冬奧氣象圖形產品可視化模型研究

豐德恩,唐 衛,王慕華,郝江波,袁亞男,趙 瑞,王孝通

(中國氣象局公共氣象服務中心,北京 100081)

0 引 言

第二十四屆冬季奧林匹克運動會(簡稱“冬奧會”)于2022年2月4日至20日在中國北京和張家口舉行。冰雪項目與氣象條件密切相關,尤其雪上運動項目受氣象條件影響更大,氣象條件是冬奧會成功舉辦最關鍵因素之一[1]。嚴苛的氣象條件要求給冬奧氣象服務提出了嚴峻挑戰。為完成高質量氣象服務保障工作,中國氣象工作者研發了空間分辨率達50米、時間分辨率達分鐘級、從地面到高空精細化氣象數據,以及直升機救援、軌道交通轉場等專項服務保障產品,為冬奧氣象服務提供了精細化數據支撐。將氣象數據以直觀的圖形產品形式傳達給賽事組織、國際氣象專家及公眾是氣象服務鏈條上的重要環節。根據《2022年冬奧會和冬殘奧會氣象服務需求分析報告(2017版)》顯示制圖渲染概括為賽區、賽場和關鍵點3種空間尺度氣象信息可視化。賽區尺度產品以北京、延慶、張家口及周邊為制圖區域,對常規氣象信息、賽事外圍服務產品進行渲染,顯示氣象信息整體分布情況和空間變化趨勢,為公眾出行、運動員轉場等活動提供服務;賽場尺度產品對三維氣象信息在山地賽場空間進行渲染,顯示氣象信息隨地形和不同高度場的差異,為直升機救援、賽事保障等提供服務;關鍵點產品對賽道和場館任意位置的長時間序列氣象信息進行渲染,顯示氣象要素信息隨時間演變趨勢,在惡劣天氣條件下尋找比賽窗口期。

目前,中國已建成MICAPS、MESIS、CIPAS、WeatherStudio、天目三維氣象影視制播系統等不同服務場景產品制作系統,在日常業務和重大活動保障中發揮了很好的支撐作用[2-7];針對2008年北京奧運會服務需求,研發了北京奧運會氣象服務產品制作系統,實現10余種賽事保障產品制作[8]。以上成果為冬奧氣象服務產品可視化研究奠定了基礎,但冬奧氣象數據具有時空分辨率更高、更新頻次更快等特點,制圖渲染屬于小區域復雜地形三維場景范疇,較常規大區域產品可視化更精細;此外,冬奧氣象服務用戶包括賽事管理部門、參賽人員、公眾、城市運行管理部門等,對產品加工提出了差異化和準實時業務需求。為豐富冬奧氣象圖形產品表現樣式、提高制圖渲染響應速度,急需開展圖形產品可視化模型研究,滿足賽事服務精細化氣象圖形產品制作需求。

1 可視化渲染概念模型

1.1 數據多維特征分析

冬奧氣象服務數據由實況監測、預報預警、專項保障產品組成。實況監測數據包括賽區逐小時天氣實況,場館代表站分鐘級天氣實況,賽區指定位置雪面溫度等特殊要素逐30分鐘監測,山地賽場50米分辨率三維融合再分析等產品;預報預警數據包括山地賽區100米分辨率鄰近預報、京津冀地區未來10天1公里分辨率數值預報,場館及雪上項目關鍵點未來1天逐小時、未來3天逐3小時、未來10天逐12小時主觀預報,競賽場館和非競賽場館的高影響天氣預警等產品;專項保障產品包括直升機緊急救援氣象保障,公路交通氣象風險、公眾觀賽氣象影響預報等產品。

