【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）基于mongoDB的氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)-軟件工程

碩士學(xué)位論文 （碩士學(xué)位） 姓 名 學(xué) 號(hào) : 所在院系： 職業(yè)類型： 專業(yè)領(lǐng)域： 指導(dǎo)教師： 副指導(dǎo)教師： 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) A in 2014 d n 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文 的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位論文作者簽名： 2014 年 3 月 2 日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本 人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 2014 年 3 月 2 日 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘要 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形或圖像在屏幕上顯示出 來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)，它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。 當(dāng)前大氣探測(cè)的手段在不斷提高 ,人們獲得氣象數(shù)據(jù)的途徑越來越多 ,數(shù)據(jù)量也越來越大 ,如何更加有效地利用這些數(shù)據(jù) ,客觀地解釋這些數(shù)據(jù)成為人們十分關(guān)心的問題。隨著計(jì)算機(jī)圖像、圖形技術(shù)的發(fā)展 ,憑借計(jì)算機(jī)的巨大處理能力 ,科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)能夠把巨大數(shù)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像或圖形呈現(xiàn)在人們的面前 ,為人們分析、理解數(shù)據(jù)、形成概念和找出規(guī)律提供了強(qiáng)有力的手段。因此 ,研究和開發(fā)氣象可視化系統(tǒng) ,將觀測(cè) 及數(shù)值預(yù)報(bào)計(jì)算出來的大量氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和三維圖形顯示 ,使氣象預(yù)報(bào)工作者能夠更直觀、更深入理解大氣演變信息 ,從而 準(zhǔn)確地對(duì)天氣情況作出判斷 。 本系統(tǒng)包含兩個(gè)主要的模塊：（一），基于 布式云存儲(chǔ)、時(shí)空雙重索引、時(shí)空雙向游程壓縮的數(shù)據(jù)管理模塊。（二），基于 多線程渲染模塊，八叉樹支持下的多細(xì)節(jié)層次管理；多粒度支持下的氣象數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)度，氣象數(shù)據(jù)到場(chǎng)景數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，語義映射的氣象信息自適應(yīng)調(diào)度。 關(guān)鍵字 ： 氣象數(shù)據(jù) ,可視化， I is to to or on a to At is to s is to to a of of of to or or to in of a to of of it D be of a to in of of of of on FC of of 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 I 目錄 第一章 引言 . 1 發(fā)背景 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .統(tǒng)原理 . 2 文結(jié)構(gòu) .二章 相關(guān)技術(shù)介紹 . 3 空 R 樹索引技術(shù) . 3 本介紹 . 3 要特點(diǎn) . 3 . 4 介 . 4 性 . 4 . 5 介 . 5 性 . 5 . 6 本介紹 . 6 要特點(diǎn) . 6 第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) . 7 求分析 . 7 統(tǒng)流程示意圖 . 7 據(jù)流程圖 . 8 細(xì)流程示意圖 . 8 統(tǒng)數(shù)據(jù)介紹 . 9 據(jù)介紹 . 9 式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)劃分 . 9 第四章 模塊設(shè)計(jì) . 11同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 染模塊 . 11 架結(jié)構(gòu) . 