InforShell
eEarthSolutions

海洋数据三维可视化应用软件
多层水平、垂直剖面、三维插值计算填图立体可视化
基于水平分辨率 4km 的三维可视化数据库 VisaulDEMdb


中国代理: 北京波拉萨特科技有限公司
恰购咨询请与: fx_polasate@163.com 或
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目录:

  • 概述 eEarthSolutions
  • 海洋气象&环境数据映射到DEM地图
  • 可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)基本功能
  • 读入海洋气象&环境数据文件
  • 海洋气象&环境数据插值计算填图可视化
  • 海洋水平二维数据标量插值填图可视化
  • 海洋水平二维数据矢量插值填图可视化
  • 海洋垂直剖面标量类数据插值填图可视化
  • 海洋标量类数据插值三维填图可视化
  • 海洋标量类海浪高数据插值三维动画填图可视化
  • 海洋洋流矢量类数据插值三维动画填图可视化
  • 海洋数据层间的插值(用户目标层插值填图)可视化
  • 海洋等值体在三维空间的离散分布
  • 用户离散海洋数据插值生成三维格点数据文件
  • 专业用户算法研发

  • 相关网页链接:
  • MODAS海洋数据读取
  • NetCDF格式文件读取
  • 生成气象三维格点数据文件应用软件
  • 精细化气象&环境数据插值计算与填图软件工具(基于DEM 水平90m分辨率)


  • 概述 eEarthSolutions

        位于远洋海面或水下作业的船舰在需运行 “海洋观测数据三维可视化应用软件” 时,因船舰通信条件的限制,获取三维可视化系统所需的海量数据会遇到困难。解决上述问题的方法是将 静态地理信息数据库与海洋数据三维可视化应用软件集成在船载计算机上。同时,仅将隶属船舰作业区的海洋气象数据子集交由船舰通信系统获得。其中:

    • 静态地理信息数据库拥有海量数据,例如DEM数据及点点投影对应的海洋洋面实彩色遥感图像。
    • 作业区海洋气象数据子集是从具有海量数据的海洋观测多层三维格点格式数据中按经纬度提取。例如,MODAS即采用按作业区提取数据子集推送到船舰的运作模式。
        船舰在接收到海洋作业区观测三维格点数据子集后,因三维格点数据在水体空间中的分布与海域DEM有密切关联,所以应用软件将三维稀疏离散分布的格点数据经无间隙和平滑的三维插值计算并填图在海域DEM三维图中是一重要的技术手段。经应用软件上述处理后,在目标海域工作的船舰可获得海洋气象&环境多层数据的水平、垂直剖面、三维插值填图可视化。该插值填图可视化是在具有DEM数据的遥感三维可视化海域背景图中,从而大幅度提高数据的可用和可读性。

        为达到上述目标功能,InforShell 集成整合了下述静态地理信息数据库和eEarth应用软件构成了eEarthSolutions 软件包, 以此提供海洋气象&环境插值计算与填图三维平台并支持船载运作方式。
    • eEarth 三维地理地图浏览器;
    • 气象&环境数据插值计算与填图功能库, 动态插入eEarth(DLL);
    • 三维可视化海拔高度水平分辨率4km(DEM)数据库。
    海洋气象&环境数据映射到DEM地图

         在 VisaulDEMdb-4km 中, 每一个像素点代表4X4km地表面积并均拥有经纬度, 海拔高度(海洋深度). InforShell 使用了下列方法为每一个像素获得对应的海洋气象&环境数据细密插值:

    • VisaulDEMdb-4km 的eEarth 浏览器支持导入多个水文三维格点数据或浮标站自动采集的各种海洋气象&环境数据并在eEarth的二, 三维图面上按经纬度显示;
    • 在eEarth 浏览器中提供一插值计算气象&环境数据的动态插入功能库(DLL)接口;
    • 在浏览器运行时, 可向DLL提交各种气象&环境数据及每一像素的经纬度, 海拔高度, 以供插值计算使用;
    • 由DLL计算得出的插值可回送浏览器并在eEarth的二, 三维图界面对像素染色或绘等值线图(气象&环境填图);
    • 对用户开放DLL源程序码, 支持专业人员研发优化插值的计算方法.

