海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模.doc

海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模* 实验室论文编号：SCIEL21101102基金项目：国家自然科学基金资助项目（49701013）；“九五”国家科技攻关项目（96-922-03-01）作者简介：马劲松（1969-），男（回族），南京人，南京大学副教授，博士，2000年赴加拿大滑铁卢大学作为访问学者，著有地理信息系统与空间可视化，主要从事GIS空间数据结构理论、技术及其在海岸海洋方面的应用研究。马劲松，朱大奎（南京大学大地海洋科学系，南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京，210093电话：86-25-3593770(O)，86-25-3593756(H)，Email：）Visualization Modeling and Virtual Reality for Coastal Ocean Tidal Current Numerical SimulationMA Jingsong，ZHU Dakui（Dept. of Geo & Ocean Sciences, Nanjing University,The Key Laboratory of Coast and Island Development of Ministry of Education P.R.China Nanjing, 210093,Tel: 86-25-3593770(O), 3593756(H), Email: ）Abstract: The technology of scientific visualization and virtual reality (VR) for tidal current numerical simulation is one of the most important modern methods utilized in coastal ocean science. This paper firstly illustrates a data model used for tidal current simulation from the viewpoint of Geographical Information Systems (GIS), presents an object-oriented modeling methodology suitable for hydrodynamic numerical simulation. Secondly, discusses the field visualization technique of tidal current velocity and describes the utilization of VR in simulation. The authors also designed and implemented a prototypic software system-VROcean, used in visualization of coastal ocean tidal simulation as well as oceanographic studies, and verified the results in the research program of tidal current numerical simulation on the sand ridges in South Yellow Sea of China.Keywords: Tidal Current Numerical Simulation; Virtual Reality; Visualization Model; Coastal Ocean摘 要:潮流数值模拟的科学可视化与虚拟现实是海岸海洋科学研究重要的现代技术手段之一。本文首先从地理信息系统的角度对潮流数值模拟系统的数据模型进行了论述，提出了适合水文数值模拟的对象模型方法；其次探讨了空间流场的可视化技术，阐述了虚拟现实在潮流数值模拟中的作用；最后设计并实现了一个海岸海洋潮流模拟虚拟现实的原型软件系统VROcean，并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比检验。关键词：潮流数值模拟；虚拟现实；可视化模型；海岸海洋1概述潮流是海岸海洋主要的水动力因素之一，它影响着诸如泥沙、盐分、各类污染物及能量的输运过程12。潮流的数值模拟是海岸海洋科学研究中一个重要且经济快速的技术方法，它通过离散化描述潮流运动的控制方程，用近似的求解方法模拟潮流的运动规律，达到对海岸海洋潮流场特征及其变化的科学认识，并指导对海岸海洋的管理、开发和利用5。然而，数值模拟方法在具有经济快速特点的同时，也存在形象性与直观性差的问题。潮流数值模拟的计算结果往往是大量枯燥的数据，以及根据这些数据所绘制的静态流场图和水位过程曲线，这就阻碍了进一步进行潮流运动规律性认识的研究工作。针对这一问题，科学可视化和虚拟现实技术的兴起，无疑是改变这一状况的契机。