李爾園，李洪平

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

基于World Wind的海洋數(shù)據(jù)可視化研究

李爾園1，李洪平1

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

以World Wind提供的類(lèi)和接口為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了柵格圖面圖元、矢量箭頭和等值線(xiàn)生成算法，并進(jìn)行了可視化實(shí)現(xiàn)。此外，還實(shí)現(xiàn)了基于三維地形的多層疊加圖。不僅提高了可視化效率，還豐富了World Wind的海洋數(shù)據(jù)可視化表現(xiàn)形式。研究開(kāi)發(fā)的海洋數(shù)據(jù)可視化算法，能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求，并已成功應(yīng)用到南海海洋信息服務(wù)系統(tǒng)中。

World Wind；海洋數(shù)據(jù)；可視化

21世紀(jì)，海洋的經(jīng)濟(jì)地位和戰(zhàn)略作用逐漸凸顯，人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用海洋資源的活動(dòng)越來(lái)越頻繁，獲得的海洋數(shù)據(jù)也急劇增多。如何合理有效地管理海量海洋數(shù)據(jù)，如何從海量數(shù)據(jù)中快速找到感興趣的數(shù)據(jù)，并挖掘出數(shù)據(jù)背后隱藏的信息及所反映的規(guī)律，成為一大難題[1]?；谟?jì)算機(jī)科學(xué)的可視化技術(shù)，將人腦分析無(wú)法解釋的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人眼視覺(jué)圖形[2]，為這一問(wèn)題提供了有效的解決方法。

NASA World Wind是美國(guó)航空航天管理局(NASA)推出的一款開(kāi)放源代碼的地理軟件，是一個(gè)3D的可視化虛擬地球儀[3]，也是最流行的數(shù)字地球平臺(tái)之一，其數(shù)據(jù)和使用都完全免費(fèi)。NASA共提供了World Wind Java SDK和World Wind ． NET兩種開(kāi)發(fā)包，本文采用World Wind Java SDK開(kāi)發(fā)包。因?yàn)?，使用Java開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目可以通過(guò)Java Applet和Java Web Start兩種方式，快速實(shí)現(xiàn)分布式部署，滿(mǎn)足分布式的數(shù)據(jù)管理與共享服務(wù)要求。

1 可視化表現(xiàn)形式

海洋模式數(shù)據(jù)包括海風(fēng)、海浪、海流及海溫等，可以分為有方向（風(fēng)、流）和無(wú)方向（浪、溫）的，也可以分為一層（風(fēng)、浪）和多層（流、溫）的，對(duì)無(wú)方向的數(shù)據(jù)可以采用柵格圖或等值線(xiàn)圖（又可分為填充和不填充2種）的方式進(jìn)行可視化；對(duì)有方向的數(shù)據(jù)可以采用矢量箭頭圖或柵格圖疊加矢量箭頭的形式進(jìn)行可視化；對(duì)多層數(shù)據(jù)可基于三維地形進(jìn)行多層疊加顯示。

2 基于World Wind的實(shí)現(xiàn)

基于World Wind的可視化，最終結(jié)果均以其提供的點(diǎn)、線(xiàn)和多邊形圖元進(jìn)行顯示。然而，其自身提供的類(lèi)，無(wú)法滿(mǎn)足海洋數(shù)據(jù)可視化的多樣性需求，需要根據(jù)實(shí)際情況，以提供的類(lèi)為基礎(chǔ)，自定義相關(guān)類(lèi)及其生成算法。

2.1 柵格圖

柵格圖是海洋數(shù)據(jù)可視化的常用表現(xiàn)形式。模式數(shù)據(jù)是基于規(guī)則格網(wǎng)的，可以選擇每4個(gè)相鄰點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)矩形，并以這4個(gè)點(diǎn)的平均值作為該矩形值的方式構(gòu)建柵格圖的基本圖元。但是，這種構(gòu)建方法形成的圖元數(shù)量巨大，而World Wind對(duì)大量圖元的顯示較慢，因此無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。研究中，基于區(qū)域生長(zhǎng)法[4]的思想，提出了面圖元生長(zhǎng)算法，對(duì)大量面圖元進(jìn)行基于數(shù)據(jù)值的合并。但是，該算法中作為種子數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取方法較為復(fù)雜。為了對(duì)該算法進(jìn)行簡(jiǎn)化和改進(jìn)，提出了面圖元合并算法。該算法通過(guò)順序遍歷進(jìn)行圖元的合并，規(guī)避了種子數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取。

