張信雪, 呂曉琪, 王月明, 夏 偉, 張繼凱

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海洋葉綠素a濃度動態(tài)可視化研究

張信雪1, 呂曉琪1, 王月明1, 夏 偉1, 張繼凱2

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古包頭 014010; 2. 燕山大學(xué)河北省計算機虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點實驗室, 河北秦皇島 066004)

為了實現(xiàn)葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化效果, 針對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多維、多時間及多格式等特點, 在全面分析NetCDF(network Common Data Form)數(shù)據(jù)模型的格式、存儲的基礎(chǔ)上, 結(jié)合GPU(Graphics Processing Unit)與osgEarth三維地球虛擬場景, 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動態(tài)可視化方法。實驗表明, 該方法具有一定的可行性和高效性, 為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化與分析提供了強有力的可視化平臺。

多維; NetCDF(network Common Data Form); osgEarth; 動態(tài)可視化

葉綠素a是海洋中浮游植物光合作用的一種色素, 它是海洋中初級生產(chǎn)力的指標(biāo), 用以評定海洋中浮游植物的現(xiàn)存量, 對海洋中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究、漁業(yè)以及海洋養(yǎng)殖業(yè)有著重要意義[1]。由于海洋面積較大, 數(shù)據(jù)較多, 葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的獲取較為困難,因此, 基于衛(wèi)星的遙感技術(shù)是獲取數(shù)據(jù)的主要手段[2-4]。由于數(shù)據(jù)存儲和處理方式的不同, 也造就了其數(shù)據(jù)的多維和多樣性, 且與時間信息密切相關(guān)的特點。如何實現(xiàn)其統(tǒng)一管理與表達, 特別是三維動態(tài)的表達是目前數(shù)據(jù)可視化研究的熱點之一[5]。肖如林等[6]分析了三維虛擬地球在海洋數(shù)據(jù)處理方面應(yīng)用的優(yōu)勢, 并在此基礎(chǔ)上, 研發(fā)了一套三維海洋信息操作平臺系統(tǒng), 實現(xiàn)了大量海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的集成和可視化; 涂超等[7]采用了插值法連續(xù)生成了海洋溫度的三維空間數(shù)據(jù)場, 融合了體視化技術(shù), 提出了海洋溫度場的三維可視化方法; 何亞文等[8]重點介紹了時空可視化的方法, 并提出了中國南海的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化架構(gòu)原型系統(tǒng), 突出了面向過程的可視化方法; 李久松等[9]結(jié)合了VC++和CG著色語言, 提出了包括探針功能、線模式等面向海洋、大氣數(shù)據(jù)的模式分析法, 實現(xiàn)了海洋大氣數(shù)據(jù)向三維空間圖像的動態(tài)演變, 在實時動態(tài)的可視化圖形的基礎(chǔ)上得到海洋大氣數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程。

本文以osgEarth三維虛擬地球為場景, 以葉綠素a濃度為研究對象, 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動態(tài)可視化方法, 實現(xiàn)了葉綠素a濃度的三維動態(tài)可視化; 利用C++讀取NetCDF(network common data form)數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)表達, 實現(xiàn)了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理; 根據(jù)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用特點, 研究三維虛擬地球中葉綠素a濃度的動態(tài)可視化方法, 揭示了其基于三維虛擬地球的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)可視化研究與現(xiàn)象的變化規(guī)律和實時查詢特征。最后, 構(gòu)建海洋三維可視化系統(tǒng)進行試驗, 驗證本文理論、技術(shù)和方法的可行性與高效性。

1 基于NetCDF數(shù)據(jù)模型的讀取

常用的海洋數(shù)據(jù)中的葉綠素a濃度存儲格式有ASCII(文本)文件、二進制文件、NetCDF及HDF格式等[10]。本文的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)格式采用NetCDF數(shù)據(jù)格式, 該數(shù)據(jù)格式具有平臺無關(guān)性、高可用性和自描述性等特點。而NetCDF存儲的數(shù)據(jù)是一個多自變量的單值函數(shù)[11], 如公式(1)所示。

其中函數(shù)的自變量, , 等為維(dimension)或坐標(biāo)軸(axis), 函數(shù)值為變量(Variables)。常見的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲均是以一系列二維數(shù)組的形式存儲[12], 如圖1為三維及四維數(shù)據(jù)的存儲。

