楊舒翔，蔣廷臣*，牛 原，聶靖坤

（1. 江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

目前海洋環(huán)境變化現(xiàn)象仍然難以做到及時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和預(yù)報(bào)[1-3]。為了提高海洋氣象觀(guān)測(cè)效率，需要海上錨定浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)和岸基多普勒天氣雷達(dá)等設(shè)備[4]，還需要采用系統(tǒng)工程的思想開(kāi)展建設(shè)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)[5]。數(shù)字海洋建設(shè)旨在構(gòu)建一個(gè)基于地球球體模型的海洋信息應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，并開(kāi)展相關(guān)專(zhuān)題特色應(yīng)用[6]。為了加快建設(shè)數(shù)字海洋建設(shè)，需加強(qiáng)海洋信息可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)、海洋虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建等方面的研究[7]。部分學(xué)者針對(duì)海洋可視化系統(tǒng)做了一些研究[8-11]，在海洋可視化系統(tǒng)方面取得了一定成果，但是并沒(méi)有解決目前中國(guó)近海海域地區(qū)的海洋研究薄弱及觀(guān)察不夠精準(zhǔn)等問(wèn)題，對(duì)海洋氣候狀況把握不夠準(zhǔn)確。本項(xiàng)目將海洋數(shù)據(jù)與三維GIS 相結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建三維地球場(chǎng)景，整合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋氣象數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)，制作海洋數(shù)據(jù)的三維展示圖層，為海洋數(shù)據(jù)提供一個(gè)三維可視化平臺(tái)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用多層體系架構(gòu)模式，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)支撐層、功能應(yīng)用層和展示層。采用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的靈活性、開(kāi)放性和擴(kuò)展性。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器設(shè)備、交換機(jī)設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備，主要作用是為了保證整個(gè)可視化展示系統(tǒng)的有效管理和實(shí)時(shí)監(jiān)督，從而為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行保駕護(hù)航，提供良好的運(yùn)行環(huán)境。作為整個(gè)可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)施層的穩(wěn)定性可以保證系統(tǒng)的硬件設(shè)施正常運(yùn)行和工作。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來(lái)源，下層基礎(chǔ)設(shè)施層為數(shù)據(jù)提供良好、安全的存儲(chǔ)管理環(huán)境，上層功能應(yīng)用層以數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的三維可視化展示。數(shù)據(jù)層包括海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、地圖服務(wù)數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層需要對(duì)項(xiàng)目所涉及到的海洋氣息數(shù)據(jù)進(jìn)行重組織，為展示平臺(tái)提供匯集數(shù)據(jù)的能力，并且提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)獲取接入方式。

1.3 平臺(tái)支撐層

平臺(tái)支撐層是基于地理服務(wù)框架服務(wù)來(lái)為海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)發(fā)布，在處理大量從數(shù)據(jù)層獲取的信息同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

作為項(xiàng)目的展現(xiàn)平臺(tái)，Cesium JavaScript 提供了基于JavaScript語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)包，方便快速搭建一款零插件的虛擬地球Web應(yīng)用，并在性能、精度和渲染質(zhì)量上都能得到保證。通過(guò)Cesium 提供的API，可以支持多種資源的圖像層[12]。

1.4 功能應(yīng)用層

應(yīng)用層是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)總體架構(gòu)的核心層，是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能體現(xiàn)。包括氣象數(shù)據(jù)的三維展示、環(huán)境數(shù)據(jù)的三維展示、CCTV 數(shù)據(jù)展示、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)三維展示和地圖服務(wù)功能，同時(shí)預(yù)留系統(tǒng)服務(wù)接口，保證用戶(hù)提出新的功能需求時(shí)，不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，只要在接口上進(jìn)行擴(kuò)展，圖1為項(xiàng)目數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)示意圖。

