Трехмерная визуализация геофизической информации для решения прикладных задач

удк 551.57:004.92 А. В. Шаповалов [A. V. Shapovalov] В. А Шаповалов [V. A. Shapovalov]

ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

Three-dimensional visualisation of the geophysical information for the decision of applied problems

В статье приведено описание программных средств отображения объемных метеорологических объектов (облаков) на трехмерном электронном глобусе. Данные метеорологических радиолокаторов при отображении соответствуют реальному положению радиолокационной станции на земной поверхности, подложкой является географическая карта местности, где осуществляются дистанционные наблюдения облачности. Разработанное авторами программное обеспечение 3-х мерной визуализации радиолокационной метеорологической информации позволяет получить новые представления о мощных грозовых облаках, их структуре, взаимодействии развивающихся конвективных ячеек.

Ключевые слова: метеорология, облака, радиолокоторы, трехмерная графика, данные математического моделирования, радиолокационная отражаемость

In article the description of software of display of volume meteorological objects (clouds) on the three-dimensional electronic globe is resulted. The data of meteorological radars at display corresponds to real position of a radar station on a terrestrial surface, a substrate is the district map where remote supervision of overcast are carried out. The software of 3D visualisation of the radar-tracking meteorological information developed by authors allows to receive new representations about thundenstorm, their structure, interaction developing of convective cells.

Keywords: meteorology, clouds, weather radar, 3-d computer graphics, the data of mathematical modelling, radar-tracking reflectivity

Последние десятилетия характеризуются бурным развитием трехмерной компьютерной графики практически во всех сферах деятельности человека, включая: игры, тренажеры, геология, наука, космос и др. В метеорологии и геофизике внедряется в практику трехмерное изображение информации с метеорологических радиолокаторов, объемные изображения результатов математического моделирования и т. д. [3-7].

В Высокогорном геофизическом институте на основе открытой библиотеки OpenGL разработано оригинальное программное обеспечение трехмерной графики, которое способствует более качественной интерпретации широкого спектра геофизической информации и данных численного моделирования. В данной работе представлены некоторые возможнос-

Рис. 1. Трехмерное изображение градового облака по результатам наблюдений автоматизированным радиолокатором МРЛ-5. Приведены изоповерхности уровня радиолокационной отражаемости 30 dBZ на фоне карты максимальной отражаемости Zmax.

ти разработанного авторами программного обеспечения (ПО) трехмерной (3D) визуализации.

Побраны методы, которыми может быть решена задача объемной визуализации, с использованием возможностей стандартных графических акселераторов, поддерживающих DirectX и OpenGL. Объемные данные представляют собой трехмерный массив элементов, являющихся единицами 3D пространства. При этом, этот массив содержит информацию о каждой точке трехмерного пространства. Применяются общие программные решения по повышению эффективности работы.

Программное обеспечение визуализации радиолокационной метеорологической информации позволяет получить новые представления о мощных грозовых облаках, их структуре, взаимодействии развивающихся конвективных ячеек. В частности, построение трехмерного изображения облака в виде изоповерхностей радиолокационной отражаемости дает возможность увидеть облако как объемный объект (рис. 1), оценить его особенности, проследить связь с орографией. Значение этих возможностей, ставших доступными в последние годы, весьма существенно.

Рис. 2. Вертикальный разрез по направлению движения облака в 3й представлении на фоне векторной карты местности. Изображены населенные пункты и реки.

Авторами разработаны программы отображения метеорологических объектов на трехмерной поверхности Земли (рис. 2-3). Радиолокационные данные при отображении соотносятся с положением и размерами относительно координат радиолокационной станции и привязаны к области вывода. Шкала уровней отражаемости дает возможность изменять внешний порог отображения и последовательно просматривать положение вложенных уровней, или увидеть все уровни одновременно, например, в вертикальном или горизонтальном разрезе облака (рис. 2). Нанесение дополнительных слоев геоинформационных данных позволяет выводить вспомогательную информацию.

Интересным и полезным с точки зрения активных воздействий (АВ) на градовые облака представляется анализ взаимодействия ячеек на ранней стадии. Это позволяет выделить наиболее интенсивно развивающиеся грозовые ячейки и начать воздействие в нужном месте без опоздания. Выделение быстроразвивающихся грозовых ячеек на ранней стадии позволит сосредоточить средства АВ именно на них (рис. 3).

Рис. 3. Суперячейковое градовое облако с соседствующими объектами в трехмерном виде. Представлены также траектории про-тивоградовых ракет с наземного пункта воздействия.

Трехмерное представление радиолокационной информации позволяет взглянуть на объекты АВ и адаптировать метод с учетом анализа взаимодействия ячеек. Эффект АВ может быть повышен за счет использования 3D технологии отображения РЛС информации, в частности, за счет разработки метода фильтрации взаимодействующих ячеек на ранней стадии.

На рис. 4 представлена трехмерная визуализация радиолокационной отражаемости в виде текстур с наложенными данными о грозовых разрядах, зарегистрированных грозорегистрационной системой LS8000 (импортное оборудование, приобретено ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», г. Нальчик) за интервал времени радиолокационного обзора метеорологического радиолокатора МРЛ-5 (3,5 минуты).