冬奧氣象數據屬于地理信息范疇,具有實體空間結構特征、對象屬性形態信息、現實時間變化規律[9],按照空間信息屬性約束定義包含主體對象、屬性維度、對象屬性特征和關聯關系。主體對象在可視化數據組織過程中起到了主導作用,包括賽區各關鍵點、場館、賽道,以及任意空間區域等組成的氣象信息空間載體;屬性維度包括氣象信息要素、時間維度和空間維度集合,要素維度指主體對象具有的溫度、風速、降水量等要素類型,時間維度指主體對象表示氣象信息有效時間范圍,空間維度表征主體對象在空間連續或離散分布位置;對象屬性特征指主體對象在屬性維度集合約束下形成的多條定性或定量氣象信息集合;關聯關系指多個信息主體之間所屬、包含、疊加、指代等結構關系。定義一條服務主題的多維度氣象信息集合為：

C={OBJ,REL,DIM,CHAR}

(1)

其中,OBJ={oi|1≤i≤n}表示氣象信息主體對象集合;REL={ri|1≤i≤m}表示氣象信息主體對象之間關聯關系集合;DIM={di|1≤i≤s}表示氣象信息屬性維度集合;CHAR={chi|1≤i≤t}表示氣象信息主體對象屬性特征集合。

1.2 制圖渲染關鍵要素

可視化渲染是將數據轉換為人們可以形象理解的圖形,以增強對信息的認知能力。其核心是將數據多維特征轉化為二維、三維空間圖形結構。為實現數據特征易于快速感知,能夠充分表達信息的趨勢性和差別性等特征,通常采用多視圖結構協調關聯將多維信息分散在不同視圖和圖形進行表達,在視圖中選擇不同的空間結構類型表達圖形元素和屬性。

在冬奧氣象服務圖形產品合理表達過程,制圖元素、視圖結構、空間類型和元素屬性在可視化渲染中為關鍵制圖要素[10]。制圖元素是由簡單幾何圖形經過組合形成的基本圖形單元,可對單個信息對象進行完整表達,如指北針、制圖標題、天氣圖層等;視圖結構布局是指多個制圖元素在產品視圖中的結構和組織,是制圖元素之間邏輯關系表現形式;空間類型是對制圖元素選擇二維、三維的空間類型進行呈現,保證氣象信息在視圖內部完整表達;元素屬性是結合服務需求和氣象信息量級對制圖元素表現樣式和視覺屬性表達設計。定義一張氣象服務圖形產品渲染要素集合為：

V={STRUC,SP,EL,ATR}

(2)

其中,STRUC={stri|1≤i≤s}表示產品視圖結構;SP={si|1≤i≤s}表示產品空間類型;EL={ei|1≤i≤n}表示制圖元素集合;ATR={ai|1≤i≤t}表示制圖元素屬性集合。

1.3 概念模型表達

冬奧氣象圖形可視化本質為采用圖形語言,利用人類對視覺可視模式的快速識別能力對冬奧氣象數據進行視覺呈現,需要實現數據轉換、可視映射、視圖轉換等過程。冬奧氣象產品可視化是將冬奧氣象信息多維度特征與制圖渲染關鍵要素形成對應關系,完成氣象數據到圖形渲染要素的轉換映射,可表示為以冬奧氣象數據集合為定義域,以圖形渲染要素集合為值域的函數對應關系。冬奧氣象圖形產品可視化渲染模型表示為函數關系M：C→V。

該映射函數表現為：

(3)

其中,?r(r∈C∧r∈REL)→M(r)=str,str∈STRUC表示氣象信息關聯關系到產品視圖結構的映射;?o(o∈C∧o∈OBJ)→M(o)=e,e∈EL表示氣象信息主體對象到制圖元素的映射;?d(d∈C∧d∈DIM)→M(d)=s,s∈SP表示氣象信息屬性維度到產品視圖空間的映射;?ch(ch∈C∧ch∈CHAR)→M(ch)=a,a∈ATR表示主體對象屬性特征信息到制圖元素屬性的映射。

