动态展示区域空气质量和气象场的方法
【专利摘要】本发明公开了一种动态展示区域空气质量和气象场的方法，包括：获取空间分布渲染图；模拟气象场；选取任一正方形网格点的任一边上的任一点作为初始流线质点，以初始流线质点确定下一流线质点，并对下一流线质点所经过的正方形网格点进行再次分割，依次类推，直至绘制出单个时间片上的流线；重复上述步骤绘制出多条流线，以生成静态气象场；采用轨迹跟踪法生成动态气象场；对动态气象场进行可视化表达；对空间分布渲染图和动态气象场进行三维动态叠加展示。与现有技术相比，本发明有效地提高了流线图的密度和精度，使得所绘制出的流线图更加平滑美观，且增加了风场矢量的旋转性，避免了流线分析中漩涡环流时所产生的遗漏，对流线场表达更为真实。
【专利说明】动态展示区域空气质量和气象场的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及区域空气质量展示【技术领域】，更具体地涉及一种动态展示区域空气质量和气象场的方法。
【背景技术】
[0002]由于大气的流动性，大气中污染物浓度的分布并非孤立的，监测点与监测点之间、城市与城市之间的污染物浓度都存在一定的相互关系。而气象场(主要指风速与风向)则是重要的影响因素之一。因此，耦合气象场的区域空气质量展示可从两个层面来考虑:(一)在直接展示层面(静态)，即在同一时间尺度上，同时展示出区域空气质量和风速及风向，且与此同时气象场信息作为影响因素之一纳入到IDW算法中，进行精度更高的空间插值计算；(二)在不同时间尺度上，气象场与该区域空气质量空间分布的多维集成展示(动态)，从而可明显观察出同一区域的多个属性变化特征及各属性之间的相互作用。
[0003]具体地，现有实现上述耦合气象场的区域空气质量展示的方法包括如下步骤:
[0004]S101，对监测点位数据进行区域浓度插值，以获取该区域各污染物的空间分布渲染图；具体地，使用现有的一种空间插值算法，如IDW、Kriging或改进的空间插值算法，对珠三角现有的62个站点监测点位数据进行区域浓度插值，获取该区域内SO2与PM2.5的空间分布渲染图；
[0005]S102，将风矢量数据在正方形网格点场上作风矢量转化的基础上，从网格点场的每个正方形边上搜寻流线质点，将多个流线质点连接以获得气象场流线；具体地，根据中尺度气象模式MM5模拟珠三角区域气象场(该气象场包括多个正方形网格点)，基于流体力学中流线的概念(用来描述流场中某一时刻不同质点流动方向的曲线，揭示了该时刻不同流体质点的运动方向，线上任一点的切线方向与该点在该时刻的速度矢量方向一致)，结合其物理连续分布特征，采用一种流线客观分析方法，基于风场格点u/v分量数据直接跟踪绘制流线，即将风矢量数据在正方形网格点场上作风矢量转化的基础上，从网格点场的每个正方形边上搜寻每条流线的流线质点，并将其连接，进一步做平滑处理，最终绘制获得较光滑的流线曲线；
[0006]S103，对流体质点进行轨迹跟踪；具体地，要动态展示气象场的时空演变过程，还需要对流体质点在时间域上进行轨迹跟踪；因此，假定每个时间片上的风场为定常场，故有流线与迹线重合，当进入下一个时间片后，以上一个运动轨迹终点作为起始点，跟踪相应时刻的流线，直至流出所关注的区域，便可获得流体质点在时间域和空间域中的运动轨迹；
[0007]S104，动态展示区域各污染物的空间分布渲染图及气象场；具体地，上述流线分析方法及质点轨迹跟踪法，虽然为空气质量(污染物空间分布渲染图)和气象场的动态展示提供了计算基础，但是，在时态GIS中实现二者的同步动态展示，还需要解决三维时空数据模型建立、动态可视化及时空过程模拟等关键问题。然而，在现有的实现二者同步动态展示方法中，并未解决三维时空数据模型建立及时空过程模拟等问题。而现有的动态可视化方法仅局限于二维的表达，缺乏时空数据的三维动态可视化。[0008]综上，上述耦合气象场的区域空气质量展示的方法存在以下缺陷:
[0009](一)未将气象场信息作为影响因素之一纳入对监测点位数据进行区域浓度插值算法中，所获取的污染物空间分布渲染图效果欠佳；
