基于IDL 的海洋內波斷面三維可視化研究與設計

陶榮華，陳曉露，陳 標，許素芹

(海軍潛艇學院，山東 青島 266071)

內波是海洋中常見的中、小尺度物理海洋現象，它對生產活動及軍事活動都存在較大影響。區別于海洋表面波浪，海洋內波是指發生在密度穩定層化的海水內部的一種重力波，其垂向振幅遠大于海面上的重力表面波[1]。因此，精確反映（刻畫）海洋內波存在海域內海洋要素的時空分布不均勻性，既要考慮水體場的三維變化特征又要體現其垂向的波動特性。目前，在表達和展示海洋水體中內波三維空間波動特性方面的研究較少，鮮見海洋內波三維可視化產品開發案例。文獻[2]對CTD觀測的內波繪制了二維等溫線深度時間序列圖，文獻[3]對實驗室條件下觀測到的內波采用紋影技術和PIV技術進行了可視化測量，上述工作都只是以二維圖像（圖形）的方式對內波的某一斷面或平面進行了顯示，沒有從三維空間這個宏觀角度對海洋內波水體進行整體可視化表達，尤其缺乏靈活展現內波區物理要素等值面的波動起伏。事實上，貼切地展現三維分布和逼真地呈現波動性有利于揭示內波的水體結構及其變化特征，便于直觀、全面及動態地表現內波的時空特征（波長、振幅、傳播方向和波速等）和變化規律。

三維可視化技術是用于顯示、描述和理解三維空間物理要素的一種技術，具有交互性、多維性和可視性等顯著特點，它是海洋內波研究和產品開發過程中的關鍵技術和重要內容。IDL（Interactive Data Language）是美國R S I（Research System Inc.）公司開發的第四代科學計算語言，它為用戶提供了完善、靈活、有效的開發環境，在三維可視化方面具有獨特的優勢，是海洋信息可視化不可或缺的基礎軟件。IDL圖形系統包括直接圖形系統（Direct Graphics）和對象圖形系統（Object Graphics），后者融合了C語言的面向對象技術和OpenGl圖形技術，有利于充分控制和重復利用圖形，因此，通常采用后者進行應用系統開發，文獻[4-8]應用IDL對象圖形法分別實現了各自應用領域的三維切面的可視化。針對海洋內波斷面可視化的實際情況，本文以對象圖形法為例講述其實現方法[9]。

1 可視化方法描述

內波的存在會引起海洋要素（溫/鹽/密）的垂直分布不均勻性，進而在垂直方向上存在明顯的深度結構。因此，在構建的可視化場景中恰當地展示這種垂向波動效果是內波斷面可視化的核心和目標。從空間位置角度看，海洋內波斷面顯示對象包括沿經度或緯度的切面和三維立方體等，根據海洋數據可視化維度，可將其分為2D和真3D兩類[10]。由于不同維度的數據應顯示在相應空間區域內，因此，需要設計一種可同時容納并可視化顯示2D和3D的混合型系統。針對研究對象的特點，該可視化技術包括三維空間及其內含實體的構建和實現，其中三維空間是承載各顯示對象的立體視圖窗體框架，后者是欲具體顯示的圖形對象，它以線、面、體的形式多角度展現和表達內波在時間和空間尺度的分布及特征。

1.1 可視化模型框架構建

對象圖形系統是一個內置于IDL內核中的IDL對象庫，基于IDL對象圖形系統進行應用開發，實際上包括構建系統物理體系、虛擬圖形體系和系統運行體系等三個架構[11]。圖形可視化的主要工作就是用對象圖形構建虛擬圖形體系，它涉及為內置對象創建正確的層次結構，決定著三維圖景中各圖形的布局及其相互聯系。通常，按照確定的層次結構來創建和布局圖形場景，實現具體的圖形要素對象的顯示。包括：創建IDLgr View對象、創建IDLgr Model對象、創建IDLgr Atom對象、將IDLgrModel加入IDLgrView中，將IDLgrAtom加入IDLgr Model和產生目標對象并顯示圖形。根據前述的功能需求分析結果，可視化圖形包括：三維圖形、二維切片分布圖形、二維切片等值線圖形、色彩板及附屬標注等，圖1給出了開發過程中創建的樹型顯示對象架構。由于空間的限制，圖中將涉及到的圖元對象Visualization Object放置到了右圖中，其中oModel用于承載各斷面的輪廓線（等值線）圖形oContour，oPolygon放置各斷面的二維分布圖。下文主要就圖形對象構建和實現過程中三維空間斷面顯示技術進行闡述。

圖1 內波斷面顯示的對象模型層次結構

1.2 三維空間斷面的可視化

內波是一種三維空間水體都存在較大起伏和變化的海洋現象，通常，觀察和分析內波體內部的信息分布及與其賦存環境的相互聯系采用切片圖示法進行，即：按照XYZ 軸3個方向進行任意位置切片現象提取，對切片數據進行影像繪制，再將其投影到多邊形上制作剖面，IDL中則通過給IDLgrPolygon對象的TEXTURE_MAP關鍵字傳入參數，以多邊形的“面膜貼”形式顯示待繪制圖像（圖2-A）。事實上，在二維數據的可視化中，等值線也是一種常見的表達方式，它以一組相等數值的連線表示制圖對象數量關系，進而勾畫出制圖對象的空間結構特征。目前，主流的圖形軟件，如SURFER、MALTAB及IDL等都內置了該功能。與圖像不同，該方法是以輪廓曲線這種簡潔的圖形形式予以呈現，因此，運用繪制等值線的方法一并展示切片數據，給分析和研究內波提供了一個新的視覺和途徑。

