多维时序海洋遥感数据的交互式可视化技术

夏伟+吕晓琪+王月明+张信雪

摘 要： 为了实现海量、多维、时序等特点的海洋环境数据三维动态可视化表达，设计基于OSGEarth三维虚拟可视化平台，并详细阐述该系统的体系结构。将几何着色器应用于对数据的渲染着色，同时利用GPU强大的处理能力加快渲染的速度；通过坐标变换，将数据可视化的结果紧密贴合在三维地球表面上；通过人机交互机制，进一步实现了海洋环境数据的动态可视化。实验表明，该方法具有一定的可操作性，可以为海洋环境数据的动态可视化及分析提供技术平台。

关键词： 三维动态可视化； OSGEarth； 几何着色器； 坐标变换； 人机交互； 海洋环境数据

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0176?04

Abstract： To achieve the 3D dynamic visualization representation of massive and multidimensional marine environment data in time series， the 3D virtual visualization platform based on OSGEarth is designed， and the architecture of the system is described in detail. The geometry shader is applied to the color rendering of data. Meanwhile， the powerful processing capability of GPU is utilized to accelerate the rendering speed. The date visualization results are closely attached to the surface of the three?dimensional earth by means of coordinate transformation. The dynamic visualization of marine environment data is further realized by using the human?computer interaction mechanism. The experimental results show that the method is feasible and can provide the technology platform for dynamic visualization and analysis of marine environment data.

Keywords： 3D dynamic visualization； OSGEarth； geometry shader； coordinate transformation； human?computer interaction； marine environment data

0 引 言

近年来，随着海洋科学技术的发展，面向海洋领域的应用日益加深，对于海洋环境数据的分析与表达已经成为一个研究热点。为了有效地分析探究海洋环境数据的内在规律以及发展变化，三维动态可视化系统的研发已经成为一种趋势。目前，针对海洋领域数据的统一管理与三维动态可视化表达，国内外学者都展开了相关研究，如肖如林等分析三维虚拟地球在海洋数据处理方面应用的优势，并在此基础上，研发了一套三维海洋信息操作平台系统，实现了大量海洋环境数据的集成和可视化[1]；涂超等采用插值法连续生成了海洋温度的三维空间数据场，融合可视化技术，提出海洋温度场的三维可视化方法[2]；王想红等基于NetCDF数据模型，实现了海洋环境数据三维可视化[3]；Dunne等按照OGC数据传输标准，将多波束声纳数据集成到World Wind，实现了网络三维表达[4]；何亚文等重点介绍了时空可视化的方法，并提出了中国南海的海洋环境数据的可视化架构原型系统，突出了面向过程的可视化方法[5]；李久松等结合VC++和CG着色语言，提出了包括探针功能、线模式等面向海洋、大气数据的模式分析法，实现了海洋大气数据向三维空间图像的动态演变，在实时动态的可视化图形的基础上得到海洋大气数据的动态变化过程[6]；冯杭建等研究了基于海洋GIS的中国海岸带及近海观测数据的多维动态表达[7]。综上所述，数据的可视化以及动态的可视化已经有较多的研究，但都局限于二维或者局部三维的可视化表达，没能够直观地反应出全球海洋环境数据的动态宏观特征。本文基于OSGEarth三维虚拟可视化平台，以海量、多维、时序的海洋环境数据为研究对象，设计实现了海洋环境数据的三维动态可视化系统。对海洋环境信息的三维动态可视化表达与分析研究具有重大的现实意义和指导价值。

