海洋信息可视化
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年级: 2013级
专业：地图学与地理信息系统完成时间：2014年7月2日
云图动态三维可视化
摘要卫星云图是由气象卫星自上而下观测到的地球上的云层覆盖和地表面特征的图像【1】，它描绘了云团的具体形态和空间位置，对于理解大范围内天气变化具有重要意义【2】。

本文使用从风云3号卫星获取的云光学厚度和云顶温度/云高(CPP)数据，通过云顶温度计算出云层厚度、透明度以及颜色值，并对数据进行插值，实现卫星云图的三维动态可视化。

关键字风云3号、云图、三维动态可视化
1 引言
风云3号（FY-3）气象卫星是我国的第二代极轨气象卫星，它是在FY-1气象卫星技术基础上的发展和提高，在功能和技术上向前跨进了一大步，具有质的变化，具体要求是解决三维大气探测，大幅度提高全球资料获取能力，进一步提高云区和地表特征遥感能力，从而能够获取全球、全天候、三维、定量、多光谱的大气、地表和海表特性参数。

通过卫星云图的形态、结构、亮度和纹理等特征，可以识别云的种、属及降水状况。

可以识别大范围的云系，如螺旋状、带状、逗点状、波状、细胞状等，并用以推断锋面、温带气旋、热带风暴，高空急流等大尺度天气系统的位置和特征。

各种不同尺度天气系统的云区和各种不同的地表特征，在卫星云图上都有其特定的色调、范围大小和分布形式。

利用卫星云图可以识别不同的天气系统，确定它们的位置，估计其强度和发展趋势，为天气分析和天气预报提供依据。

在海洋、沙漠、高原等大片缺少气象观测台站的地区，卫星云图所提供的资料，弥补了常规探测资料的不足，这对提高预报准确率起了重要作用【1】。

2 原始数据的获取及处理
卫星云图的数据是从国家卫星气象中心（NSMC）下载得到的，该数据是风云3号卫星（FY-3A）的云光学厚度和云顶温度/云高（CPP）数据产品，数据格
式为HDF，数据的空间范围是全球180°×360°，分辨率为0.05°*0.05°。

数据产品包括三种数据：日云顶温度、日云顶高度、日云光学高度。

本文采用其日云顶温度数据来进行云图的三维可视化。

一般来说，分辨率越高，意味着其数据量越大。

原始云图数据的分辨率为0.05°*0.05°，其分辨率较高那么在进行云图绘制时速度就会越慢，因此我们需要对原始数据进行预处理。

根据云图的平滑特性，可以对云图数据进行重采样，来间隔获取云图数据。

本文对获取到的日云顶温度数据进行了4*4的重采样处理，重采样处理后，分辨率为0.2°*0.2°，数据量减少，其相对于源数据的精度却没有明显降低。

这样精度的牺牲很少，而绘制速度却会有比较明显的提高。

经过重采样的数据生成800*1900的纹理。

重采样前后云图对比
3 原理
任何温度大于绝对零度的物体都会辐射出红外线，物体温度越高，辐射红外光则强，反之则越弱。

根据此原理，气象卫星可以感应地球大气以及地表等对其在红外波段辐射光的强弱来成像，反映在卫星云图上为越冷的物体色调越亮（越白），而越热的物体色调越暗（越黑）。

在对流层中每上升1000m则温度下降6°的事实表明，离地表面越高的气团温度越低，在某高度上云团温度同周围环境气温的差别不大，因而云团也是离地表面越高则温度越低，反映在云图上的色调也越亮，反之越暗。

云图本身就具有空间云层的定性三维信息，其色调的亮暗代表了云团顶部的高低，这是对云图进行三维化处理的依据。

由于云图只反映了云顶的信息，其底高是无法知道的，因此三维化时只能认为所有云团的底高是一致的，现在流行的任何三维卫星云图都只是云层高低错落的对比而已【3】。

本文利用云团温度与云团厚度的线性相关来获取云团的厚度。

另外由于云的物理特性更接近气体，不能像地形那样直接映射纹理获得真实感效果，需要结合其自身特点制定一定规则赋予颜色值及透明度值，使得云图更逼近真实感效果。

3.1 云团厚度计算
实际上，云的厚度最大不超过五公里，相对于云的水平尺度很小（就像一张薄纸），则可以认为不同云团云底高度相同, 设为h0, 则不同云团云顶高度都表现在h0
以上五公里高度范围内，也就是说，在不影响云图三维效果的前提下合理采用相对高度。

这里已知云顶温度为T m，云顶温度的最大值为T max，云顶温度的最小值为T min，假设云团厚度为H m。

则
H
m =5000 *（T
max
-T
m
）/（T
max
-T
min
）（公式1）
3.2颜色值及透明度值的计算
为了贴近从太空鸟瞰地球上空云团的真实感效果, 高度值越大的像素点赋
予越白的颜色值和越低的透明度值, 高度值越小的像素点赋予越黑的颜色值和
越高的透明度值。

这样即可接近实际云团越高越亮白、越低越暗黑的逼真效果。

由于云顶高度和亮白程度成正比, 和透明度成反比, 其颜色值及透明度值容易得到。

假设云图像素点颜色值为Color ij，透明度值为Alpha ij，则
Color
ij =（T
max
-T
m
）/（T
max
-T
min
）（公式2）
Alpha
ij =（T
max
-T
m
）/（T
max
-T
min
）（公式3）
3.3 对无效值的处理
在没有云团分布的范围可以理解为大面积高度值为h0的区域，本文将该区域的云层厚度赋值为最大值5000，其颜色值和透明度值均赋值为0.2。

3.4 云图动态三维可视化
对云图数据进行如上处理后，就可以得到各个网格点的云层厚度和颜色值以及透明值，以三角面片拼图方式绘制即可得到云图的三维效果。

本文采用的是风云3号卫星的日平均数据，在两张日平均数据纹理间，动画闪动比较明显，为了
解决这一问题，使得动画更加平滑，还需要对前后两张云图进行数据插值。

插值方法是利用当前时间在整个动画时间的百分比，假设为p。

若前一张云图的温度为t0，后一张云图的温度数据为t1，当前时间的温度为t n。

则
t
n = t
*（1-p）+ t
1
*p （公式4）
经过插值后的数据生成的云图动画就比较平滑，效果更加真实。

下图为利奇马台风的三维可视化效果图。

图2 云图三维可视化效果
4 结论
本文工作中,在三维地形可视化方法的基础上提出了适合于云图自身特点真实感表现的颜色及透明度获取方法, 文中采用了风云3号卫星的云光学厚度和云顶温度/云高（CPP）数据产品作为云图三维可视化的数据源,根据云顶温度计算出云顶、云底高度及位置特征, 通过实验验证, 达到了良好的绘制效果和速度。

云图的三维表现切实可行, 实用性较高。

随着遥感技术的不断进步, 卫星云图分辨率将会进一步提高, 三维绘制精度自然相应提高。

同时对计算机运算速度提出更高的要求, 就目前计算机硬件的发展来看, CPU 和显示卡性能的不断提高将会实现更高的绘制速度。

因此, 云图的三维表现将具有更大的实用价值, 广泛应用于军事和民用领域。

参考文献：
[1]卫星云图.百度百科.
[2]卢志忠，陈健，上官伟. 基于空间的卫星云图三维可视化仿真技术研究.应用科技.2008（3）.
[3] 孙文广，吴玲达，宋汉辰，张玉新.基于红外卫星云图的云的三维表现.微计算机信息.2006（22）.。