圖1 項(xiàng)目數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)示意圖

1.5 展示層

展示層是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的最上層，是整個(gè)系統(tǒng)在用戶(hù)面前最終呈現(xiàn)。主要包括海洋氣象數(shù)據(jù)展示界面、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)展示界面、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)展示界面、CCTV 數(shù)據(jù)展示界面和三維地球展示界面。展示層以桌面端界面的形式展示在用戶(hù)眼前，通過(guò)人機(jī)交互的接口與操作人員進(jìn)行交互，提供直觀(guān)、簡(jiǎn)單和友好的界面來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的功能。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)主要包括若干功能模塊的建設(shè)，核心功能分別是GIS 操作功能、數(shù)據(jù)查詢(xún)功能、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布功能模塊和數(shù)據(jù)三維展示功能模塊。圖2 為可視化平臺(tái)系統(tǒng)功能框圖，從圖5 中可以看出，Argo 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)可視化平臺(tái)主要包括5 個(gè)方面的功能，分別是GIS操作功能、Argo數(shù)據(jù)入庫(kù)功能、Ar?go數(shù)據(jù)查詢(xún)功能、Argo數(shù)據(jù)可視化功能和Argo備份恢復(fù)功能。其中GIS 操作功能包括圖層的創(chuàng)建和圖層的顯示，通過(guò)此功能可以實(shí)現(xiàn)圖層的放大和縮小、滿(mǎn)屏顯示以及圖層的載入和屬性信息。Argo 數(shù)據(jù)入庫(kù)功能包括網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)輸入2個(gè)方面，Argo 數(shù)據(jù)備份恢復(fù)功能包括數(shù)據(jù)庫(kù)備份和數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)2 個(gè)方面。其中Argo 數(shù)據(jù)入庫(kù)和Argo 數(shù)據(jù)備份恢復(fù)功能是服務(wù)器端的專(zhuān)屬功能，主要是為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)等工作，特別是Argo 剖面數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的入庫(kù)操作以及后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。GIS 操作功能則是使用WebGIS 控件實(shí)現(xiàn)Argo 數(shù)據(jù)的顯示和圖層信息的操作。Argo 數(shù)據(jù)查詢(xún)則是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中Ar?go 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，包括按浮標(biāo)編號(hào)查詢(xún)、浮標(biāo)剖面綜合分析以及剖面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。Argo 數(shù)據(jù)可視化實(shí)現(xiàn)了全球Argo 浮標(biāo)的GIS 顯示以及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存在的浮標(biāo)基本信息和剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的一致性和完整性，包括浮標(biāo)位置分布圖和浮標(biāo)信息的驗(yàn)證。

圖2 可視化平臺(tái)系統(tǒng)功能框圖

2.1 數(shù)據(jù)查詢(xún)功能模塊

數(shù)據(jù)查詢(xún)功能模塊主要集成了GIS 界面的操作，包括圖層打開(kāi)、圖層屬性設(shè)置、地理量算、坐標(biāo)顯示、電子地圖生成、GIS 的放大、縮小和漫游等操作功能。

針對(duì)單個(gè)Argo 浮標(biāo)基本信息的查詢(xún)，主要包括Argo浮標(biāo)的剖面層數(shù)、首層剖面的時(shí)間、坐標(biāo)和所屬權(quán)等，要想獲得這些Argo浮標(biāo)的基本信息，只需要在系統(tǒng)查詢(xún)界面輸入Argo 浮標(biāo)WMO 編號(hào)就可以查詢(xún)到全面的信息。這些信息包括浮標(biāo)剖面的地理位置和漂移軌跡。當(dāng)然還可以查詢(xún)到某一浮標(biāo)的深層流速，特別是要獲得所有浮標(biāo)的T-S點(diǎn)聚圖、地理位置分布圖及流速圖，可以在系統(tǒng)中輸入時(shí)間和經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍來(lái)進(jìn)行查詢(xún)。

在整個(gè)查詢(xún)系統(tǒng)中，除了可以通過(guò)輸入Argo浮標(biāo)WMO 編號(hào)、時(shí)間和經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍來(lái)進(jìn)行查詢(xún)，還可以通過(guò)點(diǎn)擊文件菜單欄上的“Argo 數(shù)據(jù)查詢(xún)”，然后選擇“浮標(biāo)位置分布圖”，接著會(huì)在全球地圖上顯示所有浮標(biāo)的位置分布。最后選中某一浮標(biāo)，就會(huì)顯示出相對(duì)應(yīng)的浮標(biāo)信息。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該浮標(biāo)，就可以從服務(wù)器中提取該浮標(biāo)的剖面數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布功能模塊

針對(duì)數(shù)據(jù)中所包含海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)、CCTV 數(shù)據(jù)，以及三維地球的影像數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式，在服務(wù)器端進(jìn)行發(fā)布，使得用戶(hù)利用客戶(hù)端系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，并不需要在每臺(tái)電腦上都存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，只需要通過(guò)發(fā)布的服務(wù)地址，系統(tǒng)將自動(dòng)找到服務(wù)器的發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)，只需要一次數(shù)據(jù)發(fā)布，即可多次和多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布模塊具體包括全球影像地圖發(fā)布、海洋氣象數(shù)據(jù)發(fā)布、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布和CCTV數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布5個(gè)部分。

1）全球影像地圖發(fā)布。全球影像地圖主要是柵格地圖，將柵格地圖通過(guò)GeoServer進(jìn)行發(fā)布，保證三維球體在顯示時(shí)能夠展現(xiàn)全球影像數(shù)據(jù)。

