[发明专利]一种基于气象数据的自然分区可视化方法

权利要求书

1.一种基于气象数据的自然分区可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：数据获取

根据各地气象站点原始数据，清洗筛选有效信息、提炼气象因子，对采集到的气象数据按季度做降维处理，再进行数据结构设计以及数据存储；

S2：数据处理

通过聚类处理与量化评估，利用聚类量化指标对分区全局结果进行评估，计算代表站点的综合与单维相似度，生成有关集群、簇、点的信息表；

S3：可视化映射

设计全局呈现与定量评估视觉编码，用柱形、雷达图轴截距分别表示分区全局结果和评估数值；设计站点时空分区视觉编码，用地理视图的散点和时间轴点选分别表示地理环境中站点位置和选中时间范围；设计点簇关系视觉编码，用气泡、箭头、柱状、平行坐标线条分别表示区域内气象因子相似度、气象因子属性分布、站点数、区域间气象因子属性分布；

S4：可视化布局

依据用户选取的时段与簇数范围，通过堆叠柱状图模型输出聚类全局呈现映射，将全局序号、堆叠柱状图模型、定量评估雷达图模型三者对应成行，完成分区全局呈现与评估可视化布局；

设置全局序号与地理视图的关联关系，设置时间轴点选与簇号、运行按钮的关联关系，通过墨卡托投影，将站点经纬度映射到二维地图上，映射聚类的簇序号到站点颜色上，完成分区时空可视化布局；

对簇内代表点综合相似度排序，映射为站点轴的前后顺序，计算气象因子单维相似度到气泡半径的映射，将该时期中簇内各个气象因子的均值、上四分位数、下四分位数映射为平行坐标系的线条和单轴箭头图的箭头，为簇和站点的数值映射不同的箭头颜色，完成点簇关系可视化布局；

所述步骤S4具体为：

S41：将用户的簇数选择区间设计为两个可拖动的滑块，链接簇数、时期和滑块，输出簇数选择视图，设计堆叠柱状图，其颜色与地理视图对应，储存集群呈现信息，渲染并输出其呈现视图，完成全局呈现与定量评估可视化布局；

S42：使用墨卡托投影法读取地图信息到二维平面，读取站点信息，由聚类呈现视图传入的簇号按站点查询颜色，进行可视化渲染，输出地理视图，完成站点时空分区呈现可视化布局；

S43：设计多轴气泡图、多轴箭头图和平行坐标系分别代表各站点气象因子余弦相似度排序、点簇属性分布关系和簇间特征比较，渲染并输出其视图，完成点簇关系可视化布局；

在步骤S4中，全局呈现与定量评估可视化布局的实现过程为：

S41a：设置滑块拖动效果，设置rerun按钮，连接滑块位置与簇数、时期与 rerun按钮的触发；

S41b：获取rerun按钮按动时的簇数区间和时期范围，查找簇号和时期对应的分区全局结果序号；

S41c：查找全局结果序号对应的聚类方法、簇的种类数、五个评估指标以及每个簇的属性，包括簇序号、颜色、簇内站点数；

S41d：渲染输出全局呈现与定量评估相关视觉通道：包括簇数控制模块、每行全局结果的簇号、划分结果和量化评估；簇数控制模块包括可拖动的滑块、簇数区间的数字、重运行按钮rerun；在每行全局结果中，簇号直接表示为数字，划分结果用堆叠柱状图表示，单个柱状的长度和颜色表示该簇内站点的数目和所属关系，量化评估由雷达图表示；

S41e：设置每行的“点选后背景变暗”以及点击rerun后刷新该部分视图的效果；

在步骤S4中，站点时空分区呈现可视化布局的实现过程为：

S42a：以中国西南五省为中心的缩放粒度，将世界地图保留国界和省界，采用墨卡托投影方法投影到二维平面；依据站点的纬度、经度、站点名称、所属簇的颜色映射到地图上，设置鼠标滚轮缩放功能，设置鼠标悬浮显示站点名称；输出地理视图；

S42b：竖直依次放置十个箭头作为时期轴，每个时期块右侧绘制该聚类时期的开始年份；设置选中效果，将选中的时期箭头映射为聚类的时期传入全局呈现与定量评估布局中；输出时期轴视图；

S42c：设置点选堆叠柱状图后刷新站点地理分区时空视图，并更新地理视图左上方的全局结果序号；

在步骤S4中，点簇关系可视化布局的实现过程为：

S43a：鼠标点击地理视图的站点后，获取该站点所属簇的簇序号、颜色，另有同属该簇的所有站点的区站号、站点名称、站点数目、站点整体的余弦相似度以及单个气象因子的相似度；

S43b：设置代表性站点视图中的六行轴；在簇内查找站点余弦相似度最高的六个站点并排序；将站点名称标注在轴的左侧，依次将单个气象因子的相似度映射为气泡的大小绘制的轴上，气泡的颜色对应簇的颜色；

S43c：在S43a步骤中同步获得该站点的区站号所属簇的簇序号；借由簇序号获取同属该簇的所有站点每季度的气象因子数据；

S43d：计算一个时期每个簇内所有站点气象因子的上四分位数、均值、下四分位数，计算该时期内该站点区站号下气象因子的均值；

S43e：设置点簇属性关系视图中的六行轴；将六个气象因子标注在轴的左侧，依据该气象因子最大最小值将轴线映射为数轴；将站点在每个气象因子下的均值在数轴上用蓝色箭头表示，附以数值；将簇在每个气象因子下的上四分位数、均值、下四分位数在数轴上用三个红色箭头表示，附以数值；

S43f：设置鼠标点击地理视图的站点后刷新代表性站点视图和点簇属性关系视图；

S43g：点选堆叠柱状图后获取全局结果序号下所有簇的簇序号、颜色、包含的站点数，以及包含S43d中所计算的簇属性均值；

S43h：设置簇间比较的柱状图区域，行数按分区结果中的簇数的最大值定义；对于每行视图，布局为勾选框、“cluster+簇号”、柱状图；簇内站点总数、颜色映射为柱状图的长度和颜色；

S43i：绘制平行坐标系；平行坐标系由六个坐标轴组成，对应六个气象因子；将簇属性的均值和颜色映射为平行坐标系中的折线；

S43j：设置全局呈现与定量评估布局中堆叠柱状图点选后刷新簇间关系比较视图。