11 線程與 線程的結(jié)合 . 12 據(jù)管理模塊 . 13 據(jù)存儲(chǔ) 分布式并行存儲(chǔ) . 13 據(jù)索引 樹的時(shí)空索引 . 14 據(jù)壓縮 . 15 據(jù)調(diào)度 . 16 第五章 模塊實(shí)現(xiàn) . 18 染模塊 . 18 視化場(chǎng)景的建立與渲染 . 18 據(jù)管理模塊 . 22 據(jù)元組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 23 空 R 樹索引設(shè)計(jì) . 25 第六章 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) . 29 叉樹結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) . 29 叉樹子結(jié)點(diǎn)的重要信息 . 29 叉樹結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) . 30 景中渲染結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì) . 30 個(gè)重要類的介紹 . 31 染模塊順序圖 . 34 建渲染文件過程 . 34 用程序獲取渲染文件過程 . 34 分代碼 . 35 分相關(guān)結(jié)構(gòu)體 . 35 叉樹部分代碼 . 36 件管理類部分代碼 . 38 第七 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 50 基元”紋理 . 50 驗(yàn)數(shù)據(jù) . 50 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 驗(yàn)效果 . 50 染模塊測(cè)試結(jié)果 . 50 據(jù)管理模塊測(cè)試結(jié)果 . 51 第八章總結(jié)與展望 . 54 第九章 參考文獻(xiàn) . 55 第一章 引言 1 第一章 引言 發(fā)背景 科學(xué)計(jì)算可視化是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，可視化技術(shù)極大地提高了數(shù)據(jù)處理的速度和處理的質(zhì)量推進(jìn)了科學(xué)計(jì)算工具和研究環(huán)境的進(jìn)一步現(xiàn)代化，從而使科學(xué)研究的面貌發(fā)生了根本的變化。氣象預(yù)報(bào)關(guān)系到億萬人民的生活、國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，國家安全，對(duì)災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)和預(yù)防將會(huì)大大減少人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性來自于氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析，而氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)鎖固有的及時(shí)性需求使 得氣象工作者必須在短時(shí)間內(nèi)從海量的氣象數(shù)據(jù)庫中獲取有價(jià)值的信息，將可視化技術(shù)用于氣象領(lǐng)域，使得原來復(fù)雜，晦澀難懂的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的二維和三維的圖像，極大地幫助了氣象工作者分析氣象數(shù)據(jù)和在短時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確的判斷，因此面向氣象數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)具有極大的研究?jī)r(jià)值。 云是自然界中常見的景觀，在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益成熟的今天，云的計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為可能并已廣泛的引用到各種領(lǐng)域中，如影視特效、游戲場(chǎng)景、氣象預(yù)報(bào)等。作為自然界中做常見的現(xiàn)象，云的模擬在涉及到自然場(chǎng)景的游戲中已不可或缺；對(duì)于影視劇的情節(jié)需要生產(chǎn)各種滿足藝術(shù)家 要求的云也是非常實(shí)用并且有效的；在虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，云的模擬有利于天氣信息的視覺直觀表達(dá)。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三維云的計(jì)算機(jī)模擬的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。不同的基元被用于云的建模工作中。 