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海洋环境信息可视化网格平台关键技术研究摘要海洋是一巨大复杂、各种因素相互影响，多类过程彼此作用的动态时变系统。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、可视化和虚拟仿真是十分关键性的。中国是一个海洋大国，社会和经济发展必然越来越多地依赖海洋。为了迎接海洋2 l 世纪，我国从国家发展战略的高度出发，将“数字海洋 列入冬十一五”和国家海洋科学技术发展计划。“数字海洋”是随着“数字地球”战略的提出应运而生的，由海量、多分辨率、多时相、多类型海洋监测监视数据及其分析算法和模型构建而成的海洋信息系统。“数字海洋”采用网络、虚拟现实、科学计算可视化等技术手段，以数字化、可视化、动态显示等方式，模拟重现或预现真实海洋世界的各种状况变化，全面提高我国海洋管理与服务信息化水平，实现开放架构整合和海洋信息共享服务，更好支撑海洋信息应用，无疑具有十分重大的现实意义。本文的王作是8 6 3 计划“基于网格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究”( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 3 9 ) 的重要组成部分，已实现的主要工作和创新如下：1 、海洋环境信息可视化网格平台的架构设计为满足海洋环境信息数据可视化在时效性、动态性、精度和规模等方面的处理需求，达到为广大用户提供海洋环境信息数据的远程可视化服务目的，以网格为技术支撑平台实现海洋环境信息可视化网格平台的架构设计。可视化网格平台的体系结构模型分为应用门户层、可视化服务层、网格中阂件层和可视化资源层。应用门户层：接收用户的交互信息，生成可视化任务描述文件，向用户显示可视化任务执行结果。可视化服务层：响应可视化应用门户的任务请求，利用可视化网格资源完成具体的可视化任务。其中，可视化任务解析服务负责解析x m l 格式的可视化任务描述文件，并调用其他可视化服务完成可视化任务。网格中阆件层：完成可视化服务的部署、注册、调度、服务发现等网格资源管理功能。可视化资源层：提供网格调度使用的各种可视化资源，包括可视化工具、图形绘制硬件等。可视化网格平台的层次划分清晰、功能定位明确、层间耦合性低，具有很好的可扩展性。2 、可扩展的数据格式转换服务针对海洋环境信息的数据格式异构性特点，在分析国内外目前常用的8 种海洋环境信息数据格式的基础上，利用x m l 技术设计并实现了海洋环境信息数据格式转换服务，建立标准统一的格式描述规范和数据格式。数据格式转换服务根据原始元数据和尽的元数据的描述特征，通过标准统一的数据格式转换的网格服务，为海洋科学工作者提供方便的数据转换，实现应用数据的无缝自动转换。3 、基于物理特征的平面离散流场并行拓扑简化新算法本文提出一种基于物理特征盼平面离散流场并行拓卦篱化新算法。算法以场的物理特征计算参数为基础，采用图像融合与分割技术从参数图像中抽取满足物理特征的参数进行有选择性的可视化表现。由于物理特征计算分析和流线计算的数据量大、处理耗时，算法实现引入并行处理机制，以提高算法效率、满足远程可视化的需求。实验结果表明，算法在完全保持场的物理特征不便情况下，能有效地对平面离散流场的物理特征进行有选择性地可视化表现，达到流场的拓扑简化与压缩的霹的，较好解决了匿前流场的拓扑简化与压缩难以并行实现的闯题。关键词：海洋；信息；网格；可视化；k e yt e c h n o l o g ys t u d yo ng r i df o ro c e a nd a t ev i s u a l i z a t i o na b s t r a c to c e a ni sah u g ea n dc o m p l e xd y n a m i ct i m e - v a r y i n gs y s t e m ，i n c l u d i n gw u i o u sf a c t o r si n t e r a c t i o nw i t he a c ho t h e r i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e t e c tt h es p e c i a ls h a p e ，s t r u c t u r ea n dr a n g eo ft h eo c e a ns p a c ed a t a ，a n dp e r f o r mq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，v i s u a l i z a t i o na n dv i r t u a ls i m u l a t i o nt os h o wc e r t a i no c e a np h e n o m e n o na n di t sd y n a m i c s , f i n dt h em a i nf e a t u r es t r u c t u r eo ft h eo c c a 娃e n v i r o n m e n te l e m e n t st h a ti n f l u e n c et h ep h e n o m e n o n c