基于鲁棒光流算法的海表流场遥感观测研究

海洋表面流场是海洋科学研究中需要着重考虑的环境参数,近实时的海洋表面流场精细化测量对海洋学研究有着重要意义,但是目前大多数海洋表面流场观测技术难以同步实现大范围近实时的海洋表面流场观测。文中在简要对比各类海洋表面流场测量方法的基础上,重点介绍了基于水色遥感图像观测反演海洋表面流场的鲁棒光流算法,该算法在流场计算过程中,能很好地保留流场细节信息。为直观验证本文测量方法的可靠性,文中提供了海洋表面流场的分析实例,同时给出了美国国家航空航天局(NASA)提供的OSCAR流场数据,对文中算法的可靠性进行了验证。     

海上危化品漂移扩散过程三维动态可视化方法

全球化工产业的发展导致海上危化品泄漏事故频发,严重影响了海洋生态环境,如何开展快速、有效的应急响应已成为迫切需求。对泄漏危化品未来漂移扩散情况进行预测与可视化呈现是应急过程的一个重要环节,目前针对污染扩散可视化的相关研究在场景构建、渲染效率、可扩展性、交互控制等方面仍存在不足。该文提出了一种基于Unity3D引擎及其粒子系统的海上危化品漂移扩散过程三维动态可视化方法,在海洋周边三维场景构建和模型数据优化处理的基础上,通过粒子的动态更新实现了危化品扩散过程的可视化,并提供了针对场景漫游和扩散过程控制的交互接口。以杭州湾海域为例的模拟实验结果表明该方法的性能和效果满足实际应用需求,能够为海上危化品泄漏突发事故应急提供信息参考与辅助决策支持。     

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。     

基于物理特征的平面流场拓扑简化算法

基于网格合并思想实现的平面流场拓扑简化,存在物理特征被忽略和并行实现困难的问题,难以满足远程可视化的要求。文中提出1种基于物理特征的平面流场拓扑简化算法。算法通过计算生成平面流场的物理特征参数图像,利用图像分割提取平面流场的特征区域达到流场简化的目的。实验结果表明,算法能从物理特征和宏观的角度出发快速、准确描述平面流场的拓扑结构,为平面流场可视化提供了1种新方法。     

一种面向全球表层流场可视化的粒子系统数据结构设计

基于粒子系统的流场可视化,将流场中运动的流体质点看作粒子,借助大量粒子的运动,表达了一种具有真实感的流场。受限于当前普通硬件设备的运算能力,这种方法在全球大规模流场可视化中的应用并不理想本文从优化粒子系统数据结构出发,设计了视景体索引、流场数据网格、粒子的三层结构,快速检索、绘制当前视景体内的粒子,大幅度减少了粒子可视化运算量。最后,将设计思路应用到粒子系统的程序设计中,借助三维虚拟地球可视化平台展示全球表层流场的动态效果,并验证了该方法的有效性。     

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。     

一种基于GPU的大规模地形实时生成算法

大规模地形实时可视化一直以来都是计算机图形学、虚拟现实和仿真领域研究的重点和热点。利用Geometry Clipmap算法的基本思想,改进了数据的组织方法,简化了算法的裂缝消除技术,对视景体的裁切算法进行了改进,实现了海量数据的实时可视化。     

基于传输函数的二/三维全时空连续海洋中尺度涡旋流场实时可视化

海洋中尺度涡旋可视化可以将海洋中尺度涡旋的运动规律以图形图像等直观的方式加以展现,是研究海洋中尺度涡旋强有力的工具。然而,现有的可视化方法存在一些不足,如时空连续可视化框架中的流线不能表现全时空连续的运动过程,应用到海洋涡旋提取的特征值受阈值影响严重,交互式传输函数依赖用户经验等。为解决已有的不足,本文首次提出了全时空连续框架和传输函数标准形态模式,将基于区域的涡旋提取技术(?准则)应用到海洋中尺度涡旋可视化中,并提出了全时空连续可视化框架二维及三维的GPU实现方案。实验结果表明,本文的可视化方案达到了实时可交互的级别,对于海洋中尺度涡旋交互式可视化具有重要意义。     

