论文总字数：20805字

目 录

1绪论 5

1.1研究目的及意义 5

1.2研究进展 5

2研究内容及研究方案 7

2.1研究目标 7

2.2研究内容 7

2.3研究方案 7

3主要涉及技术 8

3.1 Python语言简介 8

3.2 PyCharm简介 8

3.3可视化工具包（VTK）简介 8

3.4 VTK可视化过程 9

3.4.1数据结构 9

3.4.2可视化管线 11

3.4.3颜色映射 12

3.4.4可视化窗口 13

3.4.5可视化流程总结 13

4雷达数据的可视化处理 14

4.1雷达数据结构分析 14

4.1.1栅格雷达数据存储结构 14

4.1.2雷达回波三维点数据结构 15

4.1.3可视化方法分析 16

4.2渲染设置 17

4.2.1图例以及文字 17

4.2.2背景 17

4.2.3外框线设置 18

4.3散点形式可视化 18

4.3.1散点形式可视化基本过程 18

4.3.2雷达数据散点可视化 19

4.3.3散点形式可视化评价 21

4.4规则网格形式可视化 21

4.4.1规则网格可视化基本过程 21

4.4.2栅格雷达数据可视化 22

4.4.3规则网格可视化效果评价 23

4.5结构网格可视化 23

4.5.1结构网格可视化基本过程 24

4.5.2雷达回波数据可视化 24

4.5.3等值面提取 26

4.5.4结构网格可视化效果评价 27

5总结与讨论 27

5.1总结 27

5.2讨论 28

参考文献 29

致谢 31

基于VTK的雷达数据可视化

王新昊

，China

Abstract: With the continuous development of radar technology, radar began to be widely used in various research areas. Radar data is a radar observation data reflecting the characteristics of a region. The visualization process is to display the radar data in the form of images, and the characteristics of the radar data are more intuitive and clearly displayed. In this paper, we use the VTK visualization toolkit to try to use different methods to visualize radar data in a Python language environment to study VTK-based radar data visualization.

Key words：VTK；Python；Radar Data；Visualization

1绪论

1.1研究目的及意义

随着雷达技术的不断进步，雷达数据精度不断提高，越来越多的研究人员和机构开始使用雷达数据进行专业分析，为专业研究和日常生活服务，因此，雷达数据的可视化表达就显得至关重要。可视化表达可以让用户更加清晰直观地把握雷达数据的大体特点，同时也可以提取出感兴趣的部分对某一项特征进行深入分析。由于不同的研究机构和研究人员对于雷达数据有不同的关注点，因此彼此间雷达数据的可视化往往有不同的格式标准。而随着大数据和计算机技术的发展，信息共享在各个领域都变得尤为重要，雷达数据的可视化也应适应这一发展趋势。

VTK（Visualization Toolkit）是一个基于面向对象的系统，是一个开放源码，跨平台、支持并行处理的图形应用函式库。它良好的设备无关性既可以工作于Windows系统，又可以在Unix系统中运行，其核心用C 语言开发源代码，可在Tcl、Java、Pyhon语言环境下使用，并具有多种程序语言之间的代码转换功能。另外，VTK不仅能够显示传统的二维图像，还具有强大的三维图形功能，它能够将雷达数据以三维图像的形式显示出来，对雷达数据的深入分析提供了可视化支持，同时也符合了近年来地理数据三维显示的趋势。

本文利用VTK可视化工具包，对雷达数据进行可视化处理，采用近年来十分流行的Python语言进行雷达数据的处理。Python语言具有简洁性、易读性以及可扩展性等优点，众多开源的科学计算软件包都提供了Python的调用接口，其中就包括了VTK。Python可以作为一个联结过渡，将其他语言编写的程序封装为一个它可以调用的扩展类库，再在Python中调用，实现了与其他模块的交互。在Python中使用VTK对雷达数据可视化，也是为雷达数据的共享分析提供便利，使雷达数据的共享免去各种文件格式转换的麻烦，也为雷达数据实时共享打下基础。

1.2研究进展

VTK可视化工具包因其为用户提供的简单易用的调用接口以及不俗的可视化效果，在发布初期广泛应用于医学领域，特别是其在医学图像的三维重建方面^[1]的作用备受瞩目。无论是贾艳丽^[2]在人体肺部动态建模中的应用还是Wesarg S ^[3]对于搏动心脏的非侵入性成像都取得了不错的效果。而这些研究也一定程度上加深了人们对于VTK所提供的各种类的了解，使各个领域的工作者开始关注VTK并尝试在自己的领域使用它。肖何^[4]等人就将VTK运用在了电磁场的三维可视化上；杨丽萍^[5]等人则是在建筑方面使用了VTK，构建不同模型来实现室外场景的三维重建；杨云和岳柱^[6]把VTK用在了材料学工程领域，通过它实现对陶瓷材料的三维可视化，为专业人员研究材料和其显微结构之间的关系提供更加直观的数据；在工业图像处理和三维显示领域，吕金坤^[7]用VTK实现了工业图像的三维可视化。类似的研究还有很多，而VTK受到众多研究者的青睐很大程度上归功于它强大的可视化功能与较好的交互能力。其在上述领域较为成功的应用以及VTK本身强大的三维显示功能，也吸引了很多地学工作者的眼球。