1 系统设计

本文以三维虚拟地球为平台，实现了海洋数据的动态交互可视化的表达。系统主要包括数据层、服务层、渲染实现层以及显示交互层，具体的框架结构如图1所示。

数据层是建设海洋三维可视化原型系统的基础，主要是指系统可加载的各类数据，包括全球数字正射影像图（DOM）、全球数字高程图（DEM）、海洋标量数据以及海洋矢量数据等。数据层还包括由其他系统或数据服务商提供的数据服务，该层数据可被渲染实现层直接调用绘制，也可通过服务层的数据服务进行加载。服务层用于管理和发布各类数据服务，实现多源数据的请求与响应。渲染实现层提供数据可视化及交互环境，主要包括功能接口实现层及交互控制层，其中前者是根據系统功能需求，设计系统所要执行操作的接口，确定接口参数，按照接口参数数据类型，将不同数据文件的读取信息进行转换，并传入接口，实现具体图形的绘制；而后者则响应用户操作，结合三维可视化模块实现自由交互。显示层是三维场景渲染与显示的载体，利用MFC通过独立应用程序方式展现海洋环境信息，为用户提供友好的交互平台。endprint

2 动态可视化的实现

为了实现海洋数据的动态可视化，本文以海洋环境数据作为处理对象，利用几何着色器将数据值映射为网格顶点的高度坐标，并得到对应点的颜色值，再通过颜色映射的方法实现海洋环境数据信息可视化效果。通过时间序列的表达方式，最后实现交互式的动态播放效果。具体的流程图如图2所示。

2.1 坐标变换

在全球数据动态可视化中，基础网格结构往往会频繁地发生变换[8]，而球面网格因涉及大量的坐标变换等计算，导致网格重构速度较慢。为了解决该问题，本文在预处理阶段仅生成一块具有一定密度的平面网格，而在顶点着色器中利用GPU的强大并行处理能力对各顶点进行拉伸使之贴合地球表面。其具体步骤如下：

图3中，平面网格的横坐标对应地球纬度，纵坐标对应地球经度。数据值在完成坐标转换后，采样点已经具有三维坐标，且任意经纬度上的采样点，都只有惟一的高度坐标与之对应。

2.2 交互式动态表达

因为海洋环境数据具有多维性、时序性的特点，为了实现数据融合后的动态可视化[9?10]，本文依据时间序列对海洋环境数据采用帧动画方法计算出每帧的图像，并通过交互的方式选择自动播放序列时间帧的图像或者单个时间帧的图像。具体的流程如图4所示。

为了实现海量、多维、多时间的海洋环境数据交互动态可视化，首先，通过实时地调取不同时间点上的海洋环境数据，根据时间序列的顺序在内存中生成绘制数据，并按一定的时间间隔将其传输至GPU中进行渲染绘制，最后显示渲染结果；其次，通过对时间轴的控制来选择数据是否连续播放，如果选择连续播放，实现了海洋环境数据的动态表达，并且时间轴上的标尺随时间的变化而变動位置；如果将时间轴上的标尺固定在某一时间段，那么就可以针对这一时间段的数据结果进行观察分析。时间轴表现形式如图5所示。

3 实验结果分析

根据上述研究工作，本文设计并实现了海洋多特征遥感数据可视化原型系统。开发平台所使用的操作系统为Windows 7，开发语言为Visual Studio C++ 2010，以OpenSceneGraph作为三维图形引擎，三维地球显示采用OSGEarth数字地球引擎，颜色映射表法，渲染功能使用GLSL着色语言编写。实验测试硬件配置如下：CPU为Intel i7，内存为8 GB，显卡为英伟达GTX760TI。实现了海洋环境数据的可视化表达。数据覆盖范围为180°W～180°E，90°S～90°N，可视化窗口分辨率为1 920×1 080像素。

图6为将本文方法应用于上述海洋环境数据的可视化结果，可以看出，利用颜色颜射的方法可以实现海洋环境数据的可视化，通过坐标转换可以将其紧密贴合在三维地球表面。其中，图6a）为海表温度动态可视化效果，颜色深浅表示温度高低，红色表示温度高，蓝色表示温度低，符合实际情况。同时，通过动态连续播放可以观察全球温度场的变化情况，从而给相关人员研究全球温度场的变化提供思路与技术借鉴。图6b）为叶绿素a浓度动态可视化效果，颜色深浅表示浓度高低，红色表示浓度高，蓝色表示浓度低，通过研究发现叶绿素a浓度与世界渔场的分布有关，从而根据动态可视化的结果可以为研究渔业发展提供相应的帮助。