[0010](二)上述流线分析方法直接在网格点风矢量场上作流线分析，以获得单个时间片上的风场流线图，其结果并不理想；由于上述方法只考虑了正方形网格点的一个边的两个端点的风矢量，而忽略了正方形另外两个方向的风矢量，且绘制出的流线图密度可能较低，精度不够，缺乏旋转性；
[0011](三)动态展示区域各污染物的空间分布渲染图及气象场时，并未解决三维时空数据模型建立及时空过程模拟等问题，且缺乏时空数据的三维动态可视化。
[0012]因此，急需一种改进的动态展示区域空气质量和气象场的方法来克服上述缺陷。
【发明内容】
[0013]本发明的目的是提供一种动态展示区域空气质量和气象场的方法，以提高流线图绘制的密度及精度，增加风场矢量的旋转性。
[0014]为实现上述目的，本发明提供了一种动态展示区域空气质量和气象场的方法，包括:
[0015]S1:对监测点位数据进行浓度插值，以获取区域内各种污染物的空间分布渲染图；
[0016]S2:采用中尺度气象模式MM5模拟高精度的区域气象场，所述区域气象场包括多个正方形网格点；
[0017]S3:选取任一所述正方形网格点的任一边上的任一点作为初始流线质点，以所述初始流线质点确定下一流线质点，并对下一所述流线质点所经过的所述正方形网格点进行再次分割，依次类推，直至确定出所述气象场内单个时间片上的所有流线质点，连接所有流线质点以绘制出气象场单个时间片上的流线；
[0018]S4:重复S3以绘制出所述气象场多个时间片上的多条流线，以生成静态气象场；
[0019]S5:采用轨迹跟踪法获取所述流体质点在时间域和空间域中的运动轨迹以生成动态气象场；
[0020]S6:对所述动态气象场进行可视化表达；
[0021]S7:对所述污染物的空间分布渲染图和所述动态气象场进行三维动态叠加展示，以实现区域空气质量和所述气象场的动态展示。
[0022]与现有技术相比，本发明选取任一正方形网格点的任一边上的任一点作为初始流线质点，以初始流线质点确定下一流线质点，并对下一流线质点所经过的正方形网格点进行再次分割，依次类推，直至确定出气象场内单个时间片上的所有流线质点，连接所有流线质点以绘制出气象场单个时间片上的流线；采用上述方法确定流线质点，有效地提高了所绘制出的流线图的密度和精度，使得所绘制出的流线图更加平滑美观，且增加了风场矢量的旋转性，避免了流线分析中漩涡环流时所产生的遗漏，对流线场表达更为真实。
[0023]具体地，S3中以所述初始流线质点确定下一流线质点具体包括:
[0024]S31:根据空间几何知识求取所述初始流线质点P的矢量P:
[0025]p = {up, vp) = i，a + j V) = f)，
=(JM cos Θ + JN cos ψ, iM sin0 十 /Wsinp)
[0026]其中，所选取的任一所述正方形网格点为AB⑶，所述初始流线质点P位于AB边上，点A、B及P的坐标分别为(X1, J1), (x2, J2)及(X。，J0), Θ ,沪表示A、B两点的风向角度，M、N表示A、B矢量的模，
[0027]i = (X0-X2) / (X1-X2)
[0028]j = (X1-X0) / (X1-X2);
[0029]S32:根据所述矢量P确定下一流线质点的出口位置及方向。
[0030]具体地，S4具体包括:
[0031]S41:以S3中所绘制的所述流线为初始流线；
[0032]S42:对所述初始流线所经过的所述网格点进行标记；
[0033]S43:按照S3的方法绘制下一条所述流线时，判断当前所述流线质点所经过的网格点是否被标记；
[0034]S44:根据判断结果继续按照S3的方法寻找下一所述流线质点，或将当前所述流线质点作为下一条所述流线的终点。
[0035]具体地，S5具体包括:
[0036]S51:根据所述中尺度气象模式模拟得到的风场源数据提取研究区域内每个所述正方形网格点的风速及风向信息；
[0037]S52:根据所述研究区域和网格间距计算每个所述正方形网格点的中心点坐标；
[0038]S53:根据所述风速、风向及中心点坐标以S3的方法确定出单个时间片上各条流线的所述流线质点，再结合所述风速绘制质点运动流线，并记录每条所述质点运动流线的
H占.广、>、、、?