h i n ai sa no c e a nc o u n t r y , t h es o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta r ed e p e n d e do nt h eo c e a nm o r ea n dm o r e a sas t r a t e g yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h e “d i 酉t a lo c e a n ”h a sb e e np u ti n t ot h e “l l t hf i v e - y e a rp l a n ”a n dt h es t a t eo c e a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o j e c t , b yc h i n ag o v e r n m e n tf o rt h e2 1 s to c e a nc e n t u r y t h e d i g i t a lo c e a n i sp r o p o s e dw i t ht h e d i g i t a le a r t h i ti s 。a ni n f o r m a t i o ns y s t e mc o m p o s e do fl a r g eo c e a nd a t aw i t hm u l t i - r e s o l u t i o n sa n dv a r i o u st y p e s ，a n da l s om a n ya n a l y s i sa l g o r i t h m sa n dm o d e l s t h e d i g i t a lo c e a n e m p l o y sm a n yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h eg r i d , v i r t u a lr e a l i t y , v i s u a l i z a t i o na n de t e , t os i m u l a t et h ev a r i o u ss t a t e so fr e a l - o c e a nw i t hd y n a m i c , v i s u a la n dd i g i t a ld i s p l a y i t 趣v e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ei n f o r m a t i o nl e v e lo ft h eo c e a nm a n a g e m e n ta n ds e r v i c e ，t or e a l i z et h eo p e na r c h i t e c t u r ei n t e g r a t i o na n do c e a ni n f o r m a t i o ns h a r i n gs e r v i c e ，a n dt os u p p o r tt h ea p p l i c a t i o no fo c e a ni n f o r m a t i o nb e t t e r t h ew o r ki nt h i sp a p e ri sa ni m p o r t a n tp a no ft h e “8 6 3 ”p r o j e c t “s t u d yo ng r i db a s e do no c e a nd a t as h a r i n ga n di n f o r m a t i o ns e r v i c e ( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 3 9 ) t h ef o l l o w i n ga x et h em a i nw o r k sa n di n n o v a t i o n s 1 。t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g no fg r i df o ro c e a nd a t ev i s u a l i z a t i o n ( g o d v )i no r d e rt om e e tt h er e a l - t i m ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t , h i g hp r e c i s i o na n dl a r g e s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so fo c e a ni n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ，t h ea r c h i t e c t u r eo fg o d vi sd e s i g n e d ，w h i c hc a ns e r v et h eu s e r sa sar e m o t eo c e