海洋风场三维可视化方法研究.pdf

海洋风场三维可视化方法研究 廖忠云，季民 ( 山东科技大学测绘科学与工程学院青岛市2 6 6 5 9 0 ) 摘要：为更加直观、清晰地表达海洋风场，提高可视化效率，总结归纳出现有的几种主要风场可视化表 达方法 符号法、纹理法、粒子追踪法、切片法和表面建模法。对几种算法分别进行描述，针对各算法 引入不同分辨率的风场数据进行动态可视化表达，通过比较总结分析各种算法的优势与不足，并提出了改 进方案。 关键词：海洋风场；可视化方法；算法描述；效果比较 海洋是一个动态连续、边界模糊的时空信息 载体，海洋风场作为海洋环境要素之一，属于典 型的矢量场n 】，具有明显的矢量场特征，所以矢 量场可视化表达方法在风场中同样适用。众多学 者把海洋风场与浪场或云场结合进行可视化表达 研究，由于浪或云的移动方向及快慢可反映风场 的特征，所以风场的可视化可以通过云场、浪场 来表达，利用云的动态变化显示风场已经成为风 场可视化的一种较直观的方法。从风场这一重要 的海洋要素的可视化表达中提取特征、挖掘信息、 总结规律能够使海洋预报更加精确，更新更加快 速。随着计算机技术的迅速发展，可视化的手段 已由实验方法转到由计算机实现，风场的可视化 表达也由二维拓展到三维空间。 本文总结出现有的风场可视化方法：点符号 法、纹理法、粒子追踪法、切片法和表面建模法， 应用这些方法对海洋风场进行了可视化表达并有 收稿日期：2 0 1 6 0 3 1 6 基金项目：国家自然科学基金( 基金编号：4 1 4 7 1 3 3 0 ) 。 针对性地提出了改进意见。 1 风场可视化映射算法概述 1 1 符号映射法 符号法是在地图上用不同形状、大小和颜色 的符号表示各制图现象的数量特征、质量特征和 地理分布的实际情况。按形状不同可把符号分为 几何符号、文字符号和象形符号。如符号选择恰 当，能很好地表现物体在点上的性质和数量特征， 但当几种现象重叠表现时，效果欠佳。 符号映射算法在风场可视化算法中最易实现 且效率最高，在风场可视化表达中可自定义风场 符号，其基本思想是用风向杆指向表示风向，风 向杆侧边横线条数和颜色值表示风速，并结合从 近处观察采用精细模型而从远处观察采用粗糙模 型的L O D 技术把风场符号映射到地球模型表面圆。 该算法分为以下几个步骤： ( 1 ) 根据风场数据分辨率和观察模型的远 近程度定义风向杆的长度，由U V 值计算各个格 网的风向和风速，以风向杆侧边的横线条数区分 风速，风速越大条数越多，分别计算格网中风向 杆各个点的坐标绘制风向杆； ( 2 ) 在绘制风向杆的同时，根据风速大小 计算各个风向杆的R G B 颜色分量值，设置颜色 渐变映射风场反映风速； ( 3 ) 风场符号和颜色映射结合，根据三维 效果显示渲染技术渲染风场。 1 2 纹理映射法 纹理映射算法在风场可视化表达方法中通过 纹理反映风向和风速以获得更具真实感的风场图 像，在二维空间中定义颜色纹理和凹凸纹理，在 三维空间定义过程纹理，风场中可以结合几种纹 理映射进行可视化表达 3 】，数据来源一般为实体 采集影像数据和遥感影像数据等。纹理映射过程 包括定义纹理函数获取纹理，定义映射函数建立 纹理空间中的点与地球模型中的点的映射关系， 将纹理映射到地球模型表面，再处理纹理映射中 出现的反走样问题【4 】。同样纹理也可通过表述云 图表面灰度或者颜色信息的变化来体现云的状态 变化，以此反映风场的实时动向进行风场可视化， E b e r t 首次通过在三维模型上粘贴纹理的方法生成 了三维结构的云，H a r r is 提出了3 D 纹理摊平技术 对云体进行实时模拟喳l ，以解决风场与云场的契 合问题。 1 3 粒子追踪法 粒子法最早由R e e v s 6 1 于1 9 8 3 年提出，它 是通过单个粒子的位置、速度、颜色、生命周 期及透明度等属性反映风场的局部特征，由多 个基本粒子组成的粒子集反映整体特征，例如 在风场中通过基本粒子的颜色等变化反映风速， 通过粒子集的变化反映不同地区风场的生命期。 