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气象数据可视化范文1
【关键词】创新数据；可视化方法；管理研究
视化技术使得人们不再局限于通过文本或关系数据表来观察和分析数据信息，转而以更直观的方式研究数据并发现其中隐藏的关系，将单调乏味的数据及其内涵关系美观形象地展现在人们面前。根据实现原理的不同，数据可视化方法可以划分为基于几何的技术、面向像素的技术、基于图表的技术、基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术等。
目前，数据可视化技术已经在电子商务、数据仓库、社交网络、计算机网络等信息领域得到了普及应用。由于信息可视化技术及其应用范围非常广泛，在本文中，我们仅侧重于网络数据的可视化技术研究（这儿的网络数据是指通过网络测量、网络管理和安全等研究工作所取得的原始数据），主要介绍几种典型的网络数据可视化方法和相关的应用实例。
一、计算机信息领域可视化技术的需求
随着网络技术的发展和网络规模（特别是Internet）的不断扩大，网络已经成为人们日常生活的必不可少的一部分。同时，人们对网络服务质量（QoS）的要求也越来越高。因此，网络性能监测、网络管理、网络安全等已经成为网络技术研究和应用的重要组成部分，而网络数据可视化技术在其中所起到的作用也越来越关键。
首先，为了实现性能监测的目的，管理人员必须即时对网络中设备的工作负荷，即数据流量、链路利用率、丢包率、延时等各项性能参数进行定量评价。因此，网络性能的可视化是网络运行中重要的组成部分；其次，在针对园区网、骨干网以及因特网的管理和研究过程中，网络拓扑、IP地址和AS域分布范围的可视化也一直是研究人员的重中之重；最后，针对网络安全的恶意攻击行为，如扫描、蠕虫、病毒等造成的安全事件、异常流量及影响范围和演化趋势的可视化也具有非常重要的实际意义。
与其他领域的可视化需求相比，网络数据的可视化具有三个特点：一是网络数据与时间紧密相关，因此时间序列数据的可视化是其重要研究内容；二是由于网络数据的海量性和复杂性，需要快速实时地进行数据处理和分析来获得可视化结果；三是网络数据的可视化以真实性为首要目的，在保证正确显示数据的基础上实现可视化结果的美观性。目前，CAIDA、IEPM、SecViz等测量和研究组织和团体已经提出并实现了许多适用于网络数据可视化的方法和工具。概括来说，网络数据的可视化主要以基于图表和基于图像两种可视化技术为基础，其中基于图表的可视化技术主要用于网络性能的可视化，包括折线图、散点图、柱状图、饼图等多种方法，基于图像的可视化技术主要用于网络管理和安全研究数据的可视化，包括气象图（WeatherMap）、热图（Heat Map）以及三维图像可视化等许多方法。总之，通过网络数据的可视化，可以实现：
1.方便快速地获取更多的网络性能、网络状态等参考信息；
2.深入了解和分析已知的网络现象和规律；
3.能够从繁杂的数据中找出其中蕴含的关系，发现新问题并提出解决方法。
因此，深入研究和使用数据可视化技术对于开展网络监测、网络管理以及网络安全等研究工作具有重要意义。下面我们将通过实际的图例来详细介绍几种典型的网络数据可视化方法及其应用。
二、计算机基于图像的可视化技术
网络气象图
网络气象图是一种直观的显示网络拓扑、设备节点和链路状态等网络数据信息的可视化工具。网络气象图最早是由Panagiotis Christia实现的一个基于Perl的开源的可视化工具，以后Howard Jone又在功能、界面等方面进行了许多改进，发展成为一个受到普遍欢迎的网络数据可视化技术。
目前，网络气象图在国外许多网络中得到了实际部署与应用，国内的CERNET、中国科技大学等也都使用网络气象图作为一种网络拓扑显示和监测的方法，网络气象图能够实时显示网络节点状态、链路利用率等信息，实现网络拓扑、网络设备和链路状态的实时监控。随着网络技术和应用的发展，网络气象图开始与Flash动态显示技术、Google Maps等新的可视化方法相结合，从而能以更加直观友好的方式显示丰富的网络状态信息，典型的代表是GlobalNoc的RealTime Atlas项目。这里面的数据管理，又称为“数据资源管理”，包括所有与管理作为有价值资源的数据相关的学科领域。对于数据管理，DAMA所提出的正式定义是：“数据资源管理是指用于正确管理企业或机构整个数据生命周期需求的体系架构、政策、规范和操作程序的制定和执行过程”。这项定义相当宽泛，涵盖了许多可能在技术上并不直接接触低层数据管理工作（如关系数据库管理）的职业。
参考文献：
气象数据可视化范文2
关键词：可视化；远程；视频会议；天气会商
0 引言
随着多媒体信息技术的发展，语音、视频、数据融为1体，这项技术在工作中得到广泛应用。气象部门将这种技术加以改进，推广至全国各个气象部门，中国气象局召开视频会议，省、市、县气象局既可通过PCVSAT卫星多媒体广播系统接收语音和视频，也可以通过建立在宽带网基础上的视频会议系统进行接收；省气象局召开视频会议，市、县气象局通过建立在2Mbps 的SDH数字专网上的万事通视频会议系统接收会议；每天省局和市局进行天气会商，参会的每个成员都可以发言，并发送相关天气图供参会人员参考。
1 系统简介
1。1覆盖范围
视频会议系统在各级气象部门中日益普及，应用范围和深度也逐步提高。可视化远程会议所涉及的范围，可以说遍布华夏大地。由国家气象局发起，各个省、市、县的气象人员都可以参加。也可以由各个省气象局自行组织，参会人员为市、县气象局的有关人员。也可以由各个市气象局组织，与县气象局的人员开会。
1。2传输线路
目前所使用的通讯线路有两种：宽带网和卫星通讯网。国家气象局和省气象局之间通过6Mbps的SDH数字专网进行通讯，省气象局和市气象局、市气象局和县气象局都通过2Mbps 的SDH数字专网进行通讯。卫星通讯网包括卫星数据网、卫星话音网和PCVSAT单向数据广播系统，在此我们使用其中的PCVSAT卫星多媒体广播系统。该系统采用PC插卡式卫星数据接收机作为终端设备，将PC机变成了VSAT终端，从而实现了VSAT通信系统面向网络和多媒体的无缝联接。