a nd a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e m t h ea r c h i t e c t u r eo fg o d vi sc l a s s i f i e di n t of o u rl a y e r s ：g r i dp o r t a l ，v i s u a l i z a t i o ns e r v i c e ，m i d d l e w a r ea n dv i s u a l i z a t i o nr e s o u r c e s t h ea p p l i c a t i o ng r i dp r o t a lc a nr e c e i v et h ei n t e r a c t i v ei n f o r m a t i o nf r o mt h eu s e r , c r e a t eaf i l ed e s c r i p t i o no fv i s u a l i z a t i o nt a s k , a n dd i s p l a yt h er e s u l to ft h ev i s u a l i z a t i o nr e s u l t st ot h eu s e r v m u a l i z a t i o ns e r v i c el a y e rc a nr e s p o n dt ot h et a s ka p p l i c a t i o no ft h eg r i dp o r t a l ，p e r f o r mt h es p e c i f i cv i s u a l i z a t i o nt a s kb yt h eg r i dr e s o u r c e s t h ev i s u a l i z a t i o na n a l y s i ss e r v i c e sc 鞠p a r s et h et a s kd e s c r i p t i o nf i l ew i t hx m lf o r m a ta n d c a uo t h e rv i s u a l i z a t i o ns e r v i c e st of i n i s ht h ev i s u a l i z a t i o nt a s k m i d d l e w a r ep e r f o r m st h eg r i dr e s o u r c em a n a g e m e n to fv i s u a l i z a t i o n g r i ds y s t e ma n di t sg r i ds e r v i c ed e p l o y m e n t , r e g i s t r a t i o n ，s c h e d u l i n g ，s e r v i c ed i s c o v e r ya n de t c v i s u a l i z a t i o nr e s o u r c el a y e rp r o v i d e sv a r i o u sv i s u a l i z a t i o nr e s o u r c e sf o rg r i d s c h e d u l i n g ，i n c l u d i n gt h ev i s u a 血a f i o nt o o l s , t h eg r a p h i ch a r d w a r ea n de t c e a c hl a y e ro fg o d vh a st h e如融沁f u n c t i o n ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nl a y e r sa r el e s sc o u p l e d ，a n dp r o d u c e sam o r es c a l a b l ea r c h i t e c t u m 2 s c a l a b l ed a t af o r m a tc o n v e r t i n gs e r v i c e so d f c )a sf o rt h eh e t e r o g e n e o u sd a t af o r m a to ft h eo c e a ni n f o r m a t i o n ，d f ci sd e s i g n e da n dr e a l i z e db a s e do nt h ea n a l y s i so fc o m m o ne i g h td a t e f o r m a tt y p e so fo c e a ni n f o r m a t i o na n du s i n gx m lt e c h n o l o g y t h i sf o r m a tc o n v e r t i n gs e r v i c e su s et h eg r i ds e r v i c ew i t hu n i f o r md a t af o r m a tc o n v e r t i n gb a s e do nt h et