李海濤,關(guān) 煜,黃海廣

1(青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,青島 266000)2(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266100)3(溫州市海洋漁業(yè)船舶安全救助信息中心,溫州 325000)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái)①

李海濤1,關(guān) 煜1,黃海廣2,3

1(青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,青島 266000)2(中國海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266100)3(溫州市海洋漁業(yè)船舶安全救助信息中心,溫州 325000)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)作為我國海洋科技創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略資源,是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的要素.然而海洋科學(xué)數(shù)據(jù)涉及學(xué)科眾多、類型復(fù)雜、來源多樣、格式迥異等特點(diǎn),數(shù)據(jù)處理和可視化處理難度大.平臺(tái)通過入WebGIS技術(shù),針對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn),結(jié)合海洋科學(xué)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的一體化管理、分析與可視化處理.

海洋科學(xué)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)管理;質(zhì)量控制;數(shù)據(jù)解析;可視化技術(shù)

科學(xué)數(shù)據(jù)是人類在認(rèn)識自然、發(fā)展科技的活動(dòng)中產(chǎn)生和積累的,隨著信息技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,科學(xué)數(shù)據(jù)在科研活動(dòng)中的作用日益提升,已經(jīng)從支撐科研活動(dòng)的基礎(chǔ)資源提升為支撐國家科技創(chuàng)新發(fā)展的寶貴資產(chǎn)和戰(zhàn)略資源[1-3].

然而傳統(tǒng)的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)以文字、圖片等資料為主,不能較好地表達(dá)海洋信息的空間位置及可視化展示,這是其重要缺陷之一.且海洋科學(xué)數(shù)據(jù)涉及學(xué)科眾多,具有收集零散、類型復(fù)雜、格式各異等特點(diǎn)[3],如何保證這些數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、有效地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中,也是海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵[4].本研究通過入WebGIS技術(shù),研究了海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的管理與空間可視化方法,驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)的可用性.

1 系統(tǒng)概述

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái)是基于實(shí)現(xiàn)對海洋專項(xiàng)調(diào)查獲取的海量珍貴的海洋科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)管理、分析、可視化,采用WebGIS結(jié)合多種近海要素對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和數(shù)據(jù)專題的可視化,依靠先進(jìn)的一體化讀取解析、數(shù)據(jù)質(zhì)控機(jī)制與整合分析的集成研究,提供科學(xué)、可靠、有效的海洋數(shù)據(jù),大幅度提高數(shù)據(jù)的管理水平和使用效率.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái)功能是基于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的瀏覽、處理分析和Skyline TerraGate所發(fā)布的空間數(shù)據(jù)和服務(wù)[5]進(jìn)行系統(tǒng)編碼的.總體設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分,海洋科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù),海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化,數(shù)據(jù)訪問及數(shù)據(jù)庫.其總體設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的收集、存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用的過程.后的主要是針對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)特點(diǎn),結(jié)合海洋科學(xué)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),構(gòu)建一個(gè)以集成化、科普化為主,分學(xué)科、專業(yè)化為輔的數(shù)據(jù)資源管理服務(wù).平臺(tái)功能主要包括數(shù)據(jù)提交,可通過文件導(dǎo)入、文件夾導(dǎo)入等上傳形式,并進(jìn)行文件解析與質(zhì)量控制,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析、異常提示、記錄存檔等處理;數(shù)據(jù)多條件檢索,可按照時(shí)間范圍、空間范圍(矩形選、多邊形選、圓形選)、學(xué)科分類、要素種類、要素大小等條件組合進(jìn)行查詢;數(shù)據(jù)申請審批,滿足在線數(shù)據(jù)申請和離線數(shù)據(jù)申請兩種服務(wù)方式,高級用戶對申請的數(shù)據(jù)進(jìn)行審核,并一鍵生成審核報(bào)告,方便用戶下載打印;成果發(fā)布分享,對采集到的海洋數(shù)據(jù)成果及產(chǎn)品進(jìn)行展示與宣傳;對按照條件查詢出的數(shù)據(jù),可以進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),也可以進(jìn)行比較復(fù)雜的運(yùn)算分析,比如相關(guān)性分析等,統(tǒng)計(jì)結(jié)果將以表格、文字、圖片的方式多方位的展示和描述;數(shù)據(jù)備份恢復(fù),系統(tǒng)能支持設(shè)定自動(dòng)備份間隔和備份位置,系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)的自動(dòng)數(shù)據(jù)庫備份任務(wù).其主要通過Ajax請求與系統(tǒng)服務(wù)端用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,并返回相應(yīng)數(shù)據(jù)及狀態(tài).

