海洋环境要素可视化与虚拟仿真

[摘 要]海洋科学研究中，为揭示某种海洋现象及其动力机制，确定和找出影响这一现象的海洋要素的主要特征结构，即海洋空间数据场中具有特定属性的形状、结构和区域，并加以量化分析和虚拟仿真是十分关键的。本文基于国家海洋局提供的渤海数据利用IDL（interactive data language）做了各海洋环境要素不同方式的可视化分析以及虚拟仿真，以便于揭示相关的海洋现象，真实再现与仿真自然现象的变化过程。

[关键词]科学可视化；海洋环境要素；虚拟仿真；散乱数据建模；数据交互语言

中图分类号：U665.261；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0389-01

1 引言

IDL全称交互式数据语言（interactive data language），由于其灵活和强大的可视化性能，受到科学家和工程师们的喜爱，进而发展成为一门独立的可视化语言，文章之后所展示可视化图片均是用IDL语言绘制[1]。

2 海洋要素可视化与虚拟仿真

散乱数据是在二维平面上或三维空间中，无规则的、随机分布的数据。本课题拟采用当前主流的基于函数关系的散乱数据建模方法，包括Shepard方法、MQS法、体样条（Volume Splines）函数法、多重二次型法、最小范数网络法、基于多层B样条的二维散乱数据插值法和局部体样条函数法[2-3]。

2.1 标量场动态可视化

实现用标量表示的海洋要素的可视化，主要包括对温度、盐度、密度、气温、气压、湿度等要素的可视化。在二维可视化的基础上，实现跃层及水团（标量场的特征结构）的自动提取及三维可视化。我们以北纬37°到41°东经117°到121°海平面日平均气压为例分别从动态图中截取一张来做展示（图1左）。

2.2 向量场动态可视化

实现对用向量表示的波、浪、海流、风等海洋要素的可视化。其中向量场拓扑结构特征如极限环、涡旋、激波的自动提取、时变场中的特征跟踪、事件检测及3D可视化技术是实现向量场可视化的核心，同时研究可用于表现流场运动的多种形式特种动画技术。

向量场的动态可视化采用如下方法：

a.直接可视化方法：以箭头、颜色映射、粒子方法等表现向量场数据；

3 结束语

本文给出了在科学可视化海洋标量与矢量元素与虚拟仿真的多种表现形式，实现了海洋背景场与海洋特征对象融合技术的研究，实现了使用IDL语言实现流场的快速线积分卷积的可视化方式，在今后的工作中向量场中涡旋提取、时变场征的跟踪及三维向量场的动态可视化有着较好的研究意义。

参考文献

[1] Landsman W B.The IDL Astronomy User's Library[C]//Astronomical Data Analysis Software and Systems II.1993，52：246.

[2] Franke R.Scattered data interpolation：tests of some methods[J].Mathematics of computation，1982，38（157）：181-200.

[3] Lee S，Wolberg G，Shin S Y.Scattered data interpolation with multilevel B-splines[J].Visualization and Computer Graphics，IEEE Transactions on，1997，3（3）： 228-244.

（由“海洋地球物理声学探测数据处理和管理技术及产品应用（201005029）”、国家海洋公益性行业科研专项经费项目“渤海海洋环境信息集成及动态管理技术示范应用（200905030）”与青岛市科技计划基础研究项目 （Qingdao Science and Technology Plan Projects）2012.1-2014.9“水下小目标空间几何及三维纹理重建系统研究（12-1-4-1-（8）-jch）”资助）