【Canvas】记录一次从0到1绘制风场空间分布图的过程
前言
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目录
背景
前置知识
风场数据
绘制风场
准备工作
生成二维网格
获取格点风矢位置
风力等级
计算风矢坐标位置
旋转角度
绘制格点风矢
结语
背景
项目里遇到个需求，要求绘制出风场的空间分布图，一开始的想法是：这有什么难的，直接用echarts不就可以了。但当我看完设计图后，不得不感叹一句，好家伙，这还真有点复杂。最终要实现的效果如下图所示：
由于自定义的程度比较高，echarts肯定是不行的，思来想去，于是决定用canvas来从0到1自己实现，同时也可以顺带把canvas的知识巩固一下（温馨提示：全文可能有点长）。
前置知识
首先解释一下什么是风场空间分布图。
风场空间分布图：一种用于展示区域内风速和风向随空间位置变化的图表，这种图表通常以箭头或风矢的形式来表示风的方向和强度。这使我们可以直观地看到风速、风向的变化规律，它常常在气象学、风能工程等领域中被广泛使用。
本文采用风矢的形式来进行风场的可视化。在气象学中，风矢是用于表示风向和风速的符号图标。风矢由2部分组成，分别为风向杆与风羽。
- 风向杆：表示风的方向
- 风羽：分别用长划线和短划线或者与风三角组合的方式表示风速的大小。
了解了上面的概念后，我们下面就将使用Canvas来展示如何绘制风场的空间分布图。
风场数据
数据来源于用户自建的气象观测产品库，原始数据一般是netcdf或grib2的格式，需要后端将其解析成json格式的数据，解析后的数据格式大致如下：
{
"yaxis": [10, 20, ...],
"xaxis": [[39.4, 107.16], [37.286667, 107.72223], ...]
"elementDataList": [
{
"name": "windS",
"subData": [
{
"level": "10",
"data": [
8.9,
10.3,
...
]
},
{
"level": "20",
"data": [
4.6,
8.1,
...
]
},
...
},
{
"name": "windD",
"subData": [
{
"level": "10",
"data": [
59.8,
65.0,
...
]
},
{
"level": "20",
"data": [
60.1,
58.5,
...
]
},
...
]
}
]
}纵轴yaxis代表不同的高度层，横轴xaxis代表不同的经纬度坐标，要素列表elementDataList中目前只有一个风场要素（还有其它的气象要素如温度、降水量等，这里不展开），由于风场是矢量要素，同时具有大小和方向，所以这里将风的数据拆分成了windS风速列表和windD风向列表，列表中的值分别为每个高度层所对应的数据。
绘制风场
准备工作
定义一个绘制的类，做一些初始化的操作：属性设置，获取canvas的2d渲染上下文。
class drawWind {
constructor(data){
//网格属性
this.property = {
OFFSET_X: 42, //x轴间隔
OFFSET_Y: 20, //y轴间隔
};
//获取2d渲染上下文
this.canvas2d = document.getElementById('canvas');
this.ctx2d = this.canvas2d.getContext("2d");
//后端返回数据
this.data = data;
this.xaxis = data.xaxis;
this.yaxis = data.yaxis;
//处理后的数据
this.wind10S = [];
this.wind10D = [];
}
//初始化数据
init() {
//处理一下返回的风速和风向数据，这里不详细展开，最终处理成网格点数据即可
this.wind10S = this.handleData("wind10S");
this.wind10D = this.handleData("wind10D");
}
}
}还需要处理一下后端返回的数据，变成二维网格点数据，如下：
- 风速数据
- 风向数据
最终需要的数据就是网格点数据，即每个网格点都对应其风速和风向数据。
生成二维网格
生成风场需要构造二维网格，canvas绘制二维网格的思路很简单，先使用strokeRect设置一个矩形的边框，然后分别遍历横坐标和纵坐标列表，进行虚线的绘制。
draw2dMesh() {
//生成矩形边框
this.ctx2d.strokeRect(0, 0, this.canvas2d.width, this.canvas2d.height);
//设置虚线样式
this.ctx2d.lineWidth = 0.6;
this.ctx2d.strokeStyle = "rgb(192, 192, 192)";
this.ctx2d.beginPath();
//遍历绘制纵向虚线
for (let i = 1; i <= this.xaxis.length; i++) {
this.ctx2d.setLineDash([5, 3]);
this.ctx2d.moveTo(this.property.OFFSET_X * i, 0);
this.ctx2d.lineTo(this.property.OFFSET_X * i, this.canvas2d.height);
}
//遍历绘制横向虚线
for (let i = 1; i <= this.yaxis.length; i++) {
this.ctx2d.setLineDash([5, 3]);
this.ctx2d.moveTo(0, this.property.OFFSET_Y * i);
