[發明專利]一種基于氣象數據的自然分區可視化方法

有效

• 申請號: 202010047145.2
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111241085B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 朱敏;姚林;王翔坤;羅富智;周山豐;梁朝暉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06F16/215
• 分類號: G06F16/215;G06F16/26;G06F16/29;G01W1/10
• 代理公司: 成都禾創知家知識產權代理有限公司 51284
• 代理人: 裴娟

1.一種基于氣象數據的自然分區可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：數據獲取

根據各地氣象站點原始數據，清洗篩選有效信息、提煉氣象因子，對采集到的氣象數據按季度做降維處理，再進行數據結構設計以及數據存儲；

S2：數據處理

通過聚類處理與量化評估，利用聚類量化指標對分區全局結果進行評估，計算代表站點的綜合與單維相似度，生成有關集群、簇、點的信息表；

S3：可視化映射

設計全局呈現與定量評估視覺編碼，用柱形、雷達圖軸截距分別表示分區全局結果和評估數值；設計站點時空分區視覺編碼，用地理視圖的散點和時間軸點選分別表示地理環境中站點位置和選中時間范圍；設計點簇關系視覺編碼，用氣泡、箭頭、柱狀、平行坐標線條分別表示區域內氣象因子相似度、氣象因子屬性分布、站點數、區域間氣象因子屬性分布；

S4：可視化布局

依據用戶選取的時段與簇數范圍，通過堆疊柱狀圖模型輸出聚類全局呈現映射，將全局序號、堆疊柱狀圖模型、定量評估雷達圖模型三者對應成行，完成分區全局呈現與評估可視化布局；

設置全局序號與地理視圖的關聯關系，設置時間軸點選與簇號、運行按鈕的關聯關系，通過墨卡托投影，將站點經緯度映射到二維地圖上，映射聚類的簇序號到站點顏色上，完成分區時空可視化布局；

對簇內代表點綜合相似度排序，映射為站點軸的前后順序，計算氣象因子單維相似度到氣泡半徑的映射，將該時期中簇內各個氣象因子的均值、上四分位數、下四分位數映射為平行坐標系的線條和單軸箭頭圖的箭頭，為簇和站點的數值映射不同的箭頭顏色，完成點簇關系可視化布局；

所述步驟S4具體為：

S41：將用戶的簇數選擇區間設計為兩個可拖動的滑塊，鏈接簇數、時期和滑塊，輸出簇數選擇視圖，設計堆疊柱狀圖，其顏色與地理視圖對應，儲存集群呈現信息，渲染并輸出其呈現視圖，完成全局呈現與定量評估可視化布局；

S42：使用墨卡托投影法讀取地圖信息到二維平面，讀取站點信息，由聚類呈現視圖傳入的簇號按站點查詢顏色，進行可視化渲染，輸出地理視圖，完成站點時空分區呈現可視化布局；

S43：設計多軸氣泡圖、多軸箭頭圖和平行坐標系分別代表各站點氣象因子余弦相似度排序、點簇屬性分布關系和簇間特征比較，渲染并輸出其視圖，完成點簇關系可視化布局；

在步驟S4中，全局呈現與定量評估可視化布局的實現過程為：

S41a：設置滑塊拖動效果，設置rerun按鈕，連接滑塊位置與簇數、時期與 rerun按鈕的觸發；

S41b：獲取rerun按鈕按動時的簇數區間和時期范圍，查找簇號和時期對應的分區全局結果序號；

S41c：查找全局結果序號對應的聚類方法、簇的種類數、五個評估指標以及每個簇的屬性，包括簇序號、顏色、簇內站點數；

S41d：渲染輸出全局呈現與定量評估相關視覺通道：包括簇數控制模塊、每行全局結果的簇號、劃分結果和量化評估；簇數控制模塊包括可拖動的滑塊、簇數區間的數字、重運行按鈕rerun；在每行全局結果中，簇號直接表示為數字，劃分結果用堆疊柱狀圖表示，單個柱狀的長度和顏色表示該簇內站點的數目和所屬關系，量化評估由雷達圖表示；

S41e：設置每行的“點選后背景變暗”以及點擊rerun后刷新該部分視圖的效果；

在步驟S4中，站點時空分區呈現可視化布局的實現過程為：

S42a：以中國西南五省為中心的縮放粒度，將世界地圖保留國界和省界，采用墨卡托投影方法投影到二維平面；依據站點的緯度、經度、站點名稱、所屬簇的顏色映射到地圖上，設置鼠標滾輪縮放功能，設置鼠標懸浮顯示站點名稱；輸出地理視圖；

S42b：豎直依次放置十個箭頭作為時期軸，每個時期塊右側繪制該聚類時期的開始年份；設置選中效果，將選中的時期箭頭映射為聚類的時期傳入全局呈現與定量評估布局中；輸出時期軸視圖；

S42c：設置點選堆疊柱狀圖后刷新站點地理分區時空視圖，并更新地理視圖左上方的全局結果序號；

在步驟S4中，點簇關系可視化布局的實現過程為：

S43a：鼠標點擊地理視圖的站點后，獲取該站點所屬簇的簇序號、顏色，另有同屬該簇的所有站點的區站號、站點名稱、站點數目、站點整體的余弦相似度以及單個氣象因子的相似度；

S43b：設置代表性站點視圖中的六行軸；在簇內查找站點余弦相似度最高的六個站點并排序；將站點名稱標注在軸的左側，依次將單個氣象因子的相似度映射為氣泡的大小繪制的軸上，氣泡的顏色對應簇的顏色；

S43c：在S43a步驟中同步獲得該站點的區站號所屬簇的簇序號；借由簇序號獲取同屬該簇的所有站點每季度的氣象因子數據；

S43d：計算一個時期每個簇內所有站點氣象因子的上四分位數、均值、下四分位數，計算該時期內該站點區站號下氣象因子的均值；

S43e：設置點簇屬性關系視圖中的六行軸；將六個氣象因子標注在軸的左側，依據該氣象因子最大最小值將軸線映射為數軸；將站點在每個氣象因子下的均值在數軸上用藍色箭頭表示，附以數值；將簇在每個氣象因子下的上四分位數、均值、下四分位數在數軸上用三個紅色箭頭表示，附以數值；

S43f：設置鼠標點擊地理視圖的站點后刷新代表性站點視圖和點簇屬性關系視圖；

S43g：點選堆疊柱狀圖后獲取全局結果序號下所有簇的簇序號、顏色、包含的站點數，以及包含S43d中所計算的簇屬性均值；

S43h：設置簇間比較的柱狀圖區域，行數按分區結果中的簇數的最大值定義；對于每行視圖，布局為勾選框、“cluster+簇號”、柱狀圖；簇內站點總數、顏色映射為柱狀圖的長度和顏色；

S43i：繪制平行坐標系；平行坐標系由六個坐標軸組成，對應六個氣象因子；將簇屬性的均值和顏色映射為平行坐標系中的折線；

S43j：設置全局呈現與定量評估布局中堆疊柱狀圖點選后刷新簇間關系比較視圖。