海洋水动力数值预报产品三维可视化表达探讨

吴向荣，李郅明，黄锦龙，贾峰，余肖翰，刘晓春（.国家海洋局厦门海洋预报台，福建厦门36000；.苏州市数字城市工程研究中心有限公司，江苏苏州5000）



海洋水动力数值预报产品三维可视化表达探讨

吴向荣1，李郅明1，黄锦龙1，贾峰1，余肖翰1，刘晓春2
（1.国家海洋局厦门海洋预报台，福建厦门361000；2.苏州市数字城市工程研究中心有限公司，江苏苏州215000）

摘要：利用可视化及虚拟现实技术，实现了海洋预报结果三维可视化，将数值预报结果所要表达的内容以直观的三维形式展示出来，提供一个直观、生动、动态、逼真且多方位、多角度预报结果展示平台，并通过对海洋水动力要素(海浪、潮位、海流)可视化表达方法探讨分析，说明海洋预报三维可视化研究具有广阔的应用前景，必将成为海洋预报结果展示发展趋势。

关键词：数值预报；虚拟现实；虚拟海洋环境；可视化

1　引言

海洋环境预报、海洋灾害预警服务是以实时海洋观测资料为基础，采用先进的数值模拟技术为手段，对未来海洋环境演变做出预测，并且对即将可能发生的海洋灾害做出预警。海洋环境预报、海洋灾害预警服务为协助海洋行政主管部门在海洋防灾减灾工作方面提供了科技支撑，提高了海洋职能部门的决策能力，极大地降低了海洋灾害给社会经济造成的损失，保障人民生命、财产安全。

但是，随着海洋经济的快速发展，当前的海洋环境预报和海洋灾害预警服务已经不能满足经济发展的要求，尤其是海洋环境预报产品以及海洋环境预警信息二维形式表达，在刻画复杂海洋环境及海洋环境要素时空关系方面存在不足，给政府职能部门和海洋管理部门的使用带来不便，同时也不利于普通大众对海洋数值预报信息的认知，阻碍了海洋数值预报信息的普及。

三维可视化技术为海洋数值预报要素的表达提供了新的发展方向，愈来愈多的研究者开始探索如何将三维可视化技术应用于海洋环境要素的分析、处理与表达，这也是海洋环境和信息多维动态可视化研究的热点之一。目前，海洋要素的三维可视化研究主要体现在海岸带场景建模、海浪等要素的三维模拟等方面。如Damien等研究了一种自适应网格模型来生成海面效果，并将PM谱与Gerstner模型相结合从而生成深海波浪[1]；Pozzer等研究了如何采用凹凸纹理映射方法来对海浪进行建模的方法，最终利用固体空间动画技术对海浪进行三维动画模拟[2]；王胜正在构建了一个新颖的海浪模拟架构基础上，研究了一个基于统计模型与FFT的波浪生成方法[3]；Google也于2009年初推出了可以大范围展现海底地形的Google Ocean[4]。但是，这些研究主要是面向海洋环境或单一要素的可视化，且功能较为单一，没有将海洋水动力多要素集成进来。另外，基于真实数据场的数值预报三维可视化研究还相对较少，鲜有基于三维技术构建海洋预报信息可视化产品的案例。为解决现有数值预报结果单一、抽象的局限性，本文对海洋预报三维可视化进行了初探，将三维可视化技术及虚拟现实技术应用于海洋预报工作中，以数值预报结果作为水动力要素本底数据，通过可视化模型计算，模拟海洋真实场景（海面起伏、潮涨潮落、礁石岸线淹没等），并利用三维建模技术再现海岸和海面景观，最终加上实际光照条件下的光影效果，将实时动态的海洋场景与静态的岸边景物相结合，模拟展示预报结果，为决策部门和广大市民提供一个直观、生动、动态、逼真且多方位、多角度的预报结果展示平台。

2　关键技术

海洋水动力数值预报产品三维可视化将科学可视化和虚拟现实技术相结合，在虚拟地理环境中实现数值预报产品科学可视化，并支持交互式操作，在对预报产品进行科学可视化同时，还增强了用户的沉浸感。

目前大多数的海洋数值预报产品表达主要是以二维图形方法进行展现，辅助以经纬度网格线和简单的二维地图作为背景。本文探讨不只是将海洋现象的科学可视化从二维提升到三维，而且还引入了虚拟现实技术，构建了三维虚拟地理环境，同时又增加了时间维，将各项预报信息按时间进行动态显示。