2.2.2 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化

平臺(tái)利用Skyline服務(wù)端所發(fā)布的各種數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能處理服務(wù),提供海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的可視化展示,包括近海環(huán)境參數(shù)可視化,近海站位調(diào)查中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)具有橫向分布和縱向分布兩個(gè)特點(diǎn),依據(jù)此特點(diǎn)需要進(jìn)行剖面可視化展示;深海地形集成可視化,把生物信息,具體包含多媒體圖片、音頻、視頻等信息疊加到海底地形上面進(jìn)行展示;近海洋流可視化,將洋流數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序動(dòng)態(tài)可視化展示;專項(xiàng)航次CTD數(shù)據(jù)集成可視化,將航次數(shù)據(jù)點(diǎn)分布到地圖上,可按照時(shí)間序列動(dòng)態(tài)播放航次軌跡,模擬航次運(yùn)行過程等操作.海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化將海洋信息影像在地圖上進(jìn)行展示,可供瀏覽分析,其后的是以海洋科學(xué)數(shù)據(jù)為支撐,具備二三維一體化與動(dòng)靜結(jié)合展示能力,通過先進(jìn)的可視化技術(shù),將海洋描繪的更加生動(dòng)形象,使其適用于專業(yè)人員更好的研究海洋.

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

圖2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括海洋科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、海洋專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫、外部集成數(shù)據(jù)庫及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫.針對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)雜,并且具有地理空間特性,通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)信息和空間信息的分離,將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)庫的表空間獨(dú)立進(jìn)行存儲(chǔ),再通過表的主鍵和外鍵等約束,將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行二者聯(lián)合,設(shè)計(jì)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的一體化數(shù)據(jù)庫,如圖2所示.

1)海洋科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫.本平臺(tái)與海洋數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)直接以數(shù)據(jù)表的形式在MYSQL數(shù)據(jù)庫中存放,通過數(shù)據(jù)訪問接口進(jìn)行訪問.相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括元數(shù)據(jù)信息、產(chǎn)品成果發(fā)布信息、航次站位信息等.

2)海洋專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫.平臺(tái)的海洋專項(xiàng)數(shù)據(jù)庫包括航次、環(huán)境、觀測及洋流等可視化專題信息,其中包含空間地理信息坐標(biāo)和空間相關(guān)屬性等信息,采用ArcGIS Engine對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算,并生成相關(guān)圖層.

3)外部集成數(shù)據(jù)庫.包括浮標(biāo)庫、潛標(biāo)庫、CTD信息庫等外部集成數(shù)據(jù)庫.各個(gè)數(shù)據(jù)庫中的表信息與平臺(tái)數(shù)據(jù)具有集成相關(guān)性,利用其外部的表數(shù)據(jù)與平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合,能夠更詳細(xì)的反映數(shù)據(jù)的真實(shí)狀態(tài)及信息.