1。3系统功能
可视化远程会商系统的数据和图像传送功能是传统会议不可取代的。它结合了电话会议和网络会议的方便快捷，实现了网络语音和视频相互交流，不但可以节省大量成本，而且可以提高工作效率。该系统同时结合了网络会议系统所需要的全部功能，使可视化远程会商管理方便、文件传送便捷。
参加会议的各个会场间可进行实时视频、音频交互通讯。由主持会议的会场决定发言会场，发言会场在发言时，所有参见会议的会场都可以看到发言会场所发送的视频，可以听到发言会场的音频信息。每个会场在本端既可以看到两个画面，即本地会场画面和远端会场画面，也可以只看1个画面，在本地会场画面和远端会场画面之间进行切换。
可视化远程会商系统还可以传输数据，会议过程中发言会场可以发送Word、Excel、Powerpoint、图形图像等电子文档，任何1个分会场都可以接收到。该系统还具有资源共享功能，将局域网上的文件发送出去或下载到本地。
2 应用情况
随着中国气象系统信息化建设的发展，视频会议系统在气象系统中得到广泛应用，除了基本的远程会议外，在远程可视天气会商中也得到了越来越多的应用，通过视频会议系统各级预报员之间可以进行充分、及时的交流，天气预报的时效性和准确性都有了提高。 2。1天气会商
每天早上9：20省气象台和市气象台进行天气会商，省气象台的主班主持会议，呼叫所有参会人员，参会人员听到呼叫进行应答，确保参会人员到齐后，首先发送有关天气会商的资料，包括天气趋势图、卫星云图和word文件等，然后结合天气图介绍天气趋势，最后得出预报结论。省气象台的主班发言完毕后，由各个市气象台的主班轮流发言，说出自己的预报理由并得出预报结论。最后由省气象台的首席预报员进行总结发言，有不同意见的进行订正，提高预报的准确性。每逢复杂天气过程，随时可以进行会商，1旦确定为灾害性天气，及时告知广大群众及有关领导和新闻单位，尽量减少灾害性天气所造成的损失。如4月1日预报出当天晚上至次日白天气温下降8℃左右，4月2日晚上至4月3日白天气温继续下降10℃左右，有霜冻。预报员及时将这1预报结论告知有关领导和新闻单位，广大群众采取有效措施，减少了灾害性天气所带来的各种损失。
2。2视频会议
气象部门召开“2007年全国气象业务汛前检查电视电话会议”，由国家气象局主持会议，会议覆盖范围涉及各省（区）、市、县气象局，会议覆盖范围广，参加人员多，各省（区）、市、县气象局的参会人员坐在各自的会议室，就可以看到、听到会议实况，使会议内容及时、准确传达给相关人员。
省财政厅利用气象局现有设备、线路、系统召开“山西省‘财政支农资金管理年’活动视频会议”，财政厅相关领导、省农口部门财务处负责同志、各市县财政局分管领导参加会议。省财政厅有关参会人员在省气象局会议室，市财政局的参会人员在市气象局的会议室，县财政局的参会人员在县气象局的会议室，所有参会人员就近开会，省去旅途劳顿，节省时间，节约开资，提高工作效率。
利用该系统还可以进行教育培训，坐在自己的会议室里可以听到老师讲课，可以看到具体的操作过程，与工作相关的新知识、新技术及时得到更新。
3 系统维护
召开视频会议过程中，出现画面马赛克现象，声音卡可、回音大、啸叫等现象，现将处理过程介绍给大家，与大家共同分享。
音频输入处进行设置：打开万视通（WST）视频会议系统客户端程序，出现登录对话框，将该对话框关闭，点击系统的“设置”菜单，选择“系统设置”，在“发送设置”中选中“启用静音检测（噪音过滤）”，对噪音进行过滤。在“接收设置”中不要选中“自动打开所有用户接收窗口”，默认情况下，自动打开六个用户接收窗口，打开用户窗口过多，传输的数据量加大，影响音频和视频效果，使声音断续、卡可，画面出现马赛克现象，动画起来。“输入音量”中选择麦克风，点击“高级 ”，进入“麦克风的高级控制”，在“其他控制”中取消“1 Mic Boost(1)”，即取消对麦克风的加强功能，消除回音。
画面马赛克现象：可以将传输画面的采样大小设置小1些，使得传输画面的字节流减少，通讯线路中的传输量减少，解除画面马赛克现象。同时声音效果也会好些。
声音卡可：将采样频率设置小1些，由5帧/秒改为2帧/秒，可以解决声音卡可想象。出现啸叫有可能是地线接触不好，回音大1般情况是喇叭与麦克风距离过近，或麦克风质量差1些。
这些仅仅是在现有传输线路基础上提出的改进意见，当然能使传输带宽加宽就更好。
4 小结
气象数据可视化范文3
关键词：可视化；概述；处理对象；数据类型；数据分析
中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)06-1402-06
The Summary of Visualization Theory
ZHU Yao-hua, HAO Wen-ning, CHEN Gang
(Engineering Institute of Corps of Engineers, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)
Abstract: There are forming too many methods and techniques of Visualization with the development in the past two decades. But each kind of classification is hard to contain the whole of Visualization. This paper introduces the characteristics of every kind of classification, provides reference for the further research, to help readers to distinguish the difference and contact between method and technology, and to understand the development of visualization in all round.