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。     

海洋和大气数据多模式动态可视化系统的设计和实现

为了实现海洋和大气数据多模式动态可视化,本系统使用VC++和CG着色语言进行开发,渲染引擎基于OpenGL三维图形标准。提出了一系列面向海洋和大气数据的模式分析方法,包括:探针功能、线模式、面模式、体模式、矢量模式和动态时间序列分析等,实现了将海量多维海洋大气数据转换为三维空间或动态演变的图像,同时完成用户交互处理操作。并将可视化技术应用于长时间序列的海洋大气数据,通过实时动态的可视化图像来体现海洋大气数据的动态变化过程。结果表明,该系统可实现常见海洋和大气数据的多模式动态可视化。     

基于LIC的海流动态模拟与可视化

线积分卷积(LIC)方法是一种针对矢量场数据的可视化技术,本文主要研究了LIC方法应用于海洋流场的可视化质量改进问题。主要包括以下几点改进:根据海流运动方向改变稀疏背景噪声的指向以使流线变得更加细长明亮;针对稀疏噪声中海流变化剧烈的区域流线会出现分叉的问题,采用忽略稀疏背景噪声流线追踪时非主流线部分的纹理点的积分计算方法来解决此问题,同时可以省去不必要纹理点的积分计算的开支,加快显示速度;采用赋予海流随机的初始相位的方法来解决稀疏噪声循环动画突兀的问题;通过流线的运动速度快慢或者流线的颜色来表示海流速度大小;通过对海流数据进行插值并改善边界流线追踪条件的方法可形成完整细致的全球海流图像。实验结果表明,该方法可以生成纹理对比强烈、细节清晰、动画连贯的高质量海流运动图像,具有良好的可视化效果。     

海洋环境数据三维可视化系统设计与实现

针对目前海洋环境数据可视化技术存在的问题,结合海洋环境要素特点和我国对海洋环境信息化建设的实际需求,设计并开发了海洋环境数据三维可视化系统,重点从海洋环境数据组织和管理、海洋环境数据可视化表达、海洋环境数据查询分析、三维场景交互与视图控制四个方面入手,实现海洋多源信息的集成与可视化共享,为智慧海洋管理提供深入的信息集成、分析与可视化服务。     

非线性波的计算及其应用

本文在L.W.Schwartz的关于定常二维非线性波算法基础上,提供了适用于有限水深的五阶非线性波的简化算法。该算法可以方便地用于海洋结构物波浪载荷的计算,具有工程上可以接受的精度。当前,海洋结构物波浪载荷的计算,仅限于线性波理论,有时是不能满足工程需要的。许多非线性波的算法占用计算机内存大,耗费机时多,作为海洋结构物波浪载荷计算的子程序,应用上不方便。本文的研究工作旨在简化非线性波的计算,尽可能的压缩关于波动海面下流场计算的计算机子程序的规模。     

海底地形实时绘制技术研究和实现

为了提高大规模海底地形的绘制效率,LOD(细节层次,Levels of Details)技术必不可少。在ROAM(Real-time Optimally Adapting Meshes,实时优化自适应网格)算法的基础上,通过数据加载、视域剪裁、建立评价方法等技术手段,根据视点位置实时更新可视区域,避免了多余三角面片的生成和绘制。同时,采用对不共斜边节点强制分割的方法处理裂缝问题,通过索引坐标与实际坐标转换以及无效值处理实现任意范围海底地形对ROAM算法的应用,消除了传统ROAM算法对数据网格大小的限制,保证了绘制的效果和正确性。最后,通过GPU实时计算和绘制各顶点的法线和颜色,实现了大规模海底地形的实时建模和高效绘制,满足了高精度、海量海底地形漫游浏览的需求,特别是针对起伏比较大的地形漫游浏览。     

基于角动量模型的流场涡旋提取方法

分析海洋流场数据进行流场涡旋提取是流场可视化的重要方法。通常实际存在的涡旋具有不规则性,导致涡旋的提取通常需要复杂的计算。本文分析流场数据中涡旋的特点,提出一种基于角动量最大值模型提取涡旋的方法。建立角动量模型计算获得近似涡旋中心点,然后通过空间聚集分析和流场信息熵的计算来提取区域内涡旋。实验结果表明,与传统的提取方法相比,该方法不需要通过复杂计算即可提取涡旋区域并保证准确度,可以应用于不同空间分辨率的数据,同时解决了流场信息熵计算时鞍点对涡旋影响的问题,对于弱涡旋也有较好的提取效果。     

