基于粒子系統的三維氣象符號系統設計與實現

劉 誠，柳青揚，張開碩，劉小情，黃麗娜

（1.武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430072）

氣象指某一區域大氣在一定時間內的狀態和現象。現階段，氣象主要采用二維形式以平面地圖為背景進行符號化表達。隨著空間數據分析與顯示技術的不斷發展，傳統的二維地圖已經在向三維地圖進行轉變，符號的載體也應由二維的圖形符號擴展為三維甚至多維符號。

對于氣象現象的三維表達，國內外已有許多學者開展了相關研究。研究成果主要集中在仿真模擬的理論和技術方面。陶建新[1]在Unity3D平臺上利用粒子系統和Kinect設備實現了龍卷風的模擬和實時交互控制；刑峰等[2]基于WebGL技術實現了動態云景的模擬；龔琳等[3]基于粒子系統、變形球模型等實現了三維云模型的建模和繪制；劉偉[4]研究了基于立體圖像對云的表面的三維重建技術；范暉[5]基于OpenGL實現了氣象雷達降水回波三維圖形的構建與處理。然而，他們的工作大都面向氣象領域內的應用，強調模擬的逼真性。楊軍等[6]利用ArcGIS Explorer二次開發工具和OGC KML建成了三維GIS氣象綜合業務服務系統；張學全等[7]開發了三維氣象GIS平臺，但他們的三維氣象平臺仍以二維氣象符號為主，在三維氣象符號方面還有很大的改進空間?？v觀現有的氣象可視化研究成果，一方面針對某一種天氣現象，力求直觀、形象地表現其動態特性，而天氣現象的氣象學屬性及空間分布特征，則僅是通過仿真模擬的視覺效果間接表達，并沒有形成三維符號；另一方面針對氣象數據與GIS的結合，使用的三維符號較少且符號設計沒有形成系統，多數是簡單的三維氣象模型，而參照地圖符號的設計，三維氣象符號不是三維氣象模型，而應是視覺形象的抽象體，強調簡潔性、邏輯性、抽象化與形象化均衡。因此，如何通過視覺元素顯式表示天氣的氣象學特征并系統地實現其三維符號化，仍然有待探究。

實現顧及氣象學特征的三維氣象符號化，需要回答兩個問題：一是表示哪些氣象特征，二是如何通過視覺元素將這些氣象特征表示出來。根據影響范圍和形成機理的不同，氣象特征可分為霜、凍、冰等微觀表征，云、雨、霧等為中觀表征，氣候區、氣壓帶等宏觀表征。建立描述氣象特征的語義邏輯系統是進行氣象符號化表達的基礎。另一方面，相比于地物、地質地貌現象等具體形狀較為固定、變化較為規律的現象，氣象現象具有外形不規則、邊緣模糊等特點，因此，設計和實現不確定性現象的符號模型是氣象符號化的關鍵。針對上述問題，本文首先通過對氣象特征進行語義邏輯分解，設計氣象的符號可視化元素，在此基礎上，采用粒子系統技術對邊界模糊的氣象現象進行三維可視化，探究三維氣象符號化表達的技術和方法。

1 三維氣象符號設計的基本思路

1.1 氣象現象的可視化元素解析

根據符號理論[8]，地圖符號的設計被分為語義模型設計、圖形形式設計和符號生成規則設計三部分。 三者分別對應表達對象語義特征的提取收集、符號基本圖形形式系統的設計搭建，以及基本圖形形式和語義特征相互對應關系的確定。

本文根據具體制圖需求，分別使用按尺度大小分類、按形成機理分類的方法對各種現象進行邏輯分類，如圖1所示。氣象現象可以按照尺度分為三個大類，而后可以根據有關概念進一步細分，最后形成一個 三級分級體系。

圖1 氣象現象概念體系

根據圖1對氣象現象進行語義分解和符素設計，得到基本符號素體系如表1所示。

表1 氣象現象的基本符號元素及圖形示例

1.2 氣象的三維符號化設計

為了形象地表示上述氣象現象，本文采用粒子系統對氣象符號元素進行設計和制作。粒子系統的基本思想是使用計算機隨機生成眾多粒子來模擬邊緣模糊的現象。因此，利用粒子系統技術可以有效表達三維立體、邊界模糊的氣象視覺特征。

1）形狀設計。氣象現象的形狀設計方法由表達對象的特點來決定。對于氣團、云系等具有大致輪廓的氣象現象，常用粒子源的形狀來控制粒子系統整體的形狀，設置粒子在粒子源內部各處均可產生，并且限制粒子的移動，可模擬出大致形狀；對于雨、雪等形狀不定的氣象現象，則要綜合使用粒子的尺寸、最大數量等參數進行表達，比如，可以通過設置不同的尺寸和最大數量來表示雨雪天氣的惡劣程度。

以逗點狀云系為例，可先制作出逗點狀的網格模型作為粒子源，然后使粒子在粒子源內部生成，得到整體輪廓確定，而細節邊界模糊的效果。

2）顏色設計。氣象符號的顏色設計有兩種情況，一種是要模擬氣象現象本身的顏色，另一種是為了強調氣象現象的某些屬性而設定的顏色，例如，為了區分鋒面系統中氣團的性質，把冷氣團設定為藍色，把暖氣團設定為紅色。