2 基于2.5維面的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)可視化

2.1 數(shù)據(jù)的映射

數(shù)據(jù)映射是將源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為幾何數(shù)據(jù)[13]。數(shù)據(jù)可視化最終的變現(xiàn)方式為不透明度以及顏色。本文采用的是彩色映射方式, 選取顏色映射表(圖2), 每個數(shù)據(jù)值都與一種映射表中的顏色相對應(yīng), 根據(jù)不同的數(shù)據(jù)值選取相應(yīng)的顏色值。其中藍色表示低值, 紅色表示高值, 生成一副可表示數(shù)值分布規(guī)律的可視化圖像。

其中, 為任意源數(shù)據(jù)。為歸一化后數(shù)據(jù), 即紋理數(shù)據(jù), 將其傳入GPU(graphics processing unit)中進行可視化圖片繪制。在繪制過程中, 紋理數(shù)據(jù)的數(shù)值與映射表中顏色一一對應(yīng), 映射表中的顏色具體表示為RGBA的形式, 該形式的取值范圍是0~255。具體流程如圖3所示, 與傳統(tǒng)的映射法相比, 彩色映射得到的顏色分布相對均勻, 進而可以更有效地區(qū)分出標(biāo)量參數(shù)的強度分布。

2.2 數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換

osgEarth三維地球虛擬場景中, 選取一個密集的矩形網(wǎng)格為可視化結(jié)果載體, 將其可視化結(jié)果呈現(xiàn)在地球表面上[14], 具體過程如圖4所示。其中, 平面網(wǎng)格的橫坐標(biāo)(0~1)轉(zhuǎn)換為地球的經(jīng)度, 表示范圍是180°W~180°E; 縱坐標(biāo)(0~1)轉(zhuǎn)換為地球的緯度, 范圍是90°S~90°N。坐標(biāo)變換之后, 原平面網(wǎng)格便可以貼合于地球表面, 形成球面網(wǎng)格, 完成可視化結(jié)果在地球表面上顯示, 具體變化過程分為三步:

1) 頂點的平面坐標(biāo)向紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 見公式(3)所示,

2) 紋理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為經(jīng)度、緯度和高度坐標(biāo), 如公式(4)所示:

(4)

3) 經(jīng)度、緯度、高度坐標(biāo)向地球面上坐標(biāo)轉(zhuǎn)換, 如公式(5)所示:

(5)

坐標(biāo)變換后, 地球表面呈現(xiàn)出了原矩形平面網(wǎng)格, 如圖4右邊所示。其中, 平面網(wǎng)格的橫坐標(biāo)對應(yīng)地球維度, 縱坐標(biāo)對應(yīng)地球經(jīng)度。

2.3 數(shù)據(jù)的動態(tài)表達

海洋數(shù)據(jù)中標(biāo)量場的時空過程一般有點過程、線過程、面過程及體過程, 但像溫度、水汽和葉綠素a濃度等基本海洋標(biāo)量場要素的時空三維動態(tài)可視化[15]變化過程主要表現(xiàn)在點過程和面過程。文中只針對海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化進行探討。

點方式指的是任意固定點位置上要素的時間變化, 并以不同的大小或顏色表述要素值, 同時關(guān)聯(lián)每個點對象的屬性信息, 方便交互以及查詢。使用該方式進行要素值可視化表達時需要渲染大量點對象。因此采用LOD(levels of detail)動態(tài)調(diào)度技術(shù), 實現(xiàn)了海洋中大量要素數(shù)據(jù)值的動態(tài)調(diào)度, 最終有效地提高了可視化表達效率。此外, 點方式的可視化支持任意時間、區(qū)域的數(shù)據(jù)抽取以及渲染, 有利于交互的調(diào)整顏色帶, 提高可視化效果。圖5為以點方式表達海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的效果圖, 其中, 不同的顏色、分布體現(xiàn)了不同的濃度值。

面方式指的是一定區(qū)域內(nèi)要素的時空變化。它以三維虛擬地球場景的對象渲染機制為基礎(chǔ), 直接構(gòu)建與時空相關(guān)聯(lián)的表面對象, 結(jié)合紋理映射技術(shù)達到海洋中標(biāo)量場數(shù)據(jù)的多維動態(tài)可視化表達, 文中使用的數(shù)據(jù)包含了全球海洋葉綠素a濃度信息, 其中, 空間分辨率為9 km, 時間分辨率是1 d, 網(wǎng)格數(shù)是4 320×2 160, 其可視化效果如圖7所示。