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    可视化DEM数据库(VisaulDEMdb)基本功能

    <一> 遥感实彩色图像&DEM 二维可视化基本功能

    可视化DEM数据库VisaulDEMdb-4km按覆盖区域分为两个不同的版本,它们分别是:

    • VisaulDEMdb-4km-G: 覆盖全球海域;
    • VisaulDEMdb-4km-CN: 覆盖中国周边全部海域;
    用户可根据海洋作业区的分布位置选用其中任一版本。VisaulDEMdb的浏览器eEarth应用软件 支持用户:
    • 按经纬度跳转到目标区域;
    • 无缝隙漫游海洋洋面遥感实彩色图像或伪彩色渲染的2.5维海床地貌;
    • 鼠标随动获取任一像素点对应的海拔高度及经纬度数据;
    • 调用三维图或指定海拔高度区域, 动态分析地表海拔高度地型;
    • 平台支持导入用户船舰运行状态的数据文件,其中包括:(经度,纬度,目标名,类型,高程,方向,速度);
    • 为平台嵌入用户的数据, 连接GPS, 测算两点间距离, 多点间面积, 等等。

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    图示 1. 中国南海伪彩色渲染2.5维海床可视化图 (水平4km分辨率DEM)

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    图示 2. 亚丁湾海域实彩色三维可视化图 (全球水平4km分辨率DEM)


    <二> 海洋经纬度段景 三维海床可视化功能

    在二维视窗中支持使用鼠标按经纬度指定海洋作业区中心位置,宣称三维视窗覆盖经纬度段景矩形域的大小。在三维视窗弹出后将显示用户的海洋作业区三维经纬度段景(后续简称XY段景)。户用可在三维视窗中:

    • 鼠标驱动自由旋转海床XY段景三维可视化图以获得最佳视角;
    • 鼠标驱动自由放大缩小海床XY段景三维可视化图;
    • 在二维视窗中鼠标随动驱动海床XY段景三维可视化图漫游;
    <三> 海洋高程段景 三维海床可视化功能

    在三维经纬度段景视窗中,支持用户宣称海床高程段景的底高边界和段景的厚度值。随后在三维视窗将显示用户的海洋作业区三维经纬度段景的高程段景(后续简称XYZ段景)。户用可在三维视窗中指定放大缩小XYZ段景的显示高度。


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    图示 3. 中国南海XY段景伪彩色三维可视化图 (水平4km分辨率DEM)
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    图示 4. 中国南海的XYZ段景伪彩色三维可视化图 (水平4km分辨率DEM)
    XY段景域:东经112.8 到 114.16; 北纬 10.13 到 11.46;
    Z段景底高 -400m; 厚度200m; 垂直放大

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    读入海洋气象&环境数据文件

    eEarthSolutions 的浏览器eEarth应用软件 支持 读入多种格式的海洋数据文件, 例如:
    • 海洋-浪高 (标量类数据);
    • 海洋-涌高 (标量类数据);
    • 海洋-海水温 (标量类数据);
    • 海洋-声速 (标量类数据);
    • 海洋-盐度 (标量类数据);
    • 海洋-洋流UV (矢量类数据);
    • 风UV (矢量类数据);
    • 等等.

        被导入气象&环境站的各种海洋气象数据可在DEM的二, 三维图面上按经纬度显示. eEarth 随三维可视化视窗提供了自由流畅的鼠标随动三维可视化图旋转, 翻滚, 推拉操作控制. 在三维视窗内矢量图标的大小和颜色随字体设定而变. 当三维可视化图像旋转时, 矢量图标的方向以视窗边的 “指北图标” 为参照坐标旋转.

        关于其它格式的海洋数据请阅读: MODAS海洋数据可视化软件关于 NetCDF 格式文件网页.

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    图示 5: 导入稀疏分布的海洋Modas格式的海洋 UV 海流数据三维视窗显示

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    海洋气象&环境数据插值计算填图可视化

    eEarth与DLL配合支持对矢量或标量格式的气象&环境数据按像素水平分辨率精度做细密, 平滑递变插值计算. 插值结果将被映射填图可视化到DEM的二, 三维图面的每一像素点并以彩色渲染显示. 用户在二, 三维视窗中使用鼠标随动可读出任一像素点的气象插值数据和经纬度.