基于粒子追踪方法的风场可视化技术的基础是 追踪粒子轨迹，根据粒子的位置变化动态地反映 风场速度的方向和大小变化【”，数据来源是风 场的uV 速度分量值。粒子追踪映射可以分为 以下几个步骤： ( 1 ) 读取风场数据，根据数据格式设置粒 子的存储结构，在格网中随机放置基本粒子并设 置其属性，为了表达风场的整体结构会不同位置 设置多个粒子同时追踪； ( 2 ) 粒子在格网中不断运动和更新，由粒 子的初始位置出发对速度函数数值积分得到其他 时间的位置及粒子的运动轨迹，其中速度根据粒 子所在的格网位置和运动到当前时间由各格网点 速度插值得到； ( 3 ) 在粒子不断运动的同时根据密度要求 在格网中删除旧粒子、生成新粒子，以控制粒子 密度，保证粒子数量在一个范围内； ( 4 ) 将不同时间存储的粒子属性和状态绘 制到三维地球模型中完成粒子追踪映射。 1 4 切片绘制法 在海洋风场切片算法中用云场表达实现风场 可视化，基于云水混合比实现映射，针对不同分 辨率数据有不同的映射方法布置策略。大致流程 如图1 所示，详细步骤为：在基于地图的数据处 理软件中对原始数据进行预分析提取属性值较多 的数据提高效率，根据位势高度文件计算高度和 气压的关系，根据云水混合比文件计算云和气压 的关系，从而计算不同高度层次云水混合物比， 进而绘制三角形格网，定义索引变量和顶点坐标， 再根据格网点属性添加颜色等，通过渲染得到水 平方向云图切片，将云水混合比通过可视化颜色 映射方法渲染为切片云场，从而实现单个时刻三 维云图可视化，通过计时器控制按照以上步骤实 现多个时刻的动态可视化。 图1 基于云切片法的可视化流程图 1 5 表面建模法 三维空间中，建模法可以分为实体建模法和 表面建模法，相对于实体建模法，表面建模法具 有处理速度快、占用内存小、对硬件要求不高并 能够及时更新显示的优势，但是不能进行空间分 析喁】。根据建模过程中使用的基本几何单元，表 面建模法可以分为基于点的建模方法、基于三角 形的建模方法、基于格网的建模方法和基于两种 结合的混合建模方法4 类。表面建模方法立体感 强，对数据分辨率要求很高，没有大分辨率的数 据，就达不到预期的效果。该方法应用于风场可 视化中的流程如图2 所示，具体步骤包括数据处 理，对整体数据同一时间的各个层次数据进行处 理，设定一阈值，对每一个栅格从上到下逐个遍 历，找出符合要求的栅格，记录下栅格的经度、 纬度和高程值及水汽混合比从而得到D E M ( 数字 高程模型) 表面模型。通过此方法，从总体数据 中提取出上下两个表面并用平均法求节点法向量 作圆滑处理，用于云体可视化表达。在法向量基 础上再增加光照( 环境光、漫反射光) ，给云体 增加阴影效果使云场更具真实感。 设定阈值 格网数据提取云体表面 生成云体模型 法向量计算 模型对象绘制 加入光照条件 = 维云体动态可视化 图2 基于D E M 建模法的可视化流程图 2 算法实例比较分析 在风场可视化过程中验证以上几种算法分别 采用不同区域、不同分辨率的数据进行渲染，数 据的格式也不尽相同。本文采用的数据包括分辨 率为O 5 。的全球风场数据和分辨率为0 2 。的西北 太平洋风场数据，提取数据分为经度、纬度、气 压值和时间4 个维度，数据格式为N e t C D F 。分 别按照上文几种映射方法选取合适数据对风场进 行可视化表达，基于N A S AW o r l dW in d 平台进行 二次开发，对风场元数据进行预处理得到坐标、 索引等数据及模型图片等，利用三维效果显示渲 染技术( D ir e c t 3 D ) 将生成的数据与图片模型渲 染加载到三维地球模型中，通过控制渲染图层的 可见性达到动态显示的效果。 