以時間順序為基礎(chǔ), 通過點、面方式進行海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化表達, 展示出海洋中葉綠素a濃度隨著時間的動態(tài)變化, 形象而直觀地動態(tài)表達出葉綠素a濃度的變化過程。葉綠素a濃度數(shù)據(jù)可視化流程如圖6所示。

3 實驗與應(yīng)用

基于以上研究工作, 依托于Visual Studio C++ 2010開發(fā)語言, 使用OSG(OpenSceneGraph, 開源的高性能3D圖形開發(fā)工具包)和MFC(微軟基礎(chǔ)類庫技術(shù)), 以osgEarth三維虛擬地球為可視化平臺, 實現(xiàn)了對海洋中葉綠素a濃度的動態(tài)可視化表達。

選用2016年1月全球海洋葉綠素a濃度為實驗測試數(shù)據(jù)。實驗測試硬件環(huán)境: 操作系統(tǒng)為win7 64位, 處理器為CPU-Intel i7, 內(nèi)存為32 GB, 顯卡為NVIDIA GTX 980 Ti。其中圖7為動態(tài)播放過程中不同時間段內(nèi)葉綠素a濃度可視化效果圖, 圖中左下方為坐標(biāo)軸。從圖中可以明顯觀察到3個不同時間內(nèi)葉綠素a濃度分布情況。

4 結(jié)束語

本文在海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化方面, 建立了時間序列動態(tài)可視化模型, 并且介紹了NetCDF數(shù)據(jù)類型與存儲。并結(jié)合GPU與osgEarth三維地球虛擬場景, 基于2.5維面的顏色映射、坐標(biāo)變換以及數(shù)據(jù)的動態(tài)表達, 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動態(tài)可視化方法, 實現(xiàn)了葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化效果。

海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)管理與可視化以及虛擬地球場景相結(jié)合, 能夠充分展現(xiàn)葉綠素a濃度在時間和空間上的動態(tài)分布情況, 有利于評定海洋中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及海洋漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的經(jīng)濟效益, 具有一定的人文價值與經(jīng)濟價值。

[1] 王菲菲, 章守宇, 林軍. 象山港海洋牧場規(guī)劃區(qū)葉綠素a分布特征研究[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報, 2013, 22(2): 266-273. Wang Feifei, Zhang Shouyu, Lin Jun. Study on distribution characteristics of chlorophyll a in Xiangshan harbor marine ranch planning area[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2013, 22(2): 266-273.

[2] 付東洋, 潘德爐, 丁又專, 等. 臺風(fēng)對海洋葉綠素a濃度影響的定量遙感初探[J]. 海洋學(xué)報, 2009, 31(3): 46-56. Fu Dongyang, Pan Delu, Ding Youzhuan, et al. Quantitative remote sensing of the influence of typhoon on marine chlorophyll a concentration[J]. Journal of Oceanography, 2009, 31(3): 46-56.

[3] 高國興, 王振占, 陳標(biāo), 等. 陸架區(qū)海洋內(nèi)波傳播特性遙感方法分析[J]. 中國圖象圖形學(xué)報, 2010, 15(5): 790-795. Gao Guoxing, Wang Zhenzhan, Chen Biao, et al. Remote sensing analysis of marine internal wave propagation characteristics in Shelf Area[J]. Journal of Image and Graphics, 2010, 15(5): 790-795.

[4] 徐京萍, 趙建華. 遙感技術(shù)在海域使用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2016(6): 35-39. Xu Jingping, Zhao Jianhua. Application of remote sensing technology in dynamic monitoring of Sea Area[J]. Satellite applications, 2016(6): 35-39.

[5] 王想紅, 劉紀平, 徐勝華, 等. 基于NetCDF數(shù)據(jù)模型的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化研究[J]. 測繪科學(xué), 2013, 38(2): 59-61. Wang Xianghong, Liu Jiping, Xu Shenghua, et al. Research on 3D visualization of marine environment data based on NetCDF data model[J]. Surveying Science, 2013, 38(2): 59-61.

[6] 肖如林, 蘇奮振, 杜云艷, 等. 三維虛擬地球的海洋信息適用性分析及原型研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報, 2010, 12(4): 555-561. Xiao Rulin, Su Fenzhen, Du Yunyan, et al. Applicability analysis and prototype study on marine information of 3D virtual earth[J]. Journal of Earth Information Science, 2010, 12(4): 555-561.

