可視化技術在潮流分析中的應用

李佳芮　莫磊　宋曉波

摘 要：本文將可視化技術運用到中國近海潮流預報中，建立了可視化平臺，基于開發語言Visual C#，通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，實現了對中國近海潮流預報結果靜態曲線圖的繪制以及整個計算區域上潮流場和潮位場的動態演示。潮流預報可視化平臺的建立，簡化了預報計算的操作過程，將離散的數據用圖像和動畫的形式使預報結果更加直觀的呈現。

關鍵詞：中國近海；潮流預報；可視化技術

中圖分類號：U612.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）09-0047-03

各類水運工程的建設中往往產生大量數據，這些離散的數據若不加以處理和圖形化，則很難讓人得到直觀的理解和判斷。很多工程建設時都需要進行潮流情況的分析和預測，從而需要對大量的實測數據以及計算數據進行處理、分析和總結。比如潮流數值模型預報，其計算結果是大量離散數據，用傳統的處理方法往往需要耗費大量的時間和人力。因此，將可視化技術運用到中國近海潮流預報中，通過建立可視化的系統平臺，可以將預報結果方便、直觀的進行展示，使得潮汐、潮流的運動變化過程一目了然，這是傳統的數據分析手段所不可比擬的。本文在中國近海區域的預報模型的基礎上，討論了基于MSchart控件和Matlab工具箱對計算結果實現可視化的方法。

1 系統模型設計

潮流計算的可視化軟件主要由以下三部分組成： ①前處理系統——用于對數據資料進行輸入和處理；②核心計算部分——建立數學模型，計算出計算區域內預報時間段內的潮汐、潮流情況；③后處理部分——對核心程序的計算結果進行處理，生成易于被工程技術人員理解的圖表或動態文件。本系統的系統模型如圖1所示：

本系統首先建立了中國近海區域潮流預報模型，可以計算出區域內潮汐、潮流連續五天的預報結果。在可視化系統功能的設計上，首先從空間的查詢方式上劃分為整個中國近海區域上場的演示和重要港口各站點的演示兩類，然后再進一步從內容上分為潮汐場、潮流場、站位潮位和站位潮流，最終通過靜態圖及動畫的形式實現潮汐和潮流的可視化。可視化功能設計結構框圖如圖2所示：

2 可視化的實現

潮流預報可視化系統通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，結合開發摘 要：本文將可視化技術運用到中國近海潮流預報中，建立了可視化平臺，基于開發語言Visual C#，通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，實現了對中國近海潮流預報結果靜態曲線圖的繪制以及整個計算區域上潮流場和潮位場的動態演示。潮流預報可視化平臺的建立，簡化了預報計算的操作過程，將離散的數據用圖像和動畫的形式使預報結果更加直觀的呈現。

關鍵詞：中國近海；潮流預報；可視化技術

中圖分類號：U612.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）09-0047-03語言Visual C#，在Visual Studio.NET開發平臺上實現了計算結果的可視化。

2.1 基于MSchart控件的靜態可視化實現

ActiveX 控件（又稱OCX）基于COM技術，作為獨立的軟件模塊，它可以在任何程序設計語言中插入使用。MSChart控件正是這樣一個ActiveX控件。它是一個完全由程序控制的圖形控件，支持所有主要的圖表類型，在很多領域的可視化系統開發中都得到了應用。

通過對控件各屬性的設置和調用，實現了預報結果靜態曲線圖的繪制。由于潮位、流速和流向的顯示方式類似，因此以潮位預報數據為例，其主要的數據顯示及圖表顯示樣式屬性設計代碼如下：

chart22.Series["潮位"].ChartType=SeriesChartType.Spline； //設置顯示類型為平滑曲線//綁定數據點集合，T2為時間數組， W2為潮位數組

chart22.Series["潮位"].Points.DataBindXY（T2， W2） ；

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisX.Interval = 25； //設置X軸間隔

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisX.Title = "日期（y-m-d）"；//設置橫坐標顯示標題

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisY.Title = "潮位（m）"； //設置縱坐標顯示標題

圖3即為“海口”站的潮位預報結果和潮流的展示效果圖。

2.2 基于Matlab工具集的動態可視化實現

基于MATLAB工具箱實現對潮位場和潮流場預報結果的動態可視化。Matlab由美國MathWorks公司開發推出，是當今國際科學界最具有影響力，也是最有活力的軟件之一。它提供了強大的圖形表達功能，可以用簡單的命令方便地繪制二維、三維圖形，尤其是在計算流體力學中，經常涉及到等值線以及速度、壓力的分布，速度的矢量合成圖等，已經廣泛的使用于各領域的可視化軟件開發中。

GUIDE即圖形用戶界面開發環境（Graphical User Interface Development Environment），是一套MATLAB工具集，它主要由七部分組成：版面設計器、屬性編輯器、菜單編輯器、調整工具、對象瀏覽器、Tab順序編輯器、M文件編輯器。首先對版面進行設計，同時在M文件編輯器中進行用戶操作命令的后臺程序編寫。在程序應用中還用到matlab中的偏微分方程（PDE）工具箱，PDE工具箱集偏微分方程的求解及圖形可視化一體，其包括對有限差分網格及無結構網格進行處理的內部函數。本系統的數值計算結果是采用三角形網格，因此主要應用pdeplot對潮位場進行繪圖，而潮流場繪制采用插值后的數據，由quiver命令實現，最后通過movie2avi制作成動畫文件。

主要的M文件代碼如下：

quiver（p（1，：），p（2，：），v（1，：），v（2，：），2.5） //潮流場的繪制

pdeplot（p，[]，t，'xydata'，ele，'mesh'，'off'，'contour'，'on'，'colormap'，'jet'）； //潮位場的繪制

movie2avi（M，'mov2'，'compression'，'none'，'fps'，fps） //動畫的制作

當實現了圖像和動畫的制作后，通過windows media player 控件調用動畫文件并最終在界面上演示。潮位場的演示中通過不同的顏色表征潮位的大小。在潮流場的演示中，綠色表示大陸，流速大小和方向通過矢量箭頭的長短和方向表示，動畫演示畫面如圖4、圖5所示：

3 小結

隨著海洋開發強度的增加和計算及技術的發展，可視化技術逐漸成為海洋工程發展的一個重要的現代化研究工具和手段。本文針對中國近海范圍為（13°～50°N ；105°～150°E）的潮流預報模型，建立了預報模型系統可視化平臺，討論了基于MSchart控件和Matlab工具集對計算結果實現靜態及動態可視化的方法，并給出了實例展示。系統的建立，簡化了預報計算的操作過程，并使預報結果得到了直觀、生動的展示。

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