面圖元合并算法的具體執(zhí)行過(guò)程為：用一個(gè)集合保存柵格圖的多邊形圖元，以四鄰點(diǎn)法構(gòu)建的矩形為基礎(chǔ)，從右上角開(kāi)始，由上至下、從左到右進(jìn)行區(qū)域掃描。①判斷集合中是否包含與當(dāng)前矩形值相等的多邊形，若不包含，則執(zhí)行步驟②，若包含則執(zhí)行步驟③；②將當(dāng)前矩形作為一個(gè)元素添加到集合中，然后執(zhí)行步驟④；③判斷其是否鄰接，若鄰接則將當(dāng)前矩形與其鄰接的多邊形進(jìn)行合并，并執(zhí)行步驟④，若不鄰接則執(zhí)行步驟②；④判斷是否完成遍歷，若否，則掃描下一個(gè)矩形并重復(fù)步驟①，若是，則進(jìn)行集合內(nèi)多邊形的合并，并結(jié)束整個(gè)流程。

完成上述過(guò)程后，集合中剩余的多邊形就是構(gòu)成柵格圖的全部多邊形圖元，將這些圖元交由Polygon類(lèi)進(jìn)行展現(xiàn)就構(gòu)成了一幅柵格圖。

2.2 矢量箭頭圖

矢量箭頭圖是表達(dá)有方向數(shù)據(jù)（如風(fēng)、流）的最有效方式，它既能表示數(shù)據(jù)的大小分布情況，又能表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的流動(dòng)趨勢(shì)。然而，World Wind并未提供矢量箭頭類(lèi)和矢量箭頭的構(gòu)建方法，需要基于提供的曲線(xiàn)類(lèi)，自定義矢量箭頭類(lèi)及其構(gòu)建算法。自定義的矢量箭頭類(lèi)，類(lèi)屬性包括箭頭顯示坐標(biāo)（x，y）、箭頭長(zhǎng)度L、箭頭方向α（與X軸正軸的夾角）、箭頭尾部長(zhǎng)度l、箭頭尾部與主線(xiàn)間的夾角β；類(lèi)方法包括類(lèi)構(gòu)造函數(shù)、箭頭構(gòu)建方法及箭頭顯示函數(shù)。

圖1 箭頭構(gòu)建示意圖

箭頭構(gòu)建如圖1所示，構(gòu)建算法的具體流程如下：

1）基于X分量和Y分量的大小，計(jì)算出該矢量的大小和方向（與X軸正軸方向的夾角）；

2）對(duì)矢量的大小進(jìn)行歸一化；

3）以數(shù)據(jù)點(diǎn)P1為箭頭的起點(diǎn)，并根據(jù)P1的坐標(biāo)（x1，y1）和歸一化后的大小和方向計(jì)算箭頭頭部點(diǎn)P2的坐標(biāo)（x2，y2）；

4）設(shè)定箭頭尾巴與主線(xiàn)間的夾角和尾巴的長(zhǎng)度，并加上P1、P2的坐標(biāo)，計(jì)算出箭頭2個(gè)小尾巴結(jié)尾點(diǎn)P3、P4的坐標(biāo)（x3，y3）和（x4，y4）；

5）使用P1、P2點(diǎn)構(gòu)成直線(xiàn)L1，使用P2、P3、P4點(diǎn)構(gòu)成折線(xiàn)L2；

6）結(jié)合L1和L2就組成了一個(gè)矢量箭頭。

對(duì)所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)執(zhí)行上述操作，并將得到的矢量箭頭交由提供的Polyline類(lèi)進(jìn)行展現(xiàn)就構(gòu)成了一幅既能表示大小又能表示方向的矢量箭頭圖。

2.3 等值線(xiàn)圖

等值線(xiàn)的生成方法主要有三角網(wǎng)格法[5]和矩形網(wǎng)格法，由于本研究使用的海洋模式數(shù)據(jù)為規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此采用矩形格網(wǎng)法進(jìn)行等值線(xiàn)的生成?；谝?guī)則矩形格網(wǎng)的等值線(xiàn)生成算法，可分為3個(gè)步驟：計(jì)算等值點(diǎn)、等值點(diǎn)追蹤和等值線(xiàn)繪制[6]。

圖2所示的數(shù)據(jù)區(qū)域大小為m×n，X（列）方向的序號(hào)為j，Y（行）方向的序號(hào)為i。網(wǎng)格用左下角點(diǎn)的序號(hào)標(biāo)識(shí)；邊以左端點(diǎn)或下方端點(diǎn)的序號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)；點(diǎn)用P（i，j）標(biāo)識(shí)；值用V（i，j）標(biāo)識(shí)。矩形網(wǎng)格法等值線(xiàn)生成算法流程如圖3所示。具體步驟如下：

圖2 矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)區(qū)域示意圖

1）計(jì)算等值點(diǎn)。根據(jù)公式（r=H-V(i，j)）/（V(i，j+1)-V(i，j)） 的值來(lái)判定（i，j）橫邊上是否有等值點(diǎn)；根據(jù)公式r=（H-V(i，j)）/（V(i+1，j)-V(i，j)）的值來(lái)判定（i，j）縱邊上是否有等值點(diǎn)，H為當(dāng)前等值線(xiàn)的值，若0≤r≤1則表示有等值點(diǎn)穿過(guò)，并將等值點(diǎn)的信息分別保存在數(shù)組xArray[m][n-1]和yArray[m-1][n]中（圖3a）。