和 采用了基于橢球體對(duì)云建模的方法，所不同的是，用的不規(guī)格的碎片紋理映射到橢球表面的方法模擬云的細(xì)節(jié)，而 和 人提出了一種使用“元球”創(chuàng)建人造云的方法，通過利用 速很好的實(shí)現(xiàn)了云的實(shí)時(shí)模擬 16。 人提出給予元細(xì)胞自動(dòng)機(jī)的模擬方法對(duì)云進(jìn)行模擬8101318，他們提出的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)云圖的三維建模 14，此外，他們提出了全球級(jí)云的建模方法較好的完成了交互式云密度的生成 11。 2 等人提出了 法對(duì)云形成的物理過程進(jìn)行了近似模擬，能夠根據(jù)一定的大氣參數(shù)設(shè)置生成不同類型的云。這為本文的研究工作找到了切合點(diǎn)，本文對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，但不同的是，采用粒子系統(tǒng)系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)云的可視化，這里我們把粒子成為“基元”，給“基元”設(shè)置不同的紋理，并改變“ 基元”的位置和尺同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 2 寸等，然后對(duì)其進(jìn)行渲染。 統(tǒng)原理 該系統(tǒng)利用 斷接入傳感器傳送的數(shù)據(jù)（空氣濕度），結(jié)合時(shí)空 帶的索引查詢目標(biāo)時(shí)間段目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)，最后通過象地描繪出目標(biāo)區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)。 本實(shí)驗(yàn)也是基于“基元”的基本思想，但是不同的是，“基元”是不同形狀的二維面片。根據(jù)原始的氣象數(shù)據(jù)（大氣中某區(qū)域的水分密度），組合這些不同的“基元” ,并給它們綁定不同的紋理，通過改變紋理的屬性參數(shù)和“基元”的位置，大小等，以模擬現(xiàn)實(shí)世界中的云。 該系統(tǒng)主 要圍繞兩個(gè)模塊設(shè)計(jì)：（一）：采用分布式存儲(chǔ)，基于時(shí)空 R 樹管理的數(shù)據(jù)管理模塊。采用 布式管理的云存儲(chǔ) 123，時(shí)空雙重索引，時(shí)空雙向游程數(shù)據(jù)壓縮，（二）：基于 多線程渲染模塊。氣象數(shù)據(jù)到場(chǎng)景數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化；八叉樹 17支持下的多細(xì)節(jié)層次管理；多粒度支持下的氣象數(shù)據(jù)自適應(yīng)調(diào)度 ,語義映射的氣象信息自適應(yīng)可視化。 文結(jié)構(gòu) 本文總共分為十個(gè)章節(jié)，第一節(jié)引言，介紹了國內(nèi)外關(guān)于云的渲染的研究背景，介紹了幾種研究方式，同時(shí)提出了自己的研究方式，闡述了系統(tǒng)的 工作原理。第二章基本介紹了系統(tǒng)所用的相關(guān)技術(shù)，第三章集中介紹了該系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)相關(guān)類圖和工作流程示意圖，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)做了進(jìn)一步說明。第四章，模塊設(shè)計(jì)，描述個(gè)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，及相關(guān)的技術(shù)。第五章，模塊實(shí)現(xiàn)，對(duì)第四章的內(nèi)容做進(jìn)一步設(shè)計(jì)，類圖，活動(dòng)圖等。第六章，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開發(fā)中每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)每個(gè)模塊的編程做詳細(xì)介紹。第七章，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。展示實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。第八章，總結(jié)與展望未來，總結(jié)結(jié)論，并對(duì)該氣象數(shù)據(jù)可視化的前景做出推論。第九章，參考文獻(xiàn)介紹。 第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 3 第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 空 R 樹索引技術(shù) 本介紹 時(shí)空 R 樹 69是一種與 B 樹 15類似的高度平衡樹。這種索引是動(dòng)態(tài)的，不需要定期重建。索引記錄（ 存在葉節(jié)點(diǎn)中。 