Разработанное ПО трехмерной визуализации используется также для интерпретации результатов моделирования и отладки численных моделей конвективных облаков, развиваемых в Высокогорном геофизическом институте. На рис. 5-7 приведены трехмерные результаты расчетов

Рис. 4. Трехмерное изображение облаков текстурами в выделенной области средствами Google Earth, совмещенное с данными грозорегистратора LS8000 (темные кружки).

по модели конвективного облака с учетом электрических процессов [1, 2].

Программное обеспечение трехмерной визуализации данных численного моделирования позволяет:

- осуществлять трехмерные повороты и вращение сцены, приближать и отдалять ее;

- изображать параметры модельного облака изолиниями в вертикальных и горизонтальных его сечениях;

- отображать изоповерхности расчетных параметров (водность, ледность, радиолокационная отражаемость и др);

- отображать векторное поле стрелками;

- выводить одновременно несколько параметров, что повышает возможности исследователя по физической интерпретации результатов расчетов.

Следует отметить, что с появлением оригинального ПО трехмерной графики математическое моделирование конвективных облаков в ВГИ поднялось на новый качественный уровень.

Рис. 5. Изолинии восходящих и нисходящих потоков в вертикальной плоскости через облако. Сплошная поверхность в центре -изоповерхность W=13 м/с.

Таким образом, нами разработано адаптированное для задач физики облаков и АВ на них программное обеспечение трехмерной визуализации метеорологической радиолокационной информации, данных математического моделирования и другой трехмерной информации.

Представленное здесь ПО позволяет эффективно интерпретировать результаты полевых наблюдений грозоградовых облаков дистанционными средствами, данные числительных экспериментов на основе трехмерных моделей.

Программа 3D-визуализации отличается удобством и развитой функциональностью. Трехмерные сцены представляют информацию в таком виде, который облегчает пользователю сформировать представление об объемных характеристиках метеорологического объекта. Программа визуализации позволяет выделять взаимодействующие конвективные ячейки на ранней стадии для целей активных воздействий по предупреждению градобитий.

Рис. 6. Изоповерхность радиолокационной отражаемость 55 dBZ (поверхность в центре рисунка), совмещенная с изолиниями скорости вертикальных потоков в плоскостях ZX и ZY.

Рис. 6. Представление данных численного моделирования, вихрь с наветренной стороны восходящего потока в облаке. Стрелками показано движение воздуха, изоповерхность в центре выделяет область с восходящим потоком W > 10 м/с.

Рис. 7. Поле горизонтального ветра вокруг облака на уровне Ъ = 3,8 км.

1 - изоповерхность водности;

2, 3, 4 - изоповерх-ности мелких, средних и крупных ледяных частиц.

Полупрозрачной изображена радиолокационная изоповерхность 10 dBZ.

Рис. 8.

Визуализация потоков в грозовом облаке (линии тока для одномоментного поля скоростей).

ЛИТЕРАТУРА 1. Ашабоков Б. А., Шаповалов А. В. Конвективные облака: численные модели и результаты моделирования в естественных условиях и при активном воздействии. Нальчик: Изд-во КБНЦ РАН, 2008. 254 с.

2. Ашабоков Б. А., Бейтуганов М. Н., Куповых Г. В., Шаповалов А. В., Продан К. А., Шаповалов В. А. Численное моделирование электрических характеристик конвективных облаков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. 2012, № 6. С. 65-68.

3. GRIevelX. URL: http://www.grlevelx.com

4. WxAnalyst Applied Geography. URL: http://wxanalyst.com/radar/

5. 3D Visualization of Weather Radar Data-A. Ernvik 2002 WW / Ebook // IZ3MEZ. URL: http://www.iz3mez.it/wp-content/library/ebook/3D Visualization of Weather Radar Data-A. Ernvik 2002 WW.pdf

6. Tech_Leader_engI_1204120716 / Product // Selex ES. URL: http:// www.gematronik.com/fileadmin/media/pdf/ProductDatasheet/Tech_ Leader_engl_1204120716.pdf

7. Vaisala Weather Radar WRM100 / Weather radars / Products // VAISALA. URL: http://www.vaisala.com/en/products/weatherradars/Pa-ges/WRM100.aspx

ОБ АВТОРАХ Шаповалов Александр Васильевич

ФГБУ «Высокогорный геофизический институт», доктор физ.-мат. наук, заведующий лабораторией математического моделирования; e-mail: atajuk@mail.ru; vgikbr@yandex.ru

Шаповалов Виталий Александрович

Кандидат физ.-мат.наук, научный сотрудник; e-mail: atajuk@mail.ru, vgikbr@yandex.ru

Alexander Vasil'evich Shapovalov

Doctor of physical and mathematical sciences, head of the Laboratory of mathematical modeling;

business address, tel.: FGBI «Mountain Geophysical Institute» 360030, KBR, Nalchik, Lenina 2, tel / fax 866 2402484, e-mail: vgikbr@yandex.ru

Vitaly Alexandrovich Shapovalov

Candidate of Physics and Mathematics, researcher; business address, tel.: FGBI «Mountain Geophysical Institute» 360030, KBR, Nalchik, Lenina 2, tel. / fax 866 2402484, e-mail: vgikbr@yandex.ru