4)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫[6].平臺(tái)的地圖為影像基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)類型,基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采用必應(yīng)衛(wèi)星地圖,采用球面墨卡托投影類型,包含1-19級的顯示級別.由TerraBuilder制作基礎(chǔ)地理信息地圖MPT文件,包括底圖和中文注記.利用TerraGata SFS發(fā)布在線地圖,不需要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行組織.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 異構(gòu)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)一體化讀取解析技術(shù)

3.1.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)簡介

本平臺(tái)針對近海科學(xué)專題數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)類型與格式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理,主要為專項(xiàng)航次CTD數(shù)據(jù)、近海環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、近海觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及近海洋流NetCDF數(shù)據(jù).已整合的數(shù)據(jù)資源類型及格式如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)類型及格式表

其中專項(xiàng)航次CTD數(shù)據(jù)記錄主要包括站位、時(shí)間、經(jīng)緯度、水深、溫度及鹽度等相關(guān)信息.近海環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)記錄主要包括站位、水深、經(jīng)緯度、五項(xiàng)營養(yǎng)鹽(SiO3、NO3、PO4等)、pH值、葉綠素等相關(guān)信息.近海觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要包括浮標(biāo)號、風(fēng)速風(fēng)向、氣溫氣壓、流速流向、濁度葉綠素、平均波高平均波周期等相關(guān)信息.近海洋流NetCDF數(shù)據(jù)主要包括經(jīng)緯度、時(shí)間、流速、流向等相關(guān)信息.

3.1.2 一體化組件式讀取解析設(shè)計(jì)[7,8]

圖3 異構(gòu)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)一體化讀取解析類圖

異構(gòu)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)一體化讀取解析組件類圖基于工廠模式進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖 3 所示,對于同一接口,可以無限擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)層,針對不同的數(shù)據(jù)類型,通過建立模塊的形式,例如.txt格式數(shù)據(jù)對應(yīng)文本文件解析模塊,各類文件數(shù)據(jù)又對應(yīng)各自的解析模塊.一體化組件式讀取解析設(shè)計(jì)在各組件的基礎(chǔ)上進(jìn)行分類,形成模塊,然后在每個(gè)模塊內(nèi)進(jìn)行真正的讀取解析.并且根據(jù)解析數(shù)據(jù)的格式,可以無限擴(kuò)展解析模塊,遵循設(shè)計(jì)模式的“開閉原則”,從而達(dá)到代碼復(fù)用、增加可維護(hù)性的后的,其一體化組件式讀取解析設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 一體化組件式讀取解析設(shè)計(jì)

3.1.3 數(shù)據(jù)讀取解析設(shè)計(jì)流程[9,10]

為解決多種類、多維度的異構(gòu)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的讀取解析問題,運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃枷雽Ｑ罂茖W(xué)數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對象化,以洋流NetCDF數(shù)據(jù)為例,設(shè)計(jì)了包括文件、維度、變量和其類型的讀取解析流程,如圖5所示.

1)導(dǎo)入 nc 文件,判斷文件是否符合格式要求,并提取文件后綴名,進(jìn)行文件類型判斷.

2)創(chuàng)建實(shí)體類 NC,并讀取 nc 文件.

3)讀取解析維度 Dimensions 和屬性 Attributes,分別得到(D1,D2...Dn),(A1,A2...An)并創(chuàng)建實(shí)體類添加到NC中.

4)讀取解析數(shù)據(jù)Data,獲取數(shù)據(jù)Data中屬性值總數(shù)count為維度Dimensions總數(shù)和其對應(yīng)的值Value數(shù)之和.取其中一個(gè)維度,獲取總數(shù)Dcount.

5)判斷 Dcount和 count的大小,依次獲取(D1[0]...Dn[0]),及值 V[0]數(shù)據(jù),映射等價(jià)于value=f(D1[0],D2[0],...,Dn[0]),創(chuàng)建實(shí)體類并添加到NC中.

6)從實(shí)體類NC中獲取全部數(shù)據(jù).

圖5 數(shù)據(jù)讀取解析設(shè)計(jì)流程

3.2 多源異構(gòu)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的質(zhì)控機(jī)制與方法技術(shù)[11]

3.2.1 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響著海洋事業(yè)的科學(xué)性,準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)源是海洋科學(xué)研究和海洋綜合管理的依據(jù).因此在數(shù)據(jù)入庫之前,都需要對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制.在入庫前要保證原數(shù)據(jù)的正確性,入庫后能保證數(shù)據(jù)前后的一致性.

