基于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化研究*

張雅靜 柴柏林 李 琦

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院 青島 266580）（2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 青島 266580）

1 引言

科學(xué)計(jì)算可視化是通過(guò)研究計(jì)算機(jī)工具、技術(shù)和系統(tǒng)，把實(shí)驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算獲得的大量抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人的視覺(jué)可以直接感受的計(jì)算機(jī)圖形圖像，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)探索和分析［1～2］。由于海洋數(shù)據(jù)具有多源、異構(gòu)、多維度、多尺度等特點(diǎn)，將其分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)是海洋數(shù)據(jù)的研究熱點(diǎn)。海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)是一類只有數(shù)值大小，沒(méi)有方向的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。基于三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化是分析其內(nèi)在規(guī)律和特性的有效方法。

我國(guó)傳統(tǒng)的可視化平臺(tái)大多數(shù)是基于單機(jī)或是基于C/S架構(gòu)的，如OSG［3］、EVoGloble等，存在著適用范圍窄，維護(hù)更新周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)格式多樣且雜亂等諸多問(wèn)題。基于Skyline的“中國(guó)近海數(shù)字海洋信息基礎(chǔ)框架”［4］采用的是B/S架構(gòu)，傾向于信息的發(fā)布和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的展示等，但是要下載安裝插件；康林沖［5］等基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化是利用SkylineGlobe可視化插件，給瀏覽網(wǎng)頁(yè)以及使用過(guò)程中帶來(lái)了很大的不便。綜上所述，傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，且只適用于二維平面，而B(niǎo)/S架構(gòu)適用于三維立體，擴(kuò)展性強(qiáng)，地圖服務(wù)數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，且隨著OpenGL技術(shù)和HTML5技術(shù)的快速發(fā)展，基于B/S架構(gòu)系統(tǒng)可視化逐步成為眾多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并且無(wú)插件可視化的研究應(yīng)用較少。

Cesium［6～7］是國(guó)外一個(gè)基于JavaScript編寫(xiě)的使用WebGL的地圖引擎，是一款開(kāi)源的三維地球框架。它支持三維地球（3D），二維地圖（2D）以及2.5D哥倫布視圖（2.5D）形式的地圖展示，可以自行繪制高亮區(qū)域，并提供良好的觸摸支持，通過(guò)CZML創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，高分辨率的世界地形可視化，使用WMS，TMS，Bind以及ESRI的標(biāo)準(zhǔn)繪制影像圖層。Cesium支持KML，GeoJSON和TopoJSON等多種數(shù)據(jù)格式，且作為一個(gè)開(kāi)源的框架，是基于OpenGL生成三維虛擬地球中比較活躍的，在眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，本文采用B/S架構(gòu)，研究了非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)可視化方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Cesium框架的非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。以全球海洋表面溫度、海平面高度數(shù)據(jù)等為例，進(jìn)行可視化系統(tǒng)的驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)三維可視化系統(tǒng)是以Cesium三維虛擬地球?yàn)橐劳校捎肑avaScript開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和OpenGL圖形渲染引擎進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)采用（B/S）瀏覽器/服務(wù)器模式架構(gòu)［8］。

（B/S）瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)下三維標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)主要是對(duì)海洋數(shù)據(jù)中只有數(shù)值大小沒(méi)有方向的非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，例如海表溫度、海水鹽度、海平面高度、海水密度等。該系統(tǒng)主要分為瀏覽器端和服務(wù)器端兩部分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架如圖1所示。

圖1 B/S架構(gòu)下三維可視化系統(tǒng)總體框架

瀏覽器端可以去訪問(wèn)服務(wù)器端產(chǎn)生的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三角網(wǎng)格海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)等信息，服務(wù)器端主要是提供數(shù)據(jù)發(fā)布、地圖、分析查詢等服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)瀏覽器端對(duì)多種數(shù)據(jù)的請(qǐng)求與響應(yīng)。瀏覽器端基于Cesium三維虛擬地球的API進(jìn)行可視化渲染與繪制，用戶可以根據(jù)自身的需求查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化，選取想要的部分進(jìn)行可視化展示和分析。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

基于海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及系統(tǒng)可視化的需求，將分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、可視化映射標(biāo)準(zhǔn)、可視化渲染以及可視化應(yīng)用展示等主要功能模塊。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊是對(duì)基于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括NC文件的解析、投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、插值以及裁剪等過(guò)程，從而形成系統(tǒng)可解析的格式。系統(tǒng)模塊支持NetCDF、文本等數(shù)據(jù)格式的預(yù)處理。對(duì)于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，由于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格密度不一、無(wú)法直接通過(guò)經(jīng)緯度坐標(biāo)來(lái)獲取所在網(wǎng)格，因此將NC文件進(jìn)行解析，建立邊列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

