基于WebGL的海洋三维可视化系统设计与实现

利用GIS技术对海洋标量场、矢量场数据进行可视化表达和信息查询分析,基于JavaScript设计并开发全球海洋信息三维可视化系统,使用基于WebGL的三维地球可视化平台,使用netCDF数据存储管理标量场、矢量场数据,实现了对海温、洋流和风场的三维可视化表达。在全球大范围矢量场数据的可视化过程中,为提高矢量符号的绘图效率,本文提出了一种高效率绘制矢量场的方法。论文成果对于实现海洋数据的有效利用和共享,为海洋信息的高效利用提供了基础,具有重要的使用价值。     

海洋标量数据的三维动态可视化系统研究

为了实现海量、多源、异构、多维、多格式、动态等特性海洋标量数据的三维集成可视化,设计了基于服务思想、面向通用标量数据格式的三维虚拟可视化体系架构,构建了海洋三维可视化原型系统,并对其体系架构和功能设计进行了详细阐述;采用基于几何对象的可视化方法,结合LOD动态调度、表面纹理及快速查询等关键技术,实现了海洋标量场数据的高效、快速三维动态可视化、要素值查询及时序分析等功能。该研究可为其他海洋环境要素数据的可视化与分析提供思路与技术借鉴。     

大规模海洋水文环境多维可视化技术研究

随着三维可视化技术在海洋环境仿真和信息表达方面的研究不断深入,在应用领域对海洋数据可视化结果的真实感、可视化过程中的实时交互性要求越来越高。基于GPU技术和OSG(Open Scene Graph)三维渲染引擎,研究OSG三维交互关键技术和体绘制渲染技术,开发一套面向大规模海洋水文环境数据的可视化软件,实现海洋要素场填色图、等值线绘制、等值面绘制、要素场体绘制和海流场动态模拟。为了更好的表达海量海洋水文环境数据的空间特性和实时性,在场景中建立节点对几何对象进行管理,引入回调机制实现动态渲染,加入CUDA(Computing Unified Device Architecture)并行计算提高计算速率,采用NetCDF(Network Common Data Form)文件格式对数据进行存取,应用GPU编程技术实现海洋水体环境要素快速体绘制。通过实践,开发实现的海洋水文环境可视化软件能够对海洋水体环境要素的属性和变化过程进行高效、直观的模拟和显示。     

基于WebGL的海岛环境场三维可视化

为解决海岛环境场三维可视化过程中存在的计算速度慢、渲染效果差和人 机交互不流畅等问题,文章基于WebGL和GPU加速渲染技术,提出基于WebGL的海岛环境场三维可视化方法。对不同环境场进行数学建模,其中矢量场基于二阶欧拉积分算法构建粒子运动模型,标量场基于双线性插值生成网格并建立颜色映射模型;基于视角感知构建多尺度变换模型,建立不同视角下矢量场的多尺度三维展示模型;基于GPU渲染技术,实现海岛环境场的三维可视化。实验结果表明,在GPU模式下,矢量场的渲染速度可达60 FPS,与CPU模式相比性能提升1.6～5.0倍,满足矢量场三维可视化的需求,同时极大地提升标量场的可视化效果,解决渲染效果颗粒感重和分级色差弱等问题。     

数字海图三维可视化应用技术研究

结合目前数字海图的三维可视化应用需求,对不同类型的数字海图从数据获取、处理、三维表达、可视化管理和应用等方面进行了分析。主要介绍了栅格海图的可视化显示,shp矢量海图图层的自动加载和三维符号化显示,基于海图控件的S-57的SENC海图的动态、多要素海图信息影像化三维表达和管理等方面的内容,为海洋测绘成果应用、测绘信息保障提供新的技术手段和应用平台。     

海洋遥感卫星沿轨扫描数据动态可视化

为了实现海量、长时间序列、多维、动态等特性的海洋沿轨扫描数据的可视化表达,运用Net CDF数据模型对海洋遥感卫星沿轨扫描数据进行组织与管理,构建了海洋遥感沿轨扫描数据的动态可视化系统。采用基于几何形状的矢量场映射方法和基于表面纹理贴图的可视化方法,结合海量数据异步调度技术,实现了卫星扫描模式下风速数据、海表温度数据以及高度计数据的实时动态可视化表达。运用多要素同步表达的方式和交互式时间图例来提高数据的可读性以及系统的交互性。     