2）海洋氣象數(shù)據(jù)發(fā)布。常見(jiàn)氣象海洋數(shù)據(jù)有Ar?go、HYCOM 和SSH 等幾種，主要是在服務(wù)器端通過(guò)服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布。

3）海洋環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)包括海洋溫度數(shù)據(jù)、海洋鹽度數(shù)據(jù)、海洋深度數(shù)據(jù)、洋流數(shù)據(jù)和海洋波浪數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在服務(wù)端以服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布。

4）海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布。海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)主要包括聲源點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用服務(wù)器將聲源點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)發(fā)布。

5）CCTV 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布。CCTV 數(shù)據(jù)主要包括聲音數(shù)據(jù)、文字?jǐn)?shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，這一部分可根據(jù)實(shí)際需求，以服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布，也可以通過(guò)本地文件打開(kāi)。

2.3 數(shù)據(jù)三維展示模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)三維展示主要是針對(duì)海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)、CCTV 數(shù)據(jù)和三維地球的影像數(shù)據(jù)，通過(guò)服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，將這些數(shù)據(jù)在三維球體上進(jìn)行展示。數(shù)據(jù)三維展示功能模塊包含海洋氣象與CCTV 數(shù)據(jù)三維展示、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維展示、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)三維展示和地圖服務(wù)功能展示等部分。

Argo、HYCOM、SSH 等常見(jiàn)氣象海洋數(shù)據(jù)在三維地球上進(jìn)行展示，用戶(hù)可通過(guò)拖動(dòng)球體對(duì)數(shù)據(jù)的每一個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的查看，也可將三維地球轉(zhuǎn)換成二維平面的形式，從總體上進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示。

1）用戶(hù)可通過(guò)特定的CCTV 數(shù)據(jù)展示界面，查看這些數(shù)據(jù)。

2）海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)布的服務(wù)來(lái)獲取，并在三維地球上進(jìn)行展示。

3）地圖服務(wù)功能是海洋相關(guān)數(shù)據(jù)展示的底圖基礎(chǔ)，以三維地球的形式呈現(xiàn)在用戶(hù)眼前。用戶(hù)打開(kāi)系統(tǒng)界面首先就能看到三維地球，在三維地球上，提供了放大、縮小、拖拽、旋轉(zhuǎn)和二三維平面切換的功能，用戶(hù)通過(guò)常用鼠標(biāo)操作即可實(shí)現(xiàn)這些功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于HTML 語(yǔ)言進(jìn)行海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，將海洋數(shù)據(jù)與三維GIS 相結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建三維地球場(chǎng)景，整合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋氣象數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)，制作海洋數(shù)據(jù)的三維展示圖層，為海洋數(shù)據(jù)提供一個(gè)三維可視化平臺(tái)。

本文從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)三維展示等3 個(gè)方面展開(kāi)論述，詳細(xì)介紹了海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用多層體系架構(gòu)模式，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)支撐層、功能應(yīng)用層和展示層。為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的靈活性、開(kāi)放性和擴(kuò)展性，采用了組件技術(shù)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性。通過(guò)該系統(tǒng)可以即時(shí)掌握海洋大氣溫度、海浪、海風(fēng)、海洋鹽度和洋流等海洋環(huán)境要素的具體信息，對(duì)于研究海洋至關(guān)重要。因此，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于海洋氣象、海洋環(huán)境、海洋聲學(xué)、海-氣變化和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展等研究中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的多維動(dòng)態(tài)即時(shí)展示和綜合可視分析功能，提升海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)效能具有現(xiàn)實(shí)意義。

后期還要針對(duì)系統(tǒng)的使用進(jìn)行推廣培訓(xùn)。系統(tǒng)建設(shè)是一個(gè)綜合性工程，為保證平臺(tái)使用的整體效果，對(duì)管理人員、系統(tǒng)維護(hù)人員以及使用人員進(jìn)行整體的平臺(tái)介紹以及相關(guān)配套的管理機(jī)制要求，以期讓培訓(xùn)人員對(duì)平臺(tái)的整體價(jià)值、管理機(jī)制和平臺(tái)概況進(jìn)行全面了解。培訓(xùn)主要根據(jù)《用戶(hù)使用手冊(cè)》的內(nèi)容，結(jié)合詳細(xì)實(shí)例，說(shuō)明每一個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)容和實(shí)際功能，就能方便用戶(hù)快速了解掌握系統(tǒng)，又能通過(guò)文檔向用戶(hù)廣泛地征求意見(jiàn)，有利于系統(tǒng)進(jìn)行快速、有效和準(zhǔn)確的分析驗(yàn)證，不斷完善系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)體系，使之發(fā)揮更大的效用。