面向三極科學的三維可視化系統應用研究

吳阿丹，車濤

（1.中國科學院西北生態環境資源研究院甘肅省遙感重點實驗室中國科學院黑河遙感試驗研究站，甘肅蘭州730000；2.中國科學院大學，北京100049；3.中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心，北京100101）

0 引言

南極、北極和青藏高原作為地球的“三極”，不僅儲藏著全球主要的淡水資源，且油氣資源豐富，是全球資源、能源開發利用的潛在戰略性儲備區域。隨著全球氣候變化，三極地區在生態與環境方面表現出敏感、快速的變化，國際社會對此給予了高度關注。我國已認識到極區重要的戰略地位，積極參與到國際相關組織和活動中，但限于研究積累不夠，國際話語權還十分有限。掌握三極地區生態環境變化及區域影響的科學事實，集成三極環境研究的科學成果，科學評估和預測極地環境時空變化，不僅有助于確保我國權益、為國際談判提供話語權，也能為國家決策提供基礎支撐［1］。隨著天空地一體化對地觀測技術的快速發展，三極地區積累了大量地面觀測、科考數據、數值模擬及同化數據、文獻等科學成果［2-4］，使得三極時空數據日益呈現出大數據的特點［5-7］，這些時空大數據的積累為三極聯動分析提供了豐富的經驗知識，產生了一批具有較強影響的三極科學發現［8-11］。然而，這些科學發現一般都以專業圖表或專業術語描述，普通用戶和決策者很難直觀了解這些三極科學發現的真正內容和意義，雖然傳統的二維地圖的空間分析能在一定程度滿足地學科學發現的可視化的表達，但將三維空間中的地理對象向二維平面投影時，會導致三維方向上的信息缺失，導致其難以完整反映客觀世界的全貌，尤其面向三極聯動分析時，傳統的二維地圖無法進行三極協同對比分析，因此，加強三極大數據領域的三維數據可視化已成為迫切需要。

三維空間模型的可視化分從應用架構上可以為兩種［12-16］：第一種是基于C/S架構的平臺，如Arc-Scene、Skyline、SuperMap等，其優點是顯示效果好、空間分析功能強大，但其大多為商業軟件，成本費用高，只能適用于單機；第二種是采用B/S架構，以傳統的瀏覽器作為客戶端，便于客戶端訪問和數據共享，如Cesium、Three、Unity 3D等。其中Cesium憑借其優秀的平臺性能和完善的功能接口，近年來被學者較多地用于三維場景構建的研究和應用當中。

本研究是在中國科學院戰略性先導科技專項時空三極環境項目支持下，開展面向三極科學的三維可視化研究，通過選擇三個代表性的研究成果，建立三極科學發現三維可視化原型系統，本文簡稱“三極球”，它是球形屏幕、弧形屏幕及Web可視化系統的統稱，是硬件和軟件的有機結合體。本文首先介紹了“三極球”整體設計思路，再給出實現“三極球”的五個關鍵技術，然后以三個場景為例實現系統的應用示范，最后對系統整體進行總結并給出未來展望。

1 “三極球”的總體設計

1.1 建設流程

“三極球”是為三極科學研究和數據集成管理而搭建的信息化平臺，是三極研究的展示中心，也是播放三極的歷史，現在和將來的演播室。它是“可視化”在全球三極尺度上的一次實踐性嘗試：從技術層面，“三極球”實現了二維地圖和三維地圖互操作；從硬件資源層，其充分利用情景腳本將弧形屏幕和球形屏幕無縫銜接，實現一個具有較強視覺沖擊的三維展示系統，其建設流程主要包括需求分析、框架設計、數據預處理、系統開發及測試運行五個方面，如圖1所示。

圖1 系統開發流程Fig.1 System development process

1.2 總體設計

系統以滿足“科學發現為本，聯動分析為根，科普為主，互動為輔”的原則進行建設。基于二維、三維可視化實技術，通過多種屏幕互操作構建出生動、易懂的三極數字化3D平臺，在集成場景選擇和科普信息檢索等功能后，可以形成一套完備的三極科學發現展示的原型系統。此系統能夠展示全球溫度異常變化、三極冰蓋及南北極海冰最新三極科學發現，并以立體的、動態的形式展示這些信息，在場景瀏覽中完成科普瀏覽及體驗，可滿足多人、不同觀眾的參觀需求。

