一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法技术

本发明专利技术是一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，属于计算机图像学相关技术。主要包括基于气象数据的热带气旋建模方法，多次前向散射的云绘制算法方法，和基于位置的流体的热带气旋仿真算法方法三部分。首先对热带气旋的时变气象数据进行分析，抽取速度场数据备流体仿真使用，提取云强度相关数据，同时建立云的粒子模型，建模成适合计算机图形学绘制的图元数据；再次是实现对图元数据的逼真展现；最后，依据建立的图形模型，使用基于位置的流体仿真算法，实现对气象数据中热带气旋的仿真展示。

Dynamic simulation method of Tropical Cyclone Based on time varying meteorological data

The invention relates to a tropical cyclone dynamic simulation method based on time-varying weather data. This paper mainly includes three parts: the modeling method of Tropical Cyclone Based on meteorological data, the method of multiple forward scattering cloud rendering algorithm, and the simulation method of the position based fluid. The first tropical cyclone time-varying meteorological data analysis, extraction velocity field of fluid simulation using data preparation, extraction of cloud intensity data, and establish the particle cloud model, modeling for computer graphics rendering primitives; again is to achieve a realistic display of graphic data; finally, based on the graphical model, the use of fluid the simulation algorithm based on position, realize the display of simulation of meteorological data in tropical cyclones.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，属于计算机图形学，特别是云的建模领域。
技术介绍
热带气旋(TropicalCyclone,简称TC)指的是一种快速旋转的风暴天气系统，有一个低气压中心和螺旋结构的云体，同时伴随着强风、雷电、暴雨等现象，也被称作台风、飓风、热带风暴、气旋风暴、热带低压等。一个成熟的热带气旋通常有完整的结构，主要包括风眼，地面低压，暖心，中心密集云层区，风眼墙，螺旋雨带，外散环流等构成。热带气旋的模拟和仿真技术一直是气象、海洋等领域演技研究的重点和难点，而在计算机图形图像学领域，由于其独特的结构，热带气旋也是作为一个重要的研究内容。其中主要包括研究热带气旋的可视化效果，云的真实感绘制技术，以及热带气旋的模拟技术。同时能够较真实的模拟热带气旋的运动以及真实的展现其结构，对气象研究、海洋研究、气象预测等具有极其重要的意义。在计算机图形图像领域，对热带气旋方面的研究主要集中在对云的建模和仿真。随着虚拟场景渲染技术的发展，云的模拟表现也成为计算机图形学和虚拟现实技术中的热门课题。云的真实感模拟不仅能有效提高场景逼真度，更能传达丰富的气象信息。云作为一种常见的自然现象，由于其形状千变万化，形成、发展和消散的过程又极其复杂，且具有水汽粒子的半透明特征。能够实现即满足气象学应用，同时实现逼真展现的云场景模拟是一项很艰巨的任务。早期在图形图像学领域云建模大体分为两类，即基于过程的云建模和基于物理的云建模。前者侧重于利用噪声、纹理或者交互式的手段对云进行建模，通常需要经历繁琐的参数调整；后者则通过求解简化的NS方程，模拟云生成的物理过程，这种方法耗时大，且不能有效生成预期形状的云。