2.1虚拟现实技术

基于三维可视化技术，同时结合海岸带高程数据、海岸带及近岸遥感影像数据、岸线数据、水深地形数据等，研究构建海岸带三维地形与海洋水体环境的方法，并选择典型的海岸陆地景观（如房屋、道路、绿地等）建立三维模型，构建出虚拟的近海海洋三维场景要素，以生成一个逼真的海洋虚拟环境。

三维海洋环境建模在海洋预报中起着重要的作用，通过基于数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）构建海岸带模型，可以准确地模拟海水对海岸线及陆地的淹没情况，从而为海洋灾害预防和减灾提供定量定性的辅助决策服务。

2.2数据场的可视化映射技术

海洋预报产品可视化系统主要研究在三维虚拟地理环境中实现对海洋数据的科学可视化，帮助用户理解那些错综复杂且以规模庞大的数字形式呈现的海洋现象。

由于系统所用的数据是以NetCDF格式输出的数值预报结果数据集，所以需要先将这些数据集处理为三维空间数据场模型，然后实现对三维数据场的可视化。这需要对数值预报模拟模型生成的数据进行预处理，针对每种数据的特点进行数据集的自适应归一化处理；结合不同的海洋要素可视化方法进行数据映射，形成几何数据、图像数据；再利用OpenGL绘制三维场景，将不同时刻的数据进行动态加载，从而实现动态显示。

3　海洋水动力要素仿真探讨

以基础地理数据、遥感影像数据、海岸带及近岸高程数据、水深地形数据等为基础，以海洋水动力数值模式输出信息产品为支撑，引入实时三维可视化技术及虚拟现实技术，构建出虚拟的海洋场景要素，搭建逼真的基于真实海洋地理信息数据的交互式三维海洋虚拟环境，探讨海洋水动力要素可视化方法，包括海浪、潮位、海流等海洋要素的展示。分析海洋数值模式输出数据格式，再通过OpenGL三维可视化技术，构建海面网格，进行海洋环境要素建模，网格赋值、添加纹理渲染，从而将抽象、难于理解的海洋水动力数值预报结果以三维图形图像的形式予以展示（见图1）。

图1　系统框架图

3.1海洋场景可视化建模

三维海洋场景的虚拟建模主要包括海洋地理环境数据处理和利用获得的信息进行三维建模两个重要部分。本文研究的三维海洋虚拟场景的建模需要获得海岸带的坐标、高程和重要场景信息并对其进行预处理。对拟建模的海洋地理环境进行三维数据采集，包括DEM数据、户外纹理采集等。利用DEM数据构建出三维地形模型；户外采集的地物纹理经过处理后用于构建三维实体模型，包括建筑物、道路、林木等实体模型共同组成地物模型集；将地物模型和三维地形进行匹配，并运用此数据进行几何网格建模，为纹理映射做准备；同时结合遥感影像数据和实地图像数据，与几何网格互相匹配形成最终的三维海洋场景模型。该场景可以直观清晰的展现地形的起伏情况以及城市建筑物的分布情况，从而可以更准确地模拟出海洋预报结果的参照物，为海洋灾害预防和减灾提供辅助决策服务（见图2）。

在构建三维地形模型中，可采用GRID格式的DEM或TIN格式的DEM。由于本系统建模地区面积不大，为了较好的表现复杂地形，在综合研究后，最终选择采用TIN格式的DEM来构建三维地形模型。TIN数据能充分利用地貌的点、线来较好地表示复杂地形，并可根据实地情况和不同地形选取合适的采样点个数，有效地进行地形分析和绘制立体图。但其数据存储与操作复杂，一般适于表示较小区域的高精度地形，而且在模型构造和纹理映射上也会耗费大量计算时间。但近年来计算机软硬件技术发展迅速，多数支持图形显示的硬件都对三角网构建进行了优化，在TIN数据的快速生成、压缩存储以及应用等方面已经取得了突破性进展。

3.2海洋水动力数值预报结果可视化

探讨海洋水动力要素可视化模拟方法（包括海浪模拟、潮位模拟和海流模拟），分析数值预报模式输出格式，探索海洋水动力要素数值模式模拟结果可视化的方法并予以实现，借助三维可视化技术将难理解的、抽象的海洋水动力数值模拟结果数据通过三维图形、图像等表达形式进行展示。

