一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法与流程

本发明涉及航海领域，特别涉及到一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法。

背景技术：

以电子海图平台为基础，发挥电子海图地理信息系统的综合显示、综合解算的技术优势，实时掌握世界范围内的天气动态，会进一步保障航行安全、提高航行工作效率，实现具有气象要素动态展示功能的应用。

传统气象要素叠加采用静态显示方法，通过特定符号进行叠加显示，只能提供给专业气象用户进行气象分析使用，缺乏电子海图直观动态叠加气象要素的表达方式，不利于航海人员对航行日程规划、航海路线制定。专利号为201711043314的中国发明专利《用于基于s-100的电子海图显示信息系统的气象信息显示方法和装置》，提到了一种气象信息的显示方法，其电子海图显示信息系统接收以基于纬度和经度的网格为单位表示的气象数据，并将气象数据重叠并显示在地图上。上述现有技术专利只支持一种s-100的海图数据，并且叠加的气象数据属于专用格式，仅仅用于特定范围。

技术方案

本发明的目的在于提供上述现有技术中存在的不足，提供一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法。本发明的方法以人机交互友好的形式分类展示气象数据，支持风流、洋流、大气压、温度和湿度等气象要素解析展示，气象要素信息通过半透明的方式进行叠加，气象数据的渲染颜色符合用户的使用习惯。

为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法，其特征在于，该方法先对不同时段的气象标准数据进行解码处理，再根据获取的数据划定气象要素的绘制区域，然后根据气象要素的数值范围，选定调色板颜色范围，再然后根据数值算法进行数据滤波，最后根据墨卡托投影生成图片像素点绘制到电子海图上，从而实现气象要素动态叠加。

上述方法包括有如下详细步骤：

第一步，通过tcp协议接收气象要素数据包文件，并根据接收时间进行数据存储，所述的气象要素数据包围气象标准数据grib2；

第二步，根据数据包文件头，确定数据存储范围，并将数据存储在系统缓存区域，读取气象要素数据包文件，对原始数据进行滤波处理，生成专用格式，进行数据优化处理，只存储温度、湿度和大气压数据，所述的专用格式分为表头和数据两部分，表达定义文件格式，数据定义渲染的数据源，包括数据位置和数值信息，该数值信息包含温度、湿度和气压；

第三步，通过上述的专用格式解析出气象要素格点具体数值和坐标；

第四步，通过墨卡托投影坐标公式将气象要素坐标转换为墨卡托投影平面坐标；

第五步，再将墨卡托投影平面坐标转换为屏幕坐标，屏幕坐标以像素点为单位，生成网格数据；

第六步，温度、湿度和气压在渲染图上的每个网格对应一个渲染点，根据数据值的范围渲染出对应的颜色，对于离散型采样数据，温度、湿度和大气压采用插值算法进行插值渲染；

第七步，使用插值算法进行数据逐行计算，根据数值范围进行调色板颜色拾取，根据投影参数以及比例尺关系输出图像到屏幕上进行屏幕显示。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，第二步对不同时段的气象标准数据grib2进行解码处理，根据获取的数据划定气象要素绘制区域。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述第二步的数值信息中，温度值单位为摄氏度，工作范围为[-100，100]，数值变化值为1，根据数值范围定义调色板的颜色变化区间。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述第二步的数值信息中，湿度值处于[0，100]范围，数值变化值为1，根据该数值范围定义调色板的颜色变化区间。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述第二步的数值信息中，气压值单位为hpa，气压值范围为[0，1050]范围，海平面标准大气压为1023hpa，数值变化值为1hpa，根据该数据范围定义调色板的颜色范围。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述的第六步采用算法进行插值渲染的过程是：根据点(xc，yc)的2个邻点(xa，ya)、(xb，yb)数值，经过线性插值计算求出(xc，yc)，用数学方法来描述输入、输出图像点之间的空间关系，其几何运算的定义为：

f(xc,yc)＝f(p1(xa,ya),p2(xb,yb))

