毕业设计（论文）开题报告：海洋环境场数据可视化研究

毕业论文开题报告 海洋环境场数据可视化研究海洋环境场数据可视化技术研究-开题报告1课题意义海洋覆盖着地球表面四分之三的“蓝色领土”,在新的世纪,海洋越来越受到世界各国的重视,海洋事业的发展关系到各国的长远利益。中国是一个海洋大国,海岸线超过1.8万公里,面积在500平方米以上的岛有6961个(苏志强,2010)。根据《联合国海洋公约》以及中国相关法律的规定,中国管辖约300万平方公里海域面积。随着海洋渔业、滨海旅游业、海洋交通运输业、海洋油气业等海洋相关产业的发展,海洋产业对国民经济的贡献越来越大。随着我国海洋经济的发展和海洋防灾减灾的需要,海洋环境预报成为愈发重要的研究课题。同时,中国又是世界上遭受海洋灾害影响最严重的国象之一,平均每年由于风暴潮、海冰、海雾、颶风等各种海洋灾害造成的直接经济损失超过100亿元(茅克勤,2011)。其中1997年和2005年造成的影响的规模空前,经济损失分别高达308亿元和332亿元,严重威胁了沿海省市的可持续发展;风暴潮和海浪等台风引起的次生灾害造成的死亡和失踪人数迗到6274人(左书华,2008)。因此,海洋环境检测及预报对于沿海人民生命财产保护、海洋资源幵发、海洋经济发展等意义重大。经过多年海洋环境检测技术的积累,特别是随着高科技预报技术和预报领域的发展,海洋环境预报数据飞速增长。传统的海洋场数据是以简单的文字、表格、图片等方式提供。而随着海洋场信息的内容向全球化、实时化、深度融合的方向发展,这对海洋环境场数据服务提出了更高的要求。海洋环境平台聚积了多源异构、实时动态、数据量庞大的海洋环境预报数据,随即面临了如何更好地向海洋工作者展示信息的挑战。尤其是海洋环境场数据，具有一般文本和数字信息不具有的复杂度，空间相关等特点。针对海洋场数据可视化的需求,GIS服务技术可以为海洋工作者提供更加方便、直观的海洋环境信息。然而由于海洋场数据具有异构、实时动态、数据量庞大等特点,传统的GIS服务发布方法在应用时无法解决服务发布效率低、服务器资源浪费、服务响应速度慢等问题。本课题希望根据环境环境风、浪、流在可视化过程中遇到效果和性能的瓶颈，提出合适的海洋环境场数据可视化方法和实现技术，特别针对等值线和等值面开展新方法的研究。2文献综述2.1数据来源国际上提供海洋数据服务的著名机构包括美国国家海洋和大气管理局(NationalOceanicandAtmosphericAdministration)、欧洲太空局(EuropeanSpaceAgency)、法国国家空间研究中心(CentreNationald'EtudesSpatiales)、美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)等(康燕,2012)。这些机构提供数据的基本查询和下载功能。例如地形数据提供网站naturalearth(/),美国国家天气服务提供的气象数据（/）等。随着数据量的增加,海洋科学研究对数据服务提出了更高的要求。2.2场数据可视化方法对于场数据的处理，一般分为是预处理，压缩传输，渲染可视化，交互操作几个阶段。下面分阶段对可视化需要用到的技术进行说明。2.2.1数据预处理在多变量空间数据场可视化中，特征抽取和统计分析经常被结合使用：将处理对象从原始数据空间变换到统计空间（直方图、散点图等），用统计学方法表达原始数据或者抽取的特征，以达到减少数据量同时保持关键信息、分析变量间关系的目的。多变量空间数据可视化的降维操作通常有2种途径：低维空间嵌人，以便在低维检测高维数据空间的特征；特征变量选择，以便减少数据空间的维度而保留数据属性的关系和重要特征[[]KaskiS，PeltonenJ。Dimensionalityreductionfordata

visualization[J]。IEEESignalProcessingMagazine,2011，28(2)：100-104[]KaskiS，PeltonenJ。Dimensionalityreductionfordata