Key words: visualization; summary; handling objects; data types; data analysis
“可视化”（visualization）其实质是利用计算机的图形图像处理技术，把各种数据信息转换成合适的图形图像在屏幕上展示出来。这一过程涉及到图形学、几何学、辅助设计和人机交互等领域知识。
在20世纪上半叶，人们就已经利用多种统计表格和图形这些相对原始的可视化技术来分析各种数据。在1986年10月，美国国家科学基金会在其举办的“图形、图像处理和工作站”讨论会上，“科学计算可视化”的概念第一次被正式提出。1987年，由布鲁斯・麦考梅克等人所编写的美国国家科学基金会报告《Visualization in Scientific Computing》[1]，对可视化技术领域产生了大幅度的促进和刺激。人们不但利用医学扫描仪和显微镜之类的数据采集设备产生大型的数据集，而且还利用可以保存文本、数值和多媒体信息的大型数据库来收集数据。因而，就要高级的计算机图形学技术与方法来处理和可视化这些规模庞大的数据集。二十世纪90年代初期，人们发起了“信息可视化”的研究领域，其支持抽象的异质数据集的分析工作。因此，目前人们正在逐渐接受这个同时涵盖科学可视化与信息可视化领域的新生术语“数据可视化”。
1基于处理对象及目的的分类
随着可视化技术的发展，逐渐形成了一些分类，通常情况下，人们习惯于将可视化分为以下四类：科学计算可视化、数据可视化、信息可视化和知识可视化。这四类可视化的主要区别在于可视化处理对象以及目的的不同。科学计算可视化主要用于处理科研领域实验产生和收集的海量数据，力求真实的反应数据原貌，利于模拟实验的进行；数据可视化较为笼统，一般用于处理数据库和数据仓库中储存的数据，目的在于以可视化的方式呈现数据，利于使用者观察；信息可视化抽象层次较高，其目的主要在于让使用者方便地发现数据内部隐藏的规律；知识可视化则主要表现领域知识，使已有的知识能够更加迅速有效的在人群中传播。
1.1科学计算可视化
科学计算可视化也可称作科学可视化，是指通过运用计算机图形图像处理等相关技术，将科学计算过程中得到的大量数据转换为适当的图形界面显示出来，并能进行人际交互处理的一系列理论、方法和技术。
随着可视化技术的发展，科学计算可视化也出现了一些分支方向，如体可视化、流场可视化。
可视化概念扩展到测量数据和工程数据等空间数据场时，衍生出了空间数据场可视化，一般称之为体可视化（Volume Visualiza? tion）。体可视化技术主要研究如何表示、绘制体数据集，以观察数据内部结构，方便理解事物的复杂特性。体数据集存在于很多领域，如工程建筑和气象卫星测量的空间场，超声波探测工业产品和核磁共振产生的人体器官形成的密度场，地震预报的力场，以及航空航天实验和核爆炸模拟等大型实验产生的速度场、温度场数据等，使得体可视化技术应用广泛。
流场可视化技术是流体力学的重要组成部分，是科学计算可视化的分支之一。流场可视化技术的形成与发展有力的促进了计算流力学（Computational Fluid Dynamics）研究的深入。流场可视化技术用箭头、流线和粒子跟踪技术研究二维流场，重现计算流力学中的向量场和张量场数据。
科学计算可视化应用广泛，气象预报、医学图像处理、物理、油气勘探、地学、有限元分析、生命科学等众多领域都已经离不开科学计算可视化了。下面几幅图是科学计算可视化的一些典型应用，图1是美国国家海洋和大气局的预报系统实验室开发的三维可视化软件生成的图像，有效的让气象工作者从大量的二维图像计算中解脱出来，从而可以让精力集中于预报所需的实际数值。图2是美国航空航天局阿姆斯研究中心的航空航天数字模拟设备构筑的“虚拟风洞”，该技术基于三维交互特性，为分析非定常流动中的复杂结构提供了直观的研究环境。图3是英国的PGS Tigress公司开发的可视化软件生成的图像，其可以进行地震数据处理、测井评估以及模拟油气存储和生产的过程，在相关领域得到了广泛的应用。
1.2数据可视化
一般认为，数据可视化是指对大型数据库或者数据仓库中的数据进行可视化。这使得用户可以不再局限于通过关系数据库来分析处理数据，能以更加直观的方式来观察研究数据。广义的数据可视化则在一定程度上或全部包含了科学计算可视化、信息可视化和知识可视化。数据可视化的一般模型如下图所示：
数据可视化借助于计算机的快速处理能力，并结合计算机图形图像学方面的技术，能够把海量的数据以图形、图像或者动画等多种可视化形式更加友好的展现给人们。其中，丰富的交互手段能够显著改善用户的使用体验，是可视化技术的价值倍增器。用户可以通过人机交互的手段对显示数据进行分类、筛选，并控制图表的生成，便于以最佳的方式看到想要的数据。人机交互使得数据可视化技术更利于发现数据背后隐藏的规律，为人们分析使用数据、发现规律获取知识提供了强有力的手段。图5是某银行的一个数据可视化示例，利用Xcelsius软件制作，后台数据是近10年中每个月份的银行各种业务统计数据，通过数据可视化展现后，可以以饼图、柱形图、折线图以及雷达图等多种形式观察数据，各种业务的市场表现规律清晰明了，并可以通过按钮、单值指示器切换不同业务的数据展示，极大的方便了银行业务决策。
图5某银行数据可视化示例
数据可视化经过20多年的发展，形成了多种技术，这里简单做一介绍。
1）基于几何的可视化技术，包括散点图、解剖视图、平行坐标法以及星形坐标法等。该技术主要通过几何学的方法来表示数据。
以星形坐标法（如图6）为例，它可以在二维平面上显示出n维的空间数据。其原理是将n维的空间数据参照建立的坐标轴映射到二维平面上，每一维对应到一条坐标轴上，坐标轴在平面上交与一点。映射之后，n维的空间数据通过二维平面上的一个点来表示。
图6星型坐标法
2）面相像素技术（也称密集像素技术）。其原理是通过一个彩色的屏幕像素来表示一个数据项，并把代表每一个数据的像素归纳入临近的区域。用像素点来表示数据，面临的主要问题是如何合理有效的安排这些像素。该技术针对不同的可视化对象采取不同的方式来安排像素，最终的显示结果能够对数据局部关系、依赖性和热点分布情况提供较为详细的信息。比较著名的像素安排方式有递归模式技术和圆周分段技术。