2 1 符号法和纹理法对比分析 比较符号法和纹理法两种映射算法在风场可 视化中的应用，符号法具有简单高效的优势，但 从可视化效果图看出，采用风场符号会丢失风场 中一些重要特征而不能表达风场的连续性。图3 是采用全球风场数据基于风场符号的可视化表达 结果图。 图3 风场符号可视化效果图 基于纹理映射算法相对符号法更细腻，能够 反映风场的时序变化与特征，但用时长，运算量 大。针对两种方法的优缺点，可以结合两种算法 处理风场数据，基于纹理映射得到风场纹理，在 底图纹理显示风速的大小的基础上用风场符号表 示风场的方向。针对符号法存在的问题，也可采 用在符号基础上加载气压等值线的方法以更好地 表达风场分布。 2 2 切片法和表面建模法对比分析 切片和表面建模两种算法在风场可视化应用 中处理的数据均是标量数据，两者均以云水比值 作为基础，多维风场点数据按照经、纬度成规则 或不规则格网排列。由于全球风场数据量大，分 辨率相对低，若选择表面建模法计算量过大，用 时多，且不满足对数据分辨率的要求，所以两种 方法中选择切片法进行处理，采用瓦片技术将全 球风场分割成多块减小的数据加载内存，实现多 时刻全球风场动态可视化。图4 为两个不同时刻 的全球风场可视化效果图。 图4 不同时刻云场可视化 为比较两者在风场可视化中的效果，本文分 别采用两种方法对分辨率为0 2 。的西北太平洋风 场数据进行可视化处理，由于西北太平洋风场数 据精度高，采用切片形式实现云图的三维可视化 占用计算机内存太大，无法同时加载多时刻来实 现双台风的动态过程。根据风场数据，设定一阈 值，提取上表面来实现风场可视化表达，可以加 载多时刻，动态显示双台风过程。云场的可视化 效果图如图5 所示( 上为切片法，下为表面建模 法) 。比较两种算法的表达效果，风场数据本身 限制，表面建模法的表达效果不如切片形式好， 两者比较，切片法具有可视化效率高，方法简单 的优势，但占用内存大、立体感较弱，而表面建 模法立体感更强，数据量小，占用内存小，但方 法相对复杂。一般情况下分辨率小的风场数据采 用切片方法表达，分辨率大的数据采用表面建模。 图5 西北太平洋云场可视化 为使西北太平洋区域的可视化效果更好，本 文针对切片法和表面建模法的优缺点，提出了切 片与上表面相结合的可视化方法。此方法是由于 数据的需要，一方面数据的分辨率不大，单一由 表面建模方法，不足以达到可视效果；另一方面 由于数据量大的限制，不得不考虑计算机内存问 题，在考虑到多方面因素后，采用了动态过程中 采用表面建模方法、静态时采用切片方法的可视 化方法。在显示双台风整体过程的时候用上表面 形式表达，在查看单个时刻的云图时，再加载切 片云图，使表达效果更出众。可视化效果如图6 所示。 图6 切片与表面建模结合风场可视化 3 结语 本文总结了三维风场可视化的几种映射方 法，并分别介绍了这几种映射算法的定义、基本 思想和表达风场可视化的流程，通过实例比较了 符号法和纹理法、切片法和表面建模法在风场应 用中的优缺点，有针对性地提出了改进方案。为 使三维风场表达既具连续性又详细完整、更具立 体感，仍需要进一步的研究，对算法的改进仍需 完善。 参考文献： 【l 】黄杰海洋环境综合数据时空建模与可视化研究 D 】杭州： 浙江大学，2 0 0 8 【2 】赵峥三维城市重建中基于R O A M 的地形渲染 D 大连： 大连理工大学2 0 0 7 3 李增忠纹理映射技术的研究 D 】西安：西安电子科技大学， 2 0 0 5 4 】江巨浪纹理映射技术的研究及实现【D 】合肥：合肥工业大 学2 0 0 3 【5 】王锐，钱学雷O p e n S c e n e G r a p h Z 维渲染引擎设计与实践 M 】 清华大学出版社，2 0 0 9 6 R E E V E SW T P a r t ic l es y s t e m s a t e c h n