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[摘 要] 在航海气象业务中，常常需要将气象数据生成图形并叠加在电子海图上进行分析与显示。气象图形显示是一种现代化的天气预报手段，选择合适的地图投影与进行准确的坐标变换是气象图形显示的关键。分析了气象图形投影与坐标转换方法，研究了气象信息图形可视化算法，对航海气象信息处理具有一定的参考意义。
[关键词] 航海气象 电子海图 地图投影 坐标变换 气象图形显示
0.引言
气象图形是天气分析的重要工具之一，气象图形可视化是一种现代化的天气预报手段。在航海气象业务中，常常需要将气象数据生成气象图形叠加在电子海图上进行信息处理。气象图形经过处理后，在计算机上进行可视化表达是有差异的，这与所选择的投影方式和坐标变换有本质的联系，选择最优的地图投影方法与进行准确的坐标变换是气象图形正确显示的关键。随着计算机图形处理技术在气象领域的广泛使用，传统的二维静态气象图形已发展为三维动态图形[1]，为此，大量气象数据需要进行图形显示，而复杂的气象图形显示则可以通过可视化技术来实现。
1.航海气象信息显示基本图形
图1 气压等值线绘制示意图
气象信息显示中常见的图形有直线、曲线和由直线或曲线组成的气象等值线，以及一些专用的气象符号等。
（1）直线
直线是气象图形中使用频率最高的元素之一。许多长短不同的直线可以组成不同的气象图形，如一个低压槽可由17条线段组成，如图1所示。
（2）曲线
气象图形中曲线绘制有两种基本类型：一种是规则曲线绘制，如圆、椭圆、抛物线等；另一种是不规则曲线绘制，如台风路径、等值线、流线等。在气象绘制问题中后一种类型较为常用，但不规则曲线绘制又是以规则曲线绘制为基础。所有气象图形都可以用解析式来表示[2]，因为任何一条曲线均由若干条直线组成，使用直线可以绘制出上述各类规则曲线。
2.航海气象信息图形投影与坐标变换
2.1 气象图形的地图投影法
地图投影是气象图形变换的方法之一。在气象图形中，地球上任意一点的位置是通过地理经、纬度值来定义的，都有精确的测量数据。因此，通过科学计算把各点经、纬度换算成直角网格坐标，再与计算机屏幕上的像素点建立一一对应关系。
2.1.1 地图投影的基本要求
地球是一个椭圆形球体，要把一个椭球体表面状态描绘在平面直角坐标上，且与地面的形状分布、面积大小完全相同是很困难的。地图投影的基本要求包括[4]：
（1）等角
在每一点上，经圈及纬圈的比例尺一样，地球上两交线间的交角保持不变，这样能保持原来地形的形状，这种要求只有在小区域地图投影中可以做到；
（2）等面积
各区域的比例尺一样，在地图底图上任取某一区域的面积和实际地球表面该区域的面积存在着一定的比例关系，但该区域的形状和方向同实际地球表面有一定的差异；
（3）正向
保证方向上的准确性，各区域经纬线都正交。
2.1.2 气象地图投影方法
不同的投影方式具有各不相同的变形特征。天气图的投影要求，首先要保证形状和方向正确，其次是保证面积正确。常用天气图底图投影方式有：
（1）墨卡托柱面投影
墨卡托柱面投影的气象图形主要应用于低纬度地区的热带天气分析。
（2）兰勃特正形圆锥投影
兰勃特正形圆锥投影的气象图形主要应用于中纬度地区的天气系统分析。
（3）极射赤面投影
极射赤面投影的气象图形主要应用于高纬度地区的大气环流分析。
2.2 气象图形显示的坐标变换方法
气象图形是矢量场、环流和各种物理量向量的分布，坐标平移、坐标旋转和坐标缩放是气象图形显示的基本变换方法[5]，借助于这三种变换方法可将气象图形上任一图形元素转换并显示到屏幕上。
任何一个气象图形都是由若干特征点连接而成，如风羽、规则曲线（如椭圆）和不规则曲线（如等值线）绘制是由若干点与线连接所组成。通过坐标变换将任何一种气象图形在空间中任意平移、缩放和旋转，构成代表多种气象意义的图形组合。
3.航海气象信息图形可视化表达