潮流数值模拟可视化与虚拟现实系统潮流模拟数学模型潮流空间数据模型潮流可视化与虚拟现实模型图1 海岸海洋潮流数值模拟可视化与虚拟现实系统的组成Fig.1 The components of coastal ocean tidal current numerical simulation visualization and VR system科学可视化和虚拟现实为研究者提供了直观地处理研究结果的技术方法，越来越被公认为是科学研究过程的重要组成部分。它在计算机空间（Cyberspace）中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境，实现了三维空间和时态数据的可视化，并使研究者既能够在虚拟环境中交互地操控研究对象，更可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。如果将科学可视化与虚拟现实技术运用于海岸海洋潮流数值模拟中，将极大地提高海洋研究者的研究成效。建立海岸海洋潮流数值模拟的可视化与虚拟现实系统，关键技术在于数据模型的建立。结合海洋学、水文学、地理信息系统和计算机图形学等理论和技术，该系统可由图1所示的三个子系统模型组成：针对上述系统模型的建立，目前的国际和国内研究者已分别在潮流数值模拟数学模型、面向对象空间建模、以及科学计算可视化与虚拟地理环境等方面都作了许多卓有成效的研究和探索。例如Bartlett6,7、McCall7,8和Sherin9,10用于海洋GIS的线性参照系统；Gold13,14,15等的用Vorono图和其对偶Delaunay三角剖分建立的三维海岸海洋数字地形模型；王颖、朱大奎等的南黄海辐射沙洲潮流通道边坡稳定性4GIS与遥感综合集成研究，利用南黄海海底沙脊区的地形、潮流、沉积物的大量数据，以此基础建立潮流泥沙模型；马劲松、王颖等用于海岸动态研究的基于关系数据库的空间时态数据模型3；林珲等的东中国海潮波系统与海岸演变模拟5；Li17,18,19基于超图理论的三维海岸空间数据模型；以及Su20的海洋时态序列三维可视化系统研究与开发等。本文结合上述研究成果，提出了基于UML统一建模语言的潮流数值模拟可视化与虚拟现实系统的面向对象系统模型。2潮流数值模拟系统的对象模型潮流的数学模型：直角坐标系下三维潮流数学模型基本方程是Navier-Stokes方程组，水流间的紊动应力采用Boussinesq假定，则基本方程为：连续方程：动量守恒方程：密度守恒方程：流体静力学方程：其中：=0+t：水密度。=(u, v, w)：速度矢量。f :Coriolis系数，f=2sin,:地转角速度，：纬度。P：静压力。g：重力加速度。AH：水平涡旋扩散系数，AVM：垂直涡旋粘性系数，AV：垂直涡旋扩散系数。潮流模拟数学模型控制方程组数值方法控制方程参数集参数系数数值方程组2.*1.*空间数据模型1.*空间参照系图2潮流数值模拟数学模型的简化UML类图二维数值模拟三维数值模拟Fig. 2 UML class diagram of tidal current numerical simulation hydrodynamic model潮流数值模拟模型：潮流数值模拟分为二维和三维的模型。对于二维模型，按差分网格形状可以分为三角形、正方形、矩形、多边形、曲线坐标网格以及各种形状网格的组合等；按计算方法可分为显式法、半隐半显式法和隐式法；对三维的模型，计算方法有分层二维法、谱方法、流速分解法和坐标变换法等。潮流数值模拟数学模型简化的对象类层次可以用以下图2来表达。3潮流数值模拟空间数据对象模型空间数据模型边界条件水下地形水位场流速场三维空间1.*时间序列1.*TIN三维序列栅格TIN序列栅格序列三角形顶点2.*1.*3.*3.*1.*2.*欧拉流场拉各朗日流场空间参照系可视化模型图3 简化的潮流数值模拟空间时态数据对象UML类图空间矢量Fig. 3 Simplified object class diagram of spatiotemporal data model四维时空数据模型：潮流数值模拟的空间与时态数据构成四维的多分辨率时空数据结构，可由三维空间模型与一维时间序列组成。二维平面的网格结构可以采用栅格表示矩形或正方形网格，不规则三角网TIN表示平面的三角剖分。多个二维网格组合成三维序列用以表达海水的垂直分层结构，再加上时间序列，就可以形成四维的潮流时空数据模型。空间参照系作为时空的一部分与空间数据模型相关联。实例化的边界条件、水下地形、水位场和流速场等需要与可视化模型相应部分相关联，以生成静态三维和动态四维的潮流场虚拟环境。潮流数值模拟空间数据对象模型的简化类图如图3所示。Fig. 4 Multi-resolution and multi-dimensional spatiotemporal data model高分辨低分辨图4 多分辨率多维时空数据模型Vector+Position: Point+Magnitude()+Addition(Vector)+Scale()+DotProduct(Vector)+CrossProduct(Vector)Direction+Composition(Direction)+Reverse()+Deviation(Direction)+Among(Direction)+Between(Direction)Orientation+Position : Point+Front : Direction+Right : Direction+Above : Direction+Translate(Vector)+Rotate(RotateMatrix)3图5 空间矢量及方向UML类图Fig. 