3）基于图标的技术。其原理是通过一个图标的各个部分来表示n维的空间数据。图标可以是“枝形图”、“针图标”、“星图标”和“棍图标”等。该技术适用于那些在二维平面上具有较好展开属性的n维的空间数据集。以星图标技术为例（如图7），一条射线表示一个维的数据，射线的长短表示数据的大小，射线的条数即数据维数，射线起点相同，夹角想通，端点由折线段相连。
图7星图标表示数据
4）基于层次的可视化技术。其原理将n维的数据空间划分成若干子空间，同样以层次结构的方式组织这些子空间，并用平面图形将其表示出来。该技术主要用于那些具有层次结构的数据，如文件目录、单位编制结构数据等。树图是其代表技术（如图8）。1.3信息可视化
信息可视化（Information Visualization）主要是指利用计算机支撑的、交互的对非空间的、非数值型的和高维信息的可视化表示，以增强使用者对其背后抽象信息的认知[2]。信息可视化技术已经在信息管理的大部分环节中得以应用，如信息提供的可视化技术、信息组织与描述以及结构描述的可视化方法、信息检索和利用的可视化等。
信息可视化的框架技术还可以分为三种：映射技术、显示技术和交互控制技术[3]。映射技术主要是降维技术，如因素分析、自组织特征图、寻径网（Pathfinder）网、潜在语义分析和多维测量等。显示技术把经过映射的数据信息以图形的形式显示出来，主要技术有：Focus+Context、Tree-map、Cone Tree和Hyperbolic Tree等。交互控制技术通过改变视图的各种参数，以适当的空间排列方式和图形界面展示合理的需求数据，从而达到将尽可能多的信息以可理解的方式传递给使用者，主要技术有：变形、变焦距、扩展轮廓、三维设计和Brushing。
信息可视化的典型工具有：Prefuse、CiteSpace、VitaPad和IVT。
下面三幅图是信息可视化技术的应用示例，图8是树图的一种表达方式；图9是鱼眼技术的应用，凸显选中的节点，缩小其他节点；图10是一种树结构浏览方式，选中一个节点后，就只向节点后展开两层，使用者可以很容易的知道自己所处浏览的位置。
1.4知识可视化
知识可视化（Knowledge Visualization）主要是指通过可视化技术来构建和传递各种复杂知识的一种图解手段，以提高知识在目标人群中的传播效率。
知识域可视化（Knowledge Domain Visualization）是指对基于领域内容的结构进行可视化，通过使用多种可视化的思维、发现、探索和分析技术从知识单元中抽取结构模式并将其在二维或三维知识空间中表示出来，即对某一知识领域的智力结构的可视化[4]。
图10 Tree View知识域可视化技术可以帮助使用者快速进入新的知识领域并对其有一个总体上的直接理解，能使使用者更加高效的认识到感兴趣的领域概念及概念间的关系。
目前知识域可视化的研究对象具体表现为对某知识领域的科技文献，一个知识域可以用一组词来限定。研究方法主要有共引法、共词法、空间向量矩阵、自组织特征图和寻径网等。1.5几种可视化方法比较
科学计算可视化技术开创以来，现代可视化技术得到了长足的发展，逐渐形成数据可视化、信息可视化和知识可视化，四种可视化技术相互联系又互有区别。其处理对象从数据到知识是一个越发抽象的过程，数据是信息的载体，信息是数据的内涵，而知识又是信息的“结晶”[5]。数据、信息、知识以及智慧（Data、Information、Knowledge、Wisdom，DIKW）至今没有一个明确的普遍认可的定义，它们是相对的且依赖于所处环境的[6]，Zeleny[7]认为DIKW金字塔最能准确表达四者之间的相互关系，数据是塔基而智慧是塔尖，Ackoff[8]认为贯穿于DIKW金字塔之间的核心因素是“理解”（understanding），只有通过“理解”，才能从塔基升华到塔尖。
实际上，四种可视化技术之间的关系正如图11所示[9]，它们之间没有明显的界限，从广义上看科学计算可视化则从属于数据可视化，数据、信息和知识在一定程度也是相通的，因此它们彼此都有交叉。
图11常见可视化类型之间关系
2基于数据类型的分类
由本・施奈德曼（Ben Shneiderman）[10]概述的按照数据类型进行归类，可以将数据分成以下七类：一维数据、二维数据、三维数据、多维数据、时序数据、层次结构数据和网络结构数据等。从而将可视化分为如下七类：2.1一维数据可视化
一维数据即线性数据，如一列数字、文本或者计算机程序的源代码等。文本文献是最常见的一维数据，通常情况下文本文献不需要进行可视化。
计算机软件是一种特殊形式的一维数据，软件维护过程中需要分析大量的程序源代码，并从中找出特定的部分，因此有必要对其进行可视化。美国贝尔实验室的Eick等人利用可视化系统SeeSoft实现了对百万行以上的程序源代码进行可视化。SeeSoft系统可以用于知识发现、项目管理、代码管理和开发方法分析等领域，曾被成功用于检测大型软件源代码中与“千年虫”有关的问题代码。
2.2二维数据可视化
二维数据指包括研究对象两个属性的数据。用长度和宽度来描述平面物体尺寸，用X轴和Y轴来表示物置坐标，以及各种平面图都是二维数据的表现形式。最常见的二维数据可视化示例当属地理信息系统（GIS），地理信息的数据可视化极大的满足了人们对地理信息的需求，各种基于位置的社交类软件在电脑和智能手机领域如雨后春笋般繁荣起来，也从一个侧面反映出二维数据可视化的重要性。
2.3三维数据可视化
三维数据指包括研究对象三个属性的数据。相对于一维的“线”和二维的“面”，三维引入了“体”的概念。三维数据可视化在建筑、医学等领域应用广泛，很多科学计算机可视化也属于三维数据可视化，通过计算机用三维可视化方法模拟现实物体，帮助研究人员进行模拟实验，能有效的降低成本、提高效益。
2.4多维数据可视化
多维数据指研究对象具有三个以上属性的数据。多维信息已经难以在平面或空间中构建出形象的模型，因此人们对多维数据的认知也相对困难。现实生活中有着大量的多维数据，例如学校里的学生信息，其中包含姓名、性别、民族、年龄、专业、班级、地址等。美国马里兰大学人机交互实验室开发了一个动态查询的框架结构软件HomeFinder，该软件可以连接华盛顿特区的售房数据库，使用者可以选择按照价格、面积、地址和房间数量等进行可视化的动态排序。
