[发明专利]一种基于三维地形的风的动态可视化方法

权利要求书

1.一种基于三维地形的风的动态可视化方法，其特征在于：包括数据的输入及虚拟场景的构建、三维风矢量场的构建和动态风场的显示三部分；

所述数据的输入及虚拟场景的构建包括以下步骤：

步骤S1：输入点阵形式的地形高程数据、风速和风向的数据文件，

步骤S2：构建三维网格地形，包括划分三角面片和地形贴图，

步骤S3：构建风节点；

所述三维风矢量场的构建包括以下步骤：

步骤S4：旋转平行XY平面的风节点使其表示正确的二维风向，计算地形法向矢量，最终根据罗德里格旋转公式获取旋转矩阵R；

所述动态风场的显示包括以下步骤：

步骤S5：计算单位三维风矢量表示该网格的三维风向，乘以风速得到下一位置点，

步骤S6：定时器时间控制模拟速度，风节点移动到下一位置点，更新风节点的风矢量、旋转矩阵R、颜色和大小，

步骤S7：重复上个步骤，风节点在结束位置时下一步移动到起始位置；

步骤S5中，所述计算单位三维风矢量具体包括以下步骤：采用欧拉法的原理，根据地形高程数据、风向角度和风速，计算网格的单位风矢量，获取风场整体的变化规律；已知风向角α和高程数据点固定间隔u，Pn、Pn+1点对应的高程值(即z方向值)记为c、d，以O点为原点，计算Pm点坐标并进行单位化即为所在网格的单位风矢量；Pm点x值为u，y值为tan(90°-α)*u，z值根据y方向和z方向的比例计算出为再单位化得出网格的单位风矢量；

在步骤S4中，所述获取旋转矩阵R的具体内容如下：

首先获取旋转角度θ，旋转前向量为(0，0，1)，旋转后向量为由点乘定义可知：

两个旋转角度为：

然后获取旋转轴，旋转角所在的平面为向量和所构成的平面，旋转轴垂直于该平面，则旋转轴为和叉乘所在的矢量：

把写成向量则根据罗德里格旋转公式，旋转矩阵R的计算公式为：

其中，E是3阶单位矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于三维地形的风的动态可视化方法，其特征在于：所述数据的输入及虚拟场景的构建的具体内容如下：

二维点阵形式的地形高程数据、风速和风向的数据文件的输入：每个点阵数据用于计算每个网格属性，每一点的风速、风向和高程数据一一对应；

三维网格地形的构建：根据不同位置点的地形高程数据，高程数据间地形插值平滑，前后左右连成网格，再根据统一方向将每个四边形划分成两个三角面片，并且将研究区域的正摄航拍或遥感影像数据以纹理形式贴在地形上；

风节点的构建：将带有透明通道的箭头图片，通过UV坐标以纹理形式与创立的二维面片叠加，添加颜色和缩放属性用于区分风速。

3.根据权利要求1所述的基于三维地形的风的动态可视化方法，其特征在于：所述三维风矢量场的构建的具体内容如下：

网格单位风矢量的计算：采用欧拉法的原理，根据地形高程数据、风向和风速，计算网格的单位风矢量，获取风场整体的变化规律；

地形法向矢量计算：计算三角面片的两条直角边所在的单位矢量，将两条单位矢量叉乘，根据Z方向值的正负，获得地形的法向矢量；

获取旋转矩阵R：从Z轴方向的单位矢量旋转到地形法向矢量，这其中的旋转矩阵则根据罗德里格旋转公式计算出特定网格地形的旋转矩阵R；

单一网格内风属性保存：保存每一网格的标识与对应网格的地形高程数据、风速、风向、风矢量、风节点颜色及大小。

4.根据权利要求1所述的基于三维地形的风的动态可视化方法，其特征在于：所述动态风场的显示的具体内容如下：

风节点单步移动：采用拉格朗日法的原理，以模拟单个风节点为基础，综合所有风节点，构成整个风场运动，单位风矢量乘以风速得到X、Y、Z方向的偏移，再加上原来位置，就是风节点单步移动后的位置；

模拟速度控制：采用定时器加回调的处理方式控制模拟速度，减少定时器的时间则加快模拟速度，增加定时器时间则减小模拟速度；

更新风节点：风节点到达下一个位置前，预先获取该位置点所在网格的风矢量、旋转角度、颜色和大小，然后更新到该风节点；

风节点起始和结束位置：起始位置位于风向和地面第一次相交的边缘，结束位置位于风节点最后一次与地形边缘相交的位置，结束位置的下一个单步移动位置就是起始位置。