時(shí)空 R 樹的結(jié)點(diǎn)分為葉結(jié)點(diǎn)和中間結(jié)點(diǎn)。葉結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)存儲(chǔ)一些了元組的物理位置，每個(gè)元組代表某個(gè)對(duì)象在某個(gè)時(shí)刻、某個(gè)位置的屬性，并且每個(gè)元組都有一個(gè)唯一的標(biāo)示符，標(biāo)示符用于檢索。每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)同時(shí)還記錄有一個(gè)唯一的標(biāo)示符，用于結(jié)點(diǎn)的檢索。中間結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)下層結(jié)點(diǎn)的時(shí)空范圍，根結(jié)點(diǎn)則存儲(chǔ)整棵時(shí)空 R 樹的時(shí)空范圍 。 圖 空 R 樹索引結(jié)構(gòu)描述示意圖 要特點(diǎn) 時(shí)空索引的主要特點(diǎn)：時(shí)空高效查詢。對(duì)任何帶有時(shí)間和空間屬性的記錄，從時(shí)間維和空間維同時(shí)構(gòu)建索引，不同于普通方式的一維或者多維的索引。 大規(guī)模時(shí)空數(shù)據(jù)的管理。在索引結(jié)構(gòu)中，葉結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)一系列時(shí)空元組數(shù)據(jù)，中間結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)下層結(jié)點(diǎn)的時(shí)空范圍和結(jié)點(diǎn)標(biāo)示符，時(shí)空 R 樹是一種與 B 樹類似的高度平衡樹。大幅度增加元組數(shù)據(jù)，不會(huì)導(dǎo)致索引結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增高，同時(shí)索引結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)的數(shù)目不會(huì)隨著元組數(shù)據(jù)的大幅度插入而急劇上升。 同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視 化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 4 簡(jiǎn)介 一款高性能的 3D 圖形開發(fā)庫。廣泛應(yīng)用在可視化仿真、游戲、虛擬現(xiàn)實(shí)、高端技術(shù)研發(fā)以及建模等領(lǐng)域。使用標(biāo)準(zhǔn)的 C+和 分利用 設(shè)計(jì)模式，發(fā)揮開源開發(fā)模型的優(yōu)勢(shì)來提供一個(gè)免費(fèi)的開發(fā)庫，并且重點(diǎn)集中在用戶的需求上 ,可以運(yùn)行在 列、 及 作系統(tǒng)。 性 它完全是由標(biāo)準(zhǔn) C+程序和 的，充分利用 設(shè)計(jì)模式，發(fā)揮開源開發(fā)模型 的優(yōu)勢(shì)來提供一個(gè)免費(fèi)的開發(fā)庫，并且重點(diǎn)集中在用戶的需求上。隨著使用一個(gè)全特性的場(chǎng)景圖 關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它的性能、可擴(kuò)展性、可移植性和可快速開發(fā)。 性能 :支持視圖投影剔除（ ，隱藏面剔除（ 小特性剔除（ 細(xì)節(jié)層次節(jié)點(diǎn)（ ，狀態(tài)排序 (頂點(diǎn) 數(shù)組 ，頂點(diǎn)緩沖對(duì)象（ 色語言和 顯示列表（ 以上所列都是場(chǎng)景圖內(nèi)核的一部分。 快速開發(fā) :場(chǎng)景圖的內(nèi)核封裝了包括最新擴(kuò)展的大部分 能，提供諸如剔除和排序的渲染優(yōu)化功能，同樣提供能快速開發(fā)高性能圖形應(yīng)用程序的一整套補(bǔ)充庫。應(yīng)用程序開發(fā)者可以更關(guān)心實(shí)質(zhì)性內(nèi)容和如何操控這些它們，而不再是底層的代碼 數(shù)據(jù)裝載：為了讀入 和寫出數(shù)據(jù)庫，有一個(gè)數(shù)據(jù)庫的支持庫（ 加了通過后綴名動(dòng)態(tài) 插件 機(jī)制，從而支持大量數(shù)據(jù)格式，目前的發(fā)布版本有 55種單獨(dú)的插件支持 3D 數(shù)據(jù)和 圖像格式 的裝載。 節(jié)點(diǎn)工具箱：這個(gè)場(chǎng)景圖同樣有一套節(jié)點(diǎn)工具集，它們是可以在你的應(yīng)用程序中編譯或者在運(yùn)行時(shí)裝載的獨(dú)立庫，它們?cè)黾又С?粒子系統(tǒng) （ 高質(zhì)量 抗鋸齒 文本（ 特效框架結(jié)構(gòu)（ 陰影框架結(jié)構(gòu) (交互控制（ ，與 虛擬仿真 相關(guān)的效果（ 。 可移植性：場(chǎng)景圖的內(nèi)核已經(jīng)被設(shè)計(jì)成盡量少的依賴具體的平臺(tái)，很少的部分 超出了標(biāo)準(zhǔn) C+程序和 就使得這個(gè)場(chǎng)景圖可以快速移植到大部分系統(tǒng)中。 