[7] 涂超. 海洋溫度場的三維可視化[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2007, 40(6): 126-128.Tu Chao. 3D visualization of marine temperature field[J]. Journal of Wuhan University (Engineering Science), 2007, 40(6): 126-128.

[8] He Yawen, Su Fenzhen, Du Yunyan, et al. Web-based spatiotemporal visualization of marine environment data[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 2010, 28(5): 1086-1094.

[9] 李久松, 常曉峰, 田豐林, 等. 海洋和大氣數(shù)據(jù)多模式動態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J]. 海洋科學(xué), 2014, 38(1): 10-14. Li Jiusong, Chang Xiaofeng, Tian Fenglin, et al. Design and implementation of multi-mode dynamic visualization system for ocean and atmospheric data[J]. Marine Sciences, 2014, 38(1): 10-14.

[10] 馬偉霞. 基于i4Ocean平臺的多源海洋數(shù)據(jù)同一化與可視化技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2014.Ma Weixia. Research and implementation of multi-source marine data homogeneity and visualization technology based on i4Ocean platform[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014.

[11] 孫建偉, 孫昭晨, 陳軒, 等. NetCDF格式數(shù)據(jù)的創(chuàng)建及應(yīng)用[J]. 交通標(biāo)準化, 2010, 15: 31-34. Sun Jianwei, Sun Zhaochen, Chen Xuan, et al. Creation and application of NetCDF format data[J]. Traffic Standardization, 2010, 15: 31-34.

[12] ArcGIS Resource Center. 地理數(shù)據(jù)類型[EB/OL]. [2011-11-8]. http: //help.arcgis.com/zh-cn/arcgisdesk-top/ 10.0/help/index.Html.ArcGIS Resource Center. Geographic data type[EB/OL].[2011-11-8]. http: //help.arcgis.com/zh-cn/arcgisdesk-top/ 10.0/help/index.Html.

[13] 劉芳. 信息可視化技術(shù)及應(yīng)用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013. Liu Fang. Information visualization technology and application research[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[14] 董文, 張新, 江毓武, 等. 基于球體的海洋標(biāo)量場要素的三維可視化技術(shù)研究[J]. 應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報, 2010, 29(4): 571-577. Dong Wen, Zhang Xin, Jiang Yuwu, et al. Research on 3D visualization technology of marine scalar field based on sphere[J]. Journal of Applied Oceanography, 2010, 29(4): 571-577.

[15] 劉文亮, 蘇奮振, 杜云艷. 海洋標(biāo)量場時空過程遠程動態(tài)可視化服務(wù)研究[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報, 2009, 11(4): 513-519. Liu Wenliang, Su Fenzhen, Du Yunyan. Research on remote dynamic visualization of spatio-temporal process of marine scalar field[J]. Journal of Earth Information Science, 2009, 11(4): 513-519.

(本文編輯: 劉珊珊)

Dynamic visualization of marine chlorophyll a concentration

ZHANG Xin-xue1, Lü Xiao-qi1, WANG Yue-ming1, XIA Wei1, ZHANG Ji-kai2

(1. School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. Key Laboratory for Computer Virtual Technology and System Integration of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In this study, we realize three-dimensional dynamic visualizations of chlorophyll a concentration data. Marine environmental data are characteristically multi-dimensional, multi-time, and multi-format. Based on a comprehensive analysis of the format and storage used in the network common data form (NetCDF) data model, combined with GPU(a graphics processing unit) and osgEarth 3D earth virtual scenes, we propose a marine dynamic visualization method for representing chlorophyll a concentrations. Our results show this method to be feasible and efficient in providing a powerful platform for dynamic visualization and the analysis of marine environmental data.

multi-dimensional; NetCDF (network common data form); osgEarth; dynamic visualization

Aug. 24, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.81460279; Inner Mongolia University of Science and Technology outstanding youth fund project, No.2016YQL09]

TP391

A

1000-3096(2017)03-0075-05

10.11759/hykx20160824001

2016-08-24;

2016-10-19

國家自然科學(xué)基金項目(81460279); 內(nèi)蒙古科技大學(xué)優(yōu)秀青年基金項目(2016YQL09)

張信雪(1991-), 女, 山西汾陽人, 碩士研究生, 主要研究方向為圖像處理、可視化及可視化分析研究, 手機號: 15947083267, E-mail: 514466933@qq.com; 呂曉琪(1963-), 通信作者, 男, 博士, 二級教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向為智能圖像處理、虛擬現(xiàn)實, E-mail: 247899043@qq.com