基于剖分的中尺度海洋温度场三维显示技术

针对网格化和数据量庞大的中尺度海洋标量场数据在其三维可视化中表现出来的构造效率较低和表达连续性效果较差的问题,以剖分重构为核心思想,采用三线性插值算法对数据进行加密处理,基于不同角度平面对温度场进行剖分和色彩映射,最后采用OpenSceneGraph图像渲染引擎的颜色、光照、透明度和回调等渲染技术展现更为真实的、科学的动态三维温度场,提供一种简洁、高效、科学的中尺度海洋温度场表达方法。     

海洋环境信息可视化研究进展

从数据模型和数据可视化这两方面对近10年来的海洋环境数据可视化研究进展进行了总结。海洋环境信息的可视化研究呈现出"从2维到n维,从数据可视化到面向知识发现的可视化"的发展趋势。目前,国内对海洋要素可视化表达的研究主要集中在"空间三维+时间维"的四维时空过程可视化表达,对海洋环境多维数据表达的研究还处于探索发展阶段。基于海洋环境多维时空数据模型,结合信息可视化中的多维数据可视化挖掘方法,建立面向知识发现的海洋环境数据多维可视化环境,挖掘多维要素之间的相互关系是今后研究的方向。     

海洋地质三维可视化数据模型的设计方法

随着海洋地质调查程度的日益深入,海洋地质调查数据越来越多。海洋地质调查地震勘探解释成果图是研究海洋地质构造,指导海洋油气勘探开发的重要资料。借助海洋地质调查地震勘探解释成果图数据,通过数据预处理、构建地层面和加入断层约束线处理,并根据三维可视化展示的需求,制定了一体化的三维可视化数据模型结构。基于一体化数据模型,利用三维图形软件开发包Open Inventor,在.Net平台上采用C#开发语言开发了海洋地质三维可视化软件,实现了地层数据、断层数据、井数据的综合展示和交互,通过实际资料的应用表明,一体化三维可视化数据模型具有一定的研究价值,可以很好地服务于地质研究人员。     

基于GIS的海洋光学调查数据空间插值方法研究

研究基于GIS的海洋光学调查数据空间插值方法及其原理,主要探讨了反距离加权插值法、普通克里格法的球体模型和指数模型算法.通过对比分析利用不同插值算法得到的分布图,并在误差分析的基础上,选择制作海洋光学调查数据分布图的最佳空问插值方法.以海洋光学要素中的总颗粒物吸收系数为例,研究表明,普通克里格算法的球体模型能够更加准确地反映我国近海水体总颗粒物吸收系数的空间分布特点和变化趋势.     

数字海洋环境信息应用保障系统设计与实现

介绍了数字海洋技术的研究现状,分析了目前存在的问题,并进行了系统设计,包括信息收集与更新、信息综合管理、信息三维可视化和全球电子海图四个分系统。实现海洋环境信息的三维数字化显示与管理、综合分析应用,构建更加全面、丰富的海洋环境数字地球,有利于加速海洋环境信息建设,形成与海洋强国战略相适应的海洋环境信息保障体系。     

海洋信息组织与存储模型研究及其在“数字海洋”中的应用

基于中国数字海洋建设的经验和成果,制定了海洋数据要素的分类方案,将海洋信息分为5大类：海洋点要素、海洋线要素、海洋面要素、海洋网格要素、海洋动态要素。采用基于特征的方法和面向对象的技术设计了适合数字海洋大型信息系统工程建设的时空数据模型,探讨了海洋空间数据模型、海洋立体格网数据模型、关系数据模型在数字海洋数据仓库建设中...     

数字海洋数据体系结构研究

海洋数据的多源性、多态性和多样性以及数据量庞大等特点决定了其不同于其它数据,如何更加合理有效地存储和管理海洋数据,为海洋综合管理信息系统和＂数字海洋＂原型系统建设提供有力的数据支撑,是一个紧迫需要解决的问题。本文对各类海洋资源、海洋环境、海洋经济、海洋管理等数据进行统一的体系规划,构建统一标准的海洋数据体系框架,以实现国家、省（市）等各级海洋数据的有效管理,满足＂数字海洋＂海洋信息基础平台建设需要。     

南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统简介

面向社会需求,建立覆盖南海及周边海域的高分辨率风-浪-流耦合同化数值预报与信息服务系统。系统包含耦合同化数值预报模式、海洋动力环境数据库与可视化平台两部分。其中,耦合同化数值预报模式由中尺度大气数值预报模式、海浪数值预报模式和区域海洋环流数值模式,在C-Coupler耦合器中进行耦合,引入集合调整Kalman滤波同化模块,在耦合预报前进行大气、海浪和海流的同化后报模拟,为耦合预报模式提供更为精确的初始场。预报结果经海洋动力环境数据库和可视化平台处理后,通过二维和三维可视化展示,向用户提供直观的南海及周边海域海洋环境预报产品。     

