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核格平台集成面向气象数据的IDV同化处理与图形引擎
气象业务或者气象科研的实现都是建立在气象数据的基础上，近20年来气象事业迅猛发展，新的观测手段不断出现，气象研究领域不断拓宽，气象信息的种类己不再局限于站点观测资料，除此之外，气象卫星资料、雷达资料和数值预报产品都是重要的气象信息，它们从不同侧面反映各种天气现象的特征。气象数据具有时空特征和性质特征，反映为空间信息、时间信息、属性信息、共享信息，其中空间信息包括空间和范围，属性信息包括气象信息的标称、形态、度量。从面向对象的角度看，气象数据属于地理信息的范畴，都具有明显的空间特征，没有地理位置的气象要素是没有任何意义的。
由于常规观测资料、气象卫星资料、雷达资料、数值预报产品等气象资料中，不但包含着不一致的时间信息、空间信息，还包含着由不一致的观测模式得到的数据。因此需要对这些资料进行同化处理，尽可能多的提取有用信息。 数据可视化技术能够将各类气象数据转换成直观的图形和图像，从而充分显示数据之间的相互关系，揭示隐藏在大量气象数据背后的规律，为科学研究提供辅助分析手段。气象数据的可视化研究已在我国气象部门广泛开展，并取得了一定的成果，但是这种可视化的研究大多针对气象元素的特性进行，缺乏空间信息。 气象信息集成与分析系统研究现状 气象信息集成与分析系统是新一代的气象信息管理系统，有别于传统意义上的数据存储系统或数据库系统。气象信息集成与分析系统是一个功能性的集约化系统，功能性主要强调“信息集成”，即“系统”的最重要功能是集成多源气象数据：集约化是指“系统”用统一的数据标准与规范对各种不同来源，不同特性的气候系统数据实施集约化管理，另一层涵义是有效利用计算机等信息基础设施并在统一的顶层设计下高效配置。因此，可以认为：基于GIS的气象信息集成与分析系统是采用成熟、先进的GIS技术与基础设施，对气候系统的海量信息资源实施规范、高效管理、数据分析的信息管理系统。 目前，对于基于GIS的多源气象数据集成与分析系统的研究还不是很多，总结GIS在气象中的应用现状可以发现，一方面这些研究重点仅是实现某一种格式的气象数据在GIS平台上的应用，如自动站气象数据实时监测系统、雷达实时监测系统等。另一方面这些研究没有提供丰富的统计查询以及基于这些查询上的气候统计诊断分析算法，更进一步说没有建立气象数据分析方法库。 气象可视化软件研究现状 目前，国内外已有一些成熟的可用于地理信息可视化和气象信息可视化的软件，包括： NASA World Wind软件（以下简称“WW”），是一款可以让用户通过从太空视角全面观察地球表面的免费地理科普软件。它可以通过远程调用的方式加载各类地理信息、大气环境数据并进行动态可视化。但软件没有气象数据分析功能。 GrADS（Grid Analysis and Display System）是美国马里兰大学气象系开发的交互操作的气象格点数据和站点数据的分析显示软件。它的集成环境可以对气象数据进行读取、加工、图形显示和打印输出。GrADS具有气象数据分析功能强，地图投影坐标丰富，高级编程语言使用容易，功能强大，显示快速等特点。但是，目前GrADS主要应用于一维和二维的图形显示和处理，难以实现三维数据场的动态可视化。此外，GrADS软件并不支持大规模数据场的实时可视化分析，其交互也不够直观和智能。 NCL是美国NCAR（National Center for Atmospheric Research）开发的绘图软件包NCAR Graphics的重要组成部分，是一种专门用于大气科学数据处理和显示的软件。NCL集成了对多种数据格式的支持，支持对NetCDF、HDF、GRIB、二进制等文件的读写，并提供了NetCDF和GRIB数据之间相互转换的工具。另外，NCL提供了大气科学领域中大量函数（如EOF、SVD、谱分析、区域平均、插值、小波分析等），具有相对全面的大气科学数据处理和可视化函数库，其直接输出的图形符合国际绘图标准，并且此软件对Fortran和C语言有一定的支持。 AVS/Express是一个可在各种操作系统下开发可视化应用程序的平台，使用它可以快速建立具有交互式可视化和图形功能的科学和商业应用。AVS/Express提供一个面向对象的可视化编程环境，允许用户在开放和可扩展的环境下快速建立应用程序原型，处理大尺度三维数据。此外，它还提供了大量预制的可视化编程对象，大大缩短了编程时间，提高了用户的工作效率。