a r g e ta n dt h es o u r c em e t a d a t at om e e tt h eo c e a nr e s e a r c hw i t ha u t o m a t i cd a t af o r m a tc o n v e r s i o ns m o o t h l y 3 an e wp a r a l l e la l g o r i t h mf o rp h y s i c a lf e a t u r e - d e p e n d e n tt o p o l o g i c a ls i m p l i f i c a t i o no fp l a n a rv e c t o rf - e l dt h i sp a p e ri n t r o d u c e san e wp a r a l l e la l g o r i t h mf o rp h y s i c a lf e a t u r e - s e n s i t i v et o p o l o g i c a ls i m p l i f i c a t i o na l g o r i t h mo fp l a n a rv e c t o rf i e l d s b a s e do nt h ep h y s i c a lf e a t u r ec o m p u t a t i o n ，t h em e t h o dc a nd e t e c ta n ds e l e c t i v e l yv i s u a l i z et h ef e a t u r em e e t i n gt h ea p p l i c a t i o n - s p e c i f i e dp h y s i c a lc r i t e r i o nf o r mt h ep a r a m e t e ri m a g eb yt h ei m a g eb l e n d i n ga n ds e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g y s i n c et h ef e a t u r ea n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o ni sc o m p l i c a t e da n dt i m e - c o n s u m i n g , ap a r a l l e lm e t h o di su s e dt oi m p r o v et h ea l g o r i t h me f f i c i e n c ya n dm e e tt h er e m o t ev i s u a l i z a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tap h y s i c a lf e a t u r ep r e s e r v i n gt o p o l o g i c a ls i m p l i f i c a t i o ni sa c h i e v e dp e 疵c t i y m e a n w h i l e ，t h es e l e c t i v ev i s u a l i z a t i o no fp h y s i c a lf e a t u r eo fp l a n a rv e c t o rf i e l d si sa ne f f i c i e n ta n dr e m a r k a b l ed a t ac o m p r e s s i o ni si m p l e m e n t e da sw e l l 。t h em e t h o ds o l v e st h ed i f f i c u l t yi np a r a l l e lc o m p u t a t i o no nt o p o l o g i c a ls i m p l i f i c a t i o na n dc o m p r e s s i o no f f l o wf i e l d sa tp r e s e n lk e y w o r d s ：o c e a n ；i n f o r m a t i o n ；g r i d ；v i s u a l i z a t i o n独创声明本人声髓所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方终，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得洼l 垫遗宣墓熊置墨缱型崖嘎鲍：奎拦里窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位敝侔者躲每勃签字隰沙辱) 胃l 明学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并尚国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分走容编入有关数据库进行检索，可以采震影印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中豳科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：锄导师签字：叩磁签字日期易镝牌6 月l 尽签字嚣期：) 的绎6 月 墨海洋环境信息可视化网格平台关键技术研究1 综述海洋是一个巨大复杂、各种因素相互影响，多类过程彼此作照的动态时变系统。