【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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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0position.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：