1)數(shù)據(jù)要素合理性檢查

根據(jù)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的類型及自身的物理特性、變化范圍,對其進(jìn)行范圍檢驗(yàn).可以根據(jù)各科學(xué)數(shù)據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),相關(guān)資料文獻(xiàn),歷年來數(shù)據(jù)波動(dòng)記錄,歷史資料統(tǒng)計(jì)值,確定海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的正常取值范圍等,如果超出該范圍則認(rèn)定該數(shù)據(jù)為異常,否則為正常數(shù)據(jù).

TMin≤T(X)≤TMax,其中,T(X)為海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的要素值,TMin和TMax為此要素值的合理范圍區(qū)間內(nèi)的最小值和最大值.

TXMin≤TX≤TXMax,其中,TX 為某年中某月的平均要素值,TXMin和TXMax為某年中某月要素值的波峰值和波谷值.

2)數(shù)據(jù)要素間關(guān)系性檢驗(yàn)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)要素之間存在著一定的聯(lián)系,并且具有一定的規(guī)律性,利用這些數(shù)據(jù)的聯(lián)系性和規(guī)律性,進(jìn)行檢驗(yàn)數(shù)據(jù)要素間的關(guān)系性.

3)數(shù)據(jù)要素相符性檢驗(yàn)

依照海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),對滿足某一特定屬性的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行相符性檢驗(yàn).取值范圍應(yīng)嚴(yán)格按照海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行檢驗(yàn),且數(shù)據(jù)值應(yīng)在固定的取值范圍和默認(rèn)值的范圍之內(nèi),否則為數(shù)據(jù)異常.另外,還可以對時(shí)間記錄和時(shí)間標(biāo)識記錄等進(jìn)行遞增量差值的檢驗(yàn),滿足是否為某一確定值.

4)數(shù)據(jù)要素相關(guān)性檢驗(yàn)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中某些要素?cái)?shù)據(jù)值的區(qū)間范圍變化,通常是不間斷且有規(guī)律的,通過確定同一要素相鄰時(shí)刻之間的差值與此要素的統(tǒng)計(jì)參數(shù)特定值,對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),超過這一特定值的數(shù)據(jù)即為異常數(shù)據(jù).

A≥|Z(t)-Z(t-1)|,其中,A 為此要素值的統(tǒng)計(jì)參數(shù),|Z(t)-Z(t-1)|為相鄰兩時(shí)刻的要素值的絕對值.

3.2.2 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制設(shè)計(jì)流程

由于海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量龐大,并且是多源異構(gòu)的數(shù)據(jù),因此利用計(jì)算機(jī)的高速性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn),結(jié)合海洋科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,設(shè)計(jì)如下的流程圖,如圖6所示.

1)將一體化讀取解析后得到的數(shù)據(jù),進(jìn)行質(zhì)量控制.

2)質(zhì)量控制分為4個(gè)部分,數(shù)據(jù)要素合理性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)要素間關(guān)系性檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)要素相符性檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)要素相關(guān)性檢驗(yàn),這4種檢驗(yàn)為循序漸進(jìn),并且以資料文獻(xiàn)、專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)特征等信息為參照.

3)根據(jù)質(zhì)量控制的檢驗(yàn)方法,后臺(tái)自動(dòng)加載海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的類型及質(zhì)量控制方法,對文件數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制.

4)A.當(dāng)數(shù)據(jù)判斷為異常時(shí),系統(tǒng)界面會(huì)標(biāo)識出異常的數(shù)據(jù),當(dāng)點(diǎn)擊某一異常數(shù)據(jù)時(shí),界面給給出相應(yīng)的異常信息提示.用戶可以對該數(shù)據(jù)進(jìn)行人工審查,若審查不通過,則該數(shù)據(jù)異常,不通過;而對于不可處理及多次質(zhì)量控制均標(biāo)識異常的數(shù)據(jù),可進(jìn)行人工審查通過.B.當(dāng)數(shù)據(jù)判斷為正常時(shí),系統(tǒng)界面上會(huì)標(biāo)識出正常數(shù)據(jù).