国际海洋科技领域研究热点及未来布局

近年来,全球海洋研究呈现出若干新的特点。本文基于对近年来全球重要海洋研究进展信息,分析了全球环境变化背景下几个重要研究热点方向的最新进展,包括全球海洋物理环境变化研究、海洋塑料污染研究、海洋酸化研究、南北极和印度洋研究以及海洋技术开发等。基于对美国、英国、日本和俄罗斯等重要海洋国家最新发布的海洋科技创新政策和计划,分析了各国海洋科技未来布局和重点关注领域。最后,总结了全球海洋领域的发展趋势:(1)气候变化问题在海洋中的延伸效应将持续受到关注;(2)全球性海洋环境问题的导向作用更加明显;(3)海洋技术向智能化方向发展;(4)海洋战略规划的引领作用日渐加强。     

Coupling global and regional circulation models in the coastal Gulf of Alaska

As part of the US GLOBEC NE Pacific program, we are simulating currents in the Coastal Gulf of Alaska (CGOA) to explore sources of interannual and interdecadal variability. To do so, we have developed a coupled modeling system composed of linked regional and global circulation models. The regional model, configured with 13–22 km resolution in the CGOA, is forced at the surface by observed heat fluxes and wind stresses, at the continental boundaries by observed runoff, and at the open ocean boundaries by a combination of tracer climatologies and sub-tidal velocity and tidal elevation provided by a global finite element model. In this communication, we describe the coupled system, including its present method of intermodel coupling, describe a series of multi-year model hindcasts, compare hindcast results with Eulerian and Lagrangian field data obtained in the CGOA in fall 1996, and assess the impact of global information (barotropic sub-tidal velocities and tidal elevations) on the regional model under the present coupling strategy. We find that the regional model produces appropriate current systems (Alaskan Stream, Alaska Coastal Current) and scalar fields, but with mesoscale variability (of SSH and velocities) at somewhat reduced strength relative to data, and with temperature gradients somewhat larger than those observed. Barotropic sub-tidal information from the global model penetrates the regional model interior, supplying additional mesoscale variability, and modifying regional velocity and scalar fields in both shallow and deep areas. Tidal information exerts a significant influence on sub-tidal scalar and velocity structure only in specific shallow areas, where the tides (and tidal mixing) are strongest. Pending the exploration of alternate coupling schemes, we infer from these results that on a time scale of months, purely barotropic information from outside the CGOA will have a modest impact on its mean regional circulation, but a potentially stronger impact on the statistics and details of mesoscale eddies.     

基于Cesium的海洋环境要素三维可视化研究

基于海洋环境要素数据多源的特点,三维地球的可视化显示更有利于海洋复杂信息传递。Cesium是一款免费、拥有诸多API（application programming interface）的开源地图引擎,本文将二维可视化渲染效果较好的点方式可视化法、点图标映射法和流线法应用在Cesium三维地球引擎中,以NetCDF数据格式为例,实现了基于Cesium开源地图框架的海洋环境要素可视化,直观形象地模拟了真实海洋环境。     

基于实时几何流线生成的二维海流数据交互可视化方法

海流可视化是海洋科学研究的热门领域。目前已有的可视化方法在视觉清晰度、真实度和运行效率等方面存在不足之处。文中提出一种新的基于实时几何流线生成的二维海流数据交互可视化方法。该方法实现了全球海流的时空连续表达,可较好地展现全球海流特征;采用概率的方法控制粒子密度,使全球范围内粒子保持均匀分布的状态;生成的流线清晰且具有较高的可调整性。通过MSLA和SODA两个示例数据集的可视化和性能分析证实了此方案具有很高的实用性和灵活性,可视化结果可以较好地反映全球洋流特征。     

黑潮的涡分辨率数值模拟

本文利用涡分辨率的HYCOM模式,以NCEP月平均再分析资料(1979—1993)为驱动场,并采用单向数值嵌套的方式对黑潮流域进行数值模拟,成功模拟了黑潮流域的高分辨率流场特征。模拟结果显示:黑潮路径符合前人对黑潮的认识;在地形和流量的共同作用下,黑潮对吕宋海峡的入侵呈现多平衡态的特征;日本以南的黑潮路径发生多种时间尺度的摆动(从季节内到年际)。黑潮在PN断面上流速跟同期观测十分相符,流轴集中在陆架破折处,季节变化较弱。台湾岛以东黑潮,东海黑潮以及吐噶喇海峡黑潮的流量符合对应时期观测,并且各自呈现出不同的变化特点。