2）等值點(diǎn)追蹤。根據(jù)自下而上、自上而下、自左向右和自右向左4種可能進(jìn)入方向和以當(dāng)前等值點(diǎn)所在邊為基準(zhǔn)，從左邊、對(duì)邊和右邊3種可能走出方向，組成多種不同等值線(xiàn)穿過(guò)路徑，按照各自的優(yōu)先追蹤次序和追蹤方法完成等值線(xiàn)的追蹤（圖3b）[7]。

3）等值線(xiàn)繪制。按照先開(kāi)曲線(xiàn)、后閉曲線(xiàn)的順序，根據(jù)等值點(diǎn)追蹤方法進(jìn)行等值點(diǎn)的追蹤。進(jìn)行開(kāi)曲線(xiàn)追蹤時(shí)，右邊界的等值點(diǎn)按自右向左，上邊界的等值點(diǎn)按自上而下，左邊界的等值點(diǎn)按自左向右，下邊界的等值點(diǎn)按自下而上的進(jìn)入方向，進(jìn)行等值線(xiàn)的追蹤繪制。進(jìn)行閉曲線(xiàn)追蹤時(shí)，按照自左向右的進(jìn)入方向進(jìn)行追蹤。完成等值線(xiàn)追蹤后，只需將得到的等值線(xiàn)交由Polyline類(lèi)進(jìn)行展示，就可構(gòu)成一幅等值線(xiàn)圖。

2.4 基于三維地形的多層疊加圖

海風(fēng)和海浪數(shù)據(jù)只存在于海表，只有一層。而海流、海溫和鹽度等數(shù)據(jù)，在不同的深度上都有不同的數(shù)據(jù)。研究中采用的海流、海溫和鹽度數(shù)據(jù)分為多層，因此提出了基于三維地形的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多層可視化形式。以三維地形為底，以海表海水面為頂，加上邊界，便形成了一個(gè)曲面立體。多層海洋數(shù)據(jù)圖層分布在該曲面立體內(nèi)的不同高度層上，每層海洋數(shù)據(jù)圖層采用一個(gè)單獨(dú)的World Wind圖層進(jìn)行管理和控制，可以控制每層數(shù)據(jù)是否顯示，以便詳細(xì)查看其中的某一圖層。

根據(jù)前述可視化方法，從數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)出發(fā)，選擇合適的可視化形式?？梢暬Y(jié)果展示見(jiàn)圖4。

圖3 矩形網(wǎng)格法等值線(xiàn)生成算法流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

NASA World Wind Java SDK本身提供了豐富的點(diǎn)、線(xiàn)及多邊形類(lèi)和接口，可以為海洋數(shù)據(jù)可視化提供有效的方法。然而，由于World Wind對(duì)海量可視化圖元的渲染速度較慢，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的應(yīng)用需求。在本研究中，一方面通過(guò)自定義的算法，大量減少了需要可視化渲染的圖元數(shù)量，加快了可視化顯示速度；另一方面，通過(guò)自定義矢量箭頭及等值線(xiàn)的生成算法和基于三維地形的多層可視化圖形顯示形式，豐富了海洋數(shù)據(jù)的可視化形式，滿(mǎn)足了海洋數(shù)據(jù)可視化的多樣性需求。研究中采用的“基于NASA World Wind的海洋數(shù)據(jù)可視化方法”已成功應(yīng)用到南海海洋信息服務(wù)系統(tǒng)中。

圖4 可視化結(jié)果展示

[1] 周海燕．空間數(shù)據(jù)挖掘的研究[D]．鄭州:信息工程大學(xué),2003

[2] 任永功,于戈．?dāng)?shù)據(jù)可視化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)科學(xué),2004,31(12):92-96

[3] 盧海濱,鄭文鋒,銀正彤,等．NASA World Wind Java SDK數(shù)字地球客戶(hù)端開(kāi)發(fā)[J]．測(cè)繪科學(xué),2009,34(3):169-173

[4] 范沖,嚴(yán)林,吳杰．基于World Wind的三維地形可視化算法研究[J]．測(cè)繪通報(bào),2013(3):64-66

[5] 孔俊,王佳男,谷文祥,等．基于區(qū)域的自動(dòng)種子區(qū)域生長(zhǎng)法的彩色圖像分割算法[J]．東北師大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,40(4):47-51

[6] 徐旭．基于三角網(wǎng)的等值線(xiàn)生成及填充算法[D]．長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011

[7] 趙敬和．基于矩形網(wǎng)格法的不規(guī)則區(qū)域的等值線(xiàn)生成與填充算法的研究[D]．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2013

P208

B

1672-4623（2015）02-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.010

李爾園，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟮乩硇畔⑾到y(tǒng)。

2014-03-07。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA09A506-4）。