第二章 相關(guān)技術(shù)介紹 5 簡(jiǎn)介 寫 個(gè)定義了一個(gè)跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口的規(guī)格，它用于三維圖象（二維的亦可）。 個(gè)專業(yè)的圖形程序接口，是一個(gè)功能強(qiáng)大，調(diào)用方便的底層圖形庫 . 性 一個(gè)開放的三維圖形軟件包，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，以它為基礎(chǔ)開發(fā)的應(yīng)用程序可以十分方便地在各種平臺(tái)間移植； 以與+緊密接口，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的有關(guān)計(jì)算和圖形算法，可保證算法的正確性和可靠性； 用簡(jiǎn)便，效率高。它具有七大功能： 建模： 形庫除了提供基本的點(diǎn)、線、多邊形的繪制函數(shù)外，還提供了復(fù)雜的三維物體（球、錐、多面體、茶壺等）以及復(fù)雜曲線和曲面繪制函數(shù)。 變換： 形庫的變換包括基本變換和投影變換?；咀儞Q有平移、旋轉(zhuǎn)、變比鏡像四種變換，投影變換有平行投影（又稱正射投影）和透視投 影兩種變換。其變換方法有利于減少算法的運(yùn)行時(shí)間，提高三維圖形的顯示速度。 顏色模式設(shè)置 ： 色模式有兩種，即 式和顏色索引（ 光照和材質(zhì)設(shè)置： 有輻射光（ 環(huán)境光（ 漫反射光（ 鏡面光（ 材質(zhì)是用光反射率來表示。場(chǎng)景（ 物體最終反映到人眼的顏色是光的紅綠藍(lán)分量與材質(zhì)紅綠藍(lán)分量的反射率相乘后形成的顏色。 紋理映射（ 利用 理映射功能可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。 位圖 顯示和圖象增強(qiáng)圖象功能除了基本的拷貝和像素讀寫外，還提供融合（ 反走樣（ 霧（ 特殊圖象效果處理。以上三條可使被仿真物更具真實(shí)感，增強(qiáng)圖形顯示的效果。 雙緩存動(dòng)畫（ 緩存即前臺(tái)緩存和后臺(tái)緩存，簡(jiǎn)言之，后臺(tái)緩存計(jì)算場(chǎng)景、生成畫面，前臺(tái)緩存顯示后臺(tái)緩存已畫好的畫面。 此外，利用 能實(shí)現(xiàn)深度暗示（ 運(yùn)動(dòng)模糊（ 特殊效果。從而實(shí)現(xiàn)了消隱算法。 同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 6 基本介紹 布式文檔存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，由 C+語言編寫，旨在為 用提供可擴(kuò)展的高性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案 1。 一個(gè)基于分布式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫。 一個(gè)介于 關(guān)系數(shù)據(jù)庫 和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫當(dāng)中功能最豐富，最像關(guān)系數(shù)據(jù)庫的。它支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 非常松散，是類似 式，因此可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型 2。 大的特點(diǎn)是支持的查詢語言非常強(qiáng)大，其語法有點(diǎn)類似于面向?qū)ο蟮牟樵冋Z言，幾乎可以實(shí)現(xiàn)類似關(guān)系數(shù)據(jù)庫單表查詢的絕大部分功能，而且還支持對(duì)數(shù)據(jù)建立 索引 。 務(wù)端可運(yùn)行在 臺(tái)，支持 32 位和 64位應(yīng)用，默認(rèn)端口為 27017。推薦運(yùn)行在 64 位平臺(tái)，因?yàn)?32 位模式運(yùn) 行時(shí)支持的最大文件尺寸為 2。 要特點(diǎn) 面向集合存儲(chǔ)，易存儲(chǔ)對(duì)象類型的數(shù)據(jù)。模式自由。支持動(dòng)態(tài)查詢。支持完全索引，包含內(nèi)部對(duì)象。支持查詢。支持復(fù)制和故障恢復(fù)。使用高效的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括大型對(duì)象（如視頻等）。自動(dòng)處理碎片，以支持云計(jì)算層次的擴(kuò)展性。支持 C+， C#等多種語言。文件存儲(chǔ)格式為 種 擴(kuò)展）?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)訪問。 