氣象數據可視化｜在GIS中讀懂變化無常的天氣
隨著人類社會的發展與科技進步，氣象信息作為基礎的支持信息，已經與我們社會的各行各業形成密不可分的聯系。氣象服務工作需要通過氣象數據了解當下和未來的天氣狀況，從而指導我們的生產和生活。
然而，原始的氣象數據具有極強的專業性，普通大眾很難直接讀懂這些數據，即使可以看懂，但枯燥的數據也不利于用戶直接獲取信息，于是對氣象數據的可視化要求應運而生，而B/S架構因其輕量化、跨平臺性強等優勢，更是受到用戶的青睞。
氣象可視化的應用
△ 圖片來源于：國家氣象信息中心
01
氣象數據以空間分布方式可分為兩種：站點數據和格點數據。站點數據即在觀測站實測到的數據；格點數據則為有規律的空間排布的數據，一般來說是經度-緯度-高度（或氣壓）-時間的格點。
在實際應用中，離散的站點數據不利于可視化與分析，不能完全真實地代表區域氣候變化的特征，氣象預測面臨著諸多限制。所以，有時我們利用空間插值技術將離散的站點數據轉化為空間連續、規則的網格點序列，從而有效地反映氣候要素的空間信息。
恒歌科技針對部分氣象數據，基于WebGL技術，通過圖表、動畫、等值線與色斑圖等形式，實現氣象大數據可視化平臺，可以靈活、快捷地構建二三維地圖場景，實現氣象數據的多維瀏覽，幫助用戶更好地理解氣象數據，提高對天氣的監測、預測水平的同時也提供判斷依據。
02
風流場
物理學中把某個物理量在空間的一個區域內的分布稱為場。風場，即在風（氣壓差）的作用下空氣流動形成的場。全球風場數據主要來自地面觀測站和海洋浮標等基站的氣象觀測報告，以及根據一些衛星攜帶的散射計的測量數據推演出的風場模型。FreeXGIS團隊基于氣象格點數據實現了風場流向圖。
通常，瀏覽器實現這種效果依賴于canvas繪制，大致實現思路如下：
1. 在屏幕上生成一組隨機粒子位置并繪制；
2. 對于每個粒子，查詢數據以獲取其當前位置的粒子速度，并相應地移動它；
3. 將一小部分粒子重置到隨機位置，這樣可以確保風吹走的區域永遠不會完全變空；
4. 逐漸淡出當前屏幕，并在頂部繪制新定位的粒子。
但這樣做有很大的性能限制：因為數據處理的整個過程在CPU進行，每次更新數據或視圖都會有很大的延遲，所以風粒子的數量受到一定限制，無法達到很好的渲染效果。
恒歌科技基于WebGL技術，結合氣象數據，通過圖表、動畫、等值線與色斑圖等形式，實現了氣象數據的可視化，能夠靈活、快捷地構建二三維地圖場景，實現氣象數據的多維瀏覽，幫助用戶更好地理解氣象數據，提高對天氣的監測、預測水平的同時也提供判斷了依據。
03
風矢場
風矢是用來表示風向、風速的符號，由風向桿、風羽組成，通常由各氣象站測得。風向桿指明風的來向，表示為一根豎線，風向常用8個方位（東、東南、南、西南、西、西北、北、東北）表示；風羽分別用長劃線和短劃線或者與風三角組合的方式表示風速的大小，垂直于風向桿末端順時針向一側（北半球）。一條長劃線表示4米/秒，一條短劃線表示2米/秒（風三角表示20米/秒）。下圖即北風39-40米/秒的風矢示意圖。
我們根據全國站點數據，在站點位置繪制風矢，從而形成風矢圖。每個風矢主要包括風向、風速數據以及一些屬性信息（如顏色、大小等）。實現方式為先在canvas上繪制生成圖片，再分別添加到二三維地圖場景中進行渲染。
04
氣溫色斑圖
色斑圖是對某種氣象要素（氣溫、氣壓、降雨量等）的一種表現形式。結合色帶，按照一定的量級通過不同的顏色來劃分，方便用戶對整體區域天氣變化情況的直觀掌握。
我們基于全球氣溫格點數據進行繪制，將數據以紋理的形式交給GPU，并傳入不同區間的顏色要求。片元著色器得到當前片元的世界坐標后，通過紋理取得當前位置的氣溫值，與色帶對比，從而渲染出相應顏色。需要注意的是，為了保證用戶的使用體驗和視覺美觀，團隊使用漸變配色，對于不存在固定值的片元，獲取當前片元前后位置的數據，插值得到對應的溫度和顏色，從而實現顏色的平滑過渡。