3）尺寸設計。對于簡單建模形成的符號，如氣壓帶，可以直接修改符號的尺寸屬性。對于復合粒子系統，則要單獨調整每個粒子系統中粒子源和粒子的尺寸。

4）變化速度設計。粒子系統的變化涉及到粒子的顏色、尺寸等多種屬性，常用粒子在一個生命周期內的變化表示，在Unity3D中，這種連續性的變化用Gradient變量或Curve變量儲存起來，可以通過調整關鍵點的位置、數量和屬性，來控制變化的整體 效果。

Gradient變量通過在生命周期內的不同時間點設置不同色值和透明度，可以實現粒子的顏色漸變，通過控制關鍵點的個數和位置，可以調整變化的速率。

Curve變量將粒子的屬性值看作一條光滑的曲線，用戶可以在粒子的生命周期內插入多個控制點，通過調整每個點處的法線方向和位置來調整粒子系統變化的各種細節。

5）運動軌跡設計。在Unity3D中，粒子的運動軌跡可以用多種方式表示。簡單的運動，可以直接設置粒子的初始運動方向、速度等參數，還可使用多個Curve變量來表示粒子在一個生命周期內的運動軌跡變化。對于較復雜的運動軌跡，可以在粒子系統中加入風場，讓粒子受風力作用發生運動。為實現粒子運動的隨機性，還可以為粒子的運動設置噪聲，使之能在整體趨勢確定的情況下進行一定程度的隨機 變化。

2 三維氣象符號設計的具體實現

根據前述三維氣象符號設計的基本原理和方法，筆者采用Unity3D軟件平臺制作了三維動態氣象符號模型。以鋒面系統為例，具體實現過程如圖2所示。

圖2 鋒面系統符號設計流程

第一步，根據對鋒面系統這一概念進行語義分析，剖解語義特征。

第二步，從符素庫中提取對應的符素，聯系符素和語義特征詞匯，根據需要進行適當調整。

第三步，根據前面分析得到的語義關系，將符素組合在一起，得到符號原型。最后對符號原型進行整飾，直到符合要求。

下面以鋒面系統的符號確定為例，具體闡述由內涵語義關系決定的符素組合的過程。

2.1 剖解語義特征

如表1所述，拆分鋒面系統的概念，可以得到如下語義特征：

鋒面系統-[氣團]+[移動方向]+[鋒面]+[鋒線]

其中，冷暖氣團和整個鋒面系統的移動方向是該天氣現象的主體，鋒面和鋒線是依托氣團的相互運動而存在的假想概念。鋒面位于氣團的交界面處，鋒線為鋒面與地面的交線。

2.2 符素的制作與調整

對符素庫中涉及到的符素進行重制和調整，使之更適合要表達的對象。

在Unity3D中用粒子系統創建出氣團。將粒子發射器的形狀設為半球形，合理調整粒子的大小、形狀和生命周期等參數，用紅色和藍色來區分氣團的冷暖，用三維箭頭模型來表示強勢氣團的運動趨勢，箭頭的顏色與強勢氣團的顏色一致。

鋒面和鋒線則可以直接使用庫中已有符素，在Unity3D中創建面，將已有的符素作為貼圖賦給面對象。

2.3 符素組合

根據鋒面系統語義特征之間的聯系，將對應的符素組合到一起。適當調整符素間的相對位置和角度，得到鋒面系統的三維符號，如圖3所示。

圖3 部分成果展示

這些三維動態氣象符號均以粒子系統為主體，部分符號配以箭頭等輔助要素。簡單的氣象現象如積云，本身就可以看作是一個符素；較為復雜的氣象現象，如積雨云，可以看作是云層、氣流運動、雷電和降雨等的組合。

以冷鋒為例，構建三維地形場景，在場景中配置氣象符號，如圖4所示，該場景配置了冷鋒的鋒面、鋒線、鋒的移動方向符號、氣流運動方向以及鋒面雨符號。為表現冷鋒云系縱向的發展，從鋒前到鋒后依次配置了積雨云和細胞狀云系。

圖4 場景實例展示

在鋒面場景實驗中，粒子系統對云、雨、霧等的表達達到了三維符號的基本要求，偏向仿真；鋒面、鋒線等在場景中可視化效果較好，偏向抽象。各符號的有效配置，能夠簡潔直觀地表現鋒面系統的天氣現象。實驗驗證，這一套三維氣象符號達到了設計的預期目標。

3 結 語

依據目前對三維氣象符號的需求，對氣象現象進行邏輯分類，設計一套三維氣象符號體系，并通過粒子系統實現氣象現象的三維動態符號化表達。該符號體系實現了簡潔性、邏輯性、抽象化與形象化均衡的特征，為氣象現象的三維表達以及與GIS的結合等問題提供了一種解決辦法。需要注意到這一符號體系尚有欠缺，如小尺度集成效果欠佳、面向使用者的交互較少等。這些問題將隨著本研究的深入得到逐步的解決。