5)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫,最終數(shù)據(jù)全部通過,存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中.

圖6 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

3.3 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

3.3.1 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化特點(diǎn)

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化是指通過可視化圖像實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化過程[12].當(dāng)今,海洋數(shù)據(jù)需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大,時(shí)空關(guān)聯(lián)性強(qiáng),數(shù)據(jù)多源異構(gòu),為了能更好的分析利用海洋數(shù)據(jù),從海量數(shù)據(jù)中獲取到其中的規(guī)律,為相關(guān)科研部門提供可視化展示,使其轉(zhuǎn)化為通俗易懂的圖形圖像,以此達(dá)到直觀表達(dá)展示海洋現(xiàn)象及特征,快速獲取有效信息的后的,因而海洋數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)是非常必要的.

3.3.2 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化流程設(shè)計(jì)及表達(dá)[13]

針對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化特點(diǎn)及業(yè)務(wù)需求,設(shè)計(jì)了可視化實(shí)現(xiàn)流程,如圖7所示.其中對數(shù)據(jù)的處理主要是完成對海洋專項(xiàng)數(shù)據(jù)的提取,通過插值、轉(zhuǎn)換、平滑及繪制等操作,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖層,實(shí)現(xiàn)可視化展示的基礎(chǔ);可視化展示主要是對數(shù)據(jù)的多維表達(dá)及分析結(jié)果的展示,支持對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的點(diǎn)、面可視化,分析結(jié)果主要是以統(tǒng)計(jì)圖表、斷面圖、動(dòng)態(tài)洋流等形式展示.

圖7 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化流程設(shè)計(jì)

平臺(tái)根據(jù)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的類型和學(xué)科要素的屬性不同,以地圖交互及曲線顯示為主,地圖交互基于海洋數(shù)據(jù)的地理位置信息在地圖上進(jìn)行相應(yīng)展示[14],包括近海環(huán)境參數(shù)斷面圖,近海洋流等;生成曲線的數(shù)據(jù)源來自于數(shù)據(jù)庫中所有可視化海洋要素,包括溫度、鹽度、及近海觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對比圖等,如圖8所示.

圖8 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化表達(dá)

3.3.3 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)流程

依據(jù)可視化流程設(shè)計(jì),以近海環(huán)境參數(shù)為例,設(shè)計(jì)如下的流程,如圖10所示.近海環(huán)境參數(shù)包含pH、溶解氧、葉綠素、CTD、五項(xiàng)營養(yǎng)鹽等,且環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)具有橫向分布和縱向分布兩個(gè)特點(diǎn),可依據(jù)各類參數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行斷面圖可視化,即在三維空間視圖下查看和比較各個(gè)參數(shù)的分布特點(diǎn).

1)從數(shù)據(jù)庫中讀取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到集合A,每一行記錄包括站位、緯度、經(jīng)度、日期、時(shí)間、水深、水層、參數(shù)值.

2)循環(huán)讀取集合 A.①通過選擇排序法,找到其參數(shù)值的最大值和最小值.②依據(jù)水層深度劃分行數(shù)據(jù),其中,x 代表層數(shù),每 5 m 一層,劃分到 70 m 層,其中0-3 m 為 0 m 層數(shù)據(jù),大于 3 m 且小于等于 8 m 為 5 m層數(shù)據(jù),以此類推,x-2至x+3之間的數(shù)據(jù)均劃為x層數(shù)據(jù),以增加x層的數(shù)據(jù)量,劃分結(jié)果存儲(chǔ)到哈希表中.

3)循環(huán)處理各個(gè)水層數(shù)據(jù).①根據(jù)水層數(shù)據(jù)創(chuàng)建要素類SHP文件,將數(shù)據(jù)集合寫入到Feature中,判斷插值字段,確保插值字段的數(shù)據(jù)均為可用數(shù)據(jù).②運(yùn)用克里金插值算法對散點(diǎn)采樣值估算相應(yīng)區(qū)域,從而獲得這個(gè)區(qū)域的連續(xù)表面.插值方差,就是指實(shí)際參數(shù)值zv與估計(jì)值zv*兩者偏差平方的數(shù)學(xué)期望:

對水層的點(diǎn)要素圖層進(jìn)行插值.③對插值后的柵格數(shù)據(jù)集進(jìn)行重分類,根據(jù)參數(shù)的最大值和最小值獲得各個(gè)的參數(shù)的數(shù)值范圍,以此為基礎(chǔ)計(jì)算重分類的方式.④將插值后的柵格數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為矢量圖層.

