

①對(duì)資源標(biāo)識(shí)符的格式以及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)象相關(guān)描述進(jìn)行確定；

②所涉及的圖形里面的業(yè)務(wù)對(duì)象列表進(jìn)行確定；

③定義SGL開發(fā)圖模，當(dāng)然也包含了圖模所設(shè)計(jì)的支持狀態(tài)組以及狀態(tài)值等內(nèi)容；

④業(yè)務(wù)信息設(shè)置插件的開發(fā)；

⑤在圖形里面讀取所有圖件相關(guān)的業(yè)務(wù)信息，并將從業(yè)務(wù)服務(wù)所獲得的數(shù)據(jù)設(shè)置到對(duì)應(yīng)的圖件插件中以及業(yè)務(wù)對(duì)象所關(guān)聯(lián)的控制功能插件里面；

⑥系統(tǒng)的運(yùn)行與檢測(cè)；

⑦自定義人機(jī)界面風(fēng)格。

5 電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

可視化系統(tǒng)在完成SGL的模塊設(shè)計(jì)后，可以協(xié)同其他模塊及可視化關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種展示。下面主要詳述電力大數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包含云計(jì)算技術(shù)、區(qū)域點(diǎn)密度可視化技術(shù)、等高繪制技術(shù)、電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術(shù)、歷史流展示技術(shù)等。

5.1 云計(jì)算技術(shù)

隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷深化發(fā)展，云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、處理等方面的技術(shù)和理論研究為大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因?yàn)榇髷?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和分布式的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)難以勝任。

云計(jì)算的核心思路是分布式文件系統(tǒng)（distributed file system，DFS）和MapReduce技術(shù)，DFS有著高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，并且是為部署在價(jià)格低廉的硬件上而設(shè)計(jì)的，而且它為應(yīng)用程序提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，適合那些有著超大數(shù)據(jù)集（large data set）的程序。以分布式文件處理技術(shù)為基礎(chǔ)，去掉了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系型特性，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)被簡(jiǎn)化且更加靈活，使PB、ZB級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成為可能。

另外，該框架中還包含商業(yè)智能應(yīng)用、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、大數(shù)據(jù)訪問(wèn)框架、大數(shù)據(jù)調(diào)度框架、網(wǎng)絡(luò)層、操作系統(tǒng)、服務(wù)器、備份和恢復(fù)、數(shù)據(jù)管理等模塊。

MapReduce是用來(lái)進(jìn)行并行處理和生成大數(shù)據(jù)集的并行編程模型。Hadoop包含了MapReduce的開源實(shí)現(xiàn)，是引起關(guān)注的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)之一。Mahout是基于MapReduce的并行數(shù)據(jù)挖掘項(xiàng)目，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘算法，性能大幅提升。

5.2 區(qū)域密度可視化技術(shù)

區(qū)域密度可視化技術(shù)是把每一個(gè)區(qū)域用點(diǎn)密度來(lái)展示，這種方法的優(yōu)勢(shì)就是很直觀，目前常用于表示區(qū)域用電負(fù)荷密度。

點(diǎn)密度圖要求必須生成一定的隨機(jī)點(diǎn)，如果隨機(jī)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的區(qū)域里面輸出這個(gè)點(diǎn)，如果不在區(qū)域中，還需要再一次生成隨機(jī)點(diǎn)然后再進(jìn)行判斷，持續(xù)進(jìn)行此步驟一直到滿足點(diǎn)數(shù)要求。在實(shí)現(xiàn)區(qū)域負(fù)荷密度可視化的時(shí)候，實(shí)際情況的地理邊界線可以粗略的認(rèn)為是多個(gè)點(diǎn)相互連接而成的不規(guī)則的多邊形，所以才通過(guò)判斷點(diǎn)在多邊形內(nèi)還是外的算法實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

算法流程：

①首先需要讀取所給的多邊形的區(qū)域邊界條件；

②查找這個(gè)多變性里面定點(diǎn)的最大、最小坐標(biāo)數(shù)值，以期得到粗略的范圍；

③生產(chǎn)這個(gè)粗略范圍的隨機(jī)點(diǎn)；

④判斷點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)部還是外部；

⑤如果在內(nèi)部，那么就繼續(xù)繪制；

⑥如果在區(qū)域外部那么就要再次生成就重復(fù)（3）然后繼續(xù)操作，否則就退出結(jié)束。

5.3 等高線繪制方法

等高線是地面上高程相同的各相鄰點(diǎn)所連接成的封閉曲線垂直投影到平面上的圖形.構(gòu)造節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的等高線不僅能反映節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)，還能對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的將來(lái)狀態(tài)做出預(yù)測(cè).等高繪制方法在可視化應(yīng)用中比較普遍，特點(diǎn)就是有著很強(qiáng)的數(shù)據(jù)連續(xù)性。等高線圖例，如圖1所示。

繪制過(guò)程如下：

①首先需要構(gòu)造三角網(wǎng)格；

②內(nèi)插數(shù)據(jù)等值點(diǎn)；

③搜索并追蹤等值點(diǎn)；

④曲線擬合，填充色塊兒。

5.4 電網(wǎng)潮流和GIS可視化技術(shù)

利用箭頭方向、箭頭大小表示線路潮流方向和大小，在原有的電網(wǎng)單線圖，依據(jù)潮流大小用箭頭和數(shù)值直觀反映線路上的功率值。利用GIS可視化把電網(wǎng)的可視化和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，基于已有的GIS系統(tǒng)三維地理信息系統(tǒng)的可視化研究，運(yùn)用包圍盒算法、求交算法等三維場(chǎng)景拾取算法，包含物體三維展示、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)提供一個(gè)可視化的三維地理信息系統(tǒng)，為輸配電網(wǎng)管理者提供一個(gè)縮微化模型，從而為輸配電網(wǎng)的管理、基建、維修、擴(kuò)建和決策等提供地理信息。

5.5 歷史流展示技術(shù)

歷史流展示技術(shù)體現(xiàn)在對(duì)電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)的管理與展示上。在電力系統(tǒng)中，深層次的應(yīng)用分析往往以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、電網(wǎng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)和負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)歷史流展示技術(shù)，可以繪制出數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)并預(yù)測(cè)出未來(lái)的數(shù)據(jù)走勢(shì)；通過(guò)歷史流回放展示技術(shù)，可以模擬歷史重大事件發(fā)生、演變，挖掘歷史事件潛在的知識(shí)與規(guī)律。

6 電力行業(yè)可視化智能系統(tǒng)未來(lái)趨勢(shì)分析

電力行業(yè)可視化是基于大數(shù)據(jù)分析挖掘理念和可視化展現(xiàn)技術(shù)手段，未來(lái)“智能系統(tǒng)”將繼續(xù)在線檢測(cè)、視頻監(jiān)控、應(yīng)急指揮、智能查詢等展示模式功能上持續(xù)擴(kuò)展完善，同時(shí)可視化展示電網(wǎng)及相關(guān)設(shè)施總體運(yùn)行情況，突出顯示異常信息；實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)場(chǎng)景、設(shè)備的三維虛擬仿真等；實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行仿真功能，為互動(dòng)體驗(yàn)、方式預(yù)想及事件重演提供支持。

6.1 應(yīng)急指揮模式

基于WebGis，快速調(diào)用調(diào)度各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)挖掘分析為手段，實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急狀態(tài)下從現(xiàn)場(chǎng)狀況捕獲、應(yīng)急處置方案形成到快速響應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)時(shí)效處置、資源的協(xié)助和調(diào)動(dòng)一體化的應(yīng)急指揮可視化平臺(tái)，納入VAS的數(shù)據(jù)通過(guò)本模式任意切換。

6.2 運(yùn)行監(jiān)控模式

不但對(duì)運(yùn)行各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)以及終端用電量參數(shù)等經(jīng)過(guò)系統(tǒng)ETL模塊進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合高分GIS，以多種圖表、多維度、多方式的展示出來(lái)，而且對(duì)非電網(wǎng)而影響到電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括氣象信息、衛(wèi)星云圖、雷電檢測(cè)等功能，并提供系統(tǒng)告警、影響范圍和程度分析及輔助應(yīng)急處理功能，支持系統(tǒng)分級(jí)分類梳理展示。

6.3 快速仿真和建模

有針對(duì)性的開發(fā)和應(yīng)用快速仿真模型，市場(chǎng)售電數(shù)據(jù)、法律法規(guī)、風(fēng)險(xiǎn)分析和控制都應(yīng)被納入系統(tǒng)模型并量化系統(tǒng)的安全性和可靠性，提供快于實(shí)時(shí)的超前仿真，該功能首先利用高性能量測(cè)和通信系統(tǒng)得到拓?fù)?、潮流、電壓、頻率、設(shè)備實(shí)時(shí)模型等信息，然后據(jù)此進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)和在線分析，最后確定當(dāng)前系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

6.4 自定義模式

自定義模式滿足各類綜合疊加性或各類非標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景模式下的展示需求，根據(jù)實(shí)際要求，自定義數(shù)據(jù)源、顯示方式、顯示位置等內(nèi)容，采用拖拽操作，簡(jiǎn)單易用，同時(shí)支持應(yīng)急指揮的快速響應(yīng)與故障隱患的排除處理。

7 結(jié) 語(yǔ)