海洋科学研究串，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、可视化和虚拟仿真是十分关键性的。例如，海洋上的气旋性涡旋，常是引起灾害性天气( 台风、风暴潮) 的根源；海洋锋( 性质明显不同的两种或多种水体闻的狭窄过度带) ，既是海洋水团闻的边界线，又是中心渔场的可能形成区；海水中的密度跃层由于阻碍了上下水层闻的交换，会使浅海海洋的初级生产力明显降低，而强跃层处的外力扰动则是激发海洋内波产生的条件。内波能推动海洋大、中尺度能量的转移，引起海水等密面的波动，从而导致海洋中声速与传播方向的变化，影响声纳效能。因此，海洋中的结构特征不仅对海洋的细微结构和大、中尺度海洋现象的产生、演化及其动力机制产生重大影响，丽且在经济、军事上也具有十分特殊的意义。中国是一个海洋大国，社会和经济发展必然越来越多地依赖海洋。为了迎接海洋2 1 世纪，我国从国家发展战略的高度出发，将“数字海洋丹列入搿十一五和国家海洋科学技术发展计划。“数字海洋是随着嚏i 字地球”战略的提出应运而生的，由海量、多分辨率、多时相、多类型海洋监测监视数据及其分析算法和模型构建意成的海洋信息系统。随着这一发展匿标的确定和实旌，运用数字化手段统一处理和表现海洋过程已成为迫切需要解决的重大课题。“数字海洋采用网络、虚拟现实、科学计算可视化等技术手段，以数字化、可视化、动态显示等方式，模拟重现或预现真实海洋世界的各种状况变化，全面提高我国海洋管理与服务信息化水平，实现开放架构整合和海洋信息共享服务，更好支撑海洋信息应用。8 6 3 计划“基于嬲格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究”a 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 3 9 ) 是糕数字海洋”中十分关键的技术支撑环节，主要目的是研究构建海洋环境信息可视化网格平台，开发面向海洋空间数据场的可视化方法，并将它们应用于海洋科学研究与实践，无疑具有十分重大的现实意义。海洋环境信息可视化网格平台关键技术研究1 1 海洋环境信息可视化网格平台1 1 1 海洋环境信息海洋环境信息主要包括海面高度、潮流、海流、海浪、温度、盐度、密度、气温、气压、湿度等。海洋环境信息数据分类一般采取两种方式：一是根据数据的空间属性，分为海洋海面要素( 海面高度、海表流和浪、海表温盐密等) 和海洋水体要素( 潮流和海流、3 d 温盐密场、温盐密跃层、内波等) ；二是根据数据的特征属性，分为标量场( 温度、盐度、密度、湿度等) 和矢量场( 潮流、海流、海浪等) 。数据可视化处理方法主要是根据数据的特征属性实现，本文以第二种方式描述海洋环境信息。，海洋环境信息数据来源主要有：海洋卫星遥感、多波束调查资料、海洋常规调查、台站浮标观测等。这些不同来源的海洋环境信息在数据获取方式具有以下特点：数据标准不同、数据精度和分辨率不同、不同海区的数据密度不同、投影方式和基准面不同；另一方面，数据在存储方式上跨越多个不同的平台，数据格式和结构备不相同，并且数据量巨大。1 1 。2 研究内容与圉标海洋环境信患可视化网格平台的目标是将海量、异构分布的海洋环境信息数据、高性能计算机群、可视化工具等多种资源通过网格技术进行高效集成，利用中间件设计、应用软件部署等技术手段，构建面向海洋环境信息的分布式可交互的数据远程可视化系统，实现海量海洋静态环境和动态数据的远程可视化服务，以满足海洋环境信息数据可视化在时效性、动态性、糟度和规模等方面的需求。随着科学计算可视化技术( s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ，简称可视化，见2 2 可视化技术) 的不断发展，对高性能、大容量分布存储和分布处理能力的需求不断增强。大规模数据的存储和可视化己不可能在单机上完成；丽传统的基于超级并行计算机或者计算机集群进行并行可视化的方法不具备经济有效、可扩展的特性。因此，如何存储、分发、组织和管理、高性能处理、分析和挖掘海量分布数据成为许多应用的关键问题。近年出现并日趋成熟的网格技术，为解决这个闯题提供了一条有效的技术途径，为大规模数据的可视化应用提供强有力的技术支撑平2海洋环境信息可视化网格平各头键技术研究台，并可通过掰络向大范甏内的用户提供交互式的远程可视化服务。网格技术 1 - 4 1 ( g r i d ，见2 1 两格) 是种大规模网络环境中的分布式计算技术。网格就是使用这种分布式计算技术构建的应用系统或者基础设施平台。它致力于协调地理上分布、异构的存储资源，聚集数量巨大的资源和信息，构建分布式的资源管理系统以满足多种应用的特殊需求，为用户提供广泛的服务。网格主要包括了三方面：共享信息资源、构建和数据对象物理存储位置无关的逻辑名称空间，实现存储资源、信息资源和数据访问的抽象。网格通过集成网络上分布的多数据集资源，形成单一虚拟的数据访问、管理和处理环境，为用户屏蔽底层异构的物理资源，建立分布式海量数据的一体化数据访闯、存储、传输、管理与服务架构。