“三極球”采用瀏覽器/服務器模式（B/S）架構。瀏覽器端采用JavaScript作為開發語言，服務器端采用NodeJS技術，數據組織采用分布式數據庫Green-Plum。系系統整體框架基礎設施層、服務層和應用層三個層面，如圖2所示。

圖2 系統整體框架Fig.2 Overall framework of the system

基礎設施層：提供整個系統運行的硬件環境及軟件環境。本系統基礎設施使用中科院網絡中心提供的云環境：12個處理服務結點、64個CPU核、總內存320 G，總存儲為4 T。

服務層：由一系列Web服務組成，包括基于不同數據源的可視化服務、數據預處理服務、互操作服務以及分析結果自動生成服務。

應用層：即“三極球”系統，通過調用服務層Web服務提供的各種方法，實現對三極科學發現及科普的信息查詢及瀏覽。本系統支持弧形屏幕、球形系統以及瀏覽器三類終端的數據可視化。

本系統重點實現北極放大效應、三極冰雪凍融對比與關聯及三極聯動對東亞氣候的影響三個典型三極科學案例，并針對球形屏幕和弧形屏幕對系統頁面進行了定制開發，通過iPad可實現不同屏幕之間的內容切換，如圖3所示。

圖3 系統主要功能Fig.3 Main functions of the system

2 關鍵技術

本節基于三極科學發現數據呈現出的大數據特點，研究海量數據分布式存儲架構、數據自動預處理、三維開發引擎、屏幕互操作、自動生成分析等關鍵運行技術，并將這五個關鍵技術集成到三維可視化系統中，最后選取三個典型的科學案例（對應三個數據集）驗證技術流程的可行性和有效性。

2.1 基于GreenPlum的分布式數據庫

面對三極海量時空數據，我們選用Green-Plum［17-18］搭建分布式數據庫，原因如下：

（1）三極數據體量巨大，而傳統關系數據庫一般用一臺服務器存儲數據，可擴展性較差，很難實現對三極數據的有效管理。

（2）三極數據類型繁多，包括結構化和非結構化的數據，而傳統關系數據庫僅存儲結構化的數據，對于網絡日志、音頻、視頻、圖片、地理位置等數據處理能力較差。

（3）三極數據增長很快，傳統關系數據庫性能隨著數據的增長急劇下降。

（4）在如此海量的三極數據面前，傳統關系數據庫基本很難實現大數據的快速挖掘和可視化分析。

分布式數據庫庫GreenPlum能夠彌補傳統單機數據庫的不足，為我們實現三極時空大數據的管理提供了機遇和條件：GreenPlum數據庫是基于MPP（Massively Parallel Processing）大規模并行處理和完全無共享架構的數據庫軟件系統，主要由Master節點、Segment節點、Interconnect三大部分組成。Master節點是GreenPlum數據庫系統的入口，接受客戶端連接及提交的SQL語句，將工作負載分發給Segment實例。Segment節點由若干獨立的PostgreSQL實例組成（一個實例可以理解為一個Postgresql數據庫），每個PostgreSQL實例完成一部分數據的存儲和計算。Interconnect負責Master節點與Segment節點以及不同PostgreSQL實例之間的通信。

本系統中，我們基于四個存儲節點搭建Green-Plum分布式數據庫（圖4），主節點上部署Master節點，三個子節點上部署Segment節點。每個Segment節點上部署14個PostgreSQL實例（根據經驗值：每個實例占用一個CPU內核，需要4 G內存），三個節點共42個實例，也就是說我們進行Sql語句查詢時，Master節點把Sql任務分解成42個子任務，在不同的42個實例中同時查詢數據，大大提高查詢效率，并具有很高的可擴展性，該設計充分考慮到了時空三極大數據海量、異構的特點，為海量三極科學發現數據入庫及可視化提供了重要的技術支撐。

2.2 數據自動預處理

場景的流暢度是可視化系統是否友好的關鍵因素之一，因此，在采用基于B/S架構對數據進行顯示時，必須考慮到網絡數據傳輸速度與數據渲染速度等問題。“三極球”主要使用時空三極項目產出的南極、北極和第三極地區冰凍圈、大氣、生態等時空連續的數據產品以及基礎地理信息數據.本文在選取三個典型的三極科學數據基礎上，研究數據自動預處理技術及流程，包括全球溫度數據、南極和格陵蘭冰雪凍融產品及南北極海冰密集度數據，其具體屬性如表1所示。