5 Spatial vector, direction and orientation class hierarchy空间多分辨率存储的实现可以借助分维的方法。海底地形的分维数反映了地形的粗糙程度，运用空域到频域的离散傅立叶变换求得分维数，再利用分维数控制地形的内插和采样，就可以获得多分辨率的地形数据。图4显示了同一海底地形不同空间分辨率的模型。空间矢量的对象数据模型：模型中水下地形与水位场都是数量场，而流速场是矢量场。同样，潮流虚拟现实对象模型中，虚拟环境的透视投影、表面渲染及模拟飞行的实现也需要空间矢量对象的支持，所以在模型中加入空间矢量的对象模型，如图5所示。空间矢量及方向的操作函数如下表1定义。表1 空间矢量及方向的操作函数Tab. 1 Member functions of spatial vector, direction and orientation classes对象类函数定义矢量和比例内积外积指向(即单位矢量)合成偏差反向BetweenAmong方向平移旋转空间参照系：潮流模拟计算网格的空间定位需要用空间参照系来确定。空间参照系是地球的数学模型，定义了地球参数化三维表面的空间坐标系统，及各坐标系统间的数学关系。在较大空间尺度的海岸海洋进行潮流数值模拟，地球形状和曲率是影响计算精度的重要因素。同时，空间参照系也是将潮流模拟模型、地球空间数学模型和可视化虚拟现实模型结合在一起的空间定位基准。海岸海洋潮流数值模拟采用的空间参照系中，为了建立统一的海陆空间定位基准，需要解决以下几个方面的数学建模问题。a.确定旋转椭球体的参数，包括长短半径、扁率，以及大地测量的定位参数等等。确立区域坐标系统与全球坐标系统WGS84等的转换数学模型；b.确定海岸带高程起算面、水下深度基准面和平均海面等的空间数学关系；c.解决国家标准地形图的高斯投影、海图的等角圆柱（墨卡托）投影及国际常用的UTM（通用横轴墨卡托）投影之间的变换关系。海岸海洋潮流模拟空间参照系可由图6所示。空间参照系球面坐标系平面直角坐标系设备坐标系坐标转换Ellipsoidal坐标系平面+高程坐标系WGS84地图投影变换图形几何变换三维坐标系高斯墨卡托UTM透视投影正射投影逻辑坐标系物理坐标系图6 海岸海洋潮流数值模拟空间参照系UML类图Fig.6 Object class diagram of spatial reference system水位流场时间序列可视化与虚拟现实模型动态模型静态模型光照模型体视模型2*投影变换*三维坐标变换投影透视投影正射投影飞行模拟色彩模型*分层设色矩阵运算T纹理映射遥感图象光线追踪视差模型色彩融合图7 简化的潮流数值模拟可视化与虚拟现实对象模型UML类图Fig.7 Simplified object class diagram of tidal current numerical simulation visualization and VR model4潮流数值模拟可视化与虚拟现实对象模型潮流数值模拟的可视化与虚拟现实系统是“虚拟地理环境”和“数字地球”的组成部分，通过计算机系统的多媒体特性，能向研究者提供对海岸海洋潮流对象直观空间认知的手段，使研究者产生虚拟现实系统的三个特征，即主体的沉浸感（Immersion），运用对虚拟客体的交互操作（Interaction）以及认识反映研究客体规律性的自治特性（Autonomy）。对于潮流数值模拟的可视化和虚拟现实主要体现在具有真实感的动态视觉模型和交互操作潮流参数而获得的虚拟潮流客体自治的变化特性，其对象模型由图7所示。图9 二维潮流场矢量的虚拟场景（涨潮流）Fig.9 Virtual scene of two-dimensional tidal current velocity field图8 黄海辐射沙洲水下数字地形模型的虚拟场景Fig.8 Virtual scene of sand ridges under the water of South Yellow Sea of China由于需要显示水下的地形起伏，海水必须呈现蓝色半透明的视觉效果，所以，水位场的显示需要用到色彩融合的技术。实现海面和水下三维飞行模拟，需要设定飞行器实时的空间坐标及其空中姿态。这可以通过上述的空间方向矢量Orientation来表达，其中，Position确定飞行器的空间位置，并假设Front方向矢量确定飞行器的飞行方向并控制飞行器的滚动角度；Right方向矢量控制飞行器对地的俯仰角度；Above方向矢量控制飞行器的偏航角度；根据人机交互操作发生的动作，实时刷新飞行器的空间位置和空中姿态，就可实现实时的三维模拟飞行。综合上述可视化与虚拟现实技术，我们设计并实现了一个海岸海洋潮流数值模拟虚拟现实的原型软件系统VROcean，其中实现了潮流水位场和流速场的三维实时动态模拟，交互控制的三维空间飞行，遥感正射影像的三维地形映射，多分辨率DEM数据的分形压缩等功能。图8和图9是用该软件生成的黄海辐射沙洲潮流数值模拟中水下数字地形模型和潮流场的虚拟场景。进一步的工作将在于设计并实现交互控制潮流参数获得虚拟潮流的自治特性的研究。