2.5时间序列数据可视化
时间序列数据指那些具有时间属性的数据，也称时序数据。时序数据容易反映出事件前后发生的持续情况。学者Liddy建立了一个从文本信息中抽取时间信息的系统SHESS，该系统可以自动生成一个知识库，该知识库能够聚集关于任何已命名的实体信息，并且按照时序组织这些知识，时序覆盖知识库的整个周期。
2.6层次结构数据可视化
层次结构是抽象数据信息之间一种普遍的关系，常见的如单位编制、磁盘目录结构、图书分类方法以及文档管理等。描述层次结构数据的传统方法是利用目录树，这种表示方法简单直观，然而对于大型的层次结构数据而言，由于层次结构在横向和纵向的扩展不成比例，树结构的分支很快就会交织在一起，显得混乱不堪。在对层次结构数据可视化研究的过程中出现了一些新的方法，如1.3小节中提到的Tree-map等。
Xerox PARC的科研人员开发了Cone and Cam Trees。该方法用三维空间来描述层次信息，根节点放置在空间的顶端或者最左端，子节点均匀的分布在根节点的下面或者右面的锥形延展部分。Cone and Cam Trees可以动态的显示，当使用者点击了某个节点时，该节点就会高亮显示，同时树结构将该节点旋转到图形的前方。一个完整的Cone and Cam Trees图形能够持续旋转，便于使用者观察大型层次等级结构信息，进而理解其中的关系。研究人员在单独的一个屏幕范围内创造的Cone and Cam Trees图形能够描述80页书本的有组织内容。2.7网络结构数据可视化
网络结构数据没有固定的层次结构，两个节点之间可能会有多种联系，节点与节点之间的关系也可能有多个属性。网络信息不计其数，分布在全球各地的网站上，彼此之间通过超链接交织在一起，其规模还在继续膨胀。如何方便有效的利用网络信息，成为一个迫切需要解决的问题。
数据可视化的概念范围较大，也有认为这七类可视化更是信息可视化的细分[11]。信息可视化是近年来提出的一项新课题，其研究对象以多维标量数据为主，研究重点在于设计合理的显示界面，便于用户更好的从海量多维数据中获取有效的信息。
3基于可视数据分析技术的分类
由Daniel Keim[12]提出的基于可视数据分析技术的分类方法，从数据类型、可视化技术和交互技术的角度来分析研究可视化的分类方法。事实上，这三个要素即是数据可视化的主要组成部分。图12描述了这三要素的具体内容[13]。
数据类型和可视化技术在上文中分别都有介绍。交互和变形技术越来越是可视化技术中必不可少的一项技术，它使用户能够直接生动的与可视化视图进行交互，并根据用户研究重点的变化动态的跟进改变视图呈现方式。用户根据研究对象的相关知识和具体需求可以通过交互变形技术使可视化视图以多种不同的效果来进行展示，方便从多角度对数据信息进行分析观察，从而达到更好的使用效果。
4结束语
以上列举三种可视化分类方法，这三种分类方法比较典型，具有很强的代表性，事实上还有Ed H Chi[14]提出的基于数据状态模
型的分类方法等。可视化理论历经了20多年的发展形成了多种方法和技术，已经难以用某一种分类方法去包罗所有，它们的共同
特点都是利用相关的计算机技术来进行分析并合理显示数据，然而其概念众多，研究重点也不尽相同，实现方法则更是多种多样。可视化分类方法可以用来实现需求与可视化技术的匹配[15]。它可以指导使用者选择合适的可视化方法并利用合理的技术来实
现不同的目的。本文首先从基于处理对象及目的对可视化方法进行分类，这是最常见的分类方法，并介绍了一些常见的可视化技
术；然后介绍了基于数据类型的分类方法，这种分类方法同样较为常见，而实现技术则跟分类方法没有太大关系；最后介绍了基于
可视数据分析技术的分类方法，这种方法将之前介绍的可视化技术以及数据类型跟交互和变形技术结合在一起，这种分类方法能
够让使用者从宏观上把握可视化分类，并系统的认识可视化技术，加强了可视化类型和可视化技术之间的联系。
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气象数据可视化范文4
关键词：C++builder sufer 气象绘图
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0040-01
等值线图是气象工作中常用到的图形显示方法，它可将气象要素的分布直观地显示出。在业务软件开发中，自主开发等值线的绘制算法较为复杂，因此，可通过对成熟的商业软件进行二次开发，并衔接至自己的系统中来实现。
Surfer软件可实现等值线、三维面图的绘制且具有各种函数运算功能[1]，并提供了完整的OLE Automation功能供外部程序调用。本文采用了BCB调用Surfer接口来完成气象数据查询软件的编写，并介绍了该技术在气象数据可视化中的一个具体应用，实现数据成图的自动化，极大提高了业务人员的工作效率。
1 Surfer等值线绘制方法及接口技术
1.1 Automation接口及其优点
Automation接口是指软件提供的允许外部程序访问其对象的编程接口。用户可利用专业的工具软件作为后台，利用开发工具进行二次开发，可实现专业软件的绝大部分功能。
Surfer提供了一套完整的OLE Automation功能供外部应用程序调用[2]。外部程序调用中可以给任何对象的属性赋值，通过赋予不同的参数值改变对象的状态；方法执行过程中可以通过参数控制图形的输出。
1.2 利用Surfer绘制离散点等值线的原理
Surfer绘制离散点等值线的原理是将已给出的离散点数据插值生成光滑曲线，每条曲线上的数据值都是相等的。Surfer的主要内插计算方法有克里金插值发、三角网格线性法、最近距离法、最小二乘法等[3]。
2 C++Builder调用Surfer绘图的关键技术
2.1 背景地图文件的生成