與IDLgr Polygon對象通過DATA關鍵字傳入三維空間頂點坐標輕易實現圖像繪制不同，IDL中的idlgrcontour對象事實上只能直接繪制二維輪廓線，默認的繪制區域是XY 平面。對于沿XYZ 軸3個方向的任意位置切片而言，它都將其看作XY 平面數據并繪制在三維坐標系的XY 平面上，如：沿X 軸切片時，它將YZ 平面的數據繪制到了XY 平面上；沿Y軸切片時，它將XZ 平面的數據繪制到了XY 平面上（圖2-B，為了具有區分度，此處對3個方向切片的等值線分別使用單一的紅、綠和藍色標繪），因此，存在繪制出的等值線圖形放置不到位問題。本系統開發過程中，通過仔細分析坐標系和繪圖區域的位置關系，形成了有效的解決策略，實現了XYZ 軸3個方向任意位置切片的準確顯示。

IDL使用右手坐標系，沿某軸朝向原點時，以逆時針方向為正旋轉方向。由于Z 軸方向切片數據本身就應該繪制在XY 平面上，因此，只有其余的兩個軸方向切片存在“平面位置不對、初始起點不準”問題。下文以大小為30×40×20的三維數據vol，沿X 軸方向的切片matrix（大小為40×20）作為示例講述實現過程。具體步驟如下：

（1）坐標轉換，將數據坐標轉換為視窗坐標

（2）創建等值線對象，將其加載到模板中并將數據坐標設置成視窗坐標（圖2-C）

此時，明顯發現當前圖形位于XY 平面。

（3）圍繞Z 軸反時針旋轉圖形90°（圖2-D），重新設置X 方向和Y 方向的坐標屬性（圖2-E）

此時，當前圖形仍然位于XY 平面，但與圖2-C相比，朝向發生了變化。

（4）圍繞Y 軸反時針旋轉圖形90°（圖2-F），重新設置Z方向的坐標屬性（圖2-G）

此時，當前圖形已位于YZ 平面，且其已精準卡于X 軸的相應切片位置。

需說明的是，此處選取沿X 軸方向切片進行講述是因為其實現步驟最為復雜；最終示例圖形選擇了沿Y 軸方向切片則是為了圖形可視化效果。同理，運用類似方法也可實現Y軸方向切片的無縫相貼問題，具體實現方法如表1所示。當然，在輸入數據是立方體的情況下，若不采用上述方法，也能得出表觀無瑕疵的圖形效果，但其對應關系是不恰當的，這種帶有欺騙性的結果極具有迷惑性，而且造成這種結果的原因也不容易被人發現。

表1中，XY→YZ，是指將三維空間中位于XY 平面的圖形移至YZ 平面；Z（90）指的是圍繞Z 軸逆時針旋轉90°。

2 實例及討論

基于內波區域海表圖像，結合現場測量的海區剖面數據可反演出內波振幅，進而可重構出整個水體的三維結構，它為深入研究和觀察內波的時空特征提供了全域數據。圖3-A是根據2008年5月4日ERS1衛星獲得的內波SAR圖像進而重構的三維內波場（大小為200×80×20），明顯看出，內波引起海洋水體較大的垂直波動。為增加形象效果，此處將SAR內波圖像無縫地貼于三維圖形的頂面（圖3-B）。按照前述的可視化方法，筆者構建了內波斷面三維顯示系統。該應用系統能交互響應各斷面內波分布的顯示和垂向輪廓線的顯示，便于在同一框架內對內波的空間分布特性進行可視化比較。

表1 沿X 或Y 軸切片下的斷面輪廓線可視化策略

圖2 三維空間中波面可視化分解圖

圖3 三維內波分布圖

圖4 三維空間中切片可視化圖

圖4是對水體部分切片位置（X 軸方向第139位置切片，Y 軸方向第57位置切片）的可視化結果，其中：圖4-A是該斷面處內波的二維分布圖；圖4-B是對應位置處內波分布的輪廓線圖，不同顏色的輪廓線對應著波動發生的不同深度，而同一條輪廓線的起伏程度則對應著內波所引起的海洋物理要素的垂向震蕩；圖4-C則是利用混合繪制方法在斷面圖基礎上疊加了等值線，逼真地再現了三維空間的內波結構（為了區分背景色彩，明顯提高顯示效果，此處各斷面上的輪廓線只指定了單一顏色），可以清楚的看出該內波是沿Y 軸方向傳播。可見，輪廓線這種表達方法簡潔、明了和形象，更利于對內波空間分布特性的表達和理解。

3 結語

內波是海洋中較為廣泛分布的一種自然現象，本文基于內波三維顯示的應用需求，采用IDL的對象圖形方法，就體視化技術在海洋內波斷面可視化中的關鍵問題做了初步的探索。示例表明，該方法能突出反映內波的垂向特征且具有動態交互功能。當然，由于內波水體是一個三維場，除了本文關注的垂向波動外，事實上，任一水平面也是觀察內波波動的有效視角，因此，今后應加強該位置的內波波動特性表征技術研究。

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[11]Tao Ronghua,Fast Visualization Programmingof Ocean Remote Sensing Information Based on IDL[C]//2010 ICISE：1208-1210.