气象信息图形表达利用计算机对气象数据的可视化来增强人们对这一抽象信息的认知。可视化简化了人们对复杂实体和对象的认知过程，但对特定海洋地理空间或与之相关的特征和现象，其本质和规律的科学揭示必须借助于海洋地理特征的表达。依据海洋地理特征的描述方式，气象信息图形可视化分为静态图和趋势动态图两种表达方式[6]。
3.1 静态图
针对特征现象进行统计分析，通常采用固定的统计图表来表现。在海洋气象领域，使用较多的统计图表有折线图、柱状图、饼图、风玫瑰图等，其中饼图、风玫瑰图等是以地理海图为背景，这不仅能准确反映海域的空间分布特征，而且能突出不同观测数据之间的差异性。
3.2 趋势动态图
借助于色彩与符号的变化或依时间序列有序地展示，可以真实再现海洋气象特征随时间变化趋势或演变过程。在复杂海洋气象环境中，图形可视化是通过点要素、线要素和面要素等组合完成的。
（1）点要素
图2 台风移动路径可视化
点要素是一种最简单的信息数据，由空间坐标和若干地理属性特征组成，其变化是空间与属性信息的变化一般用运动线法表示，也可采用不同颜色或不同形状的符号来表示同一点要素在不同时刻的空间位置，图2是用点要素描述台风移动路径。
（2）线要素
线要素变化一般用不同线型表示，线的结构确定不同的线状，线的形状确定构成符号的线型。根据视觉变量理论，线状信息表达={坐标，线型，线宽，颜色}，其中坐标是确定图案在符号坐标系里的位置；线型是基本线型图案的样式，如直线、圆、曲线等；线宽是信息可视化表达符号的宽度；颜色为RGB（红、绿、蓝）的颜色。
（3）面要素
面要素表达采用点状属性信息可视化与线状空间信息可视化相结合的方法来实现。面状信息数据表达={范围，颜色，属性}，其中范围是指待描述的气象信息状态或趋势的范围；颜色是指待描述的气象信息变化的状态或趋势；属性是指待描述的气象信息的类型或值。在温度场中，温度变化可抽象为一个面状对象，利用颜色的渐变过程描述温度场温度变化的过程。
4.航海气象信息图形显示的计算机实现
气象图形显示是利用气象数据模型抽象来的信息在气象信息表达模型的支撑作用下，利用计算机程序语言将气象动态信息以图形形式显示来进行天气状态分析和趋势判断。实现计算机气象图形显示的主要过程如下：
（1）设想预期达到的显示效果
明确所要显示气象图形的特征、物理意义及精确度要求等，然后决定采用何种方法实现这一过程。以制作热带气旋路径及统计路径出现概率为例，该图形具有明确的天气意义，热带气旋中心的确定，如给出当前实况的位置或预报未来24h和48h的可能位置，都是以经纬度来表示的，因此对热带气旋定位的精确度要求很高，运用科学运算方法和可视化技术很容易达到目的。
（2）构建数据与属性模型
由于航海气象数据是描述海洋气象状态或发展趋势的不精确信息[7]，数据内容繁杂，格式多样。根据气象信息的特点和属性进行分类，构建数据与属性模型，抽象出同一类型的信息，然后利用图形表达模型的方式将不精确的信息显示出来。
（3）编写程序及调试运行
气象信息图形需要利用计算机程序语言来实现数据模型，将抽象出来的气象信息变成计算机识别的信息，利用气象信息的表达模型在计算机程序语言支持下形成图形并进行可视化显示。
5.结束语
航海气象信息图形显示是一个复杂的图形应用处理过程，虽然目前有很多气象图形处理软件（如GrADS、NCAR、Surfer等）可以完成复杂的气象图形转换，但其转换原理和方法是不公开的，故对于应用系统功能的内嵌是无法实现的。随着各种航海智能化预报系统的开发以及遥感、气象雷达等图形数据资料在气象业务中的广泛应用，航海气象信息图形可视化将具有更加广阔的应用前景。
参考文献：
[1]陈元琰,张晓竞.计算机图形学实用技术[M].北京:科学出版社,2000.
[2]王继志,汤桂生.气象图形显示原理与方法[M].北京:科学出版社,1991.
[3]伍荣生.现代天气学原理[M].北京:高等教育出版社,2002.
[4]孫达,蒲英霞.地图投影[M].南京:南京大学出版社,2005.
[5]夏一行,胡力,周泓,等.电子海图应用系统中坐标变换算法的研究[J].工程设计学报,2003,10(5),299-302.