圖4 分布式數據庫部署Fig.4 Deployment of the GreenPlum database

從表1可知，“三極球”用到的三類數據體量很大，格式均為NetCDF［19-20］。雖然該格式可以對網格數據進行高效地存儲、管理及分發，但不能被Cesium三維引擎直接讀取并顯示。經過反復測試，我們發現png格式的數據能夠在Cesium三維數據地球引擎中高效顯示，因此我們將所有數據通過開發的腳本自動轉換為png數據。經過轉換后的png數據經緯度范圍為-180°～180°，-90°～90°，其像素長款比為2：1（如698×349像素），可直接用于基于Web的三維球和實體物理球的數據可視化，其流程為：首先對柵格數據進行預處理與組織存儲，然后對數據進行渲染，最終實現用戶交互分析操作。

表1 核心數據介紹Table 1 Introduction of core data

2.3 數字地球基礎平臺開發引擎

“三維球”的建設是在中科院遙感所提供的數字地球基礎平臺二次開發引擎（DESP Client for WebGL，簡稱DespWeb）的基礎上完成的。該引擎基于HTML5、WebGL等技術進行研發，將數字地球相關的數據解析、可視化、服務等方法封裝為統一的Web組件，為數字地球網絡服務系統的開發提供二次開發接口，幫助開發者者快速搭建B/S架構的三維數字地球應用平臺。該框架重點解決用戶交互和數據交換，涉及到的核心技術如表2所示。

表2 二次開發引擎核心技術Table 2 Core technologies of secondary development engine

其中Cesium是三維球開發的重要組件，它是開源的前端JavaScript庫，通過WebGL技術實現圖形的硬件加速，能夠提供動態數據的二、三維可視化展示，可以自行繪制圖形、高亮區域等，且具有跨平臺、跨瀏覽器的特點［21］。

2.4 球形屏幕與弧形屏幕互操作策略

“三極球”在建設之初就計劃在中國科學院文獻情報中心2D展廳進行系統部署及展示，該展廳配備了先進的大型球體展示系統（簡稱為球形屏幕）和弧屏展示融合系統（簡稱為弧形屏幕），如圖5。球形屏幕由軟件環境和硬件環境組成，軟件環境主要負責GIS展示、交互演示和動態結果匯報分析、數據可視化、人機交互和互動等功能的實現。硬件環境主要負責提供多通道立體顯示功能和系統交互數據輸出、處理、轉換和采集功能。弧形屏幕利用正投原理、曲邊校正和無縫拼接技術將投射出的內容組成無縫統一的畫面，實現270°全方位的數字地球信息可視化模擬，同時對多源地球大數據信息進行綜合可視化展示，并滿足大型活動及會議的展示需求。

因此如何充分利用球形屏幕和弧形屏幕的互操作，實現球幕與弧幕的互動聯動，更加清晰的展示三極科學發現的邏輯與關聯是該系統需要解決的重要問題之一。本系統通過Web系統架構和情景腳本編寫來實現不同類型屏幕互操作。

圖5 中國科學院文獻情報中心2D展廳（中間為球體系統，兩側為弧屏系統，左側為A屏幕，右側為B屏幕）Fig.5 2D exhibition hall of National Science Library，Chinese Academy of Sciences（spherical screen is in the center，curved screen is on both sides，Screen A is on the left and Screen B is on the right）

（1）基于Web的系統架構設計

為了方便展廳控制中心對系統內容的方便調用和操作，本系統通過引入Web Service、Web Socket等技術建立數據訪問、權限管理、數據交換接口等基礎服務，提供B/S架構的在線模型計算接口，并以地圖、可視化曲線、視頻、文本等方式對三極科學數據及科學發現進行瀏覽。同時利用JavaScrip腳本對屏幕的分辨率自動計算，實現系統在弧形屏幕、球形屏幕及普通瀏覽器中自適應顯示。最終，控制中心直接通過網絡訪問即可選擇和播放展示資源，即通過網絡將幾個展示屏幕無縫鏈接起來，從不同角度和內容展示三極科學發現，顯著提高了不同屏幕系統之間互操作的效率和顯示度。

（2）腳本編寫

編寫腳本是“三極球”實現的另外一個關鍵環節。腳本編寫之前要明確總體展示計劃，明確各個體驗流程，確定每個動畫的時長，劃分不同的場景，讓物理球和弧形屏幕協同演示，最終讓用戶體驗在不同場景切換過程中所帶來的視覺沖擊，給其留下深刻的印象。本系統包括三個場景：北極放大效應、三極冰雪凍融對比與關聯及三極聯動對東亞氣候的影響，我們利用腳本編寫將這三個場景無縫銜接起來，以三個完整的科學故事重塑三極協同對比研究的重要性及新的科學發現。此外，還利用定時器腳本實現情景的完全自動播放和選擇播放，實現了按需播放的需求。