this.ctx2d.lineTo(this.canvas2d.width, this.property.OFFSET_Y * i);
}
this.ctx2d.stroke();
}绘制的网格如下：
获取格点风矢位置
每个网格点上的风矢形状是下面这样的。
所以在正式绘制前，我们还需要先计算每个风矢中的风杆和风羽数，得到每个点的位置。
风力等级
风力等级的计算公式：
可以参考这两篇文章：风力的级别换算和风力、等级、风速对照表和计算公式。
这里我们采用的是32个等级，可以预先定义好每个等级对应的风杆、长短划线以及风三角的数量。
this.Level = {
"TRIANGLE": 20,
"LONG": 4,
"SHORT": 2,
},
this.Count = {
"TRIANGLE": 10,
"LONG": 2,
"SHORT": 1,
},
//32个风力等级，每个数组中的四个值依次代表风杆数量、短划线数量、长划线数量、风三角数量
this.windLevel = [
[0, 1, 0, 0],
[1, 1, 0, 0],
[1, 0, 1, 0],
[1, 1, 1, 0],
[1, 0, 2, 0],
[1, 1, 2, 0],
[1, 0, 3, 0],
[1, 1, 3, 0],
[1, 0, 4, 0],
[1, 1, 4, 0],
[1, 0, 0, 1],
[1, 1, 0, 1],
[1, 0, 1, 1],
[1, 1, 1, 1],
[1, 0, 2, 1],
[1, 1, 2, 1],
[1, 0, 3, 1],
[1, 1, 3, 1],
[1, 0, 4, 1],
[1, 1, 4, 1],
[1, 0, 0, 2],
[1, 1, 0, 2],
[1, 0, 1, 2],
[1, 1, 1, 2],
[1, 0, 2, 2],
[1, 1, 2, 2],
[1, 0, 3, 2],
[1, 1, 3, 2],
[1, 0, 4, 2],
[1, 1, 4, 2],
],
//风矢属性：风杆长，长划线长，短划线长，划线间隔，风三角边长
this.featherProperty = {
poleLength: 10,
longLine: 10,
shortLine: 5,
lineSpace: 1,
triangle: 2,
};定义计算风力等级的方法。
// 根据风速计算风力等级，公式：v = 0.836 * b^(3/2) v:风速 b:风级
calWindLevel(speed) {
let triangle = Math.floor(speed / this.Level.TRIANGLE);
let long = Math.floor((speed - this.Level.TRIANGLE * triangle) / this.Level.LONG);
let short = Math.floor((speed - this.Level.TRIANGLE * triangle - this.Level.LONG * long) / this.Level.SHORT);
let idx = triangle * this.Count.TRIANGLE + long * this.Count.LONG + short * this.Count.SHORT;
if (idx > 30) {
idx = 30;
}
return idx;
}计算风矢坐标位置
接下来需要计算得到每个网格点上的风矢中每个点的位置，这部分是整个流程中最为复杂的。
来说说我的思路：定义一个数组，用于存放当前格点的风矢位置，然后获取计算得到的风杆、长短划线等数量，从风杆顶部开始，依次放入风杆、风三角、长划线、短划线的位置。
//用于存放所有网格点风矢的位置
let position = [];
// 计算坐标位置：Num为当前网格点对应的风力等级，包含各种数量
getPointPosition(Num) {
//用于存放当前格点风矢的位置
let position = [];
let pole = Num[0]; //风杆数量
let short = Num[1]; //短划线数量
let long = Num[2]; //长划线数量
let triangle = Num[3]; //风三角数量
//当前顶点纵坐标位置从风杆顶部开始，这里为负是由于canvas坐标系y轴向下为正
let yOffset = -this.featherProperty.poleLength;
if (pole == 0) { //风杆数为0
position.push(
0, 0,
this.featherProperty.shortLine, 0,
this.featherProperty.shortLine, 0 //为了和风三角的三个一组一致，多加了一个点
);
//把当前格点的风羽位置放入数组
position.push(position);
return;
}
//放入风杆位置
position.push(
0, 0,
0, -this.featherProperty.poleLength, //向上为负
0, -this.featherProperty.poleLength
);
//判断风三角是否为0，不为0向其中添加顶点
if (triangle != 0) {
for (let i = 0; i < triangle; ++i) {
position.push(
0, yOffset,
0, yOffset + this.featherProperty.triangle, //triangle为三角形边长
this.featherProperty.longLine, yOffset + (this.featherProperty.triangle / 2)