2 可視化渲染過程模型

根據可視化概念模型表述,可視化過程是一個從多源氣象數據經過可視化結構映射、空間映射、元素映射和屬性映射順向組織渲染過程,可視化結構和空間映射是制圖框架設計,可視化元素和屬性映射決定產品渲染效果和細節。圖形產品可視化過程也需要業務工作者通過交互制圖、模板設計、可視化布局和數據組織更新反向業務需求傳遞過程?？梢暬成浜托枨髠鬟f形成一個閉合回路,需多次交互設計才能達到最佳效果。冬奧氣象圖形產品可視化渲染過程如圖1所示。

圖1 冬奧氣象圖形產品可視化過程模型

2.1 基于數據引擎的結構映射

構建冬奧氣象服務數據控制引擎,對冬奧氣象信息進行時空特征提取和關聯分析,將多源氣象信息轉換為可視化目標數據結構。映射過程需確定一個主體結構為根節點,對與其相關數據結構對象進行時間、空間和賽事服務關聯組合。定義時間流氣象數據結構以站點時間序列氣象信息為主體結構,關聯關鍵點、賽道等空間載體信息,對任意位置長時間序列氣象信息進行組織;定義格點氣象數據結構以三維氣象場格點信息為主體結構,定義矢量氣象數據結構以點線面格式的氣象信息為主體結構,分別關聯地理底圖等下墊面信息,對賽區平面和賽場三維氣象信息進行組織。結構映射對屬性映射環節發送的指令進行數據重組和更新處理,提供渲染所需的氣象信息屬性特征集合。

2.2 基于賽事服務的空間映射

針對不同賽事服務需求和應用場景,將多維度氣象信息在有限制圖空間進行約束轉化和排列組合,生成可視化產品空間布局。針對賽區尺度產品制圖需求,設計區域平面氣象可視化布局[11],渲染格點和站點類常規氣象數據、專項保障等服務產品,疊加賽區及周邊地理底圖,顯示氣象信息整體分布情況和空間變化趨勢。針對賽場尺度產品制圖需求,設計小尺度三維氣象可視化布局[12],渲染三維氣象數據,疊加賽場三維地理模型,顯示氣象信息在不同空高度場隨地形的差異變化,為直升機救援、賽事保障等提供服務。針對任意位置點制圖需求,設計圖表氣象可視化布局[13],渲染關鍵點長時間序列氣象信息,關聯關鍵點、賽道等空間載體信息,顯示任意位置氣象信息隨時間的演變趨勢。

2.3 基于組件應用的元素映射

基于可視化數據結構將可視化對象以基本幾何圖形形式呈現在圖形界面。由于天氣過程不確定性和服務需求多樣性,映射過程采用組件化開發技術實現[14],對制圖元素進行概念化抽象,形成氣象圖表、天氣圖層和三維氣象原子組件,組件內核框架具有8個樣式視覺變量：形狀、尺寸、方向、明度、密度、結構、顏色和位置[15],支持氣象信息在平面氣象、三維氣象和圖表氣象可視化布局中的展示。原子組件具有雙向數據綁定功能,當結構映射對數據進行重組時,視圖中制圖元素按照預設定的邏輯程序主動更新視圖;用戶重新定義視圖中的制圖元素屬性信息,結構映射重組可視化數據對象。

2.4 基于派生設計的屬性映射

基于冬奧氣象服務場景化需求,調整元素映射中制圖元素數據和樣式屬性信息,實現氣象信息準確、美觀可視化表達,是用戶根據制圖表達需求的一個反復交互設計過程。派生設計思想是根據給定產品設計需求,在原產品樣式庫中尋找能實現相同或相似功能產品組成部件,通過變更組成部件結構、配置和尺寸,完成新產品快速設計[16]。將該設計思想對冬奧氣象可視化產品進行屬性派生變形設計,快速形成新服務產品可視化內容和表達樣式。對數據屬性派生設計,確定產品服務對象時間范圍、空間區域和氣象要素等可視化信息;對樣式屬性派生設計,選擇冬奧氣象產品組件,對制圖元素視覺變量進行交互設置,豐富用戶視覺感知。