基于電力大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)近年來(lái)雖然不斷取得新的成果，但是將數(shù)據(jù)繪制成高精度、高分辨率圖片的業(yè)務(wù)模型、智能算法和交互式圖形處理工具開發(fā)的研究還有很長(zhǎng)的路要走，與此同時(shí)許多應(yīng)用不能夠得到全方位的支持。所以在以后的研究中更應(yīng)該致力于數(shù)據(jù)圖形展示、挖掘等綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多樣、精細(xì)、全面發(fā)展。

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篇6

前言

信息可視化技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用而提出來(lái)的,它只有幾年的歷史,與科學(xué)計(jì)算可視化緊密相關(guān),但兩者也有區(qū)別。一般說(shuō)來(lái),科學(xué)計(jì)算可視化是指空間數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化,而信息可視化則是指非空間數(shù)據(jù)的可視化。隨著社會(huì)信息化的推進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益廣泛,信息源越來(lái)越龐大。除了需求對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、檢索及分類等外,更迫切需求了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及發(fā)展趨勢(shì)。在激增的數(shù)據(jù)背后,隱藏著許多重要的信息,人們希望能夠?qū)ζ溥M(jìn)行更高層次的分析,以便更好地利用這些數(shù)據(jù),目前的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能,但無(wú)法發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在的關(guān)系和規(guī)則,無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。為了了解數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系及發(fā)展趨勢(shì),人們可以求助于可視化技術(shù)。信息可視化不僅用圖像來(lái)顯示多維的非空間數(shù)據(jù),使用戶加深對(duì)數(shù)據(jù)含義的理解,而且用形象直觀的圖像來(lái)指引檢索過(guò)程,加快檢索速度。在科學(xué)計(jì)算可視化中,顯示的對(duì)象涉及標(biāo)量、矢量及張量等不同類別的空間數(shù)據(jù),研究的重點(diǎn)放在如何真實(shí)、快速地顯示三維數(shù)據(jù)場(chǎng)。而在信息可視化中,顯示的對(duì)象主要是多維的標(biāo)量數(shù)據(jù),目前的研究重點(diǎn)在于,設(shè)計(jì)和選擇什么樣的顯示方式才能便于用戶了解龐大的多維數(shù)據(jù)及它們相互之間的關(guān)系,其中更多地涉及心理學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)等問(wèn)題。信息可視化的研究?jī)?nèi)容集中在層次信息結(jié)構(gòu)可視化、多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化、時(shí)變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可視化等方面,信息可視化技術(shù)主要應(yīng)用在對(duì)信息的隱含內(nèi)容的觀察分析。國(guó)際上信息可視化技術(shù)的交流越來(lái)越多,自1995年起,每年舉行一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。信息可視化自發(fā)展以來(lái),已經(jīng)在氣象、物探、空氣動(dòng)力學(xué)、核技術(shù)等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,近年來(lái),開始在醫(yī)療領(lǐng)域得到應(yīng)用,并取得了很多成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1信息可視化技術(shù)在高速公路管理系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

信息可視化技術(shù)在高速公路管理系統(tǒng)中已經(jīng)開始應(yīng)用,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中,路網(wǎng)地理信息系統(tǒng)中應(yīng)用信息可視化技術(shù),將高速公路沿線的道路交通設(shè)施和檢測(cè)儀器及這些設(shè)施的檢測(cè)狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果在路網(wǎng)地圖上顯示,使用不同顏色的圖標(biāo)和不同顏色的線條表示不同的意義。道路的交通狀況使用不同顏色的線條來(lái)表示,沿線的道路交通設(shè)備使用不同顏色的圖標(biāo)來(lái)表示。如,當(dāng)高速公路的某段車流量在允許的范圍內(nèi)時(shí),路網(wǎng)地圖中相應(yīng)路段的線段顯示綠色,表示這段高速公路暢通;當(dāng)車流量超過(guò)了限定值,或發(fā)生了事故,該部分路網(wǎng)地圖就顯示紅色,提醒監(jiān)控值班人員做處理和控制。車流量的信息是通過(guò)高速公路上設(shè)置的檢測(cè)設(shè)備提供的,信息的收集匯總和信息的可視化通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)信息可視化技術(shù),將這些自動(dòng)化設(shè)備收集上來(lái)的信息以直觀而非數(shù)字的形式呈現(xiàn)給操作者。在高速公路的路網(wǎng)地圖中,安裝了高速公路設(shè)備的位置顯示不同圖標(biāo),通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)收集這些設(shè)備的狀態(tài),并用紅、黃、綠等多種不同顏色來(lái)表示該設(shè)備的不同狀態(tài),讓監(jiān)控人員從煩瑣的數(shù)據(jù)核對(duì)中解放出來(lái),通過(guò)圖標(biāo)及位置和圖標(biāo)的顏色,就可以知道是什么設(shè)備和處于什么狀態(tài),可以及時(shí)對(duì)出現(xiàn)故障的高速公路設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。在這樣的監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中,監(jiān)控人員可以方便地識(shí)別整個(gè)道路的交通狀況以及高速公路沿線設(shè)施(如緊急電話)的使用情況等。配合其他的系統(tǒng),如CCTV系統(tǒng)和可變情報(bào)板系統(tǒng),能有效地進(jìn)行高速公路的運(yùn)營(yíng)控制和信息。但是,在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中,其他方面還沒(méi)有信息可視化技術(shù)的應(yīng)用。在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中,統(tǒng)計(jì)中使用條形圖、餅圖和曲線等可視化手段來(lái)表現(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果信息。收費(fèi)系統(tǒng)采用這些可視化手段來(lái)表現(xiàn)查詢結(jié)果,可以使操作人員很方便地了解該信息的基本狀態(tài),如一段時(shí)間的交通量變化情況,一天的收費(fèi)額變化情況等。但這些主要是表現(xiàn)一維靜態(tài)信息,還不能表現(xiàn)多維信息的相互關(guān)系和影響趨勢(shì)。除了統(tǒng)計(jì)中,收費(fèi)監(jiān)控應(yīng)用可視化技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)顯示車道及相關(guān)設(shè)備的信息,例如,車道的開通狀態(tài),開通顯示綠色,關(guān)閉顯示紅色;車輛通過(guò)狀態(tài),有車通過(guò)時(shí)顯示相應(yīng)圖標(biāo)移動(dòng)過(guò)車道;用不同的圖標(biāo)顯示自動(dòng)欄桿、通行信號(hào)燈和車道信號(hào)燈的狀態(tài)等。收費(fèi)系統(tǒng)在對(duì)各種收費(fèi)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系分析中,現(xiàn)在還沒(méi)有應(yīng)用信息可視化技術(shù),還使用人工歸納等方法來(lái)總結(jié)這些數(shù)據(jù)的關(guān)系和變化趨勢(shì)。在高速公路通信系統(tǒng)中,對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的管理普遍使用了可視化的應(yīng)用程序界面。管理程序以圖形和圖標(biāo)的形式展示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,直觀地顯示系統(tǒng)狀態(tài)和故障位置,對(duì)管理人員及時(shí)掌握信息很有幫助。但在通信系統(tǒng)的運(yùn)行歷史統(tǒng)計(jì)和業(yè)務(wù)分析上,很多還是以數(shù)據(jù)的形式提交給用戶,不能直觀地展示系統(tǒng)運(yùn)行的長(zhǎng)期規(guī)律,也不容易發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和需要改進(jìn)的地方。從以上的方面我們可以看到,信息可視化技術(shù)在高速公路管理系統(tǒng)中已經(jīng)開始應(yīng)用,監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中有比較好的應(yīng)用,而收費(fèi)系統(tǒng)中,沒(méi)有更有效和廣泛的應(yīng)用,這是高速公路管理系統(tǒng)中需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