雷达数据的可视化一直是很多研究人员所关注的技术，因此对于利用VTK进行各种地理数据的可视化的研究也一直发展着。王敏^[8]在《VTK可视化类库及其应用进展》中不仅仅介绍了VTK在医学及电磁场可视化中的应用，还讨论了利用VTK对雷达图像数据进行可视化研究，认为VTK应用于雷达图像三维可视化更为直观和全面地展示了雷达空间回波的分布状况。侯焕^[9]等人则是在C 平台下研究了VTK的面绘制和体绘制两种绘制技术在雷达图像显示中的效果，并且开发了雷达数据的三维可视化系统。SuzanaDjurcilov^[10]在对雷达数据进行可视化的时候，着重研究了由于数据不完整所带来的结果不完整的可视化方法张辉^[11]等人在对VTK进行分析的基础上探讨了可视化技术在地震勘探可视化中的应用，并实现了一个可以使用多种可视化方法展示地震勘探数据体的系统。汤志亚^[12]等人将VTK可视化工具包应用到地面气象观测数据的三维可视化中，并成功将四川省地面气象观测数据三维可视化显示，使气象数据更加直观。余翔宇^[13]等人在地质体三维建模时使用了VTK模块，并在依照钻孔数据对地质体建模的过程中成功应用，使地质体在三维建模时免去需要使用OpenGL VTK 的融合编程的麻烦，而仅需使用VTK所提供的的类即可完成。张绪波^[14]使用VTK模块设计了可以三维显示地下管网的三维管网系统。徐苏维^[15]等人对VTK类库中的Delaunay三角网生成过程进行了深入研究，陈龙^[16]等人则更进一步把VTK类库中的vtkDelaunay2D及vtkDelaunay3D类运用在地形三维可视化的研究中，苏智剑^[17]等人在进行地形三维可视化时，同时使用了ArcGIS与VTK，尝试通过vtkImageResample类，利用等高线地形图生成三维地形图，将ArcGIS的图像处理与VTK的可视化优势结合起来，取得了不错的效果。刘玉芳^[18]等人在地层三维可视化中使用网格三棱柱模型，设计了基于VTK的地层三维可视化系统。张才章^[19]等人利用VTK以及一系列的波浪模型对波浪进行了动态模拟，也得到了较好的效果。

以上关于VTK可视化模块应用的研究都取得了一定成效，除了这些以外，各领域的专业人员对于VTK的探究还有很多，大多也都取得了一些效果。而VTK可视化工具包能够吸引这么多专业人员的关注，主要归功于它强大的三维图像显示功能以及其方便灵活的特点。而三维显示对于专业人员总是有着难以置信的吸引力，正是三维可视化技术使人们得以更加真实地模拟生活中的各种实际情况，使科学研究能够深入到更加实际的问题中去。因此三维可视化技术得到了各个研究领域的重视，而利用可视化技术带来的动态模拟以及实时可视化信息的共享则是科学研究及其成果应用发展的必然趋势，这种趋势在地理信息科学领域中尤为明显。将地理信息可视化，不但为专业人员的分析提供了便利，更加为地理信息系统在日常生活中的应用打下良好基础。

在对可视化技术的应用热度不减的背景下，雷达数据的可视化也理所当然的进入了研究人员的视野。利用VTK工具包进行雷达数据可视化地研究，有助于今后雷达数据的表达分析以及共享更加的实时准确，也为雷达数据在更多领域发挥作用打下基础

2研究内容及研究方案

2.1研究目标

本文在Python开发环境中使用VTK可视化工具包对雷达数据进行可视化处理。对于存储结构不同的雷达数据，依照VTK中不同数据结构的显示原理采用不同方法进行可视化处理。在整个研究过程中达到初步了解VTK可视化流程的目的，并分析基于VTK的雷达数据可视化效果。

2.2研究内容

（1）研究分析雷达数据存储结构

针对不同存储结构的雷达数据分析其信息存储和表达方式，根据不同雷达数据的特点选择不同的雷达数据处理方式，从而分析出可能合适该数据的可视化方法。

（2）研究分析雷达数据可视化方法

在了解了雷达数据存储格式之后，首先寻找适用大部分雷达数据的方法粗略研究所使用雷达数据的基本特征，再根据各自的结构特征找出较为合适的可视化方法。

（3）雷达数据的可视化处理

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