2.5 分析結果自動生成

本系統設計的三個場景對應表1中的三個數據集。前兩個場景基于歷史數據的分析得出科學結論。而對于第三個場景（三極聯動對東亞氣候），實時或準實時的數據分析更能準確、生動地支撐科學觀點，因此數據分析結果的時效性也是系統必須考慮的重要因素。

本節以第三個場景設計到的海冰分析產品為例［22-23］，說明分析結果自動生成的流程。其思路是利用已有的海冰密集度資料和海冰范圍指數數據實時、自動地生成海冰分析產品。該海冰分析產品使用的原始數據來源于美國大氣與海洋管理局（NOAA）的北半球海冰覆蓋數據集（IMS），該數據集融合了多源遙感數據以及地面觀測數據、模型輸出數據，具有較高的精度［24］。通過這些海冰分析產品能夠更加清晰地認識北極海冰變化趨勢，能夠進一步解釋大氣環流發生變化如何影響東亞氣候異常。

海冰分析產品自動生成流程采用簡潔高效的Python語言實現，完全采用面向對象編程思想，遵循單一職責原則，保證了設計程序的繼承和擴展性，對整體系統后期的遷移、維護和升級帶來極大的便利。而對于14類海冰產品實時計算，采用Fortran語言實現，有利于提高數據計算的效率（圖6）。在此基礎上構建高性能Web服務將這些實時海冰分析產品進行網絡共享及展示（圖7）。這些結果最終在弧形屏幕中實時展示，用來進一步解釋科學現象，有利支撐科學觀點。

圖6 海冰分析產品自動生產流程Fig.6 Automatic production process of sea ice analysis products

圖7 海冰分析產品Fig.7 Sea ice analysis product：number of days covered by sea ice in February 2020（a）；trend of days covered by sea ice in February from 2017 to 2020（b）

3 應用案例

依托中科院國家圖書館2D展廳球幕系統、弧幕系統等設備，“三極球”以“數據-知識-服務”為主線，以高新技術為手段，建設一個集數據管理、計算、分析、服務、展示于一體的地球大數據原型系統可視化環境，實現數據→信息→可視化模擬的全過程，充分展示地球大數據科學工程專項在決策支持、科學發現、技術創新以及公眾科普等方面的重要作用。“三極球”目前已在中科院國家圖書館2D展廳業務化運行，包括北極放大效應、三極冰雪凍融對比與關聯及三極聯動對東亞氣候的影響三個緊密聯系的情景故事，其中球形屏幕是演示的核心區域，所有腳本均以球形屏幕為中心展開介紹。弧形屏幕是對球形屏幕的進一步補充和說明，分為A和B兩個屏幕，A屏幕側重系統實時演示，B屏幕對其科學原理進一步展示。

3.1 北極放大效應

球幕系統展示內容：顯示1870—2014年全球溫度異常，視角從格陵蘭轉到青藏高原再到南極（圖8），該過程由程序腳本自動運行，也可由iPad控制（以下屏幕及場景都可自動播放或者人工控制）。A屏幕腳本（圖9）：利用我國自主研發的全球預報系統準確再現了20世紀全球增溫效應，我們發現在1979—2014年溫室氣體排放顯著增加的時期，三極升溫速度明顯要比全球其他地區要快，尤其是北極地區升溫明顯，我們稱之為北極放大效應。B屏幕腳本（圖10）：針對這一問題，專項利用自主研發的FGOALS-f2模型開展對北極海冰變化的實時預測，并結合已有的數值模擬結果分析了北極放大效應的原因。

圖8 球形屏幕顯示全球溫度異常場（數據動態變化）Fig.8 Global temperature anomaly field is displayed on the spherical screen

圖9 A屏幕展示三極溫度異常變化Fig.9 The abnormal temperature variation of the three poles is showed on the Screen A

圖10 B屏幕解釋北極放大效應發生的原因Fig.10 The reason why Arctic amplification effect occurs is illustrated on the Screen B