3.2.1海浪可视化

海浪三维可视化的基本过程是：首先对海浪数值模式输出的预报数据进行处理，进行坐标转换，然后提取海浪点，并构建海面网格；再利用海浪谱，构建海浪波；进而对海面进行纹理映射及光照处理，渲染后即可得到海浪的可视化结果。最后利用OpenGL绘制三维场景，将时间作为另外一维加入，通过迭代更新网格点的参数值，得到海浪的动态表示。主要步骤如下：

（1）数据处理

为了减少数据冗余，提高效率，将海浪场预报的样本数据沿地形范围截取；同时将海浪场的坐标与海洋场景地理环境坐标统一至同一坐标系统，并根据浪高值，将海洋点和陆地点区分开，提取海浪点。

（2）构建海面网格

本文采用基于视点的多分辨率划分的网格模型[5]来构建海面网格，其基本思想是：以观察者的视点作参照点，距离参照点近的地方分辨率较高，距离参照点远的地方分辨率划分较低。整个海面可以划分成大量平铺不等的正方形，由于网格随着视点移动而变化，避免了对无穷海域的剪裁，节省存储空间。如何把握网格划分粒度则需要在实验中反复测试，在实时性和真实感之间选取最佳效果。使用基于视点的多分辨率网格划分结构对海面进行绘制，它能基于视点实时高效的生成多层次网格，离视点近的海面划分的网格小，数目多，相反离视点远的海面划分的网格大，数目就少。这样视点近处的海面就呈现出较好的真实感，视点远处的海面被自动地进行了平滑。所以采用基于视点原理的不规则网格拓扑结构绘制海浪，当视点变化移动时，海浪的绘制速度和逼真度并不会降低，也没有明显的图像跳跃现象。该方法由于采用多层不规则网格，计算量相对较小，通过鼠标、键盘实时选取控制模拟区域，便于实现。

（3）海浪建模

海浪模型的建立是海浪模拟的基础，它很大程度上决定了海浪模拟效果的优劣。目前，常用的海浪建模方法主要有：基于动力模型、基于几何造型、基于海浪谱和基于粒子系统4种。综合考虑效率和效果两个指标，选择基于海浪谱建模方法。

海浪谱又称为“能量谱”，是用来表示作为随机过程的海浪的能量与各组成波的分布关系。海浪谱通常根据定点波剖面记录，通过特殊的谱分析方法计算得到。基于海浪谱的建模方法采用适当的海浪谱反演方法模拟海浪，通常采用线性迭加法。这种方法概念清晰，计算快速方便，且模拟结果和海浪谱比较吻合，利用率较高。目前，FFT方法（快速傅利叶变换）是线性叠加法中应用较多的。基于海浪谱建模方法的核心思想是模拟生成一个与真实海面有相同谱性的高度场。而通过FFT则可以合成一个类似海浪谱分布的高度场。基于FFT变化的海浪模拟，是众多海浪模拟方法中效果比较逼真的一种模拟方法。且与基于动力模型方法比较起来，其计算量小，更适合实时虚拟海浪的生成，具有一定真实性。

（4）海浪渲染

如果只通过波高来表现海浪的起伏，形成的动态海面只是一个粗糙的轮廓，缺乏真实感，为了生成更加逼真的海浪，必须对海浪模型进行实时渲染，即添加海面纹理，进行纹理映射及光照处理等海浪渲染手段，才可得到逼真的海浪可视化效果。同时利用OpenGL技术绘制三维场景，将时间作为另外一维加入，主要表现为海浪场预报数据的动态显示和更新。从而可以通过迭代更新网格点的参数值，得到海浪的动态表示（见图3）。

图2　地形和建筑物可视化

图3　海浪可视化效果展示

3.2.2潮位可视化

潮位的变化，描述的是海洋表面高度周期性的涨落现象。潮位的可视化着重表现海洋涨落潮过程的起伏形态，对潮间带沙滩、岩石、堤防等淹没程度及范围的变化过程，并添加各种光照效果以营造出较真实的场景。潮位模拟可视化实现的过程为：

（1）数据处理

统一高程：由于基础地理信息数据高程采用的是85黄零，模拟潮位数据需统一到85黄零高程基面。

高、低潮处理：潮位数据包括整点数据以及高、低潮数据。高、低潮数据代表着一天中海面高度涨落的极值现象，不可忽略，为了能够将高、低潮准确地体现出来，将高、低潮数据按时间填充到整点的潮位数据中。

