海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化系統(tǒng)研究

王想紅 , 劉紀(jì)平 王 亮 王 勇 徐勝華

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

隨著人們對海洋環(huán)境的長期調(diào)查與研究, 以及海洋環(huán)境探測技術(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量值大小, 沒有方向信息的海洋環(huán)境數(shù)據(jù), 具有多源、海量、異構(gòu)、多維及動態(tài)等特點, 研發(fā)直觀的三維動態(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)的熱點問題之一。國內(nèi)外學(xué)者已開展了一些相關(guān)研究, 如蘇奮振等[1]研制了海洋地理信息系統(tǒng)軟件 MaXplorer, 針對海洋數(shù)據(jù)的特性, 實現(xiàn)了對海洋數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、三維分析及動態(tài)可視化。許多研究主要是針對某種海洋數(shù)據(jù)進(jìn)行多維動態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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, 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原型系統(tǒng), 實現(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]研究實現(xiàn)了基于Skyline平臺的數(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, 實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)三維表達(dá); 同時, 各大公司及相關(guān)業(yè)務(wù)部門也開展了相關(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現(xiàn)了大范圍的海底地形三維可視化,但缺乏對海洋要素的可視化表達(dá); 2009年6月, 國家海洋信息中心正式發(fā)布了iOcean中國數(shù)字海洋公眾版, 實現(xiàn)了中國海域海底、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, 對海洋環(huán)境要素的分析功能較少[10]。

綜上所述, 國內(nèi)外學(xué)者已開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某種海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的表達(dá)分析, 多維、動態(tài)表達(dá)及分析方面的研究相對缺乏。

本文通過綜合分析已有研究成果及應(yīng)用現(xiàn)狀, 針對海洋標(biāo)量場的特點, 研究了基于幾何對象的標(biāo)量場可視化方法, 設(shè)計并實現(xiàn)了海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動態(tài)可視化原型系統(tǒng), 對海洋環(huán)境信息的三維動態(tài)可視化表達(dá)與分析研究具有重大的現(xiàn)實意義和指導(dǎo)價值 。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動態(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為依托, 采用 JavaTM開發(fā)語言和 OpenGL圖形渲染引擎進(jìn)行開發(fā), 實現(xiàn)了海洋數(shù)據(jù)的多維動態(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, 實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的請求與響應(yīng); 渲染實現(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現(xiàn)自由交互; 應(yīng)用展示層可通過嵌入式網(wǎng)頁或獨(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。

1.2 主要功能設(shè)計

針對海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)特點及其表達(dá)的業(yè)務(wù)需求,設(shè)計了數(shù)據(jù)預(yù)處理、多維可視化、動態(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實測數(shù)據(jù)的處理,通過投影轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、裁剪、插值及抽取等操作, 將其存儲為系統(tǒng)可解析的格式, 實現(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)存儲格式的加載。

可視化模塊實現(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。支持對海洋要素的點、面可視化, 分析結(jié)果主要是以統(tǒng)計圖表、HTML等形式展示。動態(tài)表達(dá)模塊則用于描述海洋要素過程隨時間的變化情況, 回溯其演變過程。

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

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)自主研發(fā)三維虛擬地球平臺的對象渲染機(jī)制, 設(shè)計了時間關(guān)聯(lián)的標(biāo)量數(shù)據(jù)場動態(tài)渲染模型,實現(xiàn)海洋環(huán)境標(biāo)量場數(shù)據(jù)的三維動態(tài)展示與分析,繪制流程如圖2所示。在整個系統(tǒng)的研發(fā)過程中, 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)庫進(jìn)行開發(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)三維動態(tài)表達(dá)

海洋標(biāo)量場的時空過程分為點過程、線過程、面過程及體過程, 本文主要對海洋標(biāo)量場點、面過程的三維動態(tài)可視化進(jìn)行探討。點過程即任意固定點位上要素值的時間變化, 面過程則為一定區(qū)域內(nèi)要素場的時空變化[11]。

系統(tǒng)主要采用基于幾何圖形對象的可視化方法,實現(xiàn)了以點、面圖形方式進(jìn)行海洋標(biāo)量場面過程數(shù)據(jù)的三維表達(dá)。點方式可視化是指在三維場景中直接以點狀對象進(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, 展示了以點方式表達(dá)的海洋鹽度場(0m)可視化效果, 以不同的顏色可視化展示不同的鹽度值, 同時采用LOD動態(tài)調(diào)度技術(shù), 實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量標(biāo)量場數(shù)據(jù)的動態(tài)調(diào)度, 有效提高了可視化效率。面方式可視化則根據(jù)三維虛擬地球場景的對象渲染機(jī)制, 構(gòu)建時間關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)場渲染對象, 采用基于表面紋理的可視化技術(shù), 實現(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, 三維展示時需進(jìn)行裁剪, 其空間分辨率為經(jīng)緯度 1°×1°, 時間分辨率為 7 d, 時間跨度為1989年12月31日～2012年3月18日, 通過控制按鈕可查看不同時間的海溫情況, 并可連續(xù)播放, 展示海洋溫度隨時間的動態(tài)變化情況, 從而直觀、形象地動態(tài)表達(dá)海溫場的演變過程; 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數(shù)據(jù)的三維可視化效果。

圖3 海洋標(biāo)量場數(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)境要素的綜合時空查詢分析可對海洋環(huán)境保護(hù)、預(yù)測預(yù)報等提供直觀、全面的信息參考。本研究設(shè)計開發(fā)了海洋要素屬性查詢、時序分析及垂向剖面分析等時空分析功能。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, 實現(xiàn)了鼠標(biāo)點擊處已加載海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的要素值查詢, 如圖 4所示為鼠標(biāo)點擊處某時刻的海表溫度查詢結(jié)果。時序分析和剖面分析揭示任意點位上的要素值隨時間或空間的動態(tài)變化過程, 在三維場景中以過程曲線和剖面曲線等形式表示, 實現(xiàn)了海洋標(biāo)量場點過程的可視化展示。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; 過程曲線是指在一個點位上, 某種海洋要素(如溫度、鹽度等)隨時間變化的曲線, 是展示海洋要素隨時間變化的主要形式之一, 圖 5展示了鼠標(biāo)點擊處海溫隨時間變化的過程曲線。

圖4 指定位置屬性查詢Fig.4 Attribute query

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

3 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了海洋標(biāo)量場數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化系統(tǒng)的體系架構(gòu)、功能設(shè)計及其實現(xiàn), 針對海洋要素標(biāo)量場的時空特征, 結(jié)合虛擬地球場景, 對海洋標(biāo)量要素的三維動態(tài)可視化表達(dá)方法進(jìn)行了探索和技術(shù)實現(xiàn)。構(gòu)建了可靠、直觀、逼真的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維動態(tài)可視化系統(tǒng), 實現(xiàn)了海表溫度場、鹽場數(shù)據(jù)的三維動態(tài)可視化, 任意點位的要素值查詢和時序分析等功能, 同時也為其他海洋環(huán)境要素場數(shù)據(jù)的可視化與分析提供了思路和技術(shù)借鑒。面對海洋領(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, 將逐步開展矢量場的可視化表達(dá)與分析研究。

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