展开表达式为^xc＝(^xa+^xb)/2，yc＝(ya+yb)/2；

使用插值算法进行数据逐行计算，根据数值范围3进行调色板颜色拾取。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，案例中对于相邻的a、b、c三个区域，a区域渲染点可以根据从专用格式中提取的数据进行颜色渲染，渲染为天蓝色，c区域渲染点无值，b区域渲染点同样进行了颜色渲染，渲染为绿色，此时c区域处的每个渲染点就要利用所述线性插值的方法进行颜色的过渡渲染，使得a区域渲染点和b区域渲染点之间的交汇时的颜色柔和自然。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，实际数据处理时可采用整数进行运算，以采用整数计算代替浮点数运算。

基于上述技术方案，本发明基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明的方法中针对温度、湿度数据采用线性插值渲染，针对风速矢量运动的特点采用双线性插值，显示全球海域的气象状态清晰、简明并易于学习。

2、本发明基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法辅助航海部门人员知悉航行过程中海洋环境各个气象要素的变化情况，帮助船舶进行航路规划，规避航路上危险天气。

附图说明

图1是本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中气象要素的叠加显示流程图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法做进一步的详细阐述，但不能以此限制本发明的保护范围。

本发明方法中海图的绘制所采用的坐标系基于1984年北京坐标系，它是以地理纬度、地理经度和大地高表示空间点的位置，气象要素叠加绘制在海图背景上时，需要将气象要素的绘制在相应的海图屏幕坐标上。气象要素绘制在海图背景时，需要将坐标转换为海图屏幕坐标，按照要素类别、时间及分辨率去读取文件来进行渲染，完成各类气象数据的浏览、漫游、显示功能，并根据不同类型的气象要素提供不同渲染模式，本发明方法中各要素渲染以电子海图为基础，将这些数据信息加工处理后与海图数据进行叠加，并根据设置模块的设置显示在电子海图上，使得船员能够直观地观测气象要素的当前位置以及它们的变化，为船舶安全快速移动提供可靠依据。

整理而言，本发明是一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法，该方法先对不同时段的气象标准数据进行解码处理，再根据获取的数据划定气象要素的绘制区域，然后根据气象要素的数值范围，选定调色板颜色范围，再然后根据数值算法进行数据滤波，最后根据墨卡托投影生成图片像素点绘制到电子海图上，从而实现气象要素动态叠加。

如图1所示，本发明的方法包括有如下详细步骤：

第一步，通过tcp协议接收气象要素数据包文件，并根据接收时间进行数据存储，所述的气象要素数据包围气象标准数据grib2；

第二步，根据数据包文件头，确定数据存储范围，并将数据存储在系统缓存区域，读取气象要素数据包文件，对原始数据进行滤波处理，生成专用格式，进行数据优化处理，只存储温度、湿度和大气压数据，所述的专用格式分为表头和数据两部分，表达定义文件格式，数据定义渲染的数据源，包括数据位置和数值信息，该数值信息包含温度、湿度和气压；

第三步，通过上述的专用格式解析出气象要素格点具体数值和坐标；

第四步，通过墨卡托投影坐标公式将气象要素坐标转换为墨卡托投影平面坐标；

第五步，再将墨卡托投影平面坐标转换为屏幕坐标，屏幕坐标以像素点为单位，生成网格数据；

第六步，温度、湿度和气压在渲染图上的每个网格对应一个渲染点，根据数据值的范围渲染出对应的颜色，对于离散型采样数据，温度、湿度和大气压采用插值算法进行插值渲染；

第七步，使用插值算法进行数据逐行计算，根据数值范围进行调色板颜色拾取，根据投影参数以及比例尺关系输出图像到屏幕上进行屏幕显示。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，第二步对不同时段的气象标准数据grib2进行解码处理，根据获取的数据划定气象要素绘制区域。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述第二步的数值信息中，温度值单位为摄氏度，工作范围为[-100，100]，数值变化值为1，根据数值范围定义调色板的颜色变化区间。湿度值处于[0，100]范围，数值变化值为1，根据该数值范围定义调色板的颜色变化区间。气压值单位为hpa，气压值范围为[0，1050]范围，海平面标准大气压为1023hpa，数值变化值为1hpa，根据该数据范围定义调色板的颜色范围。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，在所述的第六步采用算法进行插值渲染的过程是：根据点(xc，yc)的2个邻点(xa，ya)、(xb，yb)数值，经过线性插值计算求出(xc，yc)，用数学方法来描述输入、输出图像点之间的空间关系，其几何运算的定义为：

f(xc,yc)＝f(p1(xa,ya),p2(xb,yb))