基于数据驱动的云建模，在一定程度上能够克服之前建模方法的缺点，且由于其建模过程中参考了真实数据，能够在一定程度上反映数据信息、表达气象属性，因此具有很强的应用意义，逐渐成为研究的热点。通过研究和分析云的相关数据(自然图像、观测数据、数值模拟数据、卫星云图等)，进一步从数据中发掘能够指导云建模的信息，构建逼真的三维云场，同时与真实数据在形状、气象信息、规模上具有一定相关性。相应的成果可以为天气数值预测、军事仿真、卫星气象等领域提供可视化工具和环境。热带气旋的仿真过程是一个流体仿真的过程。其中传统的流体仿真算法主要分为两类，一类是基于有网格的欧拉方法模拟流体运动，一类是基于无网格的拉格朗日方法模拟流体运动。其中网格方法是计算力学中求解工程问题的主要数值计算方法，在求解流体运动，拍击等设计到特大变形的问题时,有限元网格可能会产生严重地扭曲,这样不仅需要网格重构,而且严重地影响计算精度,对于流体运动、拍击、高速撞击等动态问题,显式时间积分的步长取决于有限元网格的最小尺寸,因而网格的扭曲将使时间积分步长过长,大幅度地增加了计算工作量；对裂纹的动态扩展问题,由于裂纹的扩展方向不能事先确定,因而在计算过程中需要不断地重新划分网格以模拟裂纹的动态扩展过程；有限元近似基于网格,因此必然难于处理与原始网格线不一致的不连续性和大变形；复杂三维结构的有限元网格生成也是极具有挑战性的问题。对于无网格法的研究可以追溯到20世纪70年代对非规则网格有限差分法的研究,由于当时有限元法的巨大成功,这类方法没有受到重视。Lucy和Gingold&Monaghan等分别提出了光滑质点流体动力学(SPH)方法,并且成功地应用于天体物理领域。Johnson等提出了归一化光滑函数算法,使其通过分片试验,可以正确模拟常应变状态,提高了SPH的精度；Danijela等提出了克服零能量模态的具体方案；Monaghan对SPH法进行了总结；SPH法已经被应用于冲击波模拟、流体动力学、水下爆炸仿真模拟、高速碰撞等材料动态响应的数值模拟等等领域。基于时变气象数据的热带气旋的仿真技术，相比于传统的图形图像学建模方法，由于使用的是数值模拟数据(WeatherResearchandForecastingModel，简称WRF)进行建模，模型本身就具有真实性，同时通过时序数据的矫正,使得仿真的数据气象学的意义，符合气象学用户对数据准确性的要求；同时又在时域内使用简单NS方程模拟云的运动过程，使得模拟速度能够达到实时应用的需求。针对以上欧拉方法的不足，本文选择使用拉格朗日方法。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：由于SPH在计算过程中对步长的要求比较苛刻，因此本方法提出了一种融入PBD方法的PBF算法，通过求解一组位置约束，从而强制保证密度不变。此方法可以实现类似SPH的仿真过程，同时保留了几何关系的稳定性，最重要的是保持满足实时应用中对长时间步长的要求。通过引入一个人工压力用来改善粒子的分布，创建表面张力并且降低传统SPH对邻居的需求。最后通过应用涡旋约束作为速度处理来解决能量损失的问题。本方法同事使用热带气旋数据作为输入，通过对热带气旋气象数据的分析，建立热带气旋的绘制和仿真所需要的模型，同时提供一种基于位置的流体方法，模拟热带气旋的动态展示。实验表明，本专利技术提出的方法能够在实现实时逼真的展现热带气旋的运动过程。本专利技术技术解决方案：一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，实现步骤如下：步骤(1)、分析热带气旋的时变气象数据，验证数据的完整性，并获取热带气旋的时变气象数据中的变量，建立适合步骤(2)的绘制和步骤(3)的仿真热带气旋的粒子模型，实现从时变气象数据到热带气旋粒子模型的建模过程；步骤(2)、使用GLSL实现的基于多次前向散射光照模型的热带气旋绘制方法绘制步骤(1)建立的热带气旋的粒子模型，实现热带气旋的绘制；步骤(3)、使用基于位置的流体仿真(PositionBasedFluids，简称PBF)方法去模拟热带气旋的运动，计算并更新步骤(1)建立的热带气旋粒子模型的下一时刻的粒子属性，供下一次仿真循环中的绘制使用，实现热带气旋的仿真计算；步骤(4)、重复步骤(2)和步骤(3)，使用步骤(2)的绘制方法绘制由步骤(3)仿真计算的方法更新的热带气旋粒子模型，直到到达热带气旋的气象数据的下一个时刻，再重复步骤(1)到步骤(4)直到用户终止程序。