基于avsexpress平台开发气象模式三维可视化系统的应用研究

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1、基于AVS/Express平台开发气象模式三维可视化系统的应用研究国家气象中心曹燕王迎伟一．概述：开发气象模式三维可视化系统的目的就在于要将三维可视化技术应用于气象模式数据，实现气象模式数据的三维可视化显示，为国家气象中心乃至气象领域的气象预报工作者提供一个直观的模式数据可视化分析环境，即运用图形、色彩和动画来表示数值预报的结果（气象产品数据）。基于上述原则，我们选择AVS/Express作为开发平台，结合国家气象中心的实际需求，针对业务和科研的发展，建立一套满足气象工作者要求的实用系统。目前国家气象中心的数值天气预报模式主要有：T106L19，HLA

2、FS和MM5（中尺度数值预报）等。其中，MM5模式不仅应用于北京地区，还有天津、河北，以及整个华北地区，尤其在1999年“澳门回归”特殊气象保证期间，提供了北京、澳门短期（36小时）数值预报。为此我们确定可视化应用系统以运行于神威巨型机上的MM5为研究对象，针对MM5模式的数据结构和特点，采用三维可视化开发工具AVS/Express，在Windows平台上开发建立“气象模式数据三维可视化系统”，实现数据的三维及二维可视化显示。该系统可以将收集来的大量数据进行有效的处理和图形显示，使气象预报工作者能够明晰数据结构，并有效地利用这些气象数据。除此之外，还具

3、有对可视化数据进行分析的功能，既将数据变化的过程用图形、色彩、动画等方式表现出来，这正是与目前气象预报员使用的“MICAPS图形图像系统”最主要的区别。基于AVS/Express开发的应用系统的优越之处就在于不仅能够为气象工作者提供观察数据发生演变过程的手段和数值分析工具，及时跟踪和评估重要天气情况；还能够为气象工作者提供一种检验方法，以检验数值天气预报的准确度。二．“MM5模式三维可视化系统”开发研究中所采用的技术1．采用面向对象的开发技术：AVS/Express是一个面向对象的、可视化开发工具，它的核心就是面向对象技术，支持数据和方法在类中的封装；

4、支持类的继承、模板和实例；支持对象的分层结构以及类的多态性等特性。利用它能够建立可重复使用的对象、应用程序组件以及数据可视化应用程序，通过对象或组件的灵活组合，定制数据的三维及二维可视化显示方式。在AVS/Express所提供的库中，从最底层到最高层，所有的应用程序组件都采用对象的方式开发。2．开发工作采用AVS/Express提供的网络编辑器(NetworkEditor)方式：AVS/Express的网络编辑器是一个可视化的开发环境，通过鼠标驱动操作就可实现连接、定义、装配和管理对象等一系列开发操作，为开发者提供随意定制、修改应用系统的开发环境。3．

5、利用AVS/Express提供的大量的预制功能模块：AVS/Express提供的预制功能模块能够实现与可视化相关的大量功能，在这些功能模块的基础上，根据实际需要进行各模块的扩充、连接以及装配等工作，就可快速建立应用系统。4．应用程序及多媒体产品的分发技术：AVS/Express开发工具中提供关于应用程序以及定制的多媒体产品的分发功能，实现应用系统在脱离AVS/Express开发平台独立运行和使用，以及多媒体产品的制作与分发。三．开发中的关键技术1.MM5数据格式和AVS/Express数据格式的转换AVS/Express的数据管理采用被称为“Field

6、Data”的数据结构，FieldData数据结构中包括Mesh和Data；其中Mesh是关于Data域之间的关系描述，Mesh由grid组成，grid定义数据节点的位置；而Data是某一节点位置的矢量或标量值。AVS/Express支持的Mesh格式有四种：（1）UnstructuredMesh（2）StructuredMesh（3）rectilinearMesh（4）UniformMeshMM5的数据属于UniformMesh格式，它的数据节点分布均匀，节点间距一致，因此只需给出数据点坐标的最大值、最小值及维数即可。MM5模式运算的结果数据，是一种无

7、格式数据，AVS/Express无法识别这种格式，所以，首先就要根据AVS/Express对数据格式的需要对MM5模式的运算结果进行提取和转换，提取出所需的气象要素数据，并且按照经纬度和Segma层的顺序依次输出，转换成AVS/Express可识别的有格式数据，然后，再在此基础上编写数据压缩程序将数据转换成二进制数据格式进行存储，减小数据文件的大小。2．AVS/Express的.fld文件的建立除了要将数据转换为AVS/Express可识别的格式，还要定义AVS/Express需要的.fld文件，在.fld文件中定义数据的维数、格式、层数、数据类型以及

8、偏移量等信息。AVS/Express根据.fld文件中定义的信息从数据文件中逐层提取数据。3．