2高速公路管理系統(tǒng)中應(yīng)用信息可視化技術(shù)的建議

在高速公路管理系統(tǒng)中,我們可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)和拓寬信息可視化的應(yīng)用,從而提高信息利用水平和管理能力。在高速公路監(jiān)控系統(tǒng)中,可以在如下方面進(jìn)一步運(yùn)用可視化技術(shù)。一是可視化交互控制。除了應(yīng)用可視化技術(shù)來(lái)表現(xiàn)道路交通信息和設(shè)備狀態(tài)以外,我們還可以使用可視化交互來(lái)完成控制信息的,讓操作員能夠知道控制信息的結(jié)果。例如,監(jiān)控員發(fā)現(xiàn)某路段出現(xiàn)車禍,影響了交通流速度,這時(shí)監(jiān)控員可以控制前路段上的可變情報(bào)版來(lái)顯示出現(xiàn)車禍的路段位置和提醒信息,來(lái)提醒行駛中車輛的司機(jī)注意,同時(shí)控制路段前的可變限速標(biāo)志,減小最高速度的值。這些控制信息自動(dòng)以圖形或醒目的標(biāo)志顯示在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的路網(wǎng)地圖中對(duì)應(yīng)設(shè)備的位置,讓監(jiān)控員知道已經(jīng)發(fā)送的控制指令生效并正確。如果的信息有錯(cuò)誤,監(jiān)控員可以及時(shí)發(fā)現(xiàn),從而更正錯(cuò)誤的指令,提高了管理的有效性和正確性。二是可以應(yīng)用到信息趨勢(shì)分析中。從高速公路上的監(jiān)控外場(chǎng)設(shè)備傳輸回的大量信息中,可以進(jìn)行對(duì)管理很有用的趨勢(shì)分析。例如,通過(guò)流量信息和車速的曲線圖或曲面圖,來(lái)觀察流量和行車速度之間的關(guān)系,從而制定合適的控制策略,來(lái)保證最大交通量,從而發(fā)揮高速公路的快速行車作用。在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中,每天產(chǎn)生了大量的收費(fèi)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)初看雜亂無(wú)章,其實(shí)其中隱含了許多很有價(jià)值的信息,這些信息中,有些對(duì)高速公路的管理以及高速公路的運(yùn)營(yíng)策略都有很重要的意義。但是,現(xiàn)在的高速公路管理系統(tǒng)中,很少有對(duì)歷史收費(fèi)數(shù)據(jù)的信息分析功能,大都因?yàn)閿?shù)據(jù)量大,沒(méi)有相應(yīng)好的分析手段。信息可視化技術(shù)將能比較有效地解決這個(gè)問(wèn)題。信息可視化將繁雜的數(shù)據(jù)可視化,利用二維或三維的圖形圖像來(lái)表現(xiàn)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)、相互關(guān)系,這樣更有利于人們對(duì)大量繁雜數(shù)據(jù)的分析和觀察,有利于更好地找到數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,從而獲得有價(jià)值的信息,指導(dǎo)收費(fèi)高速公路的管理和運(yùn)營(yíng)。例如,可以在收費(fèi)系統(tǒng)中采用信息可視化技術(shù)來(lái)表現(xiàn)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與交通量變化趨勢(shì)之間的關(guān)系,可以使用曲線圖或者曲面圖,這樣可以直觀地發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律,確定什么樣的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)能更吸引車輛通過(guò)高速公路。再如,通過(guò)繪制服務(wù)時(shí)間變化趨勢(shì)曲線或年曲面圖,也可以發(fā)現(xiàn)不同車型占用車道的時(shí)間規(guī)律,從而合理劃分車道的使用,如單開辟小型車車道等。通信系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)也是提供有用信息的有效數(shù)據(jù)源。通過(guò)分析歷史數(shù)據(jù),如流量的分布規(guī)律,高峰的出現(xiàn)規(guī)律,結(jié)合收費(fèi)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù),能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)瓶頸和可能的故障點(diǎn),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理是很有幫助的,也為系統(tǒng)的升級(jí)改造以及新系統(tǒng)的建設(shè)提供真實(shí)有效的依據(jù)。

篇7

如上期《思維可視化研究之目的與技術(shù)支撐》一文所述，對(duì)教學(xué)而言，“思維可視化”是指將原本不可見(jiàn)的思維路徑、方式、規(guī)律運(yùn)用圖示或圖示組合的方式呈現(xiàn)出來(lái)，以期實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)記憶及加深理解的效果。其本質(zhì)也就是隱性思維顯性化的過(guò)程。為了進(jìn)行思維可視化的教學(xué)研究，必須對(duì)可視化本身的類型、進(jìn)展，以及可視化教學(xué)研究方面進(jìn)行考量。

可視化的類型

從基本原理上講，可視化（Visualization）是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái)，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)?！翱梢暬币辉~來(lái)源于英文的visualization，原意是“可使看得見(jiàn)的，清楚地呈現(xiàn)”，也可譯為形象化、成就展現(xiàn)等。事實(shí)上，將任何抽象的事物、過(guò)程變成圖形圖像等形象化的表示都可以稱為可視化。[1]從另一個(gè)角度說(shuō)，可視化是一個(gè)過(guò)程——它將數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)轉(zhuǎn)化為一種形象化的視覺(jué)表達(dá)形式。充分利用了人們對(duì)可視模式快速識(shí)別的自然能力，以形象化的姿態(tài)接受大眾的解讀。[2]“可視化”作為專業(yè)術(shù)語(yǔ)最早出現(xiàn)在1987年2月，當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，簡(jiǎn)稱NSF）召開的一個(gè)專題研討會(huì)，給出了科學(xué)計(jì)算可視化的定義、覆蓋的領(lǐng)域以及近期、長(zhǎng)期發(fā)展的方向。這標(biāo)志著科學(xué)計(jì)算可視化作為一個(gè)學(xué)科在國(guó)際范圍內(nèi)已經(jīng)成熟。[3]作為一個(gè)新的學(xué)科，目前可視化研究的類型主要是以下三個(gè)方面。

1.數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）是關(guān)于數(shù)據(jù)之視覺(jué)表現(xiàn)形式的研究；其中，這種數(shù)據(jù)的視覺(jué)表現(xiàn)形式被定義為一種以某種概要形式抽提出來(lái)的信息，包括相應(yīng)信息單位的各種屬性和變量。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基本思想是將數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)作為單個(gè)圖元元素表示，大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，同時(shí)將數(shù)據(jù)的各個(gè)屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示，可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù)，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。

2.信息可視化

信息可視化（Information visualization）是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，旨在研究大規(guī)模非數(shù)值型信息資源的視覺(jué)呈現(xiàn)，信息可視化側(cè)重于抽象數(shù)據(jù)集，在科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域，信息可視化這條術(shù)語(yǔ)則一般適用于大規(guī)模非數(shù)字型信息資源的可視化表達(dá)。信息可視化致力于創(chuàng)建那些以直觀方式傳達(dá)抽象信息的手段和方法。利用人類對(duì)視覺(jué)對(duì)象的快速辨別能力，使人們?cè)谶@種新型高效的視覺(jué)化界面的幫助下，快速識(shí)別出數(shù)據(jù)背后事物之間的關(guān)系及其發(fā)展趨勢(shì)。信息可視化的英文術(shù)語(yǔ)“Information Visualization”是由斯圖爾特·卡德、約克·麥金利和喬治·羅伯遜于1989年創(chuàng)造出來(lái)的。斯圖爾特·卡德1999年的報(bào)告將其定義為：“借助于計(jì)算機(jī)支持的，交互性的視覺(jué)表示法來(lái)表現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)和增強(qiáng)認(rèn)知”。[4]

3.知識(shí)可視化

知識(shí)可視化是可視化在教育應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)新分支，是在科學(xué)計(jì)算可視化 （Scientific Computing Visualization）、數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）和信息可視化（Information visualization）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。[5]2004年，Eppler&Burkard將知識(shí)可視化定義為：“知識(shí)可視化是運(yùn)用視覺(jué)表達(dá)手段來(lái)研究在兩個(gè)以上人之間知識(shí)創(chuàng)造的提高和傳播的作用，知識(shí)可視化也可被認(rèn)為所有用來(lái)構(gòu)成和傳輸復(fù)雜意識(shí)的圖解手段。”[6]一般來(lái)講，知識(shí)可視化領(lǐng)域研究的是視覺(jué)表征在提高兩個(gè)或兩個(gè)以上人之間的知識(shí)傳播和創(chuàng)新中的作用。這樣一來(lái)，知識(shí)可視化指的是所有可以用來(lái)建構(gòu)和傳達(dá)復(fù)雜知識(shí)的圖解手段。除了傳達(dá)事實(shí)信息之外，知識(shí)可視化的目標(biāo)在于傳輸見(jiàn)解、經(jīng)驗(yàn)、態(tài)度、價(jià)值觀、期望、觀點(diǎn)、意見(jiàn)和預(yù)測(cè)等，并以這種方式幫助他人正確地重構(gòu)、記憶和應(yīng)用這些知識(shí)。

可視化研究的進(jìn)展

可視化的研究是伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了數(shù)據(jù)─信息─知識(shí)可視化的研究歷程。但是，隨著基于計(jì)算機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)的興起和腦科學(xué)的發(fā)展，可視化研究開始向思維研究的領(lǐng)域發(fā)展。可視化圖形圖像以及背后的數(shù)據(jù)來(lái)源和創(chuàng)造歷程更是讓人們?yōu)橹尞惒恢?。它涉足制圖學(xué)、圖形繪制設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖解技術(shù)、數(shù)型結(jié)合以及動(dòng)畫、立體渲染、用戶交互等。相關(guān)領(lǐng)域有影像學(xué)、視知覺(jué)、空間分析、科學(xué)建模等。隨著可視化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，可視化研究也從計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域向與其他學(xué)科的交叉領(lǐng)域滲透，包括心理學(xué)、教育學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、管理學(xué)等學(xué)科。

從可視化研究方面講，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，可視化主要通過(guò)手工繪制。最具代表性的例子是英國(guó)麻醉學(xué)家、流行病學(xué)家JohnSnow繪制的關(guān)于1854年倫敦霍亂流行情況分析圖，他用地理坐標(biāo)方格圖標(biāo)繪了霍亂爆發(fā)后，死亡病例的位置以及每個(gè)病例使用水泵的情況，發(fā)現(xiàn)了水泵是這次霍亂爆發(fā)的來(lái)源，從而成功地驗(yàn)證了他的理論/假設(shè)：受污染的水是導(dǎo)致霍亂爆發(fā)的原因。[7]然而，直到計(jì)算機(jī)發(fā)明以后，可視化才真正成為人們分析數(shù)據(jù)，獲取有用信息的手段。[8]數(shù)據(jù)可視化的概念起源于1960年的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人們使用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建圖形圖表，可視化提取出來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)的各種屬性和變量呈現(xiàn)出來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，人們創(chuàng)建更復(fù)雜規(guī)模更大的數(shù)字模型，發(fā)展了數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)保存設(shè)備。同理，也需要更高級(jí)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)及方法來(lái)創(chuàng)建這些規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)集。對(duì)于真正的可視化研究主要從關(guān)注科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)的可視化研究開始，1987年，由布魯斯·麥考梅克（Bruce H. McCormick）、托馬斯·德房蒂（Thomas A. DeFanti）和瑪克辛·布朗（Maxine D. Brown）所編寫的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)報(bào)告《Visualization in Scientific Computing》，拉開了科學(xué)可視化研究的序幕。[9]