[0039]S54:以每条所述质点运动流线的终点作为起点，计算连续时间片上的质点运动轨迹，以绘制出不同时间片上的所述流线质点的迹线图，并保存数据。
[0040]具体地，S6具体包括:
[0041]S61:建立所述动态气象场的三维时空数据模型；
[0042]S62:对所述动态气象场进行动态可视化表达；
[0043]S63:基于粒子系统对所述动态气象场进行时空过程模拟。
[0044]具体地，S61具体包括:
[0045]根据所述动态气象场获取气象场数据，所述气象场数据包括空间源数据、时间源数据及属性数据；
[0046] 对所述气象场数据进行参考统一化；
[0047]根据参考统一化后的所述气象场数据建立所述动态气象场的三维时空数据模型。
[0048]具体地，所述空间源数据包括空间坐标及地理信息，所述时间源数据包括描述过程的时间、流线/迹线的开始、消失时间、所述流体质点出现时间、运动时间及消失时间，所述属性数据包括风向及风速。
[0049]优选地，在本发明的一优选实施例中，S4之后还包括:
[0050]删除所述静态气象场内的短流线以形成空白区域；
[0051]按照S3的方法在所述空白区域内绘制所述流线以实现对所述空白区域的填充。[0052]具体地，删除所述静态气象场内的短流线以形成空白区域具体包括:
[0053]判断任一所述流线的流线质点是否达到预设个数；
[0054]根据判断结果删除或保留所述流线。
[0055]具体地，按照S3的方法在所述空白区域内绘制所述流线以实现对所述空白区域的填充之后还包括:
[0056]对所述静态气象场内的多条所述流线进行类交叉处理。
[0057]具体地，对所述静态气象场内的多条所述流线进行类交叉处理具体包括:
[0058]以所述静态气象场中的任一所述流线的任一点作为起始点，同时向所述流线的前进方向及相反方向寻找经过所述起始点的流线，并连接所有所寻找到的所述流线。
[0059]较佳地，SI具体为:
[0060]将气象场信息作为影响因素之一对所述监测点位数据进行浓度插值。
[0061]通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0062]图1为本发明动态展示区域空气质量和气象场的方法一实施例的流程图。
[0063]图2为珠三角SO2的空间分布渲染图。
[0064]图3为珠三角PM2.5的空间分布渲染图。
[0065]图4为空气质量空间分布与气象场的静态耦合图。
[0066]图5为正方形网格边上求解流线质点的示意图。
[0067]图6为流线绘制中求解下一流线质点的示意图。
[0068]图7为更替式分割正方形网格点的示意图。
[0069]图8为图1中S4的子流程图。
[0070]图9为跟踪流线质点时的动态切换示意图。
[0071]图10为图1中S8的子流程图。
[0072]图11为图1中S9的子流程图。
[0073]图12为图11中S91的子流程图。
[0074]图13为区域空气质量和气象场的动态展示图。
【具体实施方式】
[0075]现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
[0076]请参考图1，本发明动态展示区域空气质量和气象场的方法具体包括以下步骤:
[0077]S1:将气象场信息作为影响因素之一对监测点位数据进行浓度插值，以获取区域内各种污染物的空间分布渲染图；具体地，以珠三角为研究区域，将气象场信息作为影响因素之一纳入到IDW算法中，对珠三角现有的62个站点监测点位数据进行精度更高的空间插值计算，可以使得所获取的该区域内的各种污染物的空间分布渲染图效果更好；以8月24日SO2与PM2.5污染物为例，由于该时间段的污染状态较轻，为更清晰的体现污染物浓度的分布状况，下面采用较为细致的配色方案对该日的污染物空间分布进行表达，如图2、3所示。
[0078]S2:采用中尺度气象模式MM5模拟高精度的区域气象场，区域气象场包括多个正方形网格点；具体地，所模拟的区域气象场与空气质量分布图耦合后如图4所示，图中的风场数据网格精度为l*lkm，该网格精度可根据具体情况进行调整。
[0079]S3:选取任一正方形网格点的任一边上的任一点作为初始流线质点，以初始流线质点确定下一流线质点，并对下一流线质点所经过的正方形网格点进行再次分割，依次类推，直至确定出气象场内单个时间片上的所有流线质点，连接所有流线质点以绘制出气象场单个时间片上的流线。
[0080]具体地，如图5所示，首先，定义流线与正方形边上的交点为流线质点，假设对于珠三角区域现存有l*lkm共100*100个正方形网格点，对于其中一个正方形方格AB⑶，以该方格作为讨论的起点，其AB边上的P点为某一点流线的流线质点，那么根据A Cx1, Y1),B (x2，yi)两点的风向角度与风速信息，可计算出点P (X()，y。)的风速风向信息。用a，b分别表示A、B对应的风矢量，Θ ,供表示A、B两点的风向角度，M、N表示A、B矢量的模,那么通过分解风矢量a、b可得出下式:
[0081]对于矢量a:a = (uA, vA) = (Mcos θ，Msin θ )
[0082]对于矢量h\ b = (ιικ,νκ) = (Μ cosφ, M sin φ)
[0083]由于Α、Β两点位于正方形网格的同一条边上，那么假设1、j:
[0084]i = (X0-X2) / (X1-X2)
[0085]j = (X1-X0) / (X1-X2)