    <一> 海洋水平二维数据标量插值填图可视化:
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    图示 6: 中国东海XY段景 - (0m)层海洋水温度插值二维水平填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)

    <二> 海洋水平二维数据矢量插值填图可视化:

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    图示 7: 中国东海XY段景 - (0m)层海洋UV插值二维水平填图动画可视化效果截图 (水平4mk分辨率DEM)

  • 二维动画填图 - 平滑步进位移,流尾线;
  • 高密度分布流尾线 - 表达湍流或紊流区域;
  • 低密度分布流尾线 - 表达稳流区域;
  • <三> 海洋垂直剖面标量类数据插值填图可视化:

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    图示 8: 中国东海XY段景 -目标线垂直剖面海洋水声速数据插值填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)
    附加鼠标随动十字游标的垂线剖面声速数据曲线图

    <四>海洋三维标量类数据插值三维填图可视化:

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    图示 9: 中国东海XY段景 - 海洋水体多层声速四维 "稀疏塔林式" 趋势插值三维填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)

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    图示 10: 中国东海XY段景 - 海洋水体中鼠标随动点垂线多层声速四维趋势插值三维填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)

    获取贴近用户目标船舰位置的声速数据特征

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    图示 11: 中国东海XYZ(-180m至-400m)段景 - 海洋水体声速(-300m层)趋势插值半透明三维填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)
    鼠标随动读取插值

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    图示 12: 中国东海XYZ(-180m至-400m)段景 - 海洋水体多层声速水平趋势插值非透明三维填图可视化效果 (水平4mk分辨率DEM)
    鼠标随动读取插值



    <五> 海洋浪高 - 标量类 数据插值三维动画填图可视化效果示例:

    为提高海洋“海浪高”标量填图的可读性和可理解性,eEarth在提供半透明和非透明彩色三维填图基础上还附加提供了海浪三维动画填图可视化供用户选用. 形式为:


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    图示 13: 中国东海XY段景 - 海洋海浪高(-0m层)趋势插值三维动画可视化截图效果 (水平4mk分辨率DEM)

    <六> 海洋洋流 - 矢量类 数据插值三维动画填图可视化效果示例:

    为提高矢量流填图的可读性和可理解性,eEarth采用了下列技术:

    • 三维动画填图 - 平滑步进位移,流尾线和矢量图标;
    • 高密度分布流尾线 - 表达湍流或紊流区域;
    • 低密度分布流尾线 - 表达稳流区域;
    • 供选用动画填图方法 - 同步彩色流线、 异步白色流线、同步彩色矢量加白色流线图。


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    图示 14: 中国东海XY段景 - 海洋洋流UV矢量(-300m层)趋势插值三维动画可视化截图效果 (水平4mk分辨率DEM)

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    图示 15: 中国东海XYZ段景 - 海洋洋流UV矢量(-300m层)趋势插值彩色流尾线三维动画可视化截图效果 (水平4mk分辨率DEM)
    鼠标随动读取插值

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    图示 16: 中国东海XYZ段景 - 海洋洋流多层UV矢量趋势插值三维动画可视化截图效果 (水平4mk分辨率DEM)
    鼠标随动读取插值

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    海洋数据层间的插值(用户目标层插值填图可视化)

    <一>关于数据层

    目前对地表或海洋的气象、环境、水文的探测数据点均具有三个坐标属性(经度,纬度,高程)。当探测数据经过处理后生成的网格数据格式中,每一个节点数据仍保持有三个坐标属性(经度,纬度,高程)。对具有相等高程的数据子集可视为同一数据层

    例如海洋MODAS数据文件中包括海水的:

    • 温度
    • 盐度
    • 密度
    • 声速
    • 海流(u分量)
    • 海流(v分量)
    • 海面高度

    同时, 海洋MODAS的每一个数据节点拥有三个坐标属性. 它们分别是 经度, 纬度和深度. 其中经纬度间距是均匀的(1/12度)而深度间距是非均匀的. 例如共51层的数据节点深度间距分布为: ( 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1750, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000 );

    <二>关于用户目标层

    在eEarth浏览器中,对两数据层之间由用户指定插值填图的高程被称为用户目标层

    当在相邻的两数据层存在有强对流或侧切流的情况下,通常在两数据层之间或许会出现有湍流或紊流区域层。因此,如用户在海洋中作业的位置恰好位于上述情况的高程时则需要做目标层插值填图的操作以了解海况不稳定的环境。

    用户指定目标层方法非常简洁。第一步,用户在三维视窗中指定一标量或UV 矢量数据层启动插值填图可视化操作,这时数据层的高程将被程序缺省设定为目标层的起始高程。第二步,用户可用键盘的:

    • [ - ] 键,目标层的高程以1米为步长递减
    • [ + ] 键,目标层的高程以1米为步长递增
    • [ PgDn ] 键,目标层的高程以10米为步长递减
    • [ PgUp ] 键,目标层的高程以10米为步长递增
    • [ Ctrl ] 键 + 鼠标拨轮(前/后),目标层的高程以1米为步长递(增/减)
    随后程序将自动跟进执行用户目标层插值填图的操作。如用户需快速逐层扫描获取插值填图时,可保持按下上述键以实现自动循环操作。程序支持用户驱动目标层跨越数据层边界进入另一两数据层之间做插值填图可视化。当用户选择目标层的高程逼近数据层的高程时,程序计算得到的插值填图仅收敛于当前数据层的插值填图可视化效果。