[6]祝贵兵.基于ECDIS平台的气象信息处理技术研究[D].大连:大连海事大学,2008.
[7]陈登俊.航海气象学与海洋学[M].北京:人民交通出版社,2009.
[关键词] 航海气象 电子海图 地图投影 坐标变换 气象图形显示
0.引言
气象图形是天气分析的重要工具之一，气象图形可视化是一种现代化的天气预报手段。在航海气象业务中，常常需要将气象数据生成气象图形叠加在电子海图上进行信息处理。气象图形经过处理后，在计算机上进行可视化表达是有差异的，这与所选择的投影方式和坐标变换有本质的联系，选择最优的地图投影方法与进行准确的坐标变换是气象图形正确显示的关键。随着计算机图形处理技术在气象领域的广泛使用，传统的二维静态气象图形已发展为三维动态图形[1]，为此，大量气象数据需要进行图形显示，而复杂的气象图形显示则可以通过可视化技术来实现。
1.航海气象信息显示基本图形
图1 气压等值线绘制示意图
气象信息显示中常见的图形有直线、曲线和由直线或曲线组成的气象等值线，以及一些专用的气象符号等。
（1）直线
直线是气象图形中使用频率最高的元素之一。许多长短不同的直线可以组成不同的气象图形，如一个低压槽可由17条线段组成，如图1所示。
（2）曲线
气象图形中曲线绘制有两种基本类型：一种是规则曲线绘制，如圆、椭圆、抛物线等；另一种是不规则曲线绘制，如台风路径、等值线、流线等。在气象绘制问题中后一种类型较为常用，但不规则曲线绘制又是以规则曲线绘制为基础。所有气象图形都可以用解析式来表示[2]，因为任何一条曲线均由若干条直线组成，使用直线可以绘制出上述各类规则曲线。
2.航海气象信息图形投影与坐标变换
2.1 气象图形的地图投影法
地图投影是气象图形变换的方法之一。在气象图形中，地球上任意一点的位置是通过地理经、纬度值来定义的，都有精确的测量数据。因此，通过科学计算把各点经、纬度换算成直角网格坐标，再与计算机屏幕上的像素点建立一一对应关系。
2.1.1 地图投影的基本要求
地球是一个椭圆形球体，要把一个椭球体表面状态描绘在平面直角坐标上，且与地面的形状分布、面积大小完全相同是很困难的。地图投影的基本要求包括[4]：
（1）等角
在每一点上，经圈及纬圈的比例尺一样，地球上两交线间的交角保持不变，这样能保持原来地形的形状，这种要求只有在小区域地图投影中可以做到；
（2）等面积
各区域的比例尺一样，在地图底图上任取某一区域的面积和实际地球表面该区域的面积存在着一定的比例关系，但该区域的形状和方向同实际地球表面有一定的差异；
（3）正向
保证方向上的准确性，各区域经纬线都正交。
2.1.2 气象地图投影方法
不同的投影方式具有各不相同的变形特征。天气图的投影要求，首先要保证形状和方向正确，其次是保证面积正确。常用天气图底图投影方式有：
（1）墨卡托柱面投影
墨卡托柱面投影的气象图形主要应用于低纬度地区的热带天气分析。
（2）兰勃特正形圆锥投影
兰勃特正形圆锥投影的气象图形主要应用于中纬度地区的天气系统分析。
（3）极射赤面投影
极射赤面投影的气象图形主要应用于高纬度地区的大气环流分析。
2.2 气象图形显示的坐标变换方法
气象图形是矢量场、环流和各种物理量向量的分布，坐标平移、坐标旋转和坐标缩放是气象图形显示的基本变换方法[5]，借助于这三种变换方法可将气象图形上任一图形元素转换并显示到屏幕上。
任何一个气象图形都是由若干特征点连接而成，如风羽、规则曲线（如椭圆）和不规则曲线（如等值线）绘制是由若干点与线连接所组成。通过坐标变换将任何一种气象图形在空间中任意平移、缩放和旋转，构成代表多种气象意义的图形组合。
3.航海气象信息图形可视化表达
气象信息图形表达利用计算机对气象数据的可视化来增强人们对这一抽象信息的认知。可视化简化了人们对复杂实体和对象的认知过程，但对特定海洋地理空间或与之相关的特征和现象，其本质和规律的科学揭示必须借助于海洋地理特征的表达。依据海洋地理特征的描述方式，气象信息图形可视化分为静态图和趋势动态图两种表达方式[6]。