将本地区气象要素的空间变化特征直观的显示出来，需要将本地区边界外的数据裁减掉[4]。这里要用到Surfer的白化功能，白化过程中需要本地区的边界文件。本文利用MapInfo来获取边界数据，具体方法为打开地图，双击需要提取边界的地区使其变为阴影，然后将地理信息复制出来，并粘贴至一个新的数据文件中；利用ReShape功能获取到边界数据，最后利用Export功能将边界文件导出。导出文件经过记事本进行格式修改后可直接在Surfer中作为底图载入。
2.2 数据文件的格式说明
等值线绘制前，需要对原始数据文件进行处理，并生成如下格式的数据文件：
114.87 30.37 162.2
……
数据文件一行为一条记录，每条记录的三条数据分别为经度、纬度和绘制等值线要素的值。
2.3 调用Surfer接口绘制等值线
（1）在BCB中创建Surfer应用程序对象和绘图文档，并通过修改其"Default FilePath"的值来设置默认的文件路径。
V=CreateOleObject（"Surfer.Application"）；
V.OlePropertyGet（"Documents"）.OleFunction（"Add"，1）；
（2）数据文件的格点化与白化处理，并绘制等值线。数据文件格点化所用到的函数为“GridData”，白化过程中所用到的地图文件的路径为变量blank。
V.OleFunction（"GridBlank"，grd，blank，grd）；
Plot.OlePropertyGet（"Shapes"）.OleFunction（"AddContourMap"，grd）；
（3）调取分级文件，并利用分级文件来为等值线填色。
CMap=MapFram.OlePropertyGet（"Overlays"）.OleFunction（"Item"，1）；
CMap.OlePropertyGet（"Levels"）.OleFunction（"LoadFile"，lvl）；
（4）添加地图底图与标注，并设置标注的属性。设置标注的位置时是通过设置PMap的属性来实现，而设置标注的字体、大小时则需要通过设置PMapFont的属性来实现。
Plot.OlePropertyGet（"Shapes"）.OleFunction（"AddBaseMap"，base）；
PostMap=Plot.OlePropertyGet（"Shapes"）.OleFunction（"AddPostMap"，post）；
PFont=PostMap.OlePropertyGet（"Overlays"）.OleFunction（"Item"，1）；
PFont.OlePropertyGet（"LabelFont"）.OlePropertySet（"Face"，"宋体"）；
2.4 应用实例
区域自动气象站是气象监测网的重要组成部分，在防汛抗旱中发挥着重要的作用。利用传统的Surfer绘图方式将区域自动站数据利用等值线的表现出来，步骤虽不复杂，但是比较繁琐。利用BCB调用Surfer，可实现气象数据等值线绘图的自动化，极大地提高了工作效率。
3 结论
利用C++Builder可视化编程软件，通过Surfer提供的Automation接口，可有效地将BCB的强大软件开发功能与Surfer的高效绘图能力无缝地结合起来，具有非常强的实用性。实践证明，利用BCB与surfer的接口技术对surfer进行控制实现自动化绘图是有效的。
参考文献
[1] 毛兴华.一种绘制等值线的新方法[J].测绘信息与工程，2001（4）：34-36.
[2] 连志鸾.Surfer二次开发实现加密雨量图自动显示与输出[J].气象科技，2006，34（2）：220-224.
气象数据可视化范文5
【关键词】气象类专业 Matlab 气象资料应用
气象类专业包含大气科学、大气物理、大气探测、应用气象等各类与气象有关的专业学科。不同专业的培养要求不尽相同，但气象类专业的共通特点即是要处理和应用各类气象资料。处理和应用各类气象资料需要专业的读取和显示资料的能力，同时也需要通用的分析数据和数值计算的能力。我校根据学校的专业特色及学生技能需求，在纵观各种编程软件和绘图软件优缺点的基础上，于2011年开设了专门针对气象类专业学生的Matlab程序设计课程《Matlab在气象中的应用》。经过这几年的教学实践，在教学内容和教学方法上做出了一系列的探索和改进，有效提高了课程教学的质量，培养了学生分析和处理专业资料的能力。
一、气象类专业Matlab教学的意义
随着气象业务的不断发展，越来越多的观测手段使得气象数据格式变得更加繁多，如二进制、文本（txt）格式、表格（Excel）格式文件，以及hdf、Grib、Netcdf等通用数据格式文件。气象类专业学生不仅需要掌握各种专业理论基础知识，还需具备处理和应用各种气象资料的实践能力。而气象资料的应用包括将气象数据读取、分析以及更进一步的综合处理，这对使用者提出了较高的要求。Matlab软件包含丰富的工具箱与模块集，不仅有常规的读写文件的能力，还有与专业数据格式相应的数据库，从而使得读写和处理各种格式的气象数据变得简单。因此在气象类专业可以考虑使用具备强大数值计算和可视化能力的Matlab软件实现数据提取分析以及可视化输出。
二、气象类专业Matlab教学探索
结合气象类专业课程特点和学生实践技能需求，对气象类专业的Matlab程序设计课程的教学内容和教学方法进行了探索和拓展，并取得了良好的教学效果。以下列出了课程设计方面的一些主要内容，供理工类应用型课程的教学建设参考。
（一）教学目标的制定
为了更好地安排理论课和实践课教学内容，在内容设计前先制定教学目标。教学目标的制定主要依据如下三个原则：课程总体要求，学生实际以及社会需要。对于气象类专业学生，专业课中所涉及的气象资料主要包含地面观测、探空、雷达、和卫星资料，因此教学目标的制定须联系学生所学专业课的实际需要。另外，随着气象业务的发展和气象部门对毕业学生的社会需求，教学目标的制定也应与时俱进。基于以上三个原则，Matlab教学目标主要分为两大类：一类是掌握Matlab编程的基本理论和技巧，另一类是学会利用Matlab处理各类气象资料。具体每次课程的教学目标制定又融合于每次课程的教学内容中。如利用Matlab处理气象资料又分为读写不同格式的资料、资料的统计分析以及拟合插值等、气象图像的去噪增强等。
（二）教学内容的设计