幾十年來(lái)，可視化一直是研究的熱點(diǎn)，眾多的大學(xué)、跨國(guó)公司以及著名的實(shí)驗(yàn)室均投入了大量的人力、物力開展對(duì)可視化的研究。隨著數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的拓展，應(yīng)用領(lǐng)域的增加，表現(xiàn)形式的不斷變化，以及增加了諸如實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效果、用戶交互使用等，數(shù)據(jù)可視化像所有新興概念一樣邊界不斷擴(kuò)大。數(shù)據(jù)可視化在發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)歷了科學(xué)可視化“利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)來(lái)創(chuàng)建視覺(jué)圖像，幫助人們理解科學(xué)技術(shù)概念或結(jié)果的那些錯(cuò)綜復(fù)雜而又往往規(guī)模龐大的數(shù)字表現(xiàn)形式”。例如，利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)可視化在天體物理學(xué)（模擬宇宙爆炸等）、地理學(xué)（模擬溫室效應(yīng)）、氣象學(xué)（龍卷風(fēng)或大氣平流）模擬人類肉眼無(wú)法觀察或記錄的自然現(xiàn)象；利用醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)（核磁共振或CT）研究和診斷人體；在建筑領(lǐng)域、城市規(guī)劃領(lǐng)域或高端工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中發(fā)揮重大作用。又如，在汽車的研發(fā)過(guò)程中，需要輸入大量結(jié)構(gòu)和材料數(shù)據(jù)，模擬汽車在受到撞擊時(shí)如何變形。在城市道路規(guī)劃的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要模擬交通流量。雖然科學(xué)可視化的表現(xiàn)形式對(duì)于普通人比較陌生，像粒子系統(tǒng)、散點(diǎn)圖、熱力圖等圖表不接受專業(yè)訓(xùn)練很難看懂。但實(shí)際上科學(xué)可視化的成果已經(jīng)滲透到我們生活的每個(gè)角落。數(shù)據(jù)的可視化在計(jì)算機(jī)科學(xué)的圖形學(xué)領(lǐng)域成為研究重點(diǎn)，如浙江大學(xué)CAD國(guó)家實(shí)驗(yàn)室所關(guān)注的三維建模和虛擬現(xiàn)實(shí)。以微軟為代表的應(yīng)用軟件開發(fā)商，開發(fā)了大量對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的軟件如GRAPH圖表等，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著可視化技術(shù)的發(fā)展，可視化工具包即具有可視化功能的軟件包越來(lái)越豐富，它采用菜單驅(qū)動(dòng)，支持有限的數(shù)據(jù)類型和可視化算法，用戶通過(guò)程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，但不需要編程，可視化形態(tài)也從2D向3D發(fā)展。典型的可視化工具包有Ensight，MayaVi，ParaView，pV3，PV-WAVE，Vis5D等。[10]

90年代初，信息可視化進(jìn)入人們的視野。用于解決對(duì)異質(zhì)性數(shù)據(jù)中“抽象”部分的分析。幫助人們理解和觀察抽象概念，放大了人類的認(rèn)知能力。也就是信息可視化開始關(guān)注普通用戶的知識(shí)表達(dá)和知識(shí)傳遞，使可視化技術(shù)向非專業(yè)用戶和其他學(xué)科領(lǐng)域延伸。例如，商業(yè)及管理圖形決策系統(tǒng)、圖形化數(shù)據(jù)顯示、演示圖形系統(tǒng)、可視化信息系統(tǒng)、C3I（指揮、控制、通信和信息系統(tǒng)），金融的圖形系統(tǒng)及商業(yè)和科學(xué)圖表與圖形。在電子教室的認(rèn)知研究結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)展的開發(fā)視覺(jué)思維能力和創(chuàng)新能力的兒童和成人教育與學(xué)習(xí)的可視化工具與技巧。各種信息圖形軟件中的視覺(jué)呈現(xiàn)研究發(fā)展，在屏幕布局、窗口、圖標(biāo)、字體設(shè)計(jì)和動(dòng)畫，改善彩色圖形顯示和圖形用戶界面（GUI）的開發(fā)工具及可見(jiàn)語(yǔ)言編程工具的改進(jìn)。視覺(jué)藝術(shù)和設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)圖形應(yīng)用程序，涉及平面設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、廣告及室內(nèi)設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)原則、色彩、比例及地方與視覺(jué)元素方向的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等研究。

知識(shí)可視化是在科學(xué)計(jì)算可視化、數(shù)據(jù)可視化、信息可視化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新興研究方向，它應(yīng)用視覺(jué)表征手段促進(jìn)群體知識(shí)的傳播和創(chuàng)新。其定義可概述為：“知識(shí)可視化是研究如何應(yīng)用視覺(jué)表征改進(jìn)兩個(gè)或兩個(gè)以上人之間復(fù)雜知識(shí)創(chuàng)造與傳遞的學(xué)科?！倍绹?guó)的斯馬爾蒂諾（Smaldino）在《教學(xué)技術(shù)與媒體》一書中揭示了圖片、插圖和文字從具體到抽象地表現(xiàn)了不同種類符號(hào)的真實(shí)程度，可視化內(nèi)容以圖片呈現(xiàn)已經(jīng)成為體現(xiàn)可視化優(yōu)勢(shì)的重要手段。[11]如何把知識(shí)以圖形圖像的方式可視化呈現(xiàn)已經(jīng)成為可視化應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于很多學(xué)者通常將知識(shí)體系分為四個(gè)等級(jí)：數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)和智慧。Gene、Durval和Anthony認(rèn)為理解（Understanding）支撐著數(shù)據(jù)到信息和知識(shí)的轉(zhuǎn)換，理解并不是一個(gè)獨(dú)立的層次。[12]趙國(guó)慶等曾從可視化對(duì)象、可視化目的、可視化方式和交互類型四個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)可視化等信息可視化與知識(shí)可視化進(jìn)行了比較。[13]針對(duì)智慧（思維）可視化的方法、技術(shù)的相關(guān)研究也頗多，主要集中在用何種結(jié)構(gòu)的圖形圖像顯示知識(shí)更符合人們的思維方式，如啟發(fā)式草圖（Heuristic Sketches）、視覺(jué)隱喻（Visual Metaphors）、因果圖、想法魚池（Idea Quarium）、思維導(dǎo)圖（Mind Map）、思維地圖（Thinking Maps）等就是相關(guān)的嘗試。受化學(xué)中元素周期表的使用、外觀和邏輯的啟發(fā)，Ralph和Martin在2005年整合了形式多樣的視覺(jué)表征，依據(jù)各類視覺(jué)表征的相關(guān)性和不同點(diǎn)對(duì)技術(shù)進(jìn)行編號(hào)、上架，從管理學(xué)的角度形成“可視化周期表方法”，[14]形象直觀地揭示了不同形式的視覺(jué)表征在管理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域知識(shí)的聯(lián)系和區(qū)別。這些可視化方法是一種系統(tǒng)的、有一定規(guī)則的、外部的、持久的用來(lái)傳達(dá)某種信息的圖形圖像表征，他們有益于人們獲得知識(shí)、闡述觀點(diǎn)或交流經(jīng)驗(yàn)?？梢暬刂芷诒矸椒ㄌ峁┝斯芾韺W(xué)應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)可視化具可操作性的策略。

思維可視化的教學(xué)研究

數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的表現(xiàn)形式可以是美麗、優(yōu)雅、生動(dòng)、形象或描述性的。有多種傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)表現(xiàn)形式在不同的項(xiàng)目及可能的場(chǎng)合被頻繁地使用，如表格、餅圖、柱狀圖等。但為了更有效地向人們傳達(dá)知識(shí)信息，有時(shí)你需要的絕不僅僅是一張餅圖或直方圖。還應(yīng)該有更好的、深刻的、富于創(chuàng)造性及趣味性的方法來(lái)表達(dá)可視化數(shù)據(jù)、信息或知識(shí)。這是創(chuàng)造性設(shè)計(jì)美學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ炭茖W(xué)的卓越產(chǎn)物。用極美麗或形象的形式呈現(xiàn)可能非常沉悶繁冗的數(shù)據(jù)，其表現(xiàn)和創(chuàng)作過(guò)程完全可以稱之為藝術(shù)，而教學(xué)從另一個(gè)角度說(shuō)也是一種藝術(shù)，這也正是人們所期待的。這些需求和期待也正蘊(yùn)含著思維可視化將成為更為豐富的教學(xué)研究對(duì)象。就目前而言，思維可視化在教學(xué)方面的研究可以歸結(jié)如下。