AVS/Express的主要缺点是内存占用量大，并且主要针对普通用户，对专业用户吸引力不足。 Vis5D作为美国威斯康星大学空间科学和工程中心（SSEC）可视化项目研究成果，是一个针对气象数据（如数据模拟结果）的交互式立体视图软件系统，实现了气象可视化的大多数功能模块，支持包括SGI在内的多种UNIX环境下的图形平台，但不能充分利用大规模并行机以及工作站集群的软硬件资源。 VisAD（算法开发的可视化）是用于数字数据的交互式和协作可视化以及分析的 Java 组件库。威斯康星大学的 Space Science and Engineering Center (SSEC)、University Corporation for Atmospheric Research (UCAR) Unidata Program、位于 Urbana-Champaign 的 Illinois 大学的 National Center for Supercomputer Applications (NCSA) 以及澳大利亚气象局的开发人员由于希望使其先进的可视化技术对科学家的日常工作有用而协作创建了 VisAD。VisAD 使用了 Java 2 的一些特性，包括用于可视化的 Java3D 和 Java2D、用于分布对象的 RMI 和用于链接到旧算法的 JNI。（VisAD 的分析和可视化代码是纯 Java 代码，但它确实支持到以其它语言编写的用户原有代码的 JNI 连接。）事实上，它的数学数据模型可以应用到任何数字数据；支持用户、数据源和科学规范间数据共享；提供对那些不依赖于存储格式和位置的数据的透明访问。它可以访问 netCDF、FITS、HDF-EOS、McIDAS、Vis5D、GIF、QuickTime、TIFF、ASCII 和 JPEG 文件格式的数据。它的显示模型支持交互式 3-D、数据溶合、多个数据视图、直接操作、协作和虚拟现实。数据分析和计算与可视化集成在一起以支持计算指导和其它复杂的交互模式。VisAD 是设计用来支持更宽范围的用户界面，从简单的数据浏览器 Applet 到可以使多组科学家协作开发数据分析算法的复杂应用程序。 Integrated Data Viewer（IDV）是一款基于JAVA框架，用于分析和可视化地理信息的软件。IDV是由美国University Corporation for Atmospheric Research（UCAR）下属部门Unidata Program Center（UPC）开发的一款软件。IDV是一个能够展示卫星图像、格点场数据、地表观测、探空气球、NWS WSR-88D Level II and Level III雷达数据和NOAA国家探查网络数据的软件，它有着统一的接口。它也能提供3-D地球信息展示，也能允许使用者以交互方式切片、切块和探针的数据，建立截面、剖面、动画和多维数据集的有价值读取。IDV能展示任何位于地球的以已知格式存在的数据。 由于这些软件为国外研究团队开发，虽然支持标准的气象格式，但是对我国自行研究的雷达和卫星数据的支持度较差 研究总体评述 面向气象数据的IDV同化处理与图形引擎集成研究为多源气象信息提供一个集数据同化处理、数据可视化分析、数据管理为一体的可视化平台环境，旨在为气象数据应用提供基于数据库管理的新平台和新方法，因此本项目具有重要的实际应用意义： 1）集成了多源气象数据，在GIS环境中为多源气象数据提供统一管理、专业应用的分析平台； 2）能够提供硬件图形加速渲染技术所享有的速度和效率，能够方便地移植到不同构架的操作系统平台和硬件设备上； 3）为基于数据库管理的台站观测数据提供了新的数据方法和新的分析平台，可改变当前以非结构化为主的管理方式带来的处理效率低下的现状，如数据库技术可有效地提高数据入库、数据统计效率，而气候统计诊断分析等分析工具可有效提高数据分析效率，缩短数据分析周期。 能够提供硬件图形加速渲染技术所享有的速度和效率，能够方便地移植到不同构架的操作系统平台和硬件设备上，第四，支持多种编码格式的图像文件输出。通过将此图形渲染引擎集成在气象信息分析处理系统或者地理信息系统中，并将系统应用在实际业务和科学研究工作中，能够实现天气图的交互制作、海量科学数据的实时显示、图形气象预报产品的自动生成，以及科研论文中插图的灵活获取，从而较好地满足了天气预报业务和大气科学科研两个方面的需求。 |
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