海洋葉綠素a濃度動(dòng)態(tài)可視化研究

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(dòng)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(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)與系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北秦皇島 066004)

為了實(shí)現(xiàn)葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化效果, 針對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多維、多時(shí)間及多格式等特點(diǎn), 在全面分析NetCDF(network Common Data Form)數(shù)據(jù)模型的格式、存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合GPU(Graphics Processing Unit)與osgEarth三維地球虛擬場(chǎng)景, 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動(dòng)態(tài)可視化方法。實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)可視化與分析提供了強(qiáng)有力的可視化平臺(tái)。

多維; NetCDF(network Common Data Form); osgEarth; 動(dòng)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(jí)生產(chǎn)力的指標(biāo), 用以評(píng)定海洋中浮游植物的現(xiàn)存量, 對(duì)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(chǔ)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(shí)間信息密切相關(guān)的特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)其統(tǒng)一管理與表達(dá), 特別是三維動(dòng)態(tài)的表達(dá)是目前數(shù)據(jù)可視化研究的熱點(diǎn)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(shì), 并在此基礎(chǔ)上, 研發(fā)了一套三維海洋信息操作平臺(tái)系統(tǒng), 實(shí)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(chǎng), 融合了體視化技術(shù), 提出了海洋溫度場(chǎng)的三維可視化方法; 何亞文等[8]重點(diǎn)介紹了時(shí)空可視化的方法, 并提出了中國(guó)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(shí)現(xiàn)了海洋大氣數(shù)據(jù)向三維空間圖像的動(dòng)態(tài)演變, 在實(shí)時(shí)動(dòng)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(dòng)態(tài)變化過程。

本文以osgEarth三維虛擬地球?yàn)閳?chǎng)景, 以葉綠素a濃度為研究對(duì)象, 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動(dòng)態(tài)可視化方法, 實(shí)現(xiàn)了葉綠素a濃度的三維動(dòng)態(tài)可視化; 利用C++讀取NetCDF(network common data form)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)表達(dá), 實(shí)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(diǎn), 研究三維虛擬地球中葉綠素a濃度的動(dòng)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(dòng)態(tài)可視化研究與現(xiàn)象的變化規(guī)律和實(shí)時(shí)查詢特征。最后, 構(gòu)建海洋三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn), 驗(yàn)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(chǔ)格式有ASCII(文本)文件、二進(jìn)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(tái)無關(guān)性、高可用性和自描述性等特點(diǎn)。而NetCDF存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是一個(gè)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(chǔ)均是以一系列二維數(shù)組的形式存儲(chǔ)[12], 如圖1為三維及四維數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

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(gè)數(shù)據(jù)值都與一種映射表中的顏色相對(duì)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(lán)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(jìn)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(duì)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(duì)均勻, 進(jìn)而可以更有效地區(qū)分出標(biāo)量參數(shù)的強(qiáng)度分布。

2.2 數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換

osgEarth三維地球虛擬場(chǎng)景中, 選取一個(gè)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(diǎn)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(duì)應(yīng)地球維度, 縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)地球經(jīng)度。

2.3 數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)表達(dá)

海洋數(shù)據(jù)中標(biāo)量場(chǎng)的時(shí)空過程一般有點(diǎn)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(chǎng)要素的時(shí)空三維動(dòng)態(tài)可視化[15]變化過程主要表現(xiàn)在點(diǎn)過程和面過程。文中只針對(duì)海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化進(jìn)行探討。

點(diǎn)方式指的是任意固定點(diǎn)位置上要素的時(shí)間變化, 并以不同的大小或顏色表述要素值, 同時(shí)關(guān)聯(lián)每個(gè)點(diǎn)對(duì)象的屬性信息, 方便交互以及查詢。使用該方式進(jìn)行要素值可視化表達(dá)時(shí)需要渲染大量點(diǎn)對(duì)象。因此采用LOD(levels of detail)動(dòng)態(tài)調(diào)度技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了海洋中大量要素?cái)?shù)據(jù)值的動(dòng)態(tài)調(diào)度, 最終有效地提高了可視化表達(dá)效率。此外, 點(diǎn)方式的可視化支持任意時(shí)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(diǎn)方式表達(dá)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(shí)空變化。它以三維虛擬地球場(chǎng)景的對(duì)象渲染機(jī)制為基礎(chǔ), 直接構(gòu)建與時(shí)空相關(guān)聯(lián)的表面對(duì)象, 結(jié)合紋理映射技術(shù)達(dá)到海洋中標(biāo)量場(chǎng)數(shù)據(jù)的多維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá), 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(shí)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(shí)間順序?yàn)榛A(chǔ), 通過點(diǎn)、面方式進(jìn)行海洋中葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動(dòng)態(tài)可視化表達(dá), 展示出海洋中葉綠素a濃度隨著時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化, 形象而直觀地動(dòng)態(tài)表達(dá)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(shí)驗(yàn)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?yàn)榭梢暬脚_(tái), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋中葉綠素a濃度的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)。

選用2016年1月全球海洋葉綠素a濃度為實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)態(tài)播放過程中不同時(shí)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(gè)不同時(shí)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(shí)間序列動(dòng)態(tài)可視化模型, 并且介紹了NetCDF數(shù)據(jù)類型與存儲(chǔ)。并結(jié)合GPU與osgEarth三維地球虛擬場(chǎng)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(dòng)態(tài)表達(dá), 提出一套海洋環(huán)境中葉綠素a濃度的動(dòng)態(tài)可視化方法, 實(shí)現(xiàn)了葉綠素a濃度數(shù)據(jù)的三維動(dòng)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(chǎng)景相結(jié)合, 能夠充分展現(xiàn)葉綠素a濃度在時(shí)間和空間上的動(dòng)態(tài)分布情況, 有利于評(píng)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(jì)效益, 具有一定的人文價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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

張信雪(1991-), 女, 山西汾陽人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)閳D像處理、可視化及可視化分析研究, 手機(jī)號(hào): 15947083267, E-mail: 514466933@qq.com; 呂曉琪(1963-), 通信作者, 男, 博士, 二級(jí)教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)橹悄軋D像處理、虛擬現(xiàn)實(shí), E-mail: 247899043@qq.com