4 结 语

本文针对海洋环境数据的多维、时序的特点，详细阐述了可视化系统的结构框架，以及动态可视化实现流程。为了满足可视化逼真的效果，通过坐标变化将可视化的结果紧密贴合在三维地球表面，通过人机交互机制，动态地将海洋环境数据进行可视化表达。结合对海量数据的管理、可视化等方法和虚拟地球场景，充分展现了研究对象在时间和空间上的变化情况，使科研和业务预报人员能够同时从不同的要素来观察整个海洋环境要素的时空变化，增强了系统的交互性。

参考文献

[1] 肖如林，苏奋振，杜云艳，等.三维虚拟地球的海洋信息适用性分析及原型研究[J].地球信息科学学报，2010，12（4）：555?561.

XIAO Rulin， SU Fenzhen， DU Yunyan， et al. Analysis of 3D virtual globes′ applicability in marine information and the prototype system study [J]. Geo?information science， 2010， 12（4）： 555?561.

[2] 涂超.海洋温度场的三维可视化[J].武汉大学学报（工学版），2007，40（6）：126?128.

TU Chao. 3D visualization of ocean temperature field [J]. Engineering journal of Wuhan University， 2007， 40（6）： 126?128.

[3] 王想红，刘纪平，徐胜华，等.基于NetCDF数据模型的海洋环境数据三维可视化研究[J].测绘科学，2013，38（2）：59?61.

WANG Xianghong， LIU Jiping， XU Shenghua， et al. Visualization of marine environment data based on NetCDF data model [J]. Science of surveying and mapping， 2013， 38（2）： 59?61.

[4] DUNNE D， SUTTON G. 3D web mapping integrating marine data into NASA world wind [J]. Hydro international， 2006， 10（9）： 7?9.endprint

[5] HE Yawen， SU Fenzhen， DU Yunyan， et al. Web?based spatiotemporal visualization of marine environment data [J]. Chinese journal of oceanology & limnology， 2010， 28（5）： 1086?1094.

[6] 李久松，常晓峰，田丰林，等.海洋和大气数据多模式动态可视化系统的设计和实现[J].海洋科学，2014，38（1）：10?14.

LI Jiusong， CHANG Xiaofeng， TIAN Fenglin， et al. The design and actualization of multimodal dynamic visualization system of marine and atmospheric data [J]. Marine sciences， 2014， 38（1）： 10?14.

[7] 冯杭建，高锡章.中国海岸带及近海观测数据多维动态表达[J].浙江大学学报（理学版），2010，37（4）：482?488.

FENG Hangjian， GAO Xizhang. Multi?dimensional and dynamic representation on marine measured data in China′ coastal zone and offshore [J]. Journal of Zhejiang University （Science edition）， 2010， 37（4）： 482?488.

[8] 董文，张新，江毓武，等.基于球体的海洋标量场要素的三维可视化技术研究[J].应用海洋学学报，2010，29（4）：571?577.

DONG Wen， ZHANG Xin， JIANG Yuwu， et al. Sphere based ocean environment scalar field element 3D visualization technology research [J]. Journal of applied oceanography， 2010， 29（4）： 571?577.

[9] 孔倩倩，韩勇，李文庆，等.海洋标量数据多维多模式动态可视化系统设计实现[J].微计算机信息，2011，27（5）：177?179.

KONG Qianqian， HAN Yong， LI Wenqing， et al. A multi?dimension and animated visualization system for marine scalar field data with multi?mode [J]. Microcomputer information， 2011， 27（5）： 177?179.

[10] 詹芳芳，胡伟，袁国栋.二维LIC矢量场可视化算法的研究及改进[J].计算机科学，2013，40（9）：257?261.

ZHAN Fangfang， HU Wei， YUAN Guodong. Improvement of 2D LIC algorithm for vector field visualization [J]. Computer science， 2013， 40（9）： 257?261.endprint