1.教學(xué)對(duì)象的研究

在思維可視化的課堂教學(xué)中，學(xué)生被海量的視覺(jué)和圖形信息轟炸，直接影響著學(xué)習(xí)者的思維變化。大量包含功能強(qiáng)大的圖像和符號(hào)的電子媒體出現(xiàn)在學(xué)習(xí)和生活中，學(xué)習(xí)者需要什么樣的技能和素養(yǎng)才能滿足思維可視化學(xué)習(xí)的需求。我們的教育系統(tǒng)是否能夠幫助學(xué)生不僅理解圖形和圖像，而且還使用圖形和圖像進(jìn)行有效溝通，開展正確思維。[15]這也常被人們稱之為視覺(jué)素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。作為可視化教學(xué)的教師應(yīng)該具備更全方位的視覺(jué)素養(yǎng)能力，這也是重要的研究。

2.教學(xué)環(huán)境的研究

為了滿足思維可視化教學(xué)過(guò)程的需要，可視化的教學(xué)環(huán)境如何去構(gòu)建，已經(jīng)成為教育技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，如諾丁漢大學(xué)的視覺(jué)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室、北卡羅萊納州立大學(xué)的SCALE─UP教室、華東師范大學(xué)的未來(lái)課堂以及眾多的智慧教室的提出都具備多屏顯示的特征，為可視化教學(xué)的實(shí)施提供嘗試。可視化教學(xué)環(huán)境的研究牽扯到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括技術(shù)層面和教學(xué)層面。

3.教學(xué)策略的研究

早前的可視化策略，主要集中在通過(guò)對(duì)文本鏈接的可視化效果，來(lái)增加對(duì)文字作品或文學(xué)作品的理解。[16]但是，新的思維可視化教學(xué)過(guò)程描述的是一個(gè)完整的把可視化融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括教學(xué)內(nèi)容的細(xì)節(jié)，能激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣的節(jié)點(diǎn)。在教學(xué)的每個(gè)階段都可以使用可視化手段和可視化內(nèi)容，所以會(huì)使可視化教學(xué)策略的研究?jī)?nèi)容更為豐富。技術(shù)工具的使用策略，可視化內(nèi)容的設(shè)計(jì)策略，可視化教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)策略等都需要研究。具體包括多學(xué)科方法和技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)，思維導(dǎo)圖、圖形組織者、閱讀障礙等。

4.教學(xué)評(píng)價(jià)的研究

杰森·理查德森，直言不諱地批評(píng)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，因?yàn)槟壳暗脑u(píng)估措施主要是針對(duì)學(xué)習(xí)者對(duì)事實(shí)記憶的評(píng)價(jià)，而不是學(xué)生的技能或能力。新的可視化教學(xué)可能因?yàn)槊襟w技術(shù)和學(xué)習(xí)理念的變化發(fā)生改變，那么如果我們的評(píng)價(jià)方式?jīng)]有改變，這些教學(xué)上的改變將無(wú)法進(jìn)行，應(yīng)該說(shuō)可視化教學(xué)的評(píng)價(jià)是促進(jìn)可視化教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵，必須得到研究者們的關(guān)注。

小結(jié)

從早期媒體的發(fā)展到新媒體技術(shù)的出現(xiàn)，可視化一直伴隨著教學(xué)的發(fā)展，人們不需要再去質(zhì)疑可視化所能帶來(lái)的好處，而需要做的是如何緊跟可視化教學(xué)發(fā)展的基本脈絡(luò)。按照新媒體技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)，融合新的學(xué)習(xí)理論研究成果，去探索如何提供更好的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)設(shè)計(jì)使思維可視化的巨大作用能夠充分地發(fā)揮出來(lái)。技術(shù)環(huán)境提供了可視化教學(xué)應(yīng)用的可能，但真正的可視化教學(xué)應(yīng)用還需要除硬件環(huán)境以外的教師和學(xué)生的改變，我們教育研究者所要做的是拓展研究的思路，如何提供更好的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)設(shè)計(jì)使可視化的巨大作用能夠發(fā)揮出來(lái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)和智能識(shí)別技術(shù)可以記錄各種交互信息，分析技術(shù)如視頻行為分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法給可視化教學(xué)活動(dòng)的量化評(píng)價(jià)提供了便利的方法和理念。未來(lái)科技或許將為我們的課堂帶來(lái)巨大的變革，而教學(xué)研究思路的轉(zhuǎn)變就是迎接課堂變革的重要部分，其中思維可視化將會(huì)成為教學(xué)理念改變的一個(gè)重要途徑。

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篇8

【關(guān)鍵詞】GIS；氣象；應(yīng)用；

一、引言

氣象服務(wù)是一種特殊的產(chǎn)品，向社會(huì)大眾提供服務(wù)是氣象工作的出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)。氣象工作涵蓋決策氣象服務(wù)、公眾氣象服務(wù)、專業(yè)氣象服務(wù)和科技?xì)庀蠓?wù)等。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和人們對(duì)地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System， 簡(jiǎn)稱GIS）的需求，利用互聯(lián)網(wǎng)在Web上氣象信息和空間數(shù)據(jù)成為一種趨勢(shì)，人們可以利用空間數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象的查詢和分析。GIS空間分析能力與氣象信息技術(shù)相結(jié)合，提供空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，并采用一定模型為氣象服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。

二、GIS概況

地理信息系統(tǒng)GIS首先是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以對(duì)海量地理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，具備采集、存儲(chǔ)、分析、顯示和應(yīng)用地理信息。GIS一般需要由硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)和管理人員四部分構(gòu)成。GIS技術(shù)可以應(yīng)用于氣象資料管理、氣候狀況跟蹤、氣象災(zāi)害評(píng)估、大氣變化預(yù)測(cè)以及農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃等多個(gè)方面，在氣象決策方面更是發(fā)揮著中北亞平作用。氣象工作者也認(rèn)識(shí)到GIS技術(shù)的利用價(jià)值。GIS技術(shù)從功能角度來(lái)說(shuō)，可以分為工具型GIS和應(yīng)用型GIS。工具型GIS是一種開發(fā)平臺(tái)，沒(méi)有地理空間實(shí)體。而應(yīng)用型GIS為用戶提供了二次開發(fā)平臺(tái)，用戶可根據(jù)自己需要進(jìn)行開發(fā)，以解決實(shí)際問(wèn)題。應(yīng)用型GIS具有地理空間實(shí)體。氣象資料空間數(shù)據(jù)庫(kù)具有海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)具有多種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間又具有顯著的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)。GIS 空間數(shù)據(jù)庫(kù)在氣象方面尤其是氣象資料管理方面，包括以下內(nèi)容：（一）氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息；（二）氣象歷史情況和當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；（三）氣象衛(wèi)星傳輸影像數(shù)據(jù)；（四）空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)；（五）空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)法律條例。

三、GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用

（一）氣象領(lǐng)域的特點(diǎn)。氣象領(lǐng)域是一種特殊行業(yè)，要求氣象信息具有實(shí)時(shí)性。分布在我國(guó)和世界各地的氣象觀測(cè)站，在同一時(shí)間進(jìn)行天氣數(shù)據(jù)的采集，我國(guó)氣象站每隔30分鐘就可以接收到全球的氣象數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)各級(jí)氣象臺(tái)每天都要對(duì)氣象情況進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的，這就需要?dú)庀笈_(tái)對(duì)衛(wèi)星云圖、遙感圖像等觀測(cè)資料進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的處理。因此，氣象臺(tái)要具備信息處理和預(yù)報(bào)制作的技術(shù)，將天氣預(yù)報(bào)向公眾公布。氣象領(lǐng)域的另一特點(diǎn)是信息量大，氣象臺(tái)每天要對(duì)最新氣象資料和氣象歷史資料進(jìn)行更新處理，加上科技的日新月異，各種氣象數(shù)據(jù)更是呈現(xiàn)海量增長(zhǎng)，迫切需要GIS技術(shù)進(jìn)行輔助數(shù)據(jù)處理及分析。

（二）GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用。GIS技術(shù)在氣象臺(tái)的應(yīng)用方法各不相同，較為常用的是：首先利用數(shù)學(xué)方法對(duì)氣象觀測(cè)站的離散的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、網(wǎng)格化，得到便于利用的氣象數(shù)據(jù)。其次，建立數(shù)學(xué)方程組，對(duì)地理數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、網(wǎng)格化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集氣候資料進(jìn)行計(jì)算，得出氣象的GIS數(shù)據(jù)。最后，制作氣象GIS信息和圖像，一般采用GIS技術(shù)中的分析、查詢和地圖制作功能實(shí)現(xiàn)。