基于CUDA的海洋监测数据并行压缩技术研究

为了提高海底观测网系统的运行效率,针对海洋仪器设备中海量监测数据的存储及传输问题,进行无损数据压缩算法的并行化技术研究。根据海洋监测数据的特点,进行压缩测试,选取出适合并行化的压缩算法,针对原有算法执行速度慢的问题,创新性地提出一种在CUDA架构上利用GPU并行加速平台,多线程分块并行实现数据压缩的方法。实验结果表明并行压缩算法的执行速度有大幅度的提升,压缩加速比最高可提高一个数量级,满足了海洋仪器设备中无损数据压缩的实时性需求。     

基于传输函数标准形态模式的海洋涡旋温盐和压力异常三维结构交互可视化

随着海洋观测技术和海洋数值模拟技术的发展,海洋学家已经能够获取海量的时空连续的海洋数据。但目前人们对于三维海洋大数据缺乏高效的交互可视探索手段,因此,利用科学可视化技术展现海洋数据,以及更深一步地挖掘时空数据规律是建立对海洋大数据从感知到认知的关键技术桥梁。本文利用体绘制技术从传输函数特征点数量、特征颜色映射以及表现特征的线型三个方面,设计针对海洋温盐异常数据以及压力异常数据的传输函数标准形态模式,能够直观有效地表现海洋涡旋温盐和压力异常三维结构。本文优化了球面光线投射算法,在保证绘制质量的情况下,实现了大规模海洋三维涡旋实时交互展示;同时实现了三维数据的内部漫游功能,能够更加清晰且完整地表现局部海洋涡旋的三维结构。通过可视分析发现,处于黑潮延伸体附近的气旋涡(CE, Cyclone Eddy)温度异常呈“上正下负”的三维结构;由于涡旋引起的海水升降运动,部分反气旋涡(AE, Anticyclone Eddy)盐度异常呈现出“上正下负”的三维结构;相较于温盐异常结构,海洋涡旋压力异常结构轮廓更为清晰且不会出现上下不一致的情况。     

全球Argo资料共享与服务平台设计与实现

Argo资料已成为海洋环境和气候变化研究重要的实测资料来源和基础数据支撑。自2007年全球Argo实时海洋观测网建成以来,每年产生的Argo资料稳固增长,数据总量呈现出海量增长趋势,如何实时有效地对Argo数据进行组织管理与信息服务已成为当前Argo资料共享的关键难题。本文针对Argo数据多源异构的时空特性及多元化的信息服务需求,综合运用分布式混合数据库架构,设计了一种适用于全球Argo资料组织管理的弹性扩展云存储模型,建立了基于Matlab的Argo网格化产品高效可视化方法,构建了基于Flex RIA的WebGIS服务框架,并研制了"全球Argo资料共享与服务平台"实例。平台实现了对全球Argo资料的查询浏览、快速下载及可视化分析等功能,并已在中国Argo实时资料中心部署及对外服务。     

基于矢量瓦片技术的Web电子海图优化方法

传统的基于栅格瓦片技术生产的Web电子海图虽解决了跨浏览器显示的问题,但其显示速度、渲染效果及交互能力仍无法满足现在用户的需求。为了实现Web电子海图的大规模应用,针对栅格瓦片技术支持的下电子海图中存在的缺陷,提出基于开源地图服器Geoserver与地图可视化JS库Leaflet的矢量瓦片技术优化方案,包括海图数据预处理、矢量切片的制作、矢量瓦片数据多样式显示及矢量瓦片数据要素查询等,通过在实验室海洋信息展示平台中的验证与测试,实现了矢量电子海图数据在Web页面上的多样式灵活显示及交互功能,证实了优化方案的可行性及高效性,整体提升了Web海图服务的效率。     

全球海洋治理视阈下的中国海洋能源国际合作探析

进入27世纪,人类在海洋领域面临双重重大变革,一是全面开发利用海洋能源资源,加速推进全球能源转型及应对气候变化;二是全面发展海洋经济,深入推进海洋生态环境保护及全球海洋治理。海洋能源不仅是发展海洋经济的重要物质基础,还是连结全球能源转型与海洋治理的重要纽带。浩瀚的海洋蕴藏着巨量的能源资源,随着认识的深入和技术的进步,以海洋能为代表的海洋可再生能源逐步得到开发利用,正朝着大规模和商业化方向迈进。