Matlab在气象中的应用主要包含四大模块：气象数据处理，图形绘制，数据分析，图像处理。Matlab课程主要内容之一是这四大模块内容的应用和实现。另外，在内容的编排设计上还须考虑了Maltab语言自身的基本语法和特点的介绍。以下是教学内容设计的具体方案：（1）理论教学和实践教学的分配。Matlab是一门实践性很强的课程，而相应的理论知识又不能缺少，这样才能保证学生既能将学到的知识投入应用，又能具有一定的深度理解。时间分配上，理论教学和实践教学可并驾齐驱。内容分配上，理论和实践大致对应，但在实践教学的内容上，还会加强理论在专业资料处理应用上的实践。（2）基本原理和专业应用教学的分配。Matlab将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化等诸多功能集成在一个易使用的视窗环境中，因此其涵盖内容繁多。但对于气象类专业学生，其主要目标是各类气象资料的处理应用，因此在基本理论课程上主要涵盖三章内容即可：Matlab简介和语法、Matlab矩阵创建和处理、Matlab图形绘制。而专业应用则结合了气象专业的课程目标和特点，主要涵盖以下四章内容：Matlab读写常规格式数据文件、Matlab读写通用数据格式文件如Netcdf和hdf文件、利用Maltab进行数据分析、气象图像处理。其中前两章是关于气象资料的读写，后两章是关于气象资料的分析处理和应用。（3）专业实践和综合应用实践的分配。在实践教学中不仅要考虑基本理论和专业的实践，还要涉及专业实践和综合应用实践的分配。例如，一次实践课程安排为作图实验，即各种作图练习和应用的专业实践，而在文件处理的实践中既要实现气象数据的读取，也要以作图的形式将结果显示，还要对读出的数据进行统计和插值分析，即综合应用实践。
（三）教学方法的选择
根据学生专业的特点，依据教学目标和教学内容，对教学方法进行了探索。（1）理论教学方法的选择。理论教学过程中除了运用常规课堂的教学方法如讲授法、提问法外，还主要考虑了以下三点：理清逻辑关系、加强实例的演示、实例的选择，结合专业的特点。理清逻辑关系即要建立Matlab理论知识和气象类专业知识的联系，本课程内各章节之间的联系，每章内各知识点之间的联系。将这些联系作为经纬线，串接起来讲授内容，使学生可以纲举目张、举一反三，加深对知识点的理解。由于Matlab课程实践性很强，因此在Matlab理论教学中安排了大量的实例演示，通过现场展示，让学生对知识点有了更直观的了解，并对实践训练有了先验的感性认识。每次课程的每个知识点都有2个左右的实例，每次课堂教学都提供了将近20个实例，每个实例都可以直接拷贝到Matlab软件中运行，从而帮助学生加强理解和实践。除此以外，实例的选择还结合了专业的特点。例如，在pcolor作图函数的讲解和演示中利用了天气雷达数据，从而通过代码的编写和天气雷达图像的显示，使同学更好的了解了此函数的编写以及在专业知识中的应用。（2）实践教学方法的选择。实践教学方法主要考虑以下三个方面：实践教案的编写、实践习题的选择、实习报告的填写。每一次实践课程都有一个完善的实践教案，其中包括本次实验的目的、实验方案、实验习题、实验结语。实验方案将本次实验课程内容进行了简单的归纳和整理，通过举例对完成本次试验的方法和途径进行了展示，从而方便学生更好的完成本次实验内容。对于实践性较强的课程，学好的主要途径即是多动手。因此，在每一次实践课程中都安排大量的相应练习。实验习题的选择主要考虑了基本理论的练习和专业技能的练习。如Matlab文件处理这一章的实践教学中，其中两道习题是简单的常规的文本文件读写，其他习题则处理专业气象资料，如利用Matlab读取2012年6月NCEP资料中的气压数据，并画出等压面图像。每次实践课程后都要有一份完整的实验报告，包括实验习题的完成情况、本次实验的感想等。除此以外，教学过程中还加强了教学反馈。首先，在实验课上，根据学生实践的实际情况及时与其讨论和交流，同时也激励学生主动咨询和提问；其次，基于上交的实习报告，把完成情况向学生反馈，并通过电话、电子邮件等多种途径与学生进行讨论。
三、 气象类专业Matlab课程教学效果
通过上述探索，气象类专业的Matlab课程《Matlab在气象上的应用》取得了良好的教学效果。在2012～2013第一学期的大气探测专业Matlab课程教学的学生评教中，Matlab课程的综合评价为“优”，其中评价内容包括教学态度、教学方法、教学管理、教学效果等。另外，在最近一次大气探测专业大四学生对编程语言的掌握程度的调研中，80%以上的学生对Matlab的掌握程度为“掌握”，其他如C语言等编程语言的主要掌握程度为“了解”或“不熟”。除了编程技巧的掌握，我们更关注Matlab在气象专业知识上的应用。通过调查发现，在2013年大气探测专业的本科毕业论文设计中，有60%以上的学生均是选择了把Matlab作为编程工具来实现自己的毕业设计。例如，09级大气探测的伍华丽同学利用Matlab模拟了多普勒天气雷达谱参数的提取以及性能分析，解帅同学利用Matlab进行TRMM卫星测雨雷达三维降水结构特征的个例分析。从以上可以看出，基于气象类专业的特点，开设专门的Matlab课程是非常有意义的，Matlab在气象数据模拟分析、气象资料处理和可视化显示中均得到了很好的应用。
【参考文献】
[1]Frederick K. Lutgens， Edward J. Tarbuck， Dennis G. Tasa. The atmosphere： An introduction to Meteorology[M]. Prentice Hall， 2010.
[2]周建兴. Matlab从入门到精通[M]. 人民邮电出版社， 2012.
[3]Ma Li， Jiang Zhihong， Li Hao， Wu Dan. The combination of Java with Matlab apply to meteorology[C]. International Forum on Information Technology and Applications， 2009（3）：392-395.
