全球海洋再分析数据管理及可视化技术研究

摘要

随着海洋探测仪器的发展，科研单位积累了海量海洋数据。数据可视化技术通过把繁复抽象的数据转换为形象具体的图像，使海洋数据能够直观展现海洋环境要素场的分布特征，提高海洋数据的研究利用能力，对进一步研究海洋科学具有重要意义。由于海洋数据日益庞大，格式种类不一，如何对其进行统一管理，实现高效三维可视化表达就显得尤为重要。因此，本文研究多种三维可视化技术，针对数据集特征设计一种三维数据编码及管理方案，基于光线投射算法实现海洋环境要素数据三维可视化，针对该算法不足提出优化方案，设计开发海洋环境要素场的三维可视化软件系统。 首先，分析原始数据特征，针对数据集庞大冗余的特点设计了一种用于数据提取的三维数据编码及存储方法。对原始数据进行解析剖分，分别提取四种基本海洋环境要素数据集;设计三维数据编码方案，将海洋环境要素数据的经度、纬度、深度空间位置信息统一为一组编码，减少数据冗余，便于快速定位海洋空间位置;将反映空间位置信息的三维数据编码作为索引号，各种环境要素数据作为属性值，设计数据库表结构，实现精准定位所需数据并进行快速提取，高效地组织管理海量数据。 其次，对三维数据可视化相关算法进行分析和研究，比较和总结各自的优缺点;结合海洋环境要素场的分布特征，选择光线投射算法作为可视化绘制的实现算法，重点研究其基本原理及计算过程，为其应用在海洋环境要素场可视化中奠定基础;根据海洋环境要素数据特点，利用光线投射算法实现多种类型的三维可视化显示。 再次，分析光线投射算法在海洋环境要素数据可视化应用中的不足，针对非均匀数据造成的图像失真问题，在三维场深度方向通过插值算法进行数据均匀化处理;针对重采样环节的混合体素计算误差问题，提出一种新的采样点计算方法，结合自动调整采样步长法提高重采样效率;针对图像合成环节计算低效问题，设计合适累积不透明度阈值提前终止光线投影合成过程;通过设置大量的对比实验，验证了改进方案对海洋环境要素数据可视化具有良好的优化效果。 最后，在对海洋环境要素数据的三维可视化相关理论和技术的研究基础上，进行软件系统的设计与开发。软件系统主要包括多要素多类型可视化功能和目标数据查询统计功能，满足人机交互需求。