（三） GIS技術(shù)應(yīng)用于氣候預(yù)測(cè)。GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)氣候劃分、天氣預(yù)報(bào)等一些氣象服務(wù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用并取得一定的成績(jī)。但在氣象領(lǐng)域最重要的中、短期氣象預(yù)報(bào)方面，應(yīng)用甚微。天氣預(yù)報(bào)在每天固定時(shí)段給公眾進(jìn)行天氣情況的概述及城市天氣預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)中的數(shù)據(jù)有的是實(shí)時(shí)觀測(cè)的離散數(shù)據(jù)，有的是網(wǎng)格化的數(shù)值數(shù)據(jù)。GIS技術(shù)是將單點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，并根據(jù)需要獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行相關(guān)處理。最后經(jīng)GIS加工顯示，制作數(shù)字化的多媒體天氣預(yù)報(bào)的圖表和圖像。氣象業(yè)務(wù)與GIS技術(shù)相結(jié)合，是天氣預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)了可視化。一方面使公眾可以更加直觀的了解天氣情況，另一方面使天氣預(yù)報(bào)講解員可以更好的講解和描述天氣情況。公眾可以從天氣預(yù)報(bào)的圖像和圖表，以及相關(guān)數(shù)據(jù)了解天氣情況。GIS技術(shù)也可進(jìn)行天氣預(yù)測(cè)和年景分析，根據(jù)不用區(qū)域情況建立方程組，以數(shù)學(xué)方法進(jìn)行運(yùn)算，得到預(yù)設(shè)區(qū)域內(nèi)天氣預(yù)測(cè)和年景分析，分析效率高。在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃領(lǐng)域中，GIS技術(shù)通過(guò)氣候資料、行政邊界、等高線、氣象站站點(diǎn)位置等信息，建立氣候的地理模型，得到農(nóng)業(yè)區(qū)劃氣象數(shù)據(jù)，并制作成文件。GIS技術(shù)還可與遙感影像結(jié)合，根據(jù)全國(guó)氣象站的數(shù)據(jù)匯總分析，制作出山區(qū)積雪跟蹤系統(tǒng)和沙塵暴、霧霾天氣的檢測(cè)系統(tǒng)。

（四）GIS技術(shù)應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和GIS技術(shù)的出現(xiàn)，全國(guó)大部分氣象局、氣象臺(tái)都將GIS技術(shù)應(yīng)用于自己的氣象業(yè)務(wù)中。忻州市氣象局位于山西省中北部，東傍太行山，西臨黃河，轄14個(gè)縣（市、區(qū)），人口309萬(wàn)，面積2.518萬(wàn)平方公里。忻州市屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，冷暖宜人，溫度、雨量等氣象要素年季變化大，時(shí)空分布不均。氣象災(zāi)害多為干旱、暴雨、雷電等，以干旱最為嚴(yán)重，素有“十年九旱”之說(shuō)。

忻州市氣象業(yè)務(wù)良好，為更好的實(shí)現(xiàn)氣象局對(duì)氣候數(shù)據(jù)的處理能力，使氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)更好的服務(wù)于大眾。忻州市氣象局進(jìn)行了改革和深思，將GIS技術(shù)應(yīng)用到氣象領(lǐng)域，利用WEB GIS平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣象業(yè)務(wù)管理的可視、定量，并節(jié)約了成本，為氣象局各項(xiàng)氣象業(yè)務(wù)的開展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)忻州市氣象局的氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可視化，并且提升了業(yè)務(wù)管理水平，在忻州市氣象局的發(fā)展史上具有重要的意義。

四、 結(jié)語(yǔ)

隨著氣象科技和GIS技術(shù)的進(jìn)步，氣象領(lǐng)域與地理數(shù)據(jù)的結(jié)合，使氣象臺(tái)的GIS技術(shù)得到提升，為氣象臺(tái)進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)分析、氣候預(yù)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)域劃分等多領(lǐng)域的業(yè)務(wù)技術(shù)得到改進(jìn)，加強(qiáng)GIS技術(shù)在氣象中的應(yīng)用，提供精確、及時(shí)的氣象產(chǎn)品，更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)做氣象服務(wù)貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]吳信才.地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M ].北京：電子工業(yè)出版社， 2002.

[3]馬曉群，王效瑞等.GIS在農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（l）：105-108.

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作者簡(jiǎn)介：

篇9

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)體深度成像AVS/EXPRESS

1．引言

中科院與勝利石油管理局聯(lián)合資助的國(guó)家自然基金委“九.五”重點(diǎn)項(xiàng)目“復(fù)雜地質(zhì)體描述理論與方法研究”,已經(jīng)進(jìn)行了好幾年了,其中的方法研究已經(jīng)成熟,我們用該項(xiàng)目研究的偏移方法對(duì)樁西地區(qū)的資料進(jìn)行了試處理,其處理效果可與西方地球物理公司和以色列的PARADIGM帕拉代姆公司的偏移軟件相媲美。

因此,系統(tǒng)地將我們自己研制的復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件包裝起來(lái),并盡快將其推向市場(chǎng),是迫在眉睫的事情。從去年上半年開始，我們利用AVS/EXPRESS軟件為開發(fā)平臺(tái)，克服了一系列包裝技術(shù)難題，終于完成了復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件CGOD的試用版本1.0。

2．AVS/EXPRESS軟件簡(jiǎn)介

美國(guó)AVS公司是享譽(yù)世界的可視化軟件供應(yīng)商，它的核心產(chǎn)品就是AVS/EXPRESS開發(fā)版，AVS/EXPRESS軟件從1988年起，就一致處于可視化技術(shù)市場(chǎng)的前言。AVS開發(fā)版包括圖形顯示、數(shù)據(jù)可視化、圖象處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和用戶接口等五個(gè)軟件包，每個(gè)軟件包又有幾十個(gè)功能模塊，這樣就形成了一個(gè)具有交互式開發(fā)功能的先進(jìn)的可視化軟件系統(tǒng)。

AVS在開放性、三維可視化和用戶應(yīng)用軟件包裝等三個(gè)方面，具有很大的優(yōu)勢(shì)，它已在氣象、醫(yī)學(xué)、油氣開發(fā)、軍事和工程分析等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。因此，以AVS/EXPRESS軟件為開發(fā)平臺(tái)，來(lái)完成復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件的包裝工作是一條行之有效地途徑。

3．復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件系統(tǒng)CGOD的總體設(shè)計(jì)

復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件系統(tǒng)CGOD的總體設(shè)計(jì)共分四個(gè)子系統(tǒng)，這四個(gè)子系統(tǒng)既可獨(dú)立存在，又可聯(lián)合起來(lái)形成一個(gè)統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)又包括許多獨(dú)立的功能模塊，而且模塊的數(shù)量可根據(jù)需要任意增加，當(dāng)某功能模塊需要升級(jí)時(shí)，只要將新的模塊替換掉舊的模塊即可，并不影響其他模塊和其他子系統(tǒng)。這四個(gè)子系統(tǒng)分別是：

3.1模型建立：數(shù)據(jù)三維解釋、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、數(shù)據(jù)光滑處理、速度深度模型的建立等，它共包括12個(gè)功能模塊。

3.2速度分析子系統(tǒng)：常規(guī)速度分析、百分比掃描速度分析和波動(dòng)方程速度分析等功能，旅行時(shí)計(jì)算、波動(dòng)方程和Kirchhoff深度偏移等，它共包括16個(gè)功能模塊。

3.3數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)：工區(qū)設(shè)置、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等16個(gè)功能模塊。

3.4三維可視化子系統(tǒng)主要用來(lái)質(zhì)量監(jiān)控，它主要完成各種地震數(shù)據(jù)的二維顯示和三維地震數(shù)據(jù)體的顯示、地震層位的顯示、速度深度模型的顯示、旅行時(shí)波前面的顯示等，它共包括6個(gè)功能模塊。

4.利用AVS/EXPRESS軟件實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的全面集成

由于復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件功能模塊比較多，而且編寫時(shí)所用的語(yǔ)言各不相同，所以要想將他們包裝在一起，必須有一個(gè)好的軟件平臺(tái)。另外，復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件還包括許多顯示模塊，特別是三維可視化模塊，用一般軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。AVS軟件不僅在這兩方面功能強(qiáng)大，而且利用AVS軟件開發(fā)用戶界面也比較方便，因此我們確定了：以AVS軟件為主，同時(shí)盡量吸收其他圖形軟件的長(zhǎng)處來(lái)最大效率地完成此軟件的包裝工作的具體思路。包裝工作分以下幾步：

充分利用AVS的模塊開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的模塊封裝。

充分利用AVS的用戶界面開發(fā)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的用戶交互界面。

充分利用AVS的數(shù)據(jù)可視化開發(fā)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的三維可視化。

充分利用AVS的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件庫(kù)，實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的數(shù)據(jù)管理。

將AVS與其他開發(fā)軟件的庫(kù)函數(shù)連接在一起，實(shí)現(xiàn)地震剖面顯示和并行算法等功能。

4.1實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的模塊封裝

AVS/EXPRESS軟件的模塊封裝功能是十分強(qiáng)大的，它可以實(shí)現(xiàn)不同語(yǔ)言的混合編程工作。在CGOD軟件的集成過(guò)程中，我們充分利用了AVS的混合編程優(yōu)勢(shì)，從而完成了五十多個(gè)功能模塊的封裝工作，這些模塊的源代碼分別用FORTRAN、C、C++、MOTIF和MPI等語(yǔ)言編寫而成。

4.2實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的用戶交互界面

AVS/EXPRESS軟件的用戶界面開發(fā)庫(kù)，內(nèi)容豐富，可滿足各種應(yīng)用軟件的交互控制技術(shù)。在我們的CGOD軟件中，交互控制界面有六十多個(gè)，包括軟件主界面，功能模塊交互接口等，我們?nèi)渴怯肁VS來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

CGOD主菜單

模型建立子系統(tǒng)