它可将地理分布的数据资源、计算资源、高端显示设备、应用软件等整合为一个分布式系统，实现对大规模复杂闯题的求解。本文的工作是8 6 3 计划“基于网格的海洋环境数据共享与信息服务技术的研究”( n o 2 0 0 6 a a 0 9 2 1 3 9 ) 的主要组成部分，研究内容包括：一、海洋环境信息可视化网格平台的架构设计，及其核心技术之一：海洋环境信息数据交换技术的实现，包括数据格式转换服务、数据访问与传输服务；二、构建分布式可交巨的海洋环境信息数据远程可视化服务环境，重点是海洋流场的并行可视仡。具体内容如下：1 、海洋环境信息可视化网格平台架构设计为满足海洋环境信息数据可视化在时效性、动态性、精度和规模等方面的处理需求，达到为广大用户提供海洋环境信息的数据远程可视化服务，海洋环境信息可视化网格平台的架构设计，应具有可扩展、跨平台、嵩可靠和易访阕等特性；阕时，提供大规模瞒格瓷源的管理和分配，可视化任务的调度、管理和协调，可视化服务的用户定制和访闯等功能支持。2 、海洋环境信息数据交换技术( 1 ) 可扩展的数据格式转换服务：针对海洋环境信息数据格式的异构性特点，利用x m l 技术设计海洋环境信息数据格式转换服务，建立标准统一的格式描述规范和数据格式。数据格式转换服务在结合元数据接述规范和数据互操作规范的基础上，根据原始元数据和目的元数据的描述特征，建立统一的数据格式转换服务，实现应用数据的无缝自动转换。数据格式转换服务包括一个核心转换服务，根据原始元数据和目的元数据的转换要求选择合适的转换规则适配器，从而3海洋环境信息霹援纯躜格平台关键技术研究构成方便的、可扩展的数据格式转换服务集。( 2 ) 。数据访阕与传输服务：力了对地理上分布的不黧资源结点的海洋环境信息的数据进行不同尺度层次的访问和存取，建立网格平台内不同服务器之间数据交换和数据控制的方法，并定义一套高效多尺度的网格数据传输协议。3 、分布式可交互的海洋环境信息数据远程可视化服务构建分布式可交互的海洋环境信息的数据远程可视化服务环境，为用户提供高性能的可视化资源服务，将可视化的结果以图片或是流媒体的形式，通过w e b反馈给用户。重点是实现海洋流场的并行可视化算法。1 2 国内外研究现状1 2 。王可视化随着科学技术的迅猛发展，待处理的数据量越来越大，来自超级计算机、卫星、宇宙飞船、射电天文望远镜、c t 扫描仪、核磁共振仪的数据与日剧增，大量的数据与缺乏有效地解释这些数据手段的矛盾日益尖锐，迫切需要得到解决。可视化是上世纪8 0 年代提出、9 0 年代以来得到迅猛发展和广泛应用的计算机学科方向。它采用计算视圈形学和图像处理的先进理论与方法，将科学计算的过程和结果转换成更为直观、形象的计算机图像在屏幕上显示，并进行交互处理，以挖搦隐含在浩瀚数据中的深层次规律或关系，真实再现与仿真自然现象的变化过程，为人们发现和研究自然规律提供了更有效的手段。可视化具有多方面的重要意义。首先，它可以便人们高效地处理科学数据和解释科学数据；其次，它可以解决目前信息手段贫芝的问题，在入与数据、入与入之间实现图像通信，成为发现和理解科学计算过程中各种现象的有力工具；第三，可以实现对计算裙编程过程的雩l 导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影噙，从而实现真正的交互计算和驾驭式计算。1 、当前主要研究内容：( 1 ) 三维空间数据场及多元数据的建模、计算及表现技术。( 2 ) 面绘制、体绘制的理论与算法，特别是并行算法。( 3 ) 基于数据场拓扑结构和特征结构的可视化方法。( 4 ) 。复杂模型的表示简化技术( 多分辨率表示、层次细节简化表示等) 。4海洋环境信息可视化网格平台关键技术研究2 、耳前的主要发展趋势：( 1 ) 与i n t e r a c t 相结合：基于w e b 的可视化。( 2 ) 与虚拟现实、遥感、g i s 技术相结合：对抽象数据建立虚拟的面向特定应用的可视化环境。1 2 2 海洋环境信息数据可视化1 、海洋物理过程的可视化针对海洋物理现象的变化过程进行可视化研究。例如，美国海军研究实验室甜r l ) 1 9 8 9 年就对由“双扩散 效应引起的海洋内部混合过程进行了可视化研究。通过可视化处理，直观地展现了温度和盐度对“盐指 ( s a l tf i n g e r i n g ) 生长过程的影响。众所周知，海水混合过程与湍流密切相关，而作为小尺度存在的双扩散效应的温盐结构又是形成海洋深层细微结构盼重要原因。n r l 还利用可褫化技术对温度细微结构的可变性( f i n es c a l ev a r i a b i l i t y ) 进行了研究，以观察米尺度范围内影响海水湿度扰动的规律。2 、大洋模型的可视化主要对现有的海洋模型可视化，以模拟、揭示大洋环流、大气环流、全球风场、大中尺度海洋现象( 温、盐度场、水团、涡流、锋面、跃层) 及其动力机制和变化过程，研究这类过程对诸如全球气候变化的影响等。3 、海洋特征结构髂可视讫通过对矢量场( 流场 、标量场( 温、盐、密场) 拓扑结构的抽取和可视化研究，发现并检测出具有重要学术、经济和军事含义的海洋特征结构信息，例如海洋涡漩、跃层、锋面、激波、湍流等。这类信息可视化处理后，还可进一步进行数据挖掘的工作。1 2 。3 网格技术与海洋环境信息共享服务( 小四，宋体)国内外学术界在利用露格技术管理海洋繇境信息鲍应用研究领域已开展了大量的初步研究工作。