展开表达式为^xc＝(^xa+^xb)/2，yc＝(ya+yb)/2；

使用插值算法进行数据逐行计算，根据数值范围进行调色板颜色拾取。

在本发明一种基于矢量电子海图的气象要素叠加显示方法中，作为一个案例来说，对于相邻的a、b、c三个区域，a区域渲染点可以根据从专用格式中提取的数据进行颜色渲染，渲染为天蓝色，c区域渲染点无值，b区域渲染点同样进行了颜色渲染，渲染为绿色，此时c区域处的每个渲染点就要利用所述线性插值的方法进行颜色的过渡渲染，使得a区域渲染点和b区域渲染点之间的交汇时的颜色柔和自然，每个象素的颜色值由2个象素参与的插值所唯一确定。

实际数据处理时可采用整数进行运算，以采用整数计算代替浮点数运算。

本发明方法所采用的气象要素叠加显示方法所解析的数据格式为国际气象组织规定的标准文件格式grib2，解析其中的相关气象数据，然后分类处理并转换为专用数据格式，最终以海图为背景进行气象要素的叠加展示，包括温度、湿度、洋流矢量、风速矢量等，并可对气象要素按照海拔、分辨率、时间来进行自由切换，完成各类气象数据的浏览、漫游、查询、显示功能，并根据不同类型的气象数据提供不同渲染模式。本发明方法所采用的气象要素叠加显示方法数据来源主要依靠移动通信网络和移动卫星网络进行保障，移动卫星网络系统采用vsat通信或者inmarsat通信系统，其成本相对较高。考虑成本问题，在离岸较近的情况下，气象数据下载会选用陆地的3g/4g网络。

本发明的技术关键点在于：1、气象要素叠加页面渲染分别为气象要素标量渲染和矢量渲染，根据不同要素渲染选取色彩，通过不同颜色色条的深浅来表达值域大小，非常直观。2、气象要素采用墨卡托投影的方式转换为投影平面坐标，再通过投影平面坐标变换至屏幕坐标系。

实施例1

本实施例主要涉及的是气象要素绘制的方法：

请参阅图1所示，为本发明所实现的矢量海图叠加气象要素的方法，其特征在于该方法采用独立程序对不同时段的气象标准数据grib2进行了解码处理，根据获取的数据划定气象要素绘制区域，根据气象要素的数值范围，选定调色板颜色范围，根据数值算法，进行数据滤波，去除不符合规定的数值，根据墨卡托投影生成图片像素点绘制到海图上，实现气象要素动态叠加功能。

每个象素的颜色值由2个象素参与的插值所唯一确定。比如，a区域渲染点可以根据从专有数据中提取的数据进行颜色渲染，渲染为天蓝色，c区域渲染点无值，b区域渲染点同样进行了颜色渲染，渲染为绿色，那么，此时c区域处的每个渲染点就要利用上述线性插值的方法进行颜色的过渡渲染，使得a区域渲染点和b区域渲染点之间的交汇时的颜色柔和自然。

实际处理时可采用整数进行运算，本文采用了整数计算代替浮点数运算。气象要素资料进行分类，按照数据所在海拔、显示分辨率以及资料时间来进行处理。根据海拔、分辨率以及时间分别进行叠加显示。方法中绘制方式采用了数据过滤、数据插值、数据投影多种方式实现气象要素叠加功能，并且降低了绘制对gpu以及存储空间的依赖程度，实现了渲染算法的跨平台工作特性。

毫无疑问，以上只是公开了一个实现方式，但是本发明应用和实施并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之变化都应在本发明的保护范围。