SEGY輸出交互界面

4.3實(shí)現(xiàn)CGOD軟件的三維可視化功能

剖分和插值是三維可視化技術(shù)的基礎(chǔ)部分。Delaunay剖分是剖分的最重要技術(shù)，它包括2D_Delaunay剖分和3D_Delaunay剖分等。

2D_Delaunay剖分，首先將一些離散點(diǎn)連成三角形網(wǎng)，然后給出每個(gè)三角形的相鄰信息，并將這些信息用一個(gè)N*7的矩陣表示出來(lái)，當(dāng)三角形三個(gè)頂點(diǎn)的順序已經(jīng)確定，則鄰近三角形的序號(hào)也相應(yīng)確定。這樣便給出了已知離散點(diǎn)所在曲面的三角形網(wǎng)格描述。

3D_Delaunay剖分的原理與2D_Delaunay剖分基本相同，它首先將一些離散點(diǎn)連成四面體網(wǎng)，然后給出每個(gè)四面體的相鄰信息，隨后將這些信息用一個(gè)N*9的矩陣表示出來(lái)，當(dāng)四面體四個(gè)頂點(diǎn)的順序已經(jīng)確定，則鄰近四面體的序號(hào)也相應(yīng)確定。利用這些四面體網(wǎng)格可形成一個(gè)凸多面體，找出凸多面體的外表面就可生成一個(gè)二維三角形網(wǎng)格，這些三角形網(wǎng)格便給出了已知離散點(diǎn)所在復(fù)雜地質(zhì)體的形態(tài)描述。

離散光滑插值技術(shù)的基本原理如下：在一個(gè)建立了相互之間連接的網(wǎng)格內(nèi)，如果網(wǎng)格上的點(diǎn)不獨(dú)立，即它們滿足某種約束條件，則其它結(jié)點(diǎn)上的值可以通過(guò)解一個(gè)線性方程組得到。

利用AVS/EXPRESS軟件強(qiáng)大的三維可視化功能和上面所講的Delaunay剖分以及離散光滑插值技術(shù),我們實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件的三維可視化技術(shù),此技術(shù)包括六個(gè)部分:

地震剖面的變面積、變密度和彩色顯示

解釋層位的立體顯示三維數(shù)據(jù)體的立體顯示，并可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)體的任意旋轉(zhuǎn)、放大、切割和任意方向的剖面顯示。

三維數(shù)據(jù)體和解釋層位的綜合顯示

速度分析過(guò)程的綜合顯示（包括速度譜、道集和地震剖面）

地震電影的動(dòng)態(tài)顯示（包括任意方向的切片等）

地震剖面的變面積顯示

三維數(shù)據(jù)體的立體顯示

解釋層位立體顯示

三維數(shù)據(jù)體切片顯示

4.4數(shù)據(jù)管理功能的實(shí)現(xiàn)

AVS/EXPRESS軟件可實(shí)現(xiàn)與ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)的連接和各種數(shù)據(jù)的管理功能。在CGOD中，我們充分利用了AVS在這方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了CGOD中各種地震數(shù)據(jù)的綜合管理功能，這些數(shù)據(jù)包括三維地震數(shù)據(jù)體、速度分析數(shù)據(jù)、三維立體解釋數(shù)據(jù)和各種中間結(jié)果等。

4.5AVS軟件與其他開發(fā)軟件的混合編程，并實(shí)現(xiàn)地震剖面顯示和并行算法

通過(guò)AVS與其他庫(kù)函數(shù)的連接，我們實(shí)現(xiàn)了變面積地震剖面、速度分析交互界面和MPI并行算法的編程，從而解決了AVS/EXPRESS軟件與MOTIF軟件、MPI軟件的混合編程問(wèn)題，為不同軟件發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)開辟了一條有效途徑。

常規(guī)速度分析交互界面

沿層速度分析交互界面

三維交互解釋系統(tǒng)

5．結(jié)論

通過(guò)上面的分析我們可以看出，復(fù)雜地質(zhì)體深度成像軟件經(jīng)AVS繼承之后，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

軟件方法新穎，處理結(jié)果明顯。

用戶界面友好，全部實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面。

軟件結(jié)構(gòu)靈活，可根據(jù)需要隨時(shí)將功能模塊進(jìn)行替換、修改和升級(jí)。

三維可視化子系統(tǒng)功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)體的任意切割和動(dòng)態(tài)顯示。

實(shí)現(xiàn)了MOTIF、MPI、C++等語(yǔ)言的混合編程技術(shù)，充分發(fā)揮了不同開發(fā)軟件的優(yōu)勢(shì)。

因此，利用AVS軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用程序的集成是一種行之有效的途徑，它不僅能夠滿足各種應(yīng)用軟件的集成需要，而且可以具有強(qiáng)大的三維可視化功能。另外，利用AVS軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件集成效率極高，可以節(jié)省大量人力物力。

6．參考文獻(xiàn)

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劉宏復(fù)雜地質(zhì)體三維地質(zhì)模型建立及顯示

張劍秋地震層位信息三維可視化石油地球物理勘探Vol（33）

篇10

關(guān)鍵詞：Surfer；數(shù)據(jù)插值；氣象繪圖；等值線圖；C#

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8174-03

在氣象研究領(lǐng)域，常常要處理和分析大批量的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，其中必然涉及各種圖件的繪制工作。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，各種專業(yè)繪圖軟件迅速面市，并且伴隨業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷深入，繪圖軟件的性能和功能也在不斷地提高和完善。傳統(tǒng)手工繪制圖件的過(guò)程不僅速度慢、效率低、而且繪圖質(zhì)量在很大程度上由業(yè)務(wù)人員的技術(shù)水平所決定。通過(guò)利用計(jì)算機(jī)繪制氣象圖件，不僅可以大大減輕工作量，提高工作效率，而且可以對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與分析，從而能夠保證圖件繪制的精度與準(zhǔn)確性。在眾多的繪圖軟件中，美國(guó)Golden Software公司編制的Surfer軟件，以其直觀易學(xué)、操作簡(jiǎn)單、功能完善、對(duì)系統(tǒng)要求低等優(yōu)點(diǎn)得到廣大用戶的青睞，成為應(yīng)用最廣泛的繪圖軟件之一。

Surfer具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值功能和繪制圖件能力，包括克里金法、距離倒數(shù)加權(quán)法、多元回歸以及移動(dòng)平均法等十二種插值方法都有提供，以便用來(lái)滿足不同應(yīng)用的插值需求，而且利用Surfer能夠輕松制作基底圖、等值線圖、分類數(shù)據(jù)圖、剖面圖、3D曲面圖等，已成為氣象、地質(zhì)、水文水利、土地管理工作者必備的專業(yè)成圖軟件[1]。Surfer軟件還提供各種GIS軟件文件格式的轉(zhuǎn)換接口以及不同圖形圖像文件格式的輸入輸出接口，極大方便了數(shù)據(jù)的共享與轉(zhuǎn)換，而且提供了Surfer ActiveX Automation技術(shù)，有效支持了基于Surfer軟件的二次開發(fā)。論文結(jié)合Surfer軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值與繪圖功能，提出通過(guò)C#調(diào)用Surfer自動(dòng)繪制氣象要素等值線圖的自適應(yīng)方法，針對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)和凍土深度監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，以相關(guān)領(lǐng)域氣象整編資料為數(shù)據(jù)源，制作具有氣象數(shù)據(jù)資料瀏覽與分析功能的業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件。

1 Surfer軟件

Surfer是在Windows操作環(huán)境下運(yùn)行的二維和三維圖形繪制軟件，能夠迅速地將離散的數(shù)據(jù)通過(guò)插值算法轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，從而繪制等值線圖、3D立體圖、陰影地貌圖、矢量圖等。軟件采用Automation技術(shù)公開其接口，提供了近60種不同種類的ActiveX Automation對(duì)象，它們幾乎覆蓋了Surfer的所有功能[2]。在安裝Surfer軟件之后，開發(fā)人員就可以在其他開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建、調(diào)用它所提供的Automation對(duì)象，用以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)可視化功能。

1.1 原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在使用Surfer軟件進(jìn)行圖形繪制時(shí)，首先需要根據(jù)不同的作圖目的，提供滿足一定條件數(shù)據(jù)文件格式的原始數(shù)據(jù)。其中， ASCII碼形式的XYZ數(shù)據(jù)格式是比較基本的格式?；谠紨?shù)據(jù)，就可以利用Surfer軟件的網(wǎng)格化功能，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于網(wǎng)格圖形的必須文件，然后再利用網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)使用Surfer軟件的繪圖功能繪制各種圖形，而使用Surfer軟件最常見(jiàn)的應(yīng)用就是從XYZ數(shù)據(jù)文件創(chuàng)建一個(gè)基于網(wǎng)格的各類圖形。

