[发明专利]一种基于三维地形的风的动态可视化方法

摘要

本发明涉及一种基于三维地形的风的动态可视化方法，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；具体步骤如下：输入点阵形式的地形高程、风速和风向数据文件；构建三维网格地形；构建风节点并初始化风结点的方向；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，获取旋转矩阵R；计算单位三维风矢量，乘以风速得到下一位置点；风节点移动到下一位置点时，更新风节点的风矢量、旋转矩阵R、颜色和大小；风节点在结束位置时下一步移动到起始位置。本发明在输入的高程数据、风场计算模型所计算出研究区域的风速和风向数据的基础上，在计算机上动态模拟出风在三维地形上的流动。

主权项

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。