海洋葉綠素a濃度動態可視化研究

張信雪, 呂曉琪, 王月明, 夏 偉, 張繼凱

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海洋葉綠素a濃度動態可視化研究

張信雪1, 呂曉琪1, 王月明1, 夏 偉1, 張繼凱2

(1. 內蒙古科技大學信息工程學院, 內蒙古包頭 014010; 2. 燕山大學河北省計算機虛擬技術與系統集成重點實驗室, 河北秦皇島 066004)

為了實現葉綠素a濃度數據的三維動態可視化效果, 針對海洋環境數據多維、多時間及多格式等特點, 在全面分析NetCDF(network Common Data Form)數據模型的格式、存儲的基礎上, 結合GPU(Graphics Processing Unit)與osgEarth三維地球虛擬場景, 提出一套海洋環境中葉綠素a濃度的動態可視化方法。實驗表明, 該方法具有一定的可行性和高效性, 為海洋環境數據的動態可視化與分析提供了強有力的可視化平臺。

多維; NetCDF(network Common Data Form); osgEarth; 動態可視化

葉綠素a是海洋中浮游植物光合作用的一種色素, 它是海洋中初級生產力的指標, 用以評定海洋中浮游植物的現存量, 對海洋中生態系統的穩定性研究、漁業以及海洋養殖業有著重要意義[1]。由于海洋面積較大, 數據較多, 葉綠素a濃度數據的獲取較為困難,因此, 基于衛星的遙感技術是獲取數據的主要手段[2-4]。由于數據存儲和處理方式的不同, 也造就了其數據的多維和多樣性, 且與時間信息密切相關的特點。如何實現其統一管理與表達, 特別是三維動態的表達是目前數據可視化研究的熱點之一[5]。肖如林等[6]分析了三維虛擬地球在海洋數據處理方面應用的優勢, 并在此基礎上, 研發了一套三維海洋信息操作平臺系統, 實現了大量海洋環境數據的集成和可視化; 涂超等[7]采用了插值法連續生成了海洋溫度的三維空間數據場, 融合了體視化技術, 提出了海洋溫度場的三維可視化方法; 何亞文等[8]重點介紹了時空可視化的方法, 并提出了中國南海的海洋環境數據的可視化架構原型系統, 突出了面向過程的可視化方法; 李久松等[9]結合了VC++和CG著色語言, 提出了包括探針功能、線模式等面向海洋、大氣數據的模式分析法, 實現了海洋大氣數據向三維空間圖像的動態演變, 在實時動態的可視化圖形的基礎上得到海洋大氣數據的動態變化過程。

本文以osgEarth三維虛擬地球為場景, 以葉綠素a濃度為研究對象, 提出一套海洋環境中葉綠素a濃度的動態可視化方法, 實現了葉綠素a濃度的三維動態可視化; 利用C++讀取NetCDF(network common data form)數據模型進行數據表達, 實現了海洋環境數據的統一管理; 根據海洋環境數據領域的應用特點, 研究三維虛擬地球中葉綠素a濃度的動態可視化方法, 揭示了其基于三維虛擬地球的海洋環境數據動態可視化研究與現象的變化規律和實時查詢特征。最后, 構建海洋三維可視化系統進行試驗, 驗證本文理論、技術和方法的可行性與高效性。

1 基于NetCDF數據模型的讀取

常用的海洋數據中的葉綠素a濃度存儲格式有ASCII(文本)文件、二進制文件、NetCDF及HDF格式等[10]。本文的葉綠素a濃度數據格式采用NetCDF數據格式, 該數據格式具有平臺無關性、高可用性和自描述性等特點。而NetCDF存儲的數據是一個多自變量的單值函數[11], 如公式(1)所示。

其中函數的自變量, , 等為維(dimension)或坐標軸(axis), 函數值為變量(Variables)。常見的海洋環境數據的存儲均是以一系列二維數組的形式存儲[12], 如圖1為三維及四維數據的存儲。

2 基于2.5維面的葉綠素a濃度數據可視化

2.1 數據的映射

數據映射是將源數據轉換為幾何數據[13]。數據可視化最終的變現方式為不透明度以及顏色。本文采用的是彩色映射方式, 選取顏色映射表(圖2), 每個數據值都與一種映射表中的顏色相對應, 根據不同的數據值選取相應的顏色值。其中藍色表示低值, 紅色表示高值, 生成一副可表示數值分布規律的可視化圖像。

其中, 為任意源數據。為歸一化后數據, 即紋理數據, 將其傳入GPU(graphics processing unit)中進行可視化圖片繪制。在繪制過程中, 紋理數據的數值與映射表中顏色一一對應, 映射表中的顏色具體表示為RGBA的形式, 該形式的取值范圍是0~255。具體流程如圖3所示, 與傳統的映射法相比, 彩色映射得到的顏色分布相對均勻, 進而可以更有效地區分出標量參數的強度分布。

2.2 數據的坐標變換

osgEarth三維地球虛擬場景中, 選取一個密集的矩形網格為可視化結果載體, 將其可視化結果呈現在地球表面上[14], 具體過程如圖4所示。其中, 平面網格的橫坐標(0~1)轉換為地球的經度, 表示范圍是180°W~180°E; 縱坐標(0~1)轉換為地球的緯度, 范圍是90°S~90°N。坐標變換之后, 原平面網格便可以貼合于地球表面, 形成球面網格, 完成可視化結果在地球表面上顯示, 具體變化過程分為三步:

1) 頂點的平面坐標向紋理坐標轉換, 見公式(3)所示,

2) 紋理坐標轉換為經度、緯度和高度坐標, 如公式(4)所示:

(4)

3) 經度、緯度、高度坐標向地球面上坐標轉換, 如公式(5)所示:

(5)

坐標變換后, 地球表面呈現出了原矩形平面網格, 如圖4右邊所示。其中, 平面網格的橫坐標對應地球維度, 縱坐標對應地球經度。

2.3 數據的動態表達

海洋數據中標量場的時空過程一般有點過程、線過程、面過程及體過程, 但像溫度、水汽和葉綠素a濃度等基本海洋標量場要素的時空三維動態可視化[15]變化過程主要表現在點過程和面過程。文中只針對海洋中葉綠素a濃度數據的三維動態可視化進行探討。

點方式指的是任意固定點位置上要素的時間變化, 并以不同的大小或顏色表述要素值, 同時關聯每個點對象的屬性信息, 方便交互以及查詢。使用該方式進行要素值可視化表達時需要渲染大量點對象。因此采用LOD(levels of detail)動態調度技術, 實現了海洋中大量要素數據值的動態調度, 最終有效地提高了可視化表達效率。此外, 點方式的可視化支持任意時間、區域的數據抽取以及渲染, 有利于交互的調整顏色帶, 提高可視化效果。圖5為以點方式表達海洋中葉綠素a濃度數據的效果圖, 其中, 不同的顏色、分布體現了不同的濃度值。

面方式指的是一定區域內要素的時空變化。它以三維虛擬地球場景的對象渲染機制為基礎, 直接構建與時空相關聯的表面對象, 結合紋理映射技術達到海洋中標量場數據的多維動態可視化表達, 文中使用的數據包含了全球海洋葉綠素a濃度信息, 其中, 空間分辨率為9 km, 時間分辨率是1 d, 網格數是4 320×2 160, 其可視化效果如圖7所示。

以時間順序為基礎, 通過點、面方式進行海洋中葉綠素a濃度數據的三維動態可視化表達, 展示出海洋中葉綠素a濃度隨著時間的動態變化, 形象而直觀地動態表達出葉綠素a濃度的變化過程。葉綠素a濃度數據可視化流程如圖6所示。

3 實驗與應用

基于以上研究工作, 依托于Visual Studio C++ 2010開發語言, 使用OSG(OpenSceneGraph, 開源的高性能3D圖形開發工具包)和MFC(微軟基礎類庫技術), 以osgEarth三維虛擬地球為可視化平臺, 實現了對海洋中葉綠素a濃度的動態可視化表達。

選用2016年1月全球海洋葉綠素a濃度為實驗測試數據。實驗測試硬件環境: 操作系統為win7 64位, 處理器為CPU-Intel i7, 內存為32 GB, 顯卡為NVIDIA GTX 980 Ti。其中圖7為動態播放過程中不同時間段內葉綠素a濃度可視化效果圖, 圖中左下方為坐標軸。從圖中可以明顯觀察到3個不同時間內葉綠素a濃度分布情況。

4 結束語

本文在海洋環境數據可視化方面, 建立了時間序列動態可視化模型, 并且介紹了NetCDF數據類型與存儲。并結合GPU與osgEarth三維地球虛擬場景, 基于2.5維面的顏色映射、坐標變換以及數據的動態表達, 提出一套海洋環境中葉綠素a濃度的動態可視化方法, 實現了葉綠素a濃度數據的三維動態可視化效果。

海洋中葉綠素a濃度數據管理與可視化以及虛擬地球場景相結合, 能夠充分展現葉綠素a濃度在時間和空間上的動態分布情況, 有利于評定海洋中生態系統的穩定性及海洋漁業、養殖業的經濟效益, 具有一定的人文價值與經濟價值。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Dynamic visualization of marine chlorophyll a concentration

ZHANG Xin-xue1, Lü Xiao-qi1, WANG Yue-ming1, XIA Wei1, ZHANG Ji-kai2

(1. School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2. Key Laboratory for Computer Virtual Technology and System Integration of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

In this study, we realize three-dimensional dynamic visualizations of chlorophyll a concentration data. Marine environmental data are characteristically multi-dimensional, multi-time, and multi-format. Based on a comprehensive analysis of the format and storage used in the network common data form (NetCDF) data model, combined with GPU(a graphics processing unit) and osgEarth 3D earth virtual scenes, we propose a marine dynamic visualization method for representing chlorophyll a concentrations. Our results show this method to be feasible and efficient in providing a powerful platform for dynamic visualization and the analysis of marine environmental data.

multi-dimensional; NetCDF (network common data form); osgEarth; dynamic visualization

Aug. 24, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No.81460279; Inner Mongolia University of Science and Technology outstanding youth fund project, No.2016YQL09]

TP391

A

1000-3096(2017)03-0075-05

10.11759/hykx20160824001

2016-08-24;

2016-10-19

國家自然科學基金項目(81460279); 內蒙古科技大學優秀青年基金項目(2016YQL09)

張信雪(1991-), 女, 山西汾陽人, 碩士研究生, 主要研究方向為圖像處理、可視化及可視化分析研究, 手機號: 15947083267, E-mail: 514466933@qq.com; 呂曉琪(1963-), 通信作者, 男, 博士, 二級教授, 博士生導師, 主要研究方向為智能圖像處理、虛擬現實, E-mail: 247899043@qq.com