3.2 三極冰雪凍融對比與關聯

球幕系統展示內容（圖11）：展示三極溫度異常對其冰凍圈的影響最為顯著。A屏幕腳本（圖12）：通過近40年三極冰蓋/冰川表面冰雪凍融進行對比分析，發現格陵蘭與青藏高原地區受到溫度升高影響，這兩個區域冰雪融化持續時間增長，而南極受到海-冰-氣相互作用，其冰蓋融化持續時間縮短。B屏幕腳本（圖13）：同時我們也發現，南極與格陵蘭冰蓋融化面積年際變化呈現出“相反的變化趨勢”（負相關），究其原因是因為大氣和海洋的在兩極間的熱量輸送作用導致的。

圖11 球形系統展示三極溫度異常對格陵蘭島、青藏高原及南極的影響（數據動態變化）Fig.11 The effects of three poles temperature anomalies on Greenland，Qinghai-Tibet Plateau and Antarctic are showed on the spherical system

3.3 三極聯動對東亞氣候的影響

球幕系統展示內容（圖14）：顯示2011年1月全球溫度異常場，視角北極轉到中國與東亞區域，可以看出冬季北極增暖伴有中東亞特別是我國極端冷事件。A屏幕腳本（圖15）：南北極海冰的異常變化造成大氣環流發生變化，進一步影響東亞氣候異常。B屏幕腳本（圖16）：本研究的資助專項，利用中科院自主研發的氣候模式針對三極相互作用物理過程開展研究，發現兩極氣候變化導致了中國與東亞地表溫度的異常，這為理解三極聯動協同影響中國天氣氣候提供了重要科學依據。

4 結論與展望

圖12 A屏幕展示三極冰雪融化時間變化對比分析Fig.12 The comparative analysis of melting time of ice and snow in three poles are showed on the Screen A

圖13 B屏幕解釋南北極冰蓋變化關聯及影響機制Fig.13 The correlation and influencing mechanism of the changes in the Arctic and Antarctic ice sheets are explained on the Screen B

圖14 球形屏幕顯示2011年1月溫度異常場（數據動態變化）Fig.14 The temperature anomaly field in January 2011 is showed on the spherical screen

地球大數據開啟了地球科學認知的新范式。隨著天-空-地一體化對地觀測技術的快速發展三極地區也積累了海量時空數據，主要體現在衛星遙感、模型模式與地面觀測數據三個方面。針對這些數據特點，研究并集成了五大關鍵技術，在此基礎上研發了一套B/S架構的三維可視化系統，并選取三個典型的科學案例，利用弧形屏幕和球形屏幕相結合的方式更加直觀、生動的再現三極科學重大發現。該可視化系統有利于管理決策者與普通大眾理解三極生態環境變化相關研究成果，而集成的五個關鍵技術是實現信息服務的核心和關鍵，能夠為地學領域相關的信息展示提供借鑒。

圖15 A屏幕展示南北極海冰是重要的氣候驅動因子Fig.15 Screen A shows that Arctic and Antarctic sea ice is an important driver of climate

圖16 B屏幕解釋三極聯動對我國及東亞氣候的影響Fig.16 The effect of three poles linkage on climate in China and East Asia is explained on the Screen B

本研究開發的三維可視化系統具有較好的可擴展性，后期可以很容易地將其他科學數據集成到該平臺。下一步工作將重點解決以下三個問題：

（1）目前該系統對顯示器的要求較高，雖然能夠在不同分辨率的大屏幕和普通電腦中瀏覽，但是對于只配備普通顯卡的電腦，其可視化的體驗還不夠完美，這是未來急需改進的地方。

（2）目前系統只實現了三個重要場景，后期需要考慮更多的三極聯動分析的可視化場景，如北極地區植被物候的變化與全球氣溫的關系，晝夜溫度與植被落葉期物候變化的關系以及氣溶膠變化與北極生態系統的生產力的關系等。

（3）目前的系統重點實現了數據的可視化功能，沒有考慮針對用戶需求的實時計算功能，今后須完善Mapreduce、Spark等大數據庫計算接口，并支持關鍵遙感數據典型反演算法接口的Web調用，如北極海冰變化、積雪覆蓋比例、雪深、凍融狀態、碳吸收能力等，為實現三極決策支持提供在線分析功能。

致謝：“三極球”的建設自2019年實施至今，得到了中國科學院遙感與數字地球研究所、中國科學院大氣物理研究所、中國科學院計算機網絡信息中心、國家衛星氣象中心等單位及同事的幫助，對他們在網絡平臺開發、數據服務、腳本編寫等方面的工作表示衷心感謝。何編、梁磊、鄭照軍協助完成了海冰及凍融產品的研制，在此致謝。本系統涉及到的柵格數據格式自動轉換代碼在Github上面共享：https://github.com/FlankYangPengFei/wad。