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    图示 17. 在该图中的两洋流数据层样本间做用户目标层插值填图可视化的操作
    两样本海洋洋流数据层高分别为-250m和-300m并具有相互侧切的流向

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    图示 18. 在图17中的数据层间指定用户目标层-281m做插值填图可视化的操作,可看出:
    1)受-300m数据层旋流影响的旋流中心直径减小
    2)受-250m数据层流向影响旋流中心出现位移
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    海洋等值体在三维空间的离散分布

    当用户在三维视窗中对多层数据执行插值计算填图操作后,如在垂直显示的数据彩色索引条中自由滑动鼠标,即可鼠标随动获得等值体在三维空间的离散分布。 如用户在数据彩色索引条中点击鼠标左键,三维视窗将锁定当前彩色索引为数据等值目标。其后用户可:

    • 在三维视窗中鼠标驱动自由旋转海床XY段景三维图以通过多种视角更好理解数据等值体立体分布状态;
    • 在二维视窗中鼠标随动驱动海床XY段景以更好理解数据等值体周边关联分布状态

    分析等值体在三维空间的离散分布有多个潜在用途,例如:

    • 对不同时间段的同类数据作上述操作,通过比较截图可直观发现等值体在三维空间中的位移动趋势;
    • 在三维海洋水体空间中发现异常的温、盐通道。

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    图示 19. 海洋声速等值体在三维水体空间的离散分布可视化
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    以专业用户的优质资料为基准,建立三维格点文件(3DDF)

    按国际气象组织和相关海洋MODAS机构发布数据的惯例,通常是采用“三维格点”的数据结构。在该数据结构下每一个数据文件拥有唯一的时间(年、月、日)属性,而在文件中记录的每一个数据均具有经度、纬度、高程及数据类属性。而经度、纬度、高程的属性是按确定的步长将数据分布在三维地理空间中。

    为使3DDF能具有符合国际惯例的数据结构以进行数据趋势比较,可将用户海洋环境初始数据 Raw Data(RD)经软件插值计算处理生成为三维格点文件并作为一种可供选用的基准数据集使用。

    将RD经插值处理生成为三维格点文件需地理高程DEM的数据支撑以保证插值的有效性。以海洋MODAS数据为例,在海洋MODAS数据集中,每一个数据节点拥有三个坐标属性分别是经度、纬度、深度。 其中经纬度间距是均匀的1/12度而深度间距是非均匀的51层。数据节点深度间距分布为: 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1750, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000。在没有DEM数据约束的情况下对海洋中某一经度、纬度点做插值产生3DDF数据节点,假设该点深度为100米如按MODAS的深度序列逐层插值计算,则深度大于100米的数据节点三维分布将被埋入在海床体内的错误地理空间中。为确保RD对某一目标点经度、纬度、深度插值产生3DDF数据节点准确分布在三维水体中。在插值计算前,必须对目标经纬度点的深度序列(D)做DEM冲突验证,即在D同时满足下列两条件时,才可进行插值计算:

    • D ≤ 0,即位于水平线或水平线下
    • D > 目标经纬度点的DEM数值,即位于海床表面高程之上
    依据上述分析,eEarth 软件平台中提供一将RD经插值处理生成为三维网格节点文件工具包。主要目标是对导入的RD数据按用户给出的经度、纬度、高程确定步长自动循环操作, 包括:
      1. 检查每一个数据分布节点经度、纬度的目标高程与DEM的冲突
      2. 对不与DEM出现冲突的有效的三维地理空间点做RD数据插值计算
      3. 将插值得到的数据与经度、纬度、高程属性一并写入磁盘三维格点文件

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    图示 20. 稀疏分布的用户海洋洋流数据

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    图示 21. 由图19中的用户数据生成的格点文件
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    专业用户算法研发

    从软件技术角度讲, InforShell 构建eEarthSolutions 主要是完成了消耗大量人时的繁杂的基础环境软件编程工作. 目的是希望该eEarthSolutions 可以作为基础和数据可视化环境, 服务于相关算法的研发, 如:

    • 环境&气象数据插值, 分析综合精确算法;
    • 资源勘探数据精确插值; 等等.
    高端专业研究人员在eEarthSolutions 的基础上可以节约大量构造数据管理及图视化环境的时间将主要精力集中在创新算法的实现和优化上.

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