欧洲e s c i e n c e 研究计划在英国国家环境e s c i e n c e 研究中心( 暖e s ) 专门设立了g o d i v a 5 - 7 1 ( g r i df o ro c e a nd i a g n o s t i c s ，i n t e r a c t i v e v i s u a l i z a t i o na n da n a l y s i s ) ，海洋数据分析、交互可视化和分析网格) 研究项目，致力于通过监测数据和模型求解研究海洋温盐度循环，主要包括：设计数据抽取、5海洋嚣壤僖惠霹援纯矮罄警蠹关键技零研究处理、分析和可视化网格服务，通过工作流技术组织分布式网格应用，并和其他e s c i e n c e 研究计划网格项疆开展合作。美国翔渊大学圣地亚哥分校的l o o k i n g e s 9 1 ( t h el a b o r a t o r yf o r t h eo c e a no b s e r v a t o r yk n o w l e d g ei n t e g r a t i o ng r i d ) 研究课题组主要研究如何通过蹰辫技术将联合盼簿洋鉴测数据整合构造知识鼹辫，包括以下研究行终：全蚕秘定量表现选择区域酶大气、海体帮海底地貌的物理特性、流体特性；从糖关系统单元中实时获取信息；识别和观测紧急现象；在物理环境上开展交互式时廷；根据事件萋掰设置黢测取样系统；根据实舔数据修订监测模型和监溅行为；长觏持续歼展和海洋环境的实时交互。黝s e i d o 珏【1 0 _ 蚓是蠢m i t 主持的以分布式计算为基黜髓海洋学研究项霹，集成r 建模、可视化积参数计算方法等功麓模块，其顼蜃醴标先：逶过分布式诗算环境融合物理海洋学、生物海洋学和海洋声学等学科手段进行海洋预测；通过可调整建模和采样实现数据驱动的海洋预测；构建数据分析和可视化以及预测数据模羧的无缝连接环境，透过霭良科学工佟者的w e b 赛面方便海洋科学工作者对复杂分布式计算服务盼使用。这样，海洋研究誊嵇预测者可以专著于要研究的科学闯题，而从复杂的计算任务管理中解脱出来。美蜜瑟源部资助的e s g h e l 3 1 ( e a r t hs y s t e mg r i d1 i ) 戳嬲格技术楚基穑协霜存储在全国范围内的气象数据构成了整个气象研究界的共享数据资源。e s g i i也包扩了海洋信息数据的共事解决方案。e s g i i 采用了g l o b u st o o l k i t 作为网格串阕件的解决方案，在历时5 年多项星研究中，基取得了重要进展。截止到2 0 0 6年7 胄，北大西洋酶5 t b 海洋数据已经作为测试数据提供戮了e s g h 平台上，并且未来将有更多的全球海洋数据通过e s g h 共享和使用。我蓥裔湾中央研究院与螽湾大学大气科学系、中央大学大气科学系、师范大学大气科学系共同开发大气科学资料网格系统，运用数据网格相关技术来整合分教的存储资源，并提供一个可扩展的数据存储平台。在该平台上，中央研究院网格研究顼暮组开发了一套整合使雳者奔面，整合现有大气辩学穗关应瘸程序掰需的监测资料，实现了海洋数据存储系统f 棚( d i s t r i b u t e do c e a nd a t as y s t e m ，d o d s ) 。利用该使用界面，研究人员可以有效且完整的存取监测数据，共同分享研究资源。6海洋环境信息可视化蹲络警台关键技术研究。中国科学院开发的科学数据鼹格 1 5 - t l ( s c i e n t i f i cd a t ag r i d ，s d g ) 是在科学数据库海量数据资源的基础上，利用先进的数据网格技术、连接分布在全国的四十多个研究所而建设的一个面向大规模分布式异构数据资源的共享平台和应用环境，在海洋监测数据方面能够提供海洋化学数据子系统、海洋地球物理一重磁数据库j 优选断面数据子系统、波浪波谱数据予系统、a r g o 数据子系统、表层流数据子系统、大气科学数据库等的统一访问服务。1 。3 本文主要工作及贡献本文的工作基础是中蓬海洋大学计算桃系图形蓬像研究室( c o m p u t e rg r a p h i c s ，i m a g e ，v i s u a l i z a t i o n - - o c e a nu n i v e r s i t yo fc h i n a ，c g i v - o u c ) 在网格和海洋环境信息可视化领域内的研究成果，结合可视化发展的趋势和需求，设计并实现了海洋环境信息可视化网格平台g o d v ( g r i df o ro c e a nd a t av i s u a l i z a t i o n ) 的部分主要功能。主要工作和贡献如下：。l 、设计海洋环境信息可视化网格平台的四层体系结构，包括应用门户层、可视化服务层、网格中闻件层、可视化资源层。应属门户层：接收用户的交互信息，生成可视化任务描述文件，氪黾户显示可视化任务执行结果。可视化服务层：响应可视化应用门户的任务请求，利用可视化网格资源完成具体的可视化任务。其中，可视化任务解析服务负责解析x m l 格式的可视化任务描述文件，并调用其他可视化服务完成可视化任务。网格中间件层：完成可视化服务的部署、注册、调度、服务发现等网格资源管理功能。可视化资源层：提供网格调度使用的各种可视化资源，包括可视化工具、图形绘制硬件等。