);
//每画完一个三角形，当前y坐标就要下移，由于canvas向下为正，所以即为加上三角形边长再加划线和三角形的间距
yOffset = yOffset + this.featherProperty.triangle + this.featherProperty.lineSpace;
}
}
//判断长划线是否为0，不为0向其中添加顶点
if (long != 0) {
for (let i = 0; i < long; ++i) {
position.push(
0, yOffset,
this.featherProperty.longLine, yOffset,
this.featherProperty.longLine, yOffset
);
yOffset = yOffset + this.featherProperty.lineSpace;
}
}
//判断短划线是否为0，不为0向其中添加顶点
if (short != 0) {
for (let i = 0; i < short; ++i) {
position.push(
0, yOffset,
this.featherProperty.shortLine, yOffset,
this.featherProperty.shortLine, yOffset
);
yOffset = yOffset + this.featherProperty.lineSpace;
}
}
//把当前格点的风羽位置放入数组
position.push(position);
}得到的风矢各个点的坐标数组大致如下：
旋转角度
风向决定了每个风矢在格点的旋转角度，由于旋转的时候以每个格点坐标为中心，所以记录一下每个格点的坐标位置。
// 获取旋转角度
getRotateData() {
// 保存旋转中心点，即网格点坐标
let center = [];
// 保存风向
let angle = [];
for (let y = 0; y < this.yaxis.length; y++) {
for (let x = 0; x < this.xaxis.length; x++) {
// 获取风向
let angle_point = this.angle[x + y * this.xaxis.length];
// 计算网格点坐标
let center = [(x + 1) * this.offsetX, (y + 1) * this.offsetY];
center.push(center);
angle.push([angle_point]);
}
}
return {
angle: angle,
center: center,
};
}绘制格点风矢
做完上述操作后，终于可以开始绘制啦。绘制的思路：由于之前在计算位置的时候就统一3个坐标为一组（即画线只需两个坐标点，但我们也多加了一个重复的点，为了和画三角形统一），所以现在只需遍历顶点数组，来绘制每个格点的风矢就可以了。
// 绘制
drawFeather(data, color, size) {
// 设置样式
this.ctx.lineWidth = size;
this.ctx.strokeStyle = color;
this.ctx.fillStyle = color;
// 让虚线变成实线条
this.ctx.setLineDash([]);
let position = data.position;
let center = data.center;
let angle = data.angle;
// 遍历顶点数组，绘制每个格点的风矢
for(let i = 0; i < center.length; i++) {
for(let j = 0; j < position[i].length; j += 6) {
// 保存画布 (canvas) 的所有状态
this.ctx.save();
// 移动canvas原点到此处，使得当前格点为坐标为原点（0,0）
this.ctx.translate(center[i][0],center[i][1]);
this.ctx.rotate(angle[i][0] * Math.PI/180);
this.ctx.beginPath();
// 之前处理后的数据都是三个为一组（包括线条），直接画线即可
this.ctx.moveTo(position[i][j], position[i][j+1]);
this.ctx.lineTo(position[i][j+2], position[i][j+3]);
this.ctx.lineTo(position[i][j+4], position[i][j+5]);
this.ctx.fill();
this.ctx.stroke();
// 恢复 canvas 状态
this.ctx.restore();
}
}
}注意：在绘制每个格点风矢的时候，都需要save保存一下将当前canvas的状态入栈，绘制完后restore弹出恢复状态，为的是绘制下一个格点的风矢时都可以重新从canvas的坐标原点（0,0）开始平移到网格中心点，然后进行旋转操作。
最终的效果：
现在主要的部分我们都已经完成了，剩下的其实就是绘制横坐标和纵坐标，由于这部分比较简单，其实就是利用canvas绘制文字，这里就不再详细展开了。
结语
本文主要记录了一次自己使用canvas从0到1绘制风场空间分布图的经历，整个过程还是蛮复杂的，不过也刚好巩固了一下自己的canvas知识，将其运用到了实践中，同时也发现自己对知识的理解其实还存在许多的不足，需要继续努力！
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