4)等值面,等值線的后期平滑處理.由柵格數(shù)據(jù)得到的矢量數(shù)據(jù),通常邊界會(huì)出現(xiàn)很多方格子或者鋸齒,因此需要進(jìn)行平滑處理[15].

設(shè)計(jì)思路:平滑處理分成兩部分,一是將面要素轉(zhuǎn)換成線要素(FeatureToLine),二是將面要素轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素(FeatureToPoint).

設(shè)計(jì)流程:①等值面經(jīng)過面要素轉(zhuǎn)換成線要素(FeatureToLine)得到等值線.②等值線進(jìn)行平滑線處理(SmoothLine),采用PAEK算法,得到新的等值線_$.③新的等值線_$轉(zhuǎn)換成面要素(FeatureToPolygon),得到新的等值面_$.④等值面經(jīng)過面要素轉(zhuǎn)換成點(diǎn)要素(FeatureToPoint),并得到等值面中心點(diǎn).⑤平滑處理的最后一步,將等值面_$與等值面中心點(diǎn)進(jìn)行空間連接(SpatialJoin),生成最終的等值面_Final.如圖9所示.

5)擦除,將大于0米的水層(低于水層深度的部分)擦除.依次循環(huán)操作,最終生成各個(gè)水層的斷面圖.

6)利用利用TerraExplorer將各個(gè)水層深度的圖層加載到FLY工程文件上,并根據(jù)Skyline客戶端,呈現(xiàn)在地圖上.

圖9 平滑處理流程

圖10 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)可視化流程

4 結(jié)語

通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和海洋科學(xué)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的結(jié)合,能夠高效的對海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,使海洋數(shù)據(jù)管理工作更加全面專業(yè),同時(shí)由于海洋科學(xué)數(shù)據(jù)格式的多源異構(gòu),對數(shù)據(jù)的讀取解析、質(zhì)量控制也成為提高業(yè)務(wù)效率的關(guān)鍵.

海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化系統(tǒng),將海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的常見格式類型進(jìn)行讀取解析集成,實(shí)現(xiàn)對多種格式的數(shù)據(jù)解析與質(zhì)控,并基于WebGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的管理、分析和可視化,對提高海洋數(shù)據(jù)查詢效率、改善數(shù)據(jù)展示友好性具有一定意義,為海洋相關(guān)部門管理決策提供科學(xué)的支持.

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Visual Management Platform for Marine Scientific Data

LI Hai-Tao1,GUAN Yu1,HUANG Hai-Guang2,3

1(School of Information Science and Technology,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266000,China)2(College of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)3(Wenzhou Ocean and Fishery Vessel Safety Rescue Information Center,Wenzhou 325000,China)

As a strategic resource of technological innovation and development of the oceans in China,marine science data should be the element for sustainable development.However,marine scientific data involve many disciplines,complex types,diverse sources,and different formats,and hence it is difficult to process the data and visualization.In terms of the characteristics of marine scientific data,the platform achieves the integration,analysis and visual processing of marine data management by introducing the WebGIS technology,combined with marine scientific data services.

marine scientific data;data management;quality control;data analysis;visualization

李海濤,關(guān)煜,黃海廣.海洋科學(xué)數(shù)據(jù)管理與可視化平臺(tái).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2017,26(9):62–68.http://www.c-s-a.org.cn/1003-3254/6057.html

①基金項(xiàng)后:青島市創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才(15-07-03-0030);科技部2015年科技支撐計(jì)劃(2015BAG20B00)

2016-12-08;采用時(shí)間:2017-03-20