可視化映射標(biāo)準(zhǔn)模塊是采用自定義的色彩映射表繪制海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)自身的特性采用不同階數(shù)的漸變色。以藍(lán)色為代表的冷色調(diào)表示低數(shù)值，以紅色為代表的暖色調(diào)表示高數(shù)值。色彩映射漸變表如表1所示。

表1 RGB色彩映射漸變表

可視化渲染模塊主要是基于OpenGL3D圖形接口來(lái)進(jìn)行渲染繪制，允許跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)。采用基于幾何圖形對(duì)象的點(diǎn)、面可視化方法進(jìn)行表達(dá)［8］。點(diǎn)方式的可視化是直接以點(diǎn)狀對(duì)象進(jìn)行海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，以不同的顏色和大小來(lái)表示海洋標(biāo)量數(shù)值［9］。面方式可視化是將不同的點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算得出相應(yīng)的顏色，以三角網(wǎng)格面的形式進(jìn)行展示［10～11］。

可視化應(yīng)用展示模塊是將海面溫度數(shù)據(jù)以及海平面高度數(shù)據(jù)等不同海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化顯示。

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

WGS-84坐標(biāo)系［12］（World Geodetic System-1984 Coordinate System）是國(guó)際上通用的地心坐標(biāo)系，也稱為大地坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，用經(jīng)緯度來(lái)表示地球上物體的位置，本文所使用的NETCDF文件數(shù)據(jù)就是用經(jīng)緯度來(lái)表示的。

瀏覽器端為了實(shí)現(xiàn)海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化，必須將地心坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為OpenGL可以支持的坐標(biāo)系。首先，需要將以經(jīng)緯度坐標(biāo)形式存儲(chǔ)的NC文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地心地固坐標(biāo)系（ECEF坐標(biāo)系），其轉(zhuǎn)換形式如式（1）所示。

式（2）中，?代表經(jīng)度值，θ代表緯度值，h代表高度值，a、b和e分別代表WGS-84坐標(biāo)系中定義的地球長(zhǎng)半軸（固定值14960m）、短半軸（固定值14958m）和離心率（固定值0.0167）。

其次，要完成圖像的繪制，須利用頂點(diǎn)著色器將地心地固坐標(biāo)系（ECEF坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換為用于圖像顯示的屏幕坐標(biāo)系。如圖2所示。

圖2 屏幕坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換流程圖

3.2 無(wú)監(jiān)督分箱

無(wú)監(jiān)督分箱［13～14］是指將連續(xù)的特征屬性轉(zhuǎn)換為離散的標(biāo)稱屬性，在建立分類模型時(shí)，對(duì)連續(xù)變量離散化，使模型更加穩(wěn)定，易于快速迭代，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)異常數(shù)據(jù)的魯棒性。一般地，它是一種離散化的形式，也可以是分組，比如，折線圖、直方圖等。

本文采用的是基于無(wú)監(jiān)督的離散劃分方法，不需要引入目標(biāo)值，其具體步驟為

1）對(duì)整體特征數(shù)據(jù)進(jìn)行排序；

2）對(duì)所有的數(shù)據(jù)遍歷一遍，尋找合適的分割點(diǎn)；

3）根據(jù)分割點(diǎn)確定連續(xù)值的取值范圍；

4）當(dāng)達(dá)到停止準(zhǔn)則時(shí)終止離散過(guò)程，否則繼續(xù)。

3.3 層次細(xì)節(jié)技術(shù)

層次細(xì)節(jié)（Levels of Details，LOD）技術(shù)［15］最早是由Clark提出的，目前廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)可視化，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的可視化顯示中運(yùn)用層次細(xì)節(jié)技術(shù)。

層次細(xì)節(jié)技術(shù)依據(jù)不同的視點(diǎn)選擇合適的層次細(xì)節(jié)進(jìn)行繪制，符合人的視覺(jué)特性。當(dāng)離視點(diǎn)比較近時(shí)選擇高分辨率的LOD進(jìn)行繪制顯示［16］；當(dāng)遠(yuǎn)離視點(diǎn)時(shí)，屏幕上只有幾個(gè)像素，采用插值、重采樣等方法轉(zhuǎn)換為低分辨率的數(shù)據(jù)，用低分辨率的LOD進(jìn)行繪制顯示即可。沒(méi)有必要繪制全部的細(xì)節(jié)層次，這樣既保證了觀測(cè)的效果，又加速了數(shù)據(jù)的可視化顯示［17］。