[0086]根据空间解析几何知识，则有P点的矢量P:
[0087]
【权利要求】
1.一种动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，包括: S1:对监测点位数据进行浓度插值，以获取区域内各种污染物的空间分布渲染图； 52:采用中尺度气象模式MM5模拟高精度的区域气象场，所述区域气象场包括多个正方形网格点； 53:选取任一所述正方形网格点的任一边上的任一点作为初始流线质点，以所述初始流线质点确定下一流线质点，并对下一所述流线质点所经过的所述正方形网格点进行再次分割，依次类推，直至确定出所述气象场内单个时间片上的所有流线质点，连接所有流线质点以绘制出气象场单个时间片上的流线； 54:重复S3以绘制出所述气象场多个时间片上的多条流线，以生成静态气象场； S5:采用轨迹跟踪法获取所述流体质点在时间域和空间域中的运动轨迹以生成动态气象场； 56:对所述动态气象场进行可视化表达； 57:对所述污染物的空间分布渲染图和所述动态气象场进行三维动态叠加展示，以实现区域空气质量和所述气象场的动态展示。
2.如权利要求1所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，S3中以所述初始流线质点确定下一流线质点具体包括: 531:根据空间几何知识求取所述初始流线质点P的矢量P:
3.如权利要求1所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，S4具体包括: 541:以S3中所绘制的所述流线为初始流线； 542:对所述初始流线所经过的所述网格点进行标记； 543:按照S3的方法绘制下一条所述流线时，判断当前所述流线质点所经过的网格点是否被标记； 544:根据判断结果继续按照S3的方法寻找下一所述流线质点，或将当前所述流线质点作为下一条所述流线的终点。
4.如权利要求1所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，S5具体包括: 551:根据所述中尺度气象模式模拟得到的风场源数据提取研究区域内每个所述正方形网格点的风速及风向信息； 552:根据所述研究区域和网格间距计算每个所述正方形网格点的中心点坐标；553:根据所述风速、风向及中心点坐标以S3的方法确定出单个时间片上各条流线的所述流线质点，再结合所述风速绘制质点运动流线，并记录每条所述质点运动流线的终占.554:以每条所述质点运动流线的终点作为起点，计算连续时间片上的质点运动轨迹，以绘制出不同时间片上的所述流线质点的迹线图，并保存数据。
5.如权利要求1所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，S6具体包括: 561:建立所述动态气象场的三维时空数据模型； 562:对所述动态气象场进行动态可视化表达； 563:基于粒子系统对所述动态气象场进行时空过程模拟。
6.如权利要求5所述的动态展示空气质量和气象场的方法，S61具体包括: 根据所述动态气象场获取气象场数据，所述气象场数据包括空间源数据、时间源数据及属性数据； 对所述气象场数据进行参考统一化； 根据参考统一化后的所述气象场数据建立所述动态气象场的三维时空数据模型。
7.如权利要求6所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，所述空间源数据包括空间坐标及地理信息，所述时间源数据包括描述过程的时间、流线/迹线的开始、消失时间、所述流体质点出现时间、运动时间及消失时间，所述属性数据包括风向及风速。
8.如权利要求1至7任一项所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，S4之后还包括: 删除所述静态气象场内的短流线以形成空白区域； 按照S3的方法在所述空白区域内绘制所述流线以实现对所述空白区域的填充。
9.如权利要求8所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，删除所述静态气象场内的短流线以形成空白区域具体包括: 判断任一所述流线的流线质点是否达到预设个数； 根据判断结果删除或保留所述流线。
10.如权利要求8所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，按照S3的方法在所述空白区域内绘制所述流线以实现对所述空白区域的填充之后还包括:对所述静态气象场内的多条所述流线进行类交叉处理。
11.如权利要求10所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，对所述静态气象场内的多条所述流线进行类交叉处理具体包括: 以所述静态气象场中的任一所述流线的任一点作为起始点，同时向所述流线的前进方向及相反方向寻找经过所述起始点的流线，并连接所有所寻找到的所述流线。
12.如权利要求1所述的动态展示区域空气质量和气象场的方法，其特征在于，SI具体为: 将气象场信息作为影响因素之一对所述监测点位数据进行浓度插值。
【文档编号】G01W1/00GK103472502SQ201310429292
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】徐伟嘉, 李红霞, 何芳芳, 郑镇华 申请人:中山大学