1.2 離散數(shù)據(jù)插值

繪制等值線圖時(shí)，關(guān)鍵的工作之一便是將離散點(diǎn)資料插值成規(guī)則的網(wǎng)格點(diǎn)資料。氣象觀測(cè)資料通常是離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，通常包含有臺(tái)站編號(hào)、臺(tái)站名稱、臺(tái)站位置坐標(biāo)（通常是經(jīng)緯度）以及屬性項(xiàng)（如降雨量、氣溫、土壤含水量等）等數(shù)據(jù)項(xiàng)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前需要根據(jù)具體情況讀取數(shù)據(jù)并生成離散點(diǎn)文本數(shù)據(jù)格式。Surfer軟件提供了許多數(shù)學(xué)插值模型，如反距離加權(quán)插值法、最小曲率法、線性插值三角網(wǎng)法、克里金插值法、局部多項(xiàng)式法等，利用這些數(shù)學(xué)模型，可以很方便地進(jìn)行插值。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)Surfer軟件中不同插值方法的基本原理，針對(duì)各類數(shù)據(jù)不同的特點(diǎn)，以及要進(jìn)行的各種不同的應(yīng)用分析，科學(xué)地選擇正確的插值方法[3]，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置生成網(wǎng)格文件，從而最終繪制出正確、有意義的等值線圖。

1.3 繪圖功能

Surfer軟件的主要功能是繪制等值線圖（Contour Map），此外還可以繪制post map， classed post map， vector map， image map， wireframe map，3d surface map 等形式的圖形。在氣象工作中，總是可以得到大量研究對(duì)象各方面特性或特征數(shù)據(jù)，在對(duì)其進(jìn)行分析時(shí)，往往借助于等值線來(lái)對(duì)其進(jìn)行一些必要的分析[4]。在將氣象領(lǐng)域離散點(diǎn)資料處理成GRD文件格式以后，利用Surfer軟件的Contour功能便可進(jìn)行等線圖的繪制。在應(yīng)用中，可能為了更好結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)以及美觀的要求，需要進(jìn)行一些額外的設(shè)置[5-7]，例如等值線顏色填充與否、等值線間隔、數(shù)據(jù)軸修改、散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)點(diǎn)和圖形圖層的使用、透明度、色階和標(biāo)題、網(wǎng)格文件的白化、地理信息的疊加等。

1.4 Surfer ActiveX Automation技術(shù)

Surfer軟件具有獨(dú)特的繪圖功能和開放的接口技術(shù)，它提供了開放的對(duì)象調(diào)用，通過(guò)屬性和方法實(shí)現(xiàn)對(duì)Surfer相關(guān)功能的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)Surfer應(yīng)用的二次開發(fā)功能。一方面Surfer軟件的Scripter程序能夠適用于任何ActiveX自動(dòng)化兼容的客戶端，從而很容易使用各種ActiveX客戶端編程語(yǔ)言來(lái)定制Surfer功能。另一方面Surfer軟件采用Automation技術(shù)來(lái)公開其接口[8]，Automation接口是指具有Automation功能的服務(wù)器系統(tǒng)提供的允許其它外部程序訪問(wèn)其對(duì)象的編程接口，即一個(gè)應(yīng)用程序通過(guò)某個(gè)對(duì)象去“操縱”另一個(gè)應(yīng)用程序的機(jī)制。通過(guò)Surfer提供的ActiveX Automation編程接口，允許Scripter腳本工具或其他高級(jí)編程語(yǔ)言（如VB、C#、C++等）編程調(diào)用Surfer的繪圖功能[9]，從而可以靈活采用各種編程語(yǔ)言進(jìn)一步開發(fā)，快速、批量地進(jìn)行圖形繪制，極大地提高工作效率。

2 C#與Surfer自動(dòng)化接口

C#是微軟公司的一種運(yùn)行于.NET Framework框架之上的、面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。C#由C語(yǔ)言和C++派生而來(lái)，在繼承了其強(qiáng)大性能的同時(shí)，又依靠.NET框架類庫(kù)，具有類似Visual Basic的快速開發(fā)能力。當(dāng)前，C#以其強(qiáng)大的操作能力、優(yōu)雅的語(yǔ)法風(fēng)格、創(chuàng)新的語(yǔ)言特性和便捷的面向組件編程的支持成為.NET開發(fā)的首選語(yǔ)言[10，11]。實(shí)現(xiàn)氣象專題圖的繪制功能，主要是在.NET平臺(tái)下，利用C#語(yǔ)言通過(guò)對(duì)Surfer Automation接口提供的系列對(duì)象的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。Surfer Automation對(duì)象模型層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 Surfer Automation對(duì)象介紹

Surfer Automation對(duì)象模型由一系列的對(duì)象構(gòu)成，每個(gè)對(duì)象又有若干方法和屬性構(gòu)成，通過(guò)訪問(wèn)具體的方法和屬性能夠調(diào)用Surfer對(duì)應(yīng)的功能。其中，常用的自動(dòng)化對(duì)象有：Application、Documents、Shapes、MapFrame、ContourMap等。Application對(duì)象表示Surfer程序，在所有的Surfer自動(dòng)化對(duì)象中Application對(duì)象是最基本的，在調(diào)用Surfer進(jìn)行繪圖前需要先對(duì)其進(jìn)行實(shí)例化。Documents對(duì)象是文檔類對(duì)象的基類，它派生出的類有PlotDocument、WksDocument等，其中PlotDocument對(duì)象對(duì)應(yīng)Surfer軟件中的工作場(chǎng)景，而WksDocument對(duì)象對(duì)應(yīng)的是工作表。Shapes是所有繪圖對(duì)象的集合。利用Surfer進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，借助通過(guò)對(duì)各個(gè)對(duì)象賦予不同的參數(shù)值和調(diào)用對(duì)象具體的方法，就可以實(shí)現(xiàn)Surfer的自動(dòng)化技術(shù)。

2.2 核心代碼實(shí)現(xiàn)

按照Surfer軟件中基于網(wǎng)格的圖形類型的繪制流程，.NET環(huán)境中利用C#語(yǔ)言調(diào)用Surfer軟件進(jìn)行等值線的自動(dòng)繪制與輸出主要可以分為如下4個(gè)步驟：（1） 實(shí)例化Application對(duì)象并進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而啟動(dòng)Surfer程序；（2） 讀取XYZ數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)列信息、網(wǎng)格化方法、網(wǎng)格線幾何特征等網(wǎng)格化相關(guān)參數(shù)設(shè)置后生成GRD文件；（3） 讀取GRD文件，進(jìn)行等值線相關(guān)參數(shù)設(shè)置后生成疊加基底圖的等值線圖；（4） 設(shè)置輸出參數(shù)，并導(dǎo)出等值線圖。其中部分關(guān)鍵代碼如下：

3 應(yīng)用

在氣象科研中，通過(guò)使用儀器設(shè)備對(duì)氣象要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的資料數(shù)據(jù)，如果使用傳統(tǒng)手段對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析將會(huì)面臨工作量大、效率低、易出錯(cuò)的問(wèn)題，在繪制不同氣象要素的等值線圖時(shí)尤為明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，利用Surfer強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值與繪圖功能，根據(jù)不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的特點(diǎn)，在.NET環(huán)境中利用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了不同氣象要素?cái)?shù)據(jù)的瀏覽與分析功能。

3.1 基于GStar-II觀測(cè)儀的土壤墑情瀏覽系統(tǒng)

該軟件用于土壤水分的分析、研究，目前實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重量含水率、體積含水量、土壤相對(duì)濕度和有效水分貯存量四種土壤水分要素的區(qū)域水分分布圖、多層逐時(shí)曲線圖和多站逐時(shí)曲線圖三種顯示方式的瀏覽和查詢，軟件的“水分分布圖”功能則是利用上文所述的原理實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)河南省各個(gè)縣市安裝的125套土壤水分自動(dòng)觀測(cè)站，自動(dòng)收集2013年10月22日且土壤深度為10CM的重量含水率觀測(cè)數(shù)值并進(jìn)行平均值計(jì)算，利用軟件的“水分分布圖”功能自動(dòng)分析得出河南省土壤水分（重量含水率）分布圖，具體實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示。

3.2 基于GStar-IV觀測(cè)儀的凍土監(jiān)測(cè)瀏覽系統(tǒng)

該軟件用于土壤凍融的分析、研究，目前實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤重量含水率、體積含水量、土壤相對(duì)濕度和有效水分貯存量、地溫、凍土深度和干土層厚度七種土壤水分要素的區(qū)域水分分布圖、多層逐時(shí)曲線圖和多站逐時(shí)曲線圖三種顯示方式的瀏覽和查詢，其中，凍土深度數(shù)值是結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境特征，并根據(jù)各層次土壤溫度與土壤水分含量，利用一定的算法計(jì)算得出的。針對(duì)全國(guó)試點(diǎn)安裝的11套凍土深度與干土層厚度自動(dòng)觀測(cè)儀，自動(dòng)收集2013年1月22日凍土深度觀測(cè)數(shù)值，利用該軟件的“凍土與干土層分布”功能自動(dòng)分析得出中國(guó)凍土分布圖，具體實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

4 結(jié)論

基于Surfer軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值與繪圖功能，能夠?qū)庀筚Y料數(shù)據(jù)進(jìn)行有效且深入的分析。論文通過(guò)對(duì)Surfer ActiveX Automation技術(shù)進(jìn)行深入研究，利用Surfer Application編程接口，在.NET環(huán)境中利用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了等值線圖的自動(dòng)繪制。利用上述原理并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了“基于GStar-II觀測(cè)儀的土壤墑情瀏覽系統(tǒng)”與“基于GStar-IV觀測(cè)儀的凍土監(jiān)測(cè)瀏覽系統(tǒng)”兩套業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單、功能完備且專業(yè)有效，極大地提高了工作效率。隨著今后工作的深入，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更為專業(yè)復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)。

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