visualization[J]。IEEESignalProcessingMagazine,2011，28(2)：100-1042.2.2传统的场可视化方法流场可视化是科学可视化一个非常热门的子领域，而对于二维流场可视化的研究是扩展到三维或者更高维流场的基础。根据不同作者对二维流体场可视化的不同分类结果，通过整合的方式归纳出直接法、纹理法、线形法、特征法四大类。直接法运用可重复的图标来表示流体场中各种信息类型，同时也包括流体的流向信息。运用箭头、带尖角形状的图标，或者不同亮度的线段来表示流场的流向以及流场信息，该方法经常运用在整个区域或者很大一部分区域的可视化过程中。基于纹理的可视化方法是由非常细致、连续一致的稠密纹理来表征一个流场，该方法既能产生高密度的可视化，又能表达全局的流场信息。在很多二维流体场可视化应用中，都会用到该可视化方法，尤其是在二维流场或者曲面流场的可视化过程中，因为它既容易生成而且还易于分析流体场的细节信息。线形法通常是通过积分曲线的放置来达到对二维流体场的可视化，所以各种线形法之间的区别往往是积分曲线的不同以及积分曲线种子点放置位置的不同。如果在图像中低强度区域放置种子点，而曲线作为高强度信号扩散到图像中，使得曲线的优化放置和图像的强度分布相关，通过优化算法不断地减少图像像素间的强度差来达到均匀放置的目的，从而获得与手绘插画相似的可视化结果，然而该方法却需要多次产生图像并优化来达到目基于特征的流场可视化方法第一步往往是特征提取，其目的是为了判定、量化以及描述流场数据集的特征。对于一个具体的研究问题，特征可以被宽泛地定义成任何的物体、结构或者区域，所以大多数的特征判别方法是针对于某个特殊问题的，然而也可以综合的归纳为以下三种情况：基于图像处理、基于拓扑分析以及基于流场物理特点。多变量空间数据场可视化的手段分为2类：用不同视觉通道映射和编码各个属性及其相互之间的关系和关联；分別可视化各个数据场的数据属性，再进行融合。两者都可以归结为将数据属性和特征映射到不同的视觉通道（图标信息、纹理信息、颜色和透明度、轮廓、形状、隐喻等），再以合理的方式进行结合;如数据处理阶段的数据融合、绘制阶段的混合绘制、阁像处理阶段的图像融合等。2.2.3网页3D技术使用二维地图或者地球的三维模型对地面上的数据进行可视化是过去被推荐的方法。因为二维地图经过投影之后会产生变形，所以我们选择了三维地球模型。例如，圆柱投影最常用的二位地图投影，会在两极地区产生很大的变形。三维虚拟球体，已经被广泛用于分类数据的可视化，天气预报和许多种其他类型的数据（人口统计学，出生率，国内生产总值等等）。网页3D技术让用户只需要单独安装一个浏览器即可直观感受数据。随着技术的进步，在Web上的三维技术已经比较成熟，当前在网络上使用虚拟球体有很多种不同的方式。主要包括基于浏览器渲染，远程渲染，数据压缩和传输技术等。具体来说，浏览器渲染中主要使用了SVG数据格式和HTML5规范中的canvas标签。尽管两种技术也用于2D技术，但是其三维显示能力也是十分强大的。代替VRML的X3D提供了许多先进的API，同时指出更多的形式数据。X3D支持父类，并行计算和行为模型，提供数据流处理，插值和可视化节点。这些特征使其支持动态的网页效果和3D图景（然而可能需要浏览器插件支持）。其升级版X3DOM尝试在不实用插件的情况下显示3D图形，并且调用WebGL进行加速。使用CSS3D进行显示也被几乎所有主流浏览器支持。Three.JS是一个非常流行的用于显示3D图形的JS库。数据处理技术如分层加载，格网分割解决了科学研究中大数据的传输问题。不过需要注意的是，压缩率不是越高越好，因为解压缩所需要的时间也是影响最终程序性能的重要因素。[[][]EvansA,RomeoM,BahrehmandA,etal.3DGraphicsontheWeb:ASurvey[J].Computers&Graphics,2014,41(1):43-61.[3]邓晶,曾铭,章奇志.动态多地图服务负载平衡设计及实现[J].地理空间信息,2007,5(6).[4]康燕.基于web的海洋卫星数据服务研究[D].浙江大学,2012.[5]张旺俊.Web缓存替换策略与预取技术的研究[D].中国科学技术大学,2011.[6]林贤辉.海洋环境预报信息服务发布方法研究[D].浙江大学,2014.基德于2009年，布才力诺于2014年，普朗提斯于2015年用不同的技术设计了自己的应用。基德的应用使用了一种用于三维景物的描述性文件格式VRML。布才力诺的应用使用SVG格式，这种文件格式用于二位矢量图形，是基于XML文件格式的。普朗提斯的应用使用WebGL（更多关于这些方法的信息见伊文思等的文章）。2.3现有可视化平台近年来,涌现出很多可应用于海洋环境的商业平台和开源平台。国外的包括MyOcean、giovanni、ArcGISServer等服务平台,GoogleEarth、WorldWind等客户端平台,国内的包括EV-Globe、GeoGlobe等。2.3.1MyOceanMyOcean是欧盟委员会推出的一系列项目。它的目标是为欧洲海洋监测预报建立一个集成的平台。MyOcean可以为海洋工作者提供有效的海洋信息服务,包括海上安全,溢油预防,海洋资源管理,气候变化,海冰调查,水质污染等等服务。MyOcean第一阶段时间为2009-2012年,现在处于第二阶段,即MyOcean2(2012-2014)。MyOcean2在第一阶段的基础上建立可靠的原型系统,为海洋科学研究提供全面的管理服务和有用的接口。2.3.2GiovanniGiovanni是由NASA的GESDISC(GoddardEarthSciencesDataandInformationServicesCenter)开发的一个Web应用程序。Giovanni提供了一个简单,直观的方式来可视化、分析和访问地球科学遥感数据,而无需用户花费大量时间下载数据到客户端。Giovanni数据包括气溶胶、大气化学、大气温度、湿度和降雨量,此外还包括同化模式输出的大气、地表和海洋参数数据。2.3.3ArcGIS ServerArcGISServer是ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)开发的GIS服务软件。它用于创建和管理GISWeb服务,应用程序和数据。ArcGISServer通常部署在面向服务的架构(SOA)或云计算环境中。Web和客户端应用可以连接ArcGISServer,获取其发布的GIS服务。2.3.4Google EarthGoogleEarth最初叫做EarthViewer3D,由Key-hole公司开发,是一个虚拟地球的地理信息软件。2004年10月27日Key-hole公司被Google收购,Google于2005年6月推出了GoogleEarth。它将卫星影像、航空照相和GIS数据叠加映射到3D地球上。GoogleEarth提供了极其良好的用户交互体验和非常丰富的地理信息,比如气象、海洋、3D建筑、道路交通等等。2.3.5World WindWorldWind是NASA的一个开源3D世界浏览器。它利用三维的地球模型将NASA、USGS(UnitedStatesGeologicalSurvey)以及其它网络地图服务商提供的地理信息图像展现出来,里面的模型还包括了火星和月球等。WorldWind结合了诸多最新技术。其中BlueMarble技术使WorldWind的解析度每像素最高可以达到15公尺;MODIS模块实现灾害性事件监视;GLOBE模块实现全球气温变化动态查看。以上平台都有各自显著的特点,但应用于海洋数据场可视化时存在一些不足。在性能和表现效果上存在诸多限制，可视化业务产生的数据需要消耗大量的服务器资源,这不仅大大提高了运行成本,而且过量服务存在发布效率低和用户体验差的问题。例如商业的ArcGISServer开启一个地图服务至少占用20M内存,海量数据发布成地图服务对内存的大量消耗是服务器的一大瓶颈。处理该问题的一般策略是横向扩展服务器和ArcGISLicense的数量,或者构造动态服务池(邓晶,2007),但两者都无法从根本上解决问题。3.研究方案受windmap项目（http://hint.fm/wind/）启发，综合国内外对海洋场数据可视化的研究，我打算综合密度图和流线图两种可视化形式处理海洋场数据。采用的主要技术为JS语言及其相关的HTML,CSS技术等。JavaScript是一种运行在浏览器的脚本，它简单，轻巧，易于编辑，这种脚本通常用于浏览器的前端编程。网站总体建设基于node.js，构建一个强大高效的可视化系统。