第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 7 第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 求分析 為了實(shí)時(shí)模擬氣象數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)需要如下幾個(gè)模塊：存儲(chǔ)模塊：持續(xù)接入大氣傳感器傳送的數(shù)據(jù)；索引模塊：查詢目標(biāo)區(qū)域的大氣數(shù)據(jù)（無論分時(shí)間段或者地理區(qū)域）；渲染模塊：利用三維技術(shù)形象描繪出該目標(biāo)區(qū)域的大氣信息（本系統(tǒng)為目標(biāo)區(qū)域中的水分含量）。 統(tǒng)流程示意圖 圖 統(tǒng)流程示意圖 氣象傳感器不斷監(jiān)測(cè)大氣數(shù)據(jù)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)生到臨時(shí)數(shù)據(jù)庫中，通過對(duì)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立索引，構(gòu)成索引數(shù)據(jù)庫，模擬終端通過查詢請(qǐng)求獲取目標(biāo)矩形時(shí)空范圍內(nèi)的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，模擬大氣信息。 圖 的臨時(shí)數(shù)據(jù)庫用于臨時(shí)存儲(chǔ)大氣傳感器傳送的氣象數(shù)據(jù)，因?yàn)槊總€(gè)傳感器被安放在固定的位置，每個(gè)時(shí)刻傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)必須包括時(shí)刻屬性、傳感器的位置屬性。時(shí)空 R 樹技術(shù)根據(jù)這兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建索引。時(shí)空數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)構(gòu)建好索引的大氣數(shù)據(jù)。模擬終端用于模擬大氣信息（發(fā)送目標(biāo)矩形時(shí)空區(qū) 域，獲取該時(shí)空區(qū)域的大氣信息，氣象模擬）。 同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 8 據(jù)流程圖 圖 據(jù)流程圖 氣象傳感器不斷向臨時(shí)數(shù)據(jù)庫發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)臨時(shí)數(shù)據(jù)庫中的臨時(shí)數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)到一定的規(guī)模后，將該臨時(shí)表中的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空 R 樹索引構(gòu)建，同時(shí)將索引數(shù)據(jù)存在時(shí)空數(shù)據(jù)庫中。模擬終端想時(shí)空數(shù)據(jù)庫發(fā)送查詢請(qǐng)求，通過時(shí)空R 樹索引獲取目標(biāo)氣象數(shù)據(jù)，形成渲染文件，在模擬終端上渲染，以模擬目標(biāo)區(qū)域的大氣信息，提供研究。 細(xì)流程示意圖 圖 統(tǒng)詳細(xì)流程示意圖 系統(tǒng)整體分為 系統(tǒng)分為如下幾個(gè)重要模塊 ,數(shù)據(jù)管理模塊 ：主要的功能是對(duì)于大批量的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以達(dá)到高效存儲(chǔ)的效果，這是傳感器大氣信息數(shù)據(jù)的最初處理。數(shù)據(jù)處理模塊：將獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，然后形成場(chǎng)景的渲染文件。數(shù)據(jù)渲染模塊：將渲染文件轉(zhuǎn)化為場(chǎng)景結(jié)點(diǎn)，整合到場(chǎng)景中去，然后高效渲染這些數(shù)據(jù)。 第三章 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 9 統(tǒng)數(shù)據(jù)介紹 在本系統(tǒng)中，首先將傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，將一個(gè)大的數(shù)據(jù)塊分為幾個(gè)小的數(shù)據(jù)塊，每個(gè)小的數(shù)據(jù)塊作為一條記錄存在在時(shí)空索引數(shù)據(jù)中，并對(duì)這小的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行索引構(gòu)建。 據(jù)介紹 傳感器數(shù)據(jù)空間分布格式： 100 100 100（ M） ，即三維空間內(nèi)每隔 100 米記錄著該點(diǎn)的大氣信息。這里指大氣中水分的含量。傳感器數(shù)據(jù)分布格式： 502 501 59(U,V),501*501*60（ W）。 