3.1 静态图
针对特征现象进行统计分析，通常采用固定的统计图表来表现。在海洋气象领域，使用较多的统计图表有折线图、柱状图、饼图、风玫瑰图等，其中饼图、风玫瑰图等是以地理海图为背景，这不仅能准确反映海域的空间分布特征，而且能突出不同观测数据之间的差异性。
3.2 趋势动态图
借助于色彩与符号的变化或依时间序列有序地展示，可以真实再现海洋气象特征随时间变化趋势或演变过程。在复杂海洋气象环境中，图形可视化是通过点要素、线要素和面要素等组合完成的。
（1）点要素
图2 台风移动路径可视化
点要素是一种最简单的信息数据，由空间坐标和若干地理属性特征组成，其变化是空间与属性信息的变化一般用运动线法表示，也可采用不同颜色或不同形状的符号来表示同一点要素在不同时刻的空间位置，图2是用点要素描述台风移动路径。
（2）线要素
线要素变化一般用不同线型表示，线的结构确定不同的线状，线的形状确定构成符号的线型。根据视觉变量理论，线状信息表达={坐标，线型，线宽，颜色}，其中坐标是确定图案在符号坐标系里的位置；线型是基本线型图案的样式，如直线、圆、曲线等；线宽是信息可视化表达符号的宽度；颜色为RGB（红、绿、蓝）的颜色。
（3）面要素
面要素表达采用点状属性信息可视化与线状空间信息可视化相结合的方法来实现。面状信息数据表达={范围，颜色，属性}，其中范围是指待描述的气象信息状态或趋势的范围；颜色是指待描述的气象信息变化的状态或趋势；属性是指待描述的气象信息的类型或值。在温度场中，温度变化可抽象为一个面状对象，利用颜色的渐变过程描述温度场温度变化的过程。
4.航海气象信息图形显示的计算机实现
气象图形显示是利用气象数据模型抽象来的信息在气象信息表达模型的支撑作用下，利用计算机程序语言将气象动态信息以图形形式显示来进行天气状态分析和趋势判断。实现计算机气象图形显示的主要过程如下：
（1）设想预期达到的显示效果
明确所要显示气象图形的特征、物理意义及精确度要求等，然后决定采用何种方法实现这一过程。以制作热带气旋路径及统计路径出现概率为例，该图形具有明确的天气意义，热带气旋中心的确定，如给出当前实况的位置或预报未来24h和48h的可能位置，都是以经纬度来表示的，因此对热带气旋定位的精确度要求很高，运用科学运算方法和可视化技术很容易达到目的。
（2）构建数据与属性模型
由于航海气象数据是描述海洋气象状态或发展趋势的不精确信息[7]，数据内容繁杂，格式多样。根据气象信息的特点和属性进行分类，构建数据与属性模型，抽象出同一类型的信息，然后利用图形表达模型的方式将不精确的信息显示出来。
（3）编写程序及调试运行
气象信息图形需要利用计算机程序语言来实现数据模型，将抽象出来的气象信息变成计算机识别的信息，利用气象信息的表达模型在计算机程序语言支持下形成图形并进行可视化显示。
5.结束语
航海气象信息图形显示是一个复杂的图形应用处理过程，虽然目前有很多气象图形处理软件（如GrADS、NCAR、Surfer等）可以完成复杂的气象图形转换，但其转换原理和方法是不公开的，故对于应用系统功能的内嵌是无法实现的。随着各种航海智能化预报系统的开发以及遥感、气象雷达等图形数据资料在气象业务中的广泛应用，航海气象信息图形可视化将具有更加广阔的应用前景。
参考文献：
[1]陈元琰,张晓竞.计算机图形学实用技术[M].北京:科学出版社,2000.
[2]王继志,汤桂生.气象图形显示原理与方法[M].北京:科学出版社,1991.
[3]伍荣生.现代天气学原理[M].北京:高等教育出版社,2002.
[4]孫达,蒲英霞.地图投影[M].南京:南京大学出版社,2005.
[5]夏一行,胡力,周泓,等.电子海图应用系统中坐标变换算法的研究[J].工程设计学报,2003,10(5),299-302.
[6]祝贵兵.基于ECDIS平台的气象信息处理技术研究[D].大连:大连海事大学,2008.
[7]陈登俊.航海气象学与海洋学[M].北京:人民交通出版社,2009.