王想紅 , 劉紀(jì)平 王 亮 王 勇 徐勝華

(1. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院, 北京 100830; 2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院, 遼寧 阜新 123000)

隨著人們對(duì)海洋環(huán)境的長(zhǎng)期調(diào)查與研究, 以及海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用, 產(chǎn)生了海量的復(fù)雜海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)是一類只有海洋要素測(cè)量值大小, 沒(méi)有方向信息的海洋環(huán)境數(shù)據(jù), 具有多源、海量、異構(gòu)、多維及動(dòng)態(tài)等特點(diǎn), 研發(fā)直觀的三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)是分析探究其內(nèi)在規(guī)律及發(fā)展變化的有效辦法。

目前, 基于海洋 GIS環(huán)境進(jìn)行海洋領(lǐng)域數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與可視化, 特別是三維可視化表達(dá)是海洋信息化建設(shè)的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些相關(guān)研究, 如蘇奮振等[1]研制了海洋地理信息系統(tǒng)軟件 MaXplorer, 針對(duì)海洋數(shù)據(jù)的特性, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、三維分析及動(dòng)態(tài)可視化。許多研究主要是針對(duì)某種海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行多維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[2-5], 系統(tǒng)功能單一, 普適性較差。肖如林等[6]分析了三維虛擬地球在海洋應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì), 研發(fā)了基于網(wǎng)格架構(gòu)的三維虛擬海洋信息操作平臺(tái)原型系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多源海洋環(huán)境信息的集成; 張峰等[7]研究實(shí)現(xiàn)了基于Skyline平臺(tái)的數(shù)字海洋可視化系統(tǒng); 李新放等[8]研究了基于 OSG的海洋信息三維可視化系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)產(chǎn)品的三維集成展示; Dunne等[9]按照 OGC數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn), 將多波束聲納數(shù)據(jù)集成到World Wind, 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)三維表達(dá); 同時(shí), 各大公司及相關(guān)業(yè)務(wù)部門也開(kāi)展了相關(guān)研究, 2002年底, ESRI公司提出了面向海洋三維數(shù)據(jù)的海洋數(shù)據(jù)模型草案,其桌面產(chǎn)品也一定程度上支持多維數(shù)據(jù)的可視化表達(dá); Google于2009年初推出了Google Ocean, 基于三維地球球體實(shí)現(xiàn)了大范圍的海底地形三維可視化,但缺乏對(duì)海洋要素的可視化表達(dá); 2009年6月, 國(guó)家海洋信息中心正式發(fā)布了iOcean中國(guó)數(shù)字海洋公眾版, 實(shí)現(xiàn)了中國(guó)海域海底、水體、海面、海島等多種海洋自然要素、海洋現(xiàn)象及其變化過(guò)程的數(shù)字化重現(xiàn)和立體展示, 但其側(cè)重于可視化展示, 對(duì)海洋環(huán)境要素的分析功能較少[10]。

綜上所述, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展的研究主要局限于小范圍、局部區(qū)域海洋環(huán)境的可視化, 普遍采用二維平面或局部三維方式進(jìn)行表達(dá), 由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性, 基于三維虛擬場(chǎng)景進(jìn)行海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化的宏觀研究比較少, 已有的研究成果主要是完成了針對(duì)某種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的表達(dá)分析, 多維、動(dòng)態(tài)表達(dá)及分析方面的研究相對(duì)缺乏。

本文通過(guò)綜合分析已有研究成果及應(yīng)用現(xiàn)狀, 針對(duì)海洋標(biāo)量場(chǎng)的特點(diǎn), 研究了基于幾何對(duì)象的標(biāo)量場(chǎng)可視化方法, 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)可視化原型系統(tǒng), 對(duì)海洋環(huán)境信息的三維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)與分析研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值 。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)以自主研發(fā)的三維虛擬地球可視化平臺(tái)為依托, 采用 JavaTM開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和 OpenGL圖形渲染引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā), 實(shí)現(xiàn)了海洋數(shù)據(jù)的多維動(dòng)態(tài)可視化和分析功能。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、渲染實(shí)現(xiàn)層及應(yīng)用展示層四部分組成, 總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 System Architecture