Node.js是一个基于ChromeJavaScript运行时建立的平台，用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用。Node.js使用事件驱动，非阻塞I/O

模型而得以轻量和高效，非常适合在分布式设备上运行的数据密集型的实时应用。Node是一个Javascript运行环境(runtime)。实际上它是对GoogleV8引擎进行了封装。V8引擎执行Javascript的速度非常快，性能非常好。Node对一些特殊用例进行了优化，提供了替代的API，使得V8在非浏览器环境下运行得更好。D3是最流行的可视化库之一，它被很多其他的表格插件所使用。它允许绑定任意数据到DOM，然后将数据驱动转换应用到Document中。你可以使用它用一个数组创建基本的HTML表格，或是利用它的流体过度和交互，用相似的数据创建惊人的SVG条形图。其中的地理信息数据需要用到开源项目GDAL，将shp文件转化为JSON格式。GDAL(GeospatialDataAbstractionLibrary)是一个在X/MIT许可协议下的开源栅格空间数据转换库。它利用抽象数据模型来表达所支持的各种文件格式。它还有一系列命令行工具来进行数据转换和处理。采用SVG（可缩放矢量图形）格式表达地理底图，可缩放矢量图形是基于HYPERLINK"/view/159832.htm"\t"/_blank"可扩展标记语言（HYPERLINK"/view/5286041.htm"\t"/_blank"标准通用标记语言的子集），用于描述HYPERLINK"/view/719535.htm"\t"/_blank"二维矢量图形的一种图形HYPERLINK"/subview/33401/5086174.htm"\t"/_blank"格式。网络通信时，主要采用JSON格式，JSON（JavaSc