圖 據(jù)介紹示意圖 首先按照 X 軸上分布，箭頭的指向?yàn)榉植挤较?，然后再?Y 軸層疊，果超過了 502 502 的數(shù)據(jù)則像 1、 2、 3 分布一樣以 Z 軸層疊。 式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)劃分 為了能夠內(nèi)存中的快速索引，需將 檔的內(nèi)容提取然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)類型為 型，占用 4 個(gè)字節(jié)，文件的大小為 502 501 59。如 果將文件作為一個(gè)整體存儲(chǔ)，第一數(shù)據(jù)量大，第二數(shù)據(jù)跨越區(qū)域大，不利于自適應(yīng)調(diào)度。索引我們將整體數(shù)據(jù)劃分為 64*64*64 的若干個(gè)數(shù)據(jù)小塊。每個(gè)數(shù)據(jù)小塊作為一條 儲(chǔ)的記錄進(jìn)行存儲(chǔ)、時(shí)空索引的元組數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建索引。 如何對(duì)數(shù)據(jù)小塊進(jìn)行時(shí)空索引的構(gòu)建？傳感器數(shù)據(jù)中不僅包含了某個(gè)區(qū)域同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 10 的大氣信息數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄了該數(shù)據(jù)集合的采集位置。如圖 示的 位置。在將整個(gè)數(shù)據(jù)大塊劃分為 64*64*64 的小塊時(shí)，同樣需要計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)小塊集合的起始位置。設(shè)數(shù)據(jù)小塊的起始位置為（ x,y,z） ,則數(shù)據(jù)小塊的整體空 間為（ x+64*100,y+64*100,z+64*100）。該時(shí)空區(qū)域和采集時(shí)刻組成該數(shù)據(jù)小塊的時(shí)空索引項(xiàng)。 第 4 章 模塊設(shè)計(jì) 11 第四章 模塊設(shè)計(jì) 染模塊 該模塊主要負(fù)責(zé)場(chǎng)景的渲染工作，比如場(chǎng)景攝像機(jī)的構(gòu)建，場(chǎng)景構(gòu)建，場(chǎng)景裁剪，場(chǎng)景渲染，時(shí)間響應(yīng)等。 架結(jié)構(gòu) 在渲染模塊中，最重要的視景器 (如下圖所示： 圖 染框架結(jié)構(gòu)圖 如圖 包括： (1)用于實(shí)現(xiàn)交互式場(chǎng)景漫游的漫游器。 (2)事件處理器組 _責(zé)處理視景器 的事件隊(duì)列 _要是鍵盤 /鼠標(biāo)的事件的處理。 同濟(jì)大學(xué) 碩士 學(xué)位論文 基于 氣象數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 12 (3)場(chǎng)景 _包括視景器鎖對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景圖形根節(jié)點(diǎn)，以及用于提高節(jié)點(diǎn)和圖像數(shù)據(jù)處理速度的兩個(gè)分頁數(shù)據(jù)庫（線程實(shí)現(xiàn)）。 (4)攝像機(jī) _ _為場(chǎng)景的主攝像機(jī)，后為從攝像機(jī)組，不過 沒有規(guī)定一定要使用主攝像機(jī)來現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，它的更重要的作用是為 界矩陣的計(jì)算提供依據(jù)。 攝像機(jī)是 圖顯示的核心器件，沒有攝像機(jī)就沒有辦法將場(chǎng)景圖形的實(shí)景展現(xiàn)給用戶，它包括： (1)視口（ 示了攝像機(jī) 的顯示窗口的位置和尺寸。 (2)圖形上下文（ ,通常也就是圖形相關(guān)的圖形顯示窗口（ 于 統(tǒng)而言，他實(shí)際上是通過 個(gè)熟悉的 創(chuàng)建的），不過也可能是離屏渲染設(shè)備（例如 . 圖形窗口的另外一個(gè)任務(wù)就是及時(shí)把系統(tǒng)和用戶交互產(chǎn)生的事件反饋到事件處理器組去。 渲染器 (多的時(shí)候是： 這是這個(gè)選（ 繪制（ 關(guān)鍵。 此外， 顯示設(shè)置工具 會(huì)直接對(duì)攝像機(jī)的處理工作負(fù)責(zé)，大部分的設(shè)置都可以傳遞到攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的窗口特性（ ，并在渲染過程中發(fā)揮作用。 的事件處理機(jī)制與 息處理緊密聯(lián)系，首先獲取仿真環(huán)境中所有的（ 形窗口，然后通過 數(shù)通知窗口執(zhí)行消息回調(diào)函數(shù)，將消息添加到 _息隊(duì)列中， 取交互的事件，并交給 理事件。 圖 真環(huán)境與 間消息傳遞示意圖 線程與 線程的結(jié)合 結(jié)合主要是在 應(yīng)的視圖類中