3.4 直方圖均衡化

直方圖均衡化是一種有效的圖像增強(qiáng)技術(shù)，是處理灰度圖像以及灰度變換的一個(gè)重要方法［18］，是以累計(jì)分布函數(shù)變換為基礎(chǔ)的直方圖修正法［19］。直方圖均衡化的基本思想是通過(guò)重新均勻地分布各灰度值來(lái)增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。對(duì)圖像中像素個(gè)數(shù)較多的灰度值進(jìn)行展寬操作，較少的灰度值進(jìn)行合并操作，從而增大對(duì)比度，使圖像更加清晰。

本文是基于直方圖均衡化思想，先將基于非結(jié)構(gòu)化的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化圖轉(zhuǎn)換成灰度圖像，利用直方圖均衡化原理重新分配像素值，把圖像中灰度直方圖從比較集中的區(qū)域變成均勻分布，從而使可視化圖像均勻清晰的分布。

4 實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

本文使用Cesium開(kāi)源三維地球框架，基于JavaScript開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和OpenGL相關(guān)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)格海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化。實(shí)驗(yàn)的PC配置為：操作系統(tǒng)為64bit的Windows10，處理器為Intel（R）Core（TM）i7-4702MQ，內(nèi)存為16GB，顯卡為NVIDIA GeForce GTX 760M，瀏覽器為Google Chrome。數(shù)據(jù)集是海洋模式FVCOM輸出的全球海洋表面標(biāo)量數(shù)據(jù)集（溫度、鹽度、海平面高度等），該數(shù)據(jù)集可提供某一時(shí)刻的全球海表面數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格形式。整體流程圖如圖3所示。

圖3 基于非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化流程圖

4.1 海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)可視化表達(dá)與分析

海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)是一種只有大小沒(méi)有方向的數(shù)據(jù)類型［20］，根據(jù)海洋數(shù)據(jù)類型和環(huán)境要素屬性的不同，可以將可視化方法分為某一時(shí)刻曲線圖、直方圖以及大面圖等。某一時(shí)刻曲線圖是指基于全球三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)類型的不同海洋環(huán)境要素在某一時(shí)刻的統(tǒng)計(jì)分布圖，本文分別以海面溫度和海平面高度數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，如圖4所示。

圖4 全球海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布圖

直方圖是指將全球非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，經(jīng)過(guò)無(wú)監(jiān)督分箱把不同海洋環(huán)境要素（海面溫度、海平面高度）數(shù)據(jù)按照依次遞增的順序進(jìn)行排序分組，根據(jù)不同海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)本身的特性進(jìn)行類別的劃分，形成不同類別的可視化直方圖，分別如圖5（a）、（b）所示。

圖5 不同海洋環(huán)境要素類別可視化圖

從上圖可以看出，不同海洋環(huán)境要素的數(shù)據(jù)分布情況完全不同，全球海面溫度（SST）分布范圍相對(duì)均勻，全球海面高度（SSH）主要集中在0m附近，這是因?yàn)楹Ｆ矫娓叨仁菄@海面上下波動(dòng)。

4.2 非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)三維可視化

系統(tǒng)是以三角網(wǎng)格面積基元為單位進(jìn)行三維可視化，在三維場(chǎng)景中進(jìn)行不同海洋要素的可視化表達(dá)，不同的顏色或大小表示海洋要素值。如圖6所示，分別展示了海面溫度（SST）和海平面高度（SSH）的三維可視化效果。顏色深淺表示要素值高低。同時(shí)采用了無(wú)監(jiān)督分箱、層次細(xì)節(jié)和直方圖均衡化思想，實(shí)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)的可視化，提高了可視化的效率，增強(qiáng)了可視化的效果。

圖6 非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)三維可視化

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用B/S架構(gòu)，基于Cesium實(shí)現(xiàn)了非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格的海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)的三維可視化系統(tǒng)。針對(duì)非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)的特性，結(jié)合三維虛擬地球引擎，對(duì)海洋標(biāo)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化方法的研究及其實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)闡述了可視化系統(tǒng)的體系架構(gòu)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。并以海面溫度和海平面高度數(shù)據(jù)為對(duì)象驗(yàn)證了所提方法的可行性與效果，基本滿足了可視化的需求。同時(shí)也為其他海洋要素的數(shù)據(jù)可視化分析提供了思路，隨著海洋領(lǐng)域需求的不斷發(fā)展與壯大，在進(jìn)一步完善本系統(tǒng)的同時(shí)，將逐步研究海洋矢量數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)與分析。