2 、利用x 甄技术设计并实现了可扩展盼海洋环境信患数据交换处理。针对海洋环境信息的数据格式异构性特点，在分析国内外置蓠常用的8 种海洋环境信息数据格式的基础上，利用x m l 技术设计并实现了可扩展的海洋环境信息数据格式转换服务，建立标准统一的格式描述规范和数据格式。数据格式转换服务根据原始元数据和目的元数据的描述特征，通过标准统一的数据格式转换的网格服务，为海洋科学工作者提供方便的数据转换，实现应用数据的无缝自动转换。3 、基予物理特征的平蓄流场并行拓扑简化新算法本文提出一种基子物理特征的平面流场并行拓扑简化新算法。算法以场的物7海洋嚣壤痿息霹援葶l ：嬲格平鑫关键技术研究理特征计算参数为基础，采用图像融合与分割技术从参数图像中抽敬满足物理特征盼参数进行有选择性的可视化表现。赉于物理特征计算分柝和漉线计算的数据量大、处理耗时，算法实现弓| 入并行处理胡制，以提高算法效率、满足远程可视化的需求。实验结果表明，算法在完全保持场的物理特征不便情况下，能有效地对平面流场的物理特征进行有选择性地可视化表现，达到流场的拓扑简化与压缩描述的目的，解决了目前流场的拓扑简化与压缩算法难以并行实现的问题。1 4 本文组织结构第1 章综述，介绍研究梅建海洋环境信患可视纯网格平台的重要意义，简述匿内外发展现状和本文的研究耳标和主要内容。第2 章网格及海洋环境信息数据可视化，详细介绍网格技术的研究背景，包括网格技术研究的内容、发展和现状；可视化是一门成熟的学科，本文通过简要介绍可视化的基本概念和方法，着重介绍海洋环境信息可视化的相关工作。第3 章海洋环境信息网格可视化平台体系结构，通过海洋环境信息可视化网格平台体系结构的四层结构模型：应用门户层、可视亿服务层、网格中间件层和可视化资源层设计介绍，对海洋环境信息可视化网络平台的目标、功能和实现机制进行详细的阐述。一第4 章可扩展的数据格式转换服务，数据格式转换服务是海洋环境信息可视化网格平台的关键技术，通过介绍要解决的问题和问题的解决方法，详细阐述数据格式转换的目标、功能和实现机制。第5 章基于物理特征的流场并行拓扑简化，远程可视化服务是海洋环境信息可视化网格平台的核心内容，本文提患一种基于物理特征的流场并行拓扑简化算法，以满足海洋琢境信息数据可视化在时效性、动态性、精度和规模等方蕊的需求，并对算法的并行实现机制和测试结果进行详细介绍。第6 章总结与展望，对本文的工作进行总结，提出下一步的研究内容，并对海洋环境信息可视化网格平台的发展进行展望。8海洋环境信息可视化网格平台关键技术醪 究2 网格及海洋环境信息数据可视化2 1 网格2 1 1 综述网格是一种将地理位置上分散的资源集成起来的新型基础设施，是借鉴电力网t l r l ( e l e c t r i cp o w e rg r i d ) 的概念提出来的。它通过集成网络上分布的多个数据集资源，形成单一虚拟的数据访问、管理和处理环境，为用户屏蔽底层异构的物理资源，建立分布海量数据的一体化数据访闯、存储、传输、管理与服务架构。闼格的最终冒的是希望用户使用网格计算笺力就如同使用电力一样方便。传统的互联网( i n t e m e t ) 实现了计算机硬件资源的连通，万维鼷( w o r l dw i d ew e b - w w w )实现网页的连通，w e b 服务实现软件的共享，网格( g r i d ) 则利用网络将分散在不同地理位置的计算机组织成一台“虚拟的超级计算机 ，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源以及软件资源等的全面共享。资源共享是网格的根本特征湖，消除资源孤岛是网格的奋斗目标。从有形的可视化数据库型无形的基于网格的可视化异构数据库集成是可褫化领域中的数据共享在技术发展和应用需求双重驱动下的必然发展趋势。基于网格的可视化异构数据的集成作为一种对分布式可视化数据获取、传输、存储、管理、分析处理及显示的技术体系，其技术支撑就是w e b 服务和网格计算等技术。2 1 2 网格体系结构两格体系结构描述了网格各组成部分的关系以及它们集成的方式或方法，规定了支持两格有效运转的方式，给出了两格的基本组成和功能。两格发展初期的体系绪构是由i mf o s t e r 等提出的数协议为中心，强调服务、a p i 和s d k 的五层沙漏结构( 图2 1 ) ，侧重于定性的描述两没有给出具体的协议定义，不能适应现有的技术。近年来，结合网格与w e b 服务技术，以服务为中心的开放网格服务体系结构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 作为一个得到了大量业界支持且不断发展的标准，已经取代沙漏结构成为网格新的结构体系标准。9海洋嚣壤信患霹视证嬲格平台关键鼓零霹究嚣羹_耋若图2 - 1 网格的五层沙漏结= 每_ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _| 碾涮lo o o 一r _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ l蠹a m - e tl- _ _ - - - _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - _ 一厂1 订1 。一篓：营皇委营一星_撼基墨c，fo g s a 将网格中大量的异构资源均看作服务，并使用w e b 服务描述语言