數(shù)據(jù)層主要是指系統(tǒng)可加載的各類數(shù)據(jù),除三維場(chǎng)景加載的陸地影像、DEM、地名及矢量數(shù)據(jù)外,還包括海底DEM、電子海圖數(shù)據(jù)及海溫、鹽度等海洋環(huán)境數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用繪制, 也可通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行加載; 服務(wù)層用于管理和發(fā)布各類數(shù)據(jù)服務(wù)、查詢分析服務(wù)等, 實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的請(qǐng)求與響應(yīng); 渲染實(shí)現(xiàn)層提供數(shù)據(jù)可視化及交互環(huán)境, 主要包括功能接口實(shí)現(xiàn)層及交互控制層, 其中前者是根據(jù)系統(tǒng)功能需求, 設(shè)計(jì)系統(tǒng)所要執(zhí)行操作的接口,確定接口參數(shù), 按照接口參數(shù)數(shù)據(jù)類型, 將不同數(shù)據(jù)文件的讀取信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 并傳入接口, 實(shí)現(xiàn)具體圖形的繪制; 而后者則響應(yīng)用戶操作, 結(jié)合三維可視化模塊實(shí)現(xiàn)自由交互; 應(yīng)用展示層可通過(guò)嵌入式網(wǎng)頁(yè)或獨(dú)立應(yīng)用程序方式展現(xiàn)海洋環(huán)境信息, 為用戶提供友好交互平臺(tái)。

1.2 主要功能設(shè)計(jì)

針對(duì)海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其表達(dá)的業(yè)務(wù)需求,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)預(yù)處理、多維可視化、動(dòng)態(tài)表達(dá)及分析等主要功能模塊。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要完成對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理,通過(guò)投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、裁剪、插值及抽取等操作, 將其存儲(chǔ)為系統(tǒng)可解析的格式, 實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效三維集成。系統(tǒng)支持NetCDF、文本等海洋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的加載。

可視化模塊實(shí)現(xiàn)海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的多維表達(dá)及分析結(jié)果的展示。支持對(duì)海洋要素的點(diǎn)、面可視化, 分析結(jié)果主要是以統(tǒng)計(jì)圖表、HTML等形式展示。動(dòng)態(tài)表達(dá)模塊則用于描述海洋要素過(guò)程隨時(shí)間的變化情況, 回溯其演變過(guò)程。

分析功能模塊提供對(duì)海洋環(huán)境要素的物理值查詢、時(shí)間序列分析、垂向剖面分析等功能, 為探究其變化規(guī)律、預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)等提供直觀、全面的信息參考。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)自主研發(fā)三維虛擬地球平臺(tái)的對(duì)象渲染機(jī)制, 設(shè)計(jì)了時(shí)間關(guān)聯(lián)的標(biāo)量數(shù)據(jù)場(chǎng)動(dòng)態(tài)渲染模型,實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)展示與分析,繪制流程如圖2所示。在整個(gè)系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中, 系統(tǒng)硬件環(huán)境為Dell OptiPlex 755 PC機(jī), Windows XP操作系統(tǒng), Intel 酷睿2雙核32位處理器, 2G RAM;軟件環(huán)境采用 Eclipse 3.4, 基于 OpenGL 與NetCDF-Java相關(guān)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖2 海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化表達(dá)與分析流程Fig.2 The flow chart of visualization and analysis for marine scalar data

2.1 海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)表達(dá)

海洋標(biāo)量場(chǎng)的時(shí)空過(guò)程分為點(diǎn)過(guò)程、線過(guò)程、面過(guò)程及體過(guò)程, 本文主要對(duì)海洋標(biāo)量場(chǎng)點(diǎn)、面過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)可視化進(jìn)行探討。點(diǎn)過(guò)程即任意固定點(diǎn)位上要素值的時(shí)間變化, 面過(guò)程則為一定區(qū)域內(nèi)要素場(chǎng)的時(shí)空變化[11]。