5结论本文所述的研究将可视化和虚拟现实的建模技术手段运用到海岸海洋潮流数值模拟研究之中，其动态图像演示了潮流场的运动演化过程，及海底地形与潮流场的相互演化关系。这与海底地貌与沉积学研究得出的结果可互为印证4，表明该项技术具有实际应用价值。海岸海洋潮流数值模拟的可视化与虚拟现实是海岸海洋潮流研究的重要技术方法，借助于地理信息系统、计算机图形图像学、以及科学可视化等理论和技术实现的虚拟现实系统，可以很好地满足海岸海洋科学的深入研究。在此基础之上，实现虚拟地理环境、数字地球等网络化、全球化的系统将是今后的发展方向。参考文献：1 WANG Ying, REN Mei-e, ZHU Da-kui. Sediment Supply to the Continental Shelf by the Major Rivers of China J. Journal of Geological Society, 1986, 143: 935-944.2 WANG Ying, REN Mei-e, SYVITSKI J. Sediment Transport and Terrigenous Fluxes J. The Sea, 1998, 10: 252-292.3 MA Jing-song, WANG Ying. A Spatiotemporal Data Model on Relational Database for Coastal Dynamic Research J. Marine Geodesy, 1999, 22(2): 105-114.4 WANG Ying, ZHU Da-kui, et al. The Sediment Characteristics and Evolution of Radial Sand Ridges in South Yellow Sea of China J. Science in China, 1998, D : 385-393. (in Chinese)5 LIN Hui, et al. Study on Simulation of Tidal System in East China Sea Based on GIS J. ACTA GEOGRAPHICA SINICA, 1997, 52 : 160-169. (in Chinese)6 BARTLETT D. Space, Time Chaos and Coastal GIS C. 16th International Cartographic Conference and the 42nd Deutscher Kartographentag, Koln, Germany, 1993. 539-551.7 BARTLETT D, DEVOY R, MCCALL S OCNNNOR I. A Dynamically Segmented Linear Data Model of the Coast J. Marine Geodesy, 1997, 20: 137-151.8 MCCALL S. The Application of Dynamic Segmentation in the Development of a Coastal Geographic Information System C. CoastGIS 95 International Symposium on GIS and Computer Mapping for Coastal Zone Management, Cork Ireland, 1995, 305-312.9 SHERIN A G, EDWARDSON K A. Using GIS and Dynamic Segmentation to Build a Digital Coastal Information Database C. Coastal Zoon Canada, Halifax, Nova Scotia, 1994.10 SHERIN A G. Linear Reference Data Models and Dynamic Segmentation: Application to Coastal and Marine Data C. Marine and Coastal Geographical Information Systems, Taylor & Francis, 2000, 95-115.11 MANDELBROT B. How Long is the Coast of Britain? Statistical self-similarity and fractional dimension J. Science, 1967, 156: 636-638.12 MANDELBROT B. The Fractal Geometry of Nature M. San Francisco: Freeman, 1982.13 GOLD C M. Problems with Handling Spatial Data: The Vorono Approach J. CISM Journal, 1991, 45: 65-80.14 GOLD C M, CONDAL A R. A Spatial Data Structure Integrat