气象数据可视化范文6
【关键词】初中数学 可视化 计算机辅助教学 创新教学法
【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）28-0123-02
一 前言
数学是抽象的思维艺术，数学的抽象性意味着对自然现象和生活经验的提炼和简化，去除现象的外壳，抽出原理的骨架。这一特征使数学能越过人类认知范围的边界，去追求宇宙奥妙的真理。初中数学在培养学生抽象思维的过程中具有承上启下的作用，一方面是抽象化，每一个知识点的引入，都以一个生活中可触可感的实例作为模型。例如二次函数以正方体表面积A=6x2作为起点，从可以拆成六个正方形的正方体表面，到6x2之间，便是一次高度抽象化的过程。另一方向是去抽象化，将原本抽象的理论用直观的方式展现，其中一种重要的方式是可视化。
可视化的概念最初来源于信息图形学，包括但不限于在科学或知识传播中，借助视觉手段的呈现和运用，让信息/知识更容易被理解传播和控制。例如统计图表即是数据可视化广泛而重要的阵地。另一为人熟知的应用是在科学与工程学，如气象学、建筑学或生物学等复杂系统中，对物相、形态、性质，面、体、光源等方面的逼真渲染，或静态或包含动态时间成分。
可视化在数学中的应用可追溯至数学的源头，传说阿基米德被害时，正在沙子上绘制几何图形。几何图形归根结底，便是一种视觉的呈现。数学意义上的点没有大小和尺寸，作图时的点乃是为了便于观察而加以刻画的结果。在两千多年几何学的传播和教学中，此种视觉呈现被证明是卓有成效的。
初中数学新课标中提出，学习是生动活泼的过程，学生应当有足够时间经历观察、实验的过程。“统计与概率”的主要内容所包括的绘制统计图表便为可视化的手段之一。对于几何直观，新课标更加以着重强调，“几何直观主要是指利用图形描述和分析问题，借助几何直观可以把复杂的数学问题变得简明、形象”。在代数部分，数形结合思想指导下以图像理解函数，是可视化的又一应用。
结合人教版初中数学教材，可视化可以作为教学的有效工具，帮助学生直观地理解数学，在数学学习中发挥重要作用。笔者认为，课堂可视化教学的应用可分为以下几类：
二 化抽象为直观
人教版八年级下教材以介绍勾股定理逆定理以埃及人构造直角的故事为引。埃及人在建造金字塔和尼罗河泛滥后丈量土地曾广泛应用勾股定理构造直角三角形。命题与命题属于抽象逻辑推理的概念，对首次接触的同学们来说显得陌生，利用可视化，可以让抽象的概念直观起来。
实验：准备一段足够长的细棉线，刻度尺，厚纸板。请两位同学上台，在棉线1上标记长度为15cm、20cm、25cm的线段，结成闭合绳索。在棉线2上标记长度为24cm、10cm、26cm的线段，结成闭合绳索。请第三位同学上台在厚纸板上以大头针拉直固定两段绳索。同学们不难发现，两个三角形的形状都是唯一和固定的，都构成了直角三角形，如图1（a）所示。
解说：32+42=52与122+52=132都是整数勾股数的特例。但真命题逆命题是否总是真命题呢。请看下面的例子。
演示：在棉线3上标记长度为10cm的四段线段，结成闭合绳索。以大头针拉直和固定，可得图1（b）所示形状。我们已经知道一个为真的原命题二：如果四边形ABCD是正方形，则四边长a=b=c=d。它的逆命题是，提问，由同学答出：如果四边形四边长满足a=b=c=d，则四边形为正方形。这个逆命题成立吗？
（a） （b） （c）
图1 利用绳子实现勾股定理逆定理的可视化
我们移动大头针的位置到A′、B′、C′、D′，a=b=c=d仍然维持不变，显然此时四边形不再是正方形，而是一个菱形。命题二的逆命题不成立。
利用简便易得的器材设计课堂数学实验，利用可视化技术，提高了同学的参与度，降低了知识抽象性。
三 构造空间观念
新课标对空间观念的定义是“空间观念主要是指根据物体特征抽象出几何图形，根据几何图形想象出所描述的实际物体；想象出物体的方位和相互之间的位置关系”。
利用多媒体工具和3D建模软件，可以动态地展示几何形体和复杂模型的三视图、投影图，让同学们直观地建立三维空间观念。例如免费3D软件Google SketchUp自带丰富模型库，导入飞机模型，利用快捷键可以方便地在俯视图、主视图、左视图间切换，如图2所示。利用光源，各几何体在平面的投影也一目了然，如图3所示。空间平移、旋转、轴对称等变换操作也可以方便地实现。
图2 飞机模型三视图
三视图和投影是学生们最初接触三维空间，利用3D软件强大的可视化功能，可帮助学生们顺利完成从二维空间观到三维空间观的过渡。
四 直观化数据
七年级下统计学初步中介绍了数据的收集、整理与描述。条形图、折线图、扇形图与直方图都是描述数据的方式。下面以直方图为例，介绍统计图中在课堂中的融合应用。
人教版课本一道练习题：利用截至2002年费尔兹奖得主获奖时的年龄数据（数据略）。请根据不同分组方法，组距2、组距5、组距10，画出频数分布直方图，如图4所示。
图4 组距2费尔兹奖得主直方图年龄分布
在课堂例题中已向学生们发放坐标纸，手动绘制直方图的方式使同学们熟悉了频数统计。此处结合选学内容《利用计算机画统计图》来产生不同分组的频数统计。
演示：打开电子表格软件如Excel，A列输入年龄，B列输入组距2的分组28，30，…，40，C列输入组距5的分组25，30，35，40，D列输入组距10的分组20，30，40。选择数据—数据分析—直方图。以A列作为输入区域，分别以B、C、D列作为接收区域，生成直方图及频数统计，如图4所示。
电子表格软件生成直方图改变组距操作简便，较坐标纸作图省时省力。通过统计图表，一眼望去没有线索的数据展示出规律。例如菲尔兹奖得主的年龄在38岁左右达到高峰，这当然与费尔兹奖奖励年轻数学家，只颁发给不超过40岁的数学奖的规定有关。
通过可视化技术，直观图表与对数据的阐释有机地结合在一起。
五 总结
综合以上三个实例，本文总结了可视化技术在初中数学课堂几个方面的应用。可视化沟通了抽象的数学思维与视觉直观的认知过程，化难为易，化繁为简，提高了学生的学习兴趣，在流畅的体验中获取知识，收到极好的教学效果。充分发掘和利用身边的素材与器材，无论是教具还是软件，古老的尺规还是前沿的计算机图形，都是可应用的教学资源。
参考文献
