数据可视化反演软件Vis5D简介

数据可视化反演软件Vis5D简介

谢　逸 乔云亭

(民航中南空管局气象中心　510405)(中山大学大气科学系　510275) Vis5D是一个用于把数值预报模式的产

品数据进行可视化显示的软件。自从80

年代

后期开发并投入使用以来,经过十多年的发展完善,如今已成为一个功能强大,可运行于多种操作平台的图形显示系统,广泛应用于各种气象数值预报模式,成为广大气象科研工作者得力的辅助工具。

1　Vis5D的发展与特点

Vis5D110版本是由美国威斯康星大学空间科学与工程中心开发,运行于Stellar GS -1000,1988年12月首先应用于欧洲中期天气预报中心(ECMWF),当时的Vis5D可以对多元三维网格进行等值面动画、水平等值线分析、风轨迹反演,并可叠加世界区域的地形图。在这以后的十多年间,Vis5D迅速得到发展和完善,逐步成为一种可运行于多种工作平台、兼容不同数值预报模式产品数据、功能强大的应用软件。与另外一种目前流行的网格数据分析软件GrADS比较起来,Vis5D显示出其在三维图形处理方面的强大功能,它充分利用屏幕显示的特点,把枯燥、复杂的气象数据转化为三维立体图形展现在用户面前。

1999年3月Vis5D推出了最新的511版本,它的所有功能几乎都可以由三键鼠标来完成。由于Vis5D的开发者为用户提供了Vis5D全部原代码,用户不但可以根据实际情况对程序进行修改和扩充,还可以自己扩展Vis5D的函数和物理量,或把Vis5D提供的API函数包含于自己开发的程序中,使用户拥有更大的自由度和灵活性。在图形处理方面,它除了可以完成传统的气象数据分析功能及二维剖面数据分析外,还具有其它的新特点。例如:可以同步动画显示各个水平(或垂直)剖面图、用户自行定义与探针相关的物理量、可以使用自己的地形图数据、地图数据和自定义格式的网格数据等。

2　Vis5D的安装、运行

Vis5D511可以运行在多种UN IX平台上:Silicon图形工作站(IRIX41011以上)、IBM RS/6000工作站(A IX310以上)、HP 7000/9000工作站(HP-U X A109101以上)、Sun工作站(SunOS51x以上)、DEC Alpha工作站(OSF/1v113以上)和PC机的Linux。

Vis5D所提供的安装目录中,包含了基于上述6种工作平台的Vis5D预编译文件(可直接运行)、2个示例数据集(LAMPS1v5d、SCHL1v5d)、地形图文件(EAR TH1TOPO),以及Vis5D的原程序代码集。如果Vis5D所提供的6种预编译文件中有适合于用户工作平台的,用户可以用Ftp直接拷贝,否则只能把Vis5D的原代码程序集拷贝下来进行编译链接。

完成安装后,用户可直接运行:Vis5d LAMPS1v5d,其中Vis5d为Vis5D的可执行文件名,LAMPS1v5d为用户的Vis5D格式数据集。

3　Vis5D的输入数据

Vis5D使用的数据是一种五维(经度、纬度、高度、时间、物理量)数据集。它可以直接支持两种Vis5D标准数据文件格式:v5d文件和comp5d文件。考虑到不同的数值预报模

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式所输出的数据格式往往不一样,Vis5D提供了一种用于数据格式转换的用户界面———v5dimport,用户可以通过v5dimport读取以下几种格式的数据,并按用户要求(如:提取物理量或删除时间步)转换为v5d标准数据格式:

(1)McIDAS GR3D和GRID文件;

(2)Vis5D v5d和comp5d文件;

(3)GrADS数据文件;

(4)UW vis文件(威斯康星大学使用的数据格式);

(5)EPA MM4和RADM文件(仅限于在Crays机上);

另外,Vis5D为用户提供了把自定义格式数据转换为v5d格式的程序框架,其C语言和FOR TRAN语言原代码包含在下列文件中: foo to v5d1f(foo to v5d1c)和foo2to v5d1f(foo2to v5d1c)。用户只需按程序框架中的提示和步骤结合自己的数据格式,就可以方便地编写出用于转换自定义数据格式的程序,而其它复杂的编程工作都由Vis5D的开发者预先完成了。因此,从这个角度来说, Vis5D可以支持任意的数据格式。

4　Vis5D的图形输出

图形处理与输出是Vis5D中最重要的部分。为了达到最佳的反演效果,Vis5D采用了三维盒(3D盒)的形式来模拟现实世界中的三维立体空间。三维盒的边框上标有经纬度坐标和高度坐标以及当前的剖面位置等,所有的图形输出产品均在三维盒中进行。

411　Vis5D的图形产品

Vis5D目前包括以下几种图形产品:

(1)水平等值线剖面、垂直等值线剖面。

(2)水平彩色剖面、垂直彩色剖面。

(3)水平风矢量图、垂直风矢量图。

(4)水平流线图、垂直流线图。

(5)三维数据体:三维数据体显示是将三维网格以透明彩色雾方式显示,网格中的所有网格点都进行着色处理。尽管一些变量的三维数据体显示没有意义,但对于某些变量来讲,合适着色处理和透明度控制得到的三维数据体产品是非常有用的。

(6)三维等值面:三维等值面用于表达由指定数值确定的三维数据体的边界。等值面内部的所有网格点的数值皆大于(或小于)指定的数值,而等值面外部的所有网格点的数值皆小于(或大于)指定的数值。

412　Vis5D的图形浏览方式

Vis5D通过一组单选按纽定义了7种不同的图形显示方式和鼠标按键功能。

(1)正常(Normal)控制模式:用于观察三维图形窗口中的数据集。通过鼠标键可以旋转、缩放和裁剪三维图形(图像)。

(2)风轨迹(Tajectory)控制:用于追踪不同时刻空气粒子(质子)的三维空间移动,包括它们的移动方向和移动距离。风轨迹是以“集合”为单位进行处理的,目前系统提供8个“风轨迹集合”,每个集合在“风轨迹控制窗口”中标以Set1、Set2、Set3…、Set8等8个复选框。每一个集合可以单独显示、着色和删除。另外,它可以以两种方式显示:线状和带状。

(3)剖面(Slice)控制:可以显示三维数据网格体内几何面上变量(要素)的变化情况。剖面有水平和垂直两类。对于每一类剖面(水平或垂直),系统提供多种剖面产品:等值线剖面、彩色着色剖面、风矢量剖面、风流线剖面等。通过鼠标可以进行图形旋转、轨迹制作、移动(改变)剖面的位置。

(4)数据探针(Probe)控制:用于指示当前时间步的某一位置上的物理变量值。通过鼠标键可以拖动三维光标改变探针的位置。

(5)文本标志(Labels)控制:用于注释三维图形窗口中的图形产品。用户可以在三维图形窗口中对当前的图形产品加入一些简单的文本注释,如:简单标题、用户名、日期、有关数据集的说明、图形产品的意思等。这些注释可以与图形产品一起被保存在标准图像格式文件中。

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用UN IX shell编程实现气象预报指导产品的打包及上星广播

石小英　蔡耿华

(广东省气象电信台　510080)

随着9210工程业务化运行,广东省气象通信体制由原来的以地面线路为主的格局,转向以卫星信道通信为主,地面X125通讯网为辅的新通信体制。AXP2000的服务器操作系统,也由原来的VMS转向性能稳定的UN IX。要做好AXP2000气象业务系统的开发应用,需要掌握好UN IX下的Shell编程。原来以VMS操作系统为主的气象信息的传输方式也将有所改变,旧的业务程序要移植到UN IX 系统上,新的业务应用也要结合9210工程的特点和UN IX操作系统的特点来进行设计开发。在此背景下,实现气象预报指导产品打包及上星广播这一应用程序,就是利用9210工程的广播接收系统,在UN IX系统上编程,将气象预报指导产品定时打包成符合气象业务规范的文件,由卫星信道上传到北京,再由主站广播到各级台站。1　程序实现的编程思路

该应用程序的基本思路是,用Digital U2 N IX的shell命令,查找从上一次打包以来各种需传输的预报产品,用pkzip压缩后上传北京主站,再由卫星信道广播下来,地市级接收后解压使用。

2　预报指导产品应用程序中的shell编程

广东省气象电信台的9210通讯机是DEC公司的Alpha2000Server,主操作系统是Digital UN IX,程序就是在这一编程环境中实现的。Shell是UN IX系统中一个重要的层次,是包围在UN IX系统核心之外的外壳应用。用户同系统的一切交互都是通过这个外壳进行的。掌握好这个外壳的特性及其使用方法,是用好、管好UN IX系统的关键。Shell

(6)探空(Sounding)控制:通过一个垂直探空窗口,显示三维盒中垂直游标的探空图和温度对数压力图,用户可以通过鼠标移动游标的位置。

(7)剪切平面(Clipping):用于重新定位三维盒的6个平面。

413　Vis5D的其它图形处理功能

除了上述的主要功能外,Vis5D可以进行纹理、地形和地图叠加;进行多时间步数据的图形动画处理和显示;利用颜色标尺指示或改变当前正在观察的地形、风轨迹、等值面、彩色剖面、三维数据体等对象的颜色;用户也可以用Tcl(Tools Command Language)描述语言进行交互式操作。

总的来说,作为一种开放式的气象数据反演软件,Vis5D不仅具有强大的图形处理与显示功能,且操作界面简单方便。更可贵的是,其开发者无偿地为用户提供全部的程序原代码,最大限度地满足用户各种各样的需求。相信随着我国气象科研工作的发展, Vis5D将会不断地普及并且发挥其在科研工作中的作用。

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