潮位网格赋值：建立潮位网格，网格坐标采用与基础地理信息数据统一的坐标系。

（2）潮位可视化方法

潮位网格赋值完成后，基于潮位值构建海面网格，并添加纹理进行渲染，从而得到海面的表达。然后随着时间变化将海面的高度按照潮位值进行变化，从而达到潮位的三维可视化。

（3）动态显示

将整点时间和高潮时刻潮位情景按顺序连续显示，实现动态效果，并实时显示预报时间、潮位值及高、低潮等信息（见图4）。

3.3.3海流可视化

海流属于流体的运动，是海水在海洋中的流动。对于流体的运动，现实中是无法直观表现的。流体的运动在计算机实现方面，计算机是要通过图形来表现可见物的，不可见的流体需要借助其他符号或物体来表现。在传统的预报中，流场通过欧拉法的静态图像进行展示，使用符号和颜色表达。对于海流的表现形式，本研究采用几何体——三维箭头的方式，用箭头的方向指示海流的方向，箭头的长度与流速大小成比例，颜色表达流速的大小。

目前在动态显示方面，基于欧拉法的流场无法表现出海水运动位置变化以及海水运动等效果。为提高流场运动模拟的真实效果，本研究采用拉格朗日法追踪流体中各质点的运动过程，从而展现流体中各水质点随时间变化的运动轨迹及其运动速度和方向。具体做法为通过Delaunays三角形化方法实现网格自动剖分和局部加密网格将流场划分生成非结构化网格，并在流场中布设一定量水质点作为跟踪目标，采用射线寻址扫描的方法来寻找质点运动的位置，经转换及函数插值算法，着重对流速矢量分布进行合理地控制及流场几何边界的处理，以矢量箭头表示当前时刻的流速和流向，随着时间的推移，跟踪所有水质点的位置变化，从而营造出海流运动以及海水辐聚、辐散等效果（见图5）。

图4　潮汐可视化效果展示

图5　海流可视化效果展示

4　结论与展望

本研究利用三维可视化技术，构建基于真实地理数据的虚拟海洋场景，探讨了海洋水动力要素可视化展示方法，通过浪、潮、流的可视化将海洋水动力数值预报结果所要表达的内容以直观的三维形式展示出来。本文研究的海洋水动力数值预报结果三维可视化是海洋预报三维可视化展示的一次有效尝试，但是由于预报模式网格空间分辨率较粗，数据稀疏且变化不大，无法细致体现出局部变化情况。因受计算能力的限制，同时考虑到用户的操作等待时间不能过长，部分可视化模块的实现只能选择计算相对简单的仿真技术，如果为了追求逼真度，需大规模、频繁地使用如粒子系统等复杂的仿真技术，其计算量将急剧增长，这对仿真系统的稳定性影响是灾难性的。因此本研究不管是在数值预报的精细化程度和准确率上，还是在虚拟现实技术应用上，都有很大的提升空间。

随着科技的发展海洋预报三维可视化必将是未来预报的发展趋势，其应用前景是广阔的。用三维场景来展示预报，使得数值预报的计算结果一目了然，并且预报数据与实测数据作比对，实时视频与模拟场景作进一步参照，将使海洋预报三维可视化系统成为一个直观、生动、动态、逼真且多方位、多角度的预报结果展示平台。

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Discussion for marine forecast 3-D visualization

WU Xiang-rong1, LI Zhi-ming1, HUANG Jin-long1, JIAFeng1, YU Xiao-han1, LIU Xiao-chun2
(1. Xiamen Marine Forecast Station of SOA, Xiamen 361008 China; 2. Suzhou Digital City Engineering Research Center Co.,LTD, Suzhou 215000 China)

Abstract：Based on the visualization and virtual reality technology, the marine forecast results shown in a 3D visualization way are realized. The expression of numerical prediction results in the form of 3D intuitively could provide the public an intuitive, vivid, dynamic, realistic and multi-faceted, multi-angle forecasting results showing platform. Through discussion of the visual display method of marine hydrodynamic elements including wave, tide, currents and so on, it illustrate 3D visualization research of marine forecast has a board application prospect, and will certainly become the trend of marine forecast results show.

Key words：numerical forecast; virtual reality; virtual marine environment; visualization

作者简介：吴向荣（1974-），女，高级工程师，硕士研究生，主要从事海洋观测预报工作。E-mail：wxr_xm@163.com

基金项目：国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201005036）

收稿日期：2014-06-11

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.012

中图分类号：P317.4

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）02-0079-06