系統(tǒng)主要采用基于幾何圖形對(duì)象的可視化方法,實(shí)現(xiàn)了以點(diǎn)、面圖形方式進(jìn)行海洋標(biāo)量場(chǎng)面過(guò)程數(shù)據(jù)的三維表達(dá)。點(diǎn)方式可視化是指在三維場(chǎng)景中直接以點(diǎn)狀對(duì)象進(jìn)行要素可視化表達(dá), 以不同的顏色或大小表示要素值。如圖3a所示, 展示了以點(diǎn)方式表達(dá)的海洋鹽度場(chǎng)(0m)可視化效果, 以不同的顏色可視化展示不同的鹽度值, 同時(shí)采用LOD動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度, 有效提高了可視化效率。面方式可視化則根據(jù)三維虛擬地球場(chǎng)景的對(duì)象渲染機(jī)制, 構(gòu)建時(shí)間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)場(chǎng)渲染對(duì)象, 采用基于表面紋理的可視化技術(shù), 實(shí)現(xiàn)海洋要素的多維可視化。全球最優(yōu)插值周平均海表溫度數(shù)據(jù)[12]的面方式可視化效果如圖 3b所示, 該數(shù)據(jù)集包含陸地區(qū)域, 三維展示時(shí)需進(jìn)行裁剪, 其空間分辨率為經(jīng)緯度 1°×1°, 時(shí)間分辨率為 7 d, 時(shí)間跨度為1989年12月31日～2012年3月18日, 通過(guò)控制按鈕可查看不同時(shí)間的海溫情況, 并可連續(xù)播放, 展示海洋溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化情況, 從而直觀、形象地動(dòng)態(tài)表達(dá)海溫場(chǎng)的演變過(guò)程; 經(jīng)海岸線裁剪的全球地表溫度數(shù)據(jù)三維可視化效果如圖3c所示; 圖3d為不同深度海洋溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維可視化效果。

圖3 海洋標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維可視化Fig.3 Three-dimensional Visualization of marine scalar field data

2.2 海洋標(biāo)量要素的查詢分析

海洋環(huán)境要素的綜合時(shí)空查詢分析可對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等提供直觀、全面的信息參考。本研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了海洋要素屬性查詢、時(shí)序分析及垂向剖面分析等時(shí)空分析功能。要素屬性查詢首先根據(jù)地理空間位置查找其所處數(shù)據(jù)格網(wǎng)位置, 然后獲取相鄰要素值進(jìn)行插值運(yùn)算即可得指定位置的準(zhǔn)確要素值, 實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)點(diǎn)擊處已加載海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的要素值查詢, 如圖 4所示為鼠標(biāo)點(diǎn)擊處某時(shí)刻的海表溫度查詢結(jié)果。時(shí)序分析和剖面分析揭示任意點(diǎn)位上的要素值隨時(shí)間或空間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程, 在三維場(chǎng)景中以過(guò)程曲線和剖面曲線等形式表示, 實(shí)現(xiàn)了海洋標(biāo)量場(chǎng)點(diǎn)過(guò)程的可視化展示。其中剖面曲線圖是海洋要素隨深度的變化圖, 其主要作用是能直觀表達(dá)海洋要素隨深度的變化規(guī)律; 過(guò)程曲線是指在一個(gè)點(diǎn)位上, 某種海洋要素(如溫度、鹽度等)隨時(shí)間變化的曲線, 是展示海洋要素隨時(shí)間變化的主要形式之一, 圖 5展示了鼠標(biāo)點(diǎn)擊處海溫隨時(shí)間變化的過(guò)程曲線。

圖4 指定位置屬性查詢Fig.4 Attribute query

圖5 海表溫度數(shù)據(jù)的時(shí)序變化分析Fig.5 Time series analysis of sea surface temperature data

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了海洋標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的體系架構(gòu)、功能設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn), 針對(duì)海洋要素標(biāo)量場(chǎng)的時(shí)空特征, 結(jié)合虛擬地球場(chǎng)景, 對(duì)海洋標(biāo)量要素的三維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)方法進(jìn)行了探索和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建了可靠、直觀、逼真的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了海表溫度場(chǎng)、鹽場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化, 任意點(diǎn)位的要素值查詢和時(shí)序分析等功能, 同時(shí)也為其他海洋環(huán)境要素場(chǎng)數(shù)據(jù)的可視化與分析提供了思路和技術(shù)借鑒。面對(duì)海洋領(lǐng)域日益增強(qiáng)、不斷深入的應(yīng)用需求, 本系統(tǒng)在進(jìn)一步深化和完善的同時(shí), 將逐步開(kāi)展矢量場(chǎng)的可視化表達(dá)與分析研究。

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