进一步的，所述步骤(1)中时变气象数据建模热带气旋粒子模型的方法步骤如下：步骤(1a)、获取热带气旋的时变气象数据，验证数据的完整性，首先验证维度数据是否包含经度、纬度、高度、时间、字符长度，然后验证时变气象数据中是否存在与维度相关的变量数据(包括经度变量，纬度变量，海拔变量，时间变量)，风场变量数据(U-经向风，V-纬向风，W-垂直风)，温度(T)，压强(P)，湿度(H)，密度(D)，云水比(QCLOUD)，冰水比(QICE)，雨水比(QRAIN)，雪水比(QSNOW)，霰水比(QGRAUP)，重力加速度(G)变量，若存在则可以用于建模；步骤(1b)、步骤(1a)验证完整性后，提取维度变量数据即经度、纬度、海拔初始化热带气旋粒子模型并计算粒子的坐标信息，根据粒子的坐标信息，计算粒子的绘制半径和光滑核半径，其中绘制半径是粒子在绘制过程中，计算粒子的光照对周边粒子的影响，光滑核半径用于仿真过程中计算邻居粒子间以及计算邻居间粒子间相互作用力的大小；步骤(1c)、在步骤(1b)建立的热带气旋粒子模型基础上，提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、分析热带气旋的时变气象数据，验证数据的完整性，并获取热带气旋的时变气象数据中的变量，建立适合步骤(2)的绘制和步骤(3)的仿真热带气旋的粒子模型，实现从时变气象数据到热带气旋粒子模型的建模过程；步骤(2)、使用GLSL实现的基于多次前向散射光照模型的热带气旋绘制方法绘制步骤(1)建立的热带气旋的粒子模型，实现热带气旋的绘制；步骤(3)、使用基于位置的流体仿真(Position Based Fluids，简称PBF)方法去模拟热带气旋的运动，计算并更新步骤(1)建立的热带气旋粒子模型的下一时刻的粒子属性，供下一次仿真循环中的绘制使用，实现热带气旋的仿真计算；步骤(4)、重复步骤(2)和步骤(3)，使用步骤(2)的绘制方法绘制由步骤(3)仿真计算的方法更新的热带气旋粒子模型，直到到达热带气旋的气象数据的下一个时刻，再重复步骤(1)到步骤(4)直到用户终止程序。

【技术特征摘要】
1.一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)、分析热带气旋的时变气象数据，验证数据的完整性，并获取热带气旋的时变气象数据中的变量，建立适合步骤(2)的绘制和步骤(3)的仿真热带气旋的粒子模型，实现从时变气象数据到热带气旋粒子模型的建模过程；步骤(2)、使用GLSL实现的基于多次前向散射光照模型的热带气旋绘制方法绘制步骤(1)建立的热带气旋的粒子模型，实现热带气旋的绘制；步骤(3)、使用基于位置的流体仿真(PositionBasedFluids，简称PBF)方法去模拟热带气旋的运动，计算并更新步骤(1)建立的热带气旋粒子模型的下一时刻的粒子属性，供下一次仿真循环中的绘制使用，实现热带气旋的仿真计算；步骤(4)、重复步骤(2)和步骤(3)，使用步骤(2)的绘制方法绘制由步骤(3)仿真计算的方法更新的热带气旋粒子模型，直到到达热带气旋的气象数据的下一个时刻，再重复步骤(1)到步骤(4)直到用户终止程序。2.根据权利要求1所述的一种基于时变气象数据的热带气旋动态仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)中具体步骤如下：步骤(1a)、获取热带气旋的时变气象数据，验证数据的完整性，首先验证维度数据是否包含经度、纬度、高度、时间、字符长度，然后验证时变气象数据中是否存在与维度相关的变量数据，风场变量数据，温度(T)，压强(P)，湿度(H)，密度(D)，云水比(QCLOUD)，冰水比(QICE)，雨水比(QRAIN)，雪水比(QSNOW)，霰水比(QGRAUP)，重力加速度(G)变量，若存在则可以用于建模；所述变量数据包括经度变量，纬度变量，海拔变量，时间变量；所述风场变量数据包括U-经向风，V-纬向风，W-垂直风；步骤(1b)、步骤(1a)验证完整性后，提取维度变量数据即经度、纬度、海拔初始化热带气旋粒子模型并计算粒子的坐标信息，根据粒子的坐标信息，计算粒子的绘制半径和光滑核半径，其中绘制半径是粒子在绘制过程中，计算粒子的光照对周边粒子的影响，光滑核半径用于仿真过程中计算邻居粒子间以及计算邻居间粒子间相互作用力的大小；步骤(1c)、在步骤(1b)建立的热带气旋粒子模型基础上，提取风场数据，插值计算每一个粒子的速度，作为粒子的初速度，用于步骤(3)的仿真计算；步骤(1d)、在步骤(1b)建立的热带气旋粒子模型基础上，提取获取温度，压强，密度，由理想气态方程，计算粒子的质量及质量的倒数，用于步骤(3)的仿真计算；步骤(1e)、在步骤(1b)建立的热带气旋粒子模型基础上，提取云水比(QCLOUD)，冰水比(QICE),雨水比(QRAIN)，雪水比(QSNOW)，霰水比(QGRAUP)数...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓辉，李阳，张自力，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11