3 可視化模型業務應用

3.1 可視化模型表達框架

為了使可視化模型在結構映射、空間映射環節具有擴展性,在元素映射和屬性映射環節有很好的交互性,本研究采用可視化模型表達框架對可視化模型進行存儲和組織,提高可視化模型開發應用效率。DVDL是一種模塊化、層次化可視化描述語言,廣泛應用于信息系統可視化模型的抽象表達設計[17]。冬奧氣象可視化模型表達框架在設計過程繼承使用了DVDL模型中具體可視化模塊(ViewStruct)、抽象數據描述模塊(MeteData)、布局映射模塊(Mapping),去掉可視化數據、用戶和資源等業務應用關聯不高的模塊,保留模型表達框架描述可讀性、業務擴展性等特點。冬奧氣象可視化模型表達框架前三級節點的XML Schema結構如圖2所示。在結構中矩形框表示一個布局節點元素,矩形框后方的加號和減號表示該元素是否展開,矩形框下方數字代表節點元素允許出現的次數,標識S,C,A的矩形框分別表示所有元素依次、選擇一項和全部出現。

圖2 冬奧氣象產品可視化模型表達框架

其中,具體可視化模塊對元素映射過程設計的3種原子組件(氣象圖表、天氣圖層和三維氣象)的樣式和屬性進行概括描述,抽象數據描述模塊對結構映射中的3種氣象數據結構(時間流、格點和矢量)的配置表達進行概況描述,布局映射模塊對空間映射形成的3種產品布局結構(平面氣象、三維氣象和圖表氣象)進行概況描述。一個產品可視化描述文件各包括了一個或多個具體可視化模塊、可視化數據模塊以及一個布局映射模塊,實現可視化樣式在一定抽象層次上可復用。

3.2 圖形產品加工系統

基于冬奧氣象服務模型表達框架,集成ECharts、WebGL等開源可視化成果,研發由可視化數據引擎、冬奧氣象制圖組件庫、產品布局設計視圖和可視化制圖交互界面組成的冬奧氣象圖形產品加工系統,實現了冬奧氣象數據結構化組織、整體布局規劃、個性化呈現和交互編輯制作。

3.2.1 可視化數據引擎

對抽象數據描述模塊進行分類抽象約束描述,實時采集和處理多源異構冬奧氣象信息,研發標準化數據服務接口,為氣象信息可視化提供數據支撐。時間流數據結構約束條件包含站點信息、氣象要素、時間范圍和時間分辨,對關鍵點逐分鐘,1小時,3小時,12小時的實況和預報數據進行時空分辨率無縫拼接和滾動更新。格點數據結構約束條件包含氣象要素、時間序列、空間范圍和高度場,對山地賽場50米分辨率三維實況融合再分析數據、賽區100米分辨率短臨預報數據、京津冀地區1公里分辨率未來10天預報數據,進行水平面向地面高度場轉化、水平分辨率與垂直分辨率一致性插值等處理。矢量數據結構約束條件包含點線面空間形狀、時間序列、要素集合和空間投影,對賽道、場館、DEM、行政區劃等下墊面數據,以及直升機緊急救援氣象保障、公路交通氣象風險、公眾觀賽氣象影響預報等矢量數據進行組織。

3.2.2 冬奧氣象制圖組件庫

對具體可視化模塊原子組件進行分類型設計,設置原子組件各部件的視覺屬性變量,規范組件可解譯的數據結構類型,研發功能可復用的可視化組件。分類型冬奧氣象可視化原子組件描述節點如圖3所示。氣象圖表原子組件對坐標軸、組件樣式和數據結構約束,坐標軸展示時間和氣象要素信息,數據結構是對時間流數據結構實例化,基于組件樣式研發單柱、雙柱、堆積柱、瀑布柱等柱圖組件,單折線、雙折線、折點等折線組件,文本、天氣圖標等字版圖組件。二維氣象原子組件中視圖范圍規范組件大小、位置和比例尺等信息,數據結構是對格點和矢量數據結構進行實例化,基于圖層樣式研發了風流場、格點預報、站點實況、點線面形狀等可視化組件。三維氣象原子組件中三維范圍規范組件大小、位置、比例尺等信息,數據結構是對格點和矢量類型數據結構實例化,基于三維氣象組件樣式研發了三維風流場、空間格點圖層和離子氣象體等可視化組件。

