[发明专利]一种气象三维信息3D模拟反演方法

摘要

本发明公开了一种气象三维信息3D模拟反演方法，包括以下内容气象数据资料、气象数据预处理、三维面绘制、三维体绘制、更高级的交互功能，本发明基于三维体重建和三维面绘制技术，针对不同的气象数据，进行数据预处理，实现三维气象数据的模拟反演。同时，基于机器学习，对气象体数据继续训练分类和体重建，实现良性的交互。通过在全三维空间解释数据，更加直观和全面地展示气象数据的空间分布状况，深入挖掘气象信息和天气的精细化结构。本方法从气象角度分析，考虑预报员关注的天气活动生消过程的时间段，并从气象角度对数据处理，使得气象三维场以更合理的结构形式展现，满足更专业化的气象分析需求。

主权项

1.一种气象三维信息3D模拟反演方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1、气象数据资料包括气象数据、WRF气象预报数据资料、融合数据；步骤2、气象数据预处理包括数据规整、异常值处理；步骤3、三维面绘制：面绘制中使用的算法是移动立方体“Marching Cubes，MC”算法，提取三维等值面，遍历所有立方体的顶点，将顶点的物理量与等值面相比较，从而确定顶点与等值面的位置关系，通过线性插值得到等值面与立方体的交点，依次遍历所有的立方体，得到给定阈值的等值面；步骤4、三维体绘制：体绘制是以图像处理、计算机视觉和计算机图形学的学科为基础，借助三维体素用二维图像将三维数据场的离散数据显示在屏幕上；体绘制方法免去了面绘制构造几何多边形的表面的中间过程，采用直接对所有的体数据进行明暗处理的方法合成为具有三维效果的图像；体绘制采用光线投射算法，该算法适用于规则数据场；首先对数据进行预处理，然后进行数据分类，目的是根据数据值的不同，正确的将不同组织赋予不同的颜色值和不透明度值；然后是重新采样，即从屏幕上的每一个像素点根据设定的观察方向发出一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿射线选择N个等距离采样点；最后一步是图像合成，即将每条射线上的各采样点的颜色值及不透明度由后向前或由前向后加以合成，得到发出该射线的像素点处的颜色值；重新采样和图像合成是按屏幕上每条扫描线的每个像素逐个进行的，因而这一算法又称为图像空间扫描的体绘制算法；步骤5、更高级的交互功能基于Observer和Command模式，借助机器学习，对气象数据进行分类，实现三维人机交互；Observer模式定义对象之间的一对多的依赖关系，对象的状态改变，其依赖对象会自动更新；Commond模式将交互过程中不同的请求对客户参数化，支持可撤销操作，顺利实现界面操作命令；通过两种模式协同，实现三维气象数据的动态显示，可以进行平移，旋转，缩放等的交互操作；此外，二维气象数据可以通过实时选取数据区域切换为三维气象数据，实现高级交互功能；通过用户在气象三维场的切片上进行交互，标记出感兴趣的区域和不感兴趣的区域，对于这些区域的每一个点，有一组值与之对应，这组值由各数据场对应点的数据值或位置的相关信息组成，但是由于气象体数据是由与云长类似的大规模团状物构成的，各相邻切片接近的情况很多，选取了上下各两个标量值，而前后左右各一个，以及同时导入的数据场的同样数据值，即构成了一个(4+1+4)*n的机器学习的样本，使用神经网络，KNN或SVM方法进行训练，然后由所产生的模型对整个三维体数据进行分类而得到最后的结果；根据分类中不同的体素与感兴趣区域的相似度，设置透明度，重新进行步骤4或步骤3中的三维体重建，实现良好的人机交互机制。