(a)氣象圖表原子組件結構

3.2.3 產品布局設計視圖

基于布局映射模塊描述的分型氣象產品空間布局,對組件庫中的組件進行組織和調用,形成冬奧氣象產品可視化基礎樣式,一個樣式由一個獨立的可視化模型框架文件進行存儲。圖表氣象布局結構以氣象圖表組件為主體,關聯關鍵點、賽道等空間載體組件,在布局中對賽道、關鍵點和氣象要素選擇,形成單點單要素和單點多要素產品樣式,渲染關鍵點任意時段內一種或多種氣象要素變化趨勢;形成多點單要素多點多要素樣式,渲染賽道上多個關鍵點相同時間內氣象要素對比情況。區域平面氣象布局結構以天氣圖層類組件為主體,疊加賽區及周邊地理底圖組件,對模型中時間和氣象要素節點選擇,形成格點預報、實況觀測、動畫圖等平面產品基礎樣式,渲染氣象信息在二維空間的分布。小尺度三維氣象布局結構以三維氣象體組為主體,疊加賽場三維地理模型組件,對模型中氣象要素、范圍、高度場節點選擇,形成山地三維流場、山地三維氣象體產品樣式,渲染高空氣象信息整體變化趨勢。部分冬奧氣象圖形基礎樣式如圖4所示。

圖4 部分冬奧氣象產品基礎樣式

3.2.4 可視化制圖交互頁面

基于冬奧氣象可視化模型表達框架,研發由制圖元素編輯、制圖模板庫、產品自動化加工功能組成的制圖交互頁面,實現冬奧氣象服務產品的自動化和人機交互制作。制圖元素編輯根據冬奧氣象服務產品基礎樣式和制圖模板,通過設置組件樣式、制圖背景、文本編輯、地圖編輯等操作,實現新應用場景制圖模板開發;制圖模板庫對不同天氣過程、賽事服務場景制圖模板進行存儲和管理,提供模板再編輯、制圖輸出等功能;產品自動化加工對制圖模板設置運行時間和數據源參數,監聽服務器時間,實現產品定時自動化加工。以男子速降起始點未來10天溫度預報圖模板設計為例,介紹產品派生思想在可視化制圖交互中的應用,選擇冬奧氣象柱狀圖樣式,對賽事、關鍵點、氣象要素、資料類型和時長等數據屬性進行派生設置,對制圖元素交互派生編輯,實現從基礎樣式到制圖模板的快速生成。柱狀圖模板派設計流程如圖5所示。

圖5 柱狀圖模板派生編輯流程

4 結束語

基于冬奧氣象服務需求和高時空分辨率氣象數據特征,該文提出了由可視化結構映射、空間映射、元素映射和屬性映射組成的冬奧氣象圖形產品可視化概念模型和過程模型,實現了任意位置點長時間序列氣象信息、山地賽場復雜地形三維氣象信息、多賽區綜合服務氣象信息的產品可視化展示,為冬奧服務全量氣象信息展示提供了綜合解決方案?；贒VDL可視化描述語言、可視化組件開發應用、產品派生設計等技術,設計了冬奧氣象可視化模型表達框架對模型進行業務組織和存儲,研發了冬奧氣象圖形產品加工系統,實現了制圖模板便捷組合渲染,滿足了個性化服務產品加工快速響應的需求。

可視化模型在冬奧氣象服務中得到應用,研發了50余種不同類型產品基礎樣式,根據冬奧氣象服務需求派生出200余種不同服務主題制圖模板,可延伸應用到其他冬季賽事和重大活動氣象服務保障。另外,隨著5G短視頻應用興起和3R技術發展[18-19],可視化渲染后續應向虛擬現實和短視頻創作的產品可視化方面開展深入研究。