基于时空维度的海洋预报产品可视化方法分析与应用

孙晓宇，吕婷婷，高义

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100101）

基于时空维度的海洋预报产品可视化方法分析与应用

孙晓宇1，吕婷婷2，高义1

（1.国家海洋环境预报中心，北京100081；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100101）

摘要：基于分形学理论对我国的海洋环境预报产品信息展现形式进行了维度分析，目前海洋环境预报要素主要包括海面风、海浪、海流、潮汐、海冰、海啸、风暴潮以及生态要素等，按照预报信息所具有的点、线、面、体空间形态可以分别以零维，一维，二维，三维4种可视化方法进行展示，同时每一种空间可视化方法均可以与时间维结合形成更高维度的时空可视化方法。海洋环境预报产品均包含时间、地点、要素3要素特征，因此零维点和一维空间线形不能孤立存在，必须包含在二维面或三维体中展示。可视化技术的快速发展，为预报产品的信息展示提供了技术条件，厘清预报产品的时空特征，相应选取最为适当的可视化方法，可以最大限度的提高预报产品的视觉信息量，对于提高预报的精度和效率、更好服务于辅助决策具有重要意义。

关键词：海洋预报；时空；可视化；维度

1　　引言

可视化方法就是通过一定的表现手段，让人从视觉上可以更为直观的获取数据里面所蕴含的各种信息。随着海洋环境预报技术的进步和海洋观测大数据时代的来临，海洋环境预报产品也进入了极大丰富时代，从单点、单要素经验预报产品到大面、多要素、多层级、多时相数值预报产品种类繁多。适当的可视化方法可以让人以最快的速度获取更多的蕴含信息。如何选取最合适的可视化方法，必须把握好预报产品的维度特征，维度是分形学的概念［1］，我们经常接触的二维、三维都是整数维［2-3］，直观且易于理解，但实际上在分形理论当中维度是可以非整数，而且维数也不仅仅局限于易于理解的三维空间或者四维时空，而是可以构建更高维度的空间。只有掌握了数据的维度特征，才能选取适合的可视化方法来尽可能的全面展示数据蕴含信息。

本文依据分形维度概念，对海洋环境预报产品可视化方法进行了分析和归类，以期为海洋环境预报产品的可视化方法选取提供参考，对于提高预报的精度和效率、更好服务于辅助决策具有重要意义。

2　　海洋环境预报产品特征分析

传统的海洋环境预报产品按照其表现形式一般可以分为3类，第一类为纯文字描述形式，通常配合表格使用；第二类为文字和图形的混搭形式；第三类为图形形式。随着数值预报技术的快速发展，图形元素在海洋环境预报产品中的比重越来越大，传统可视化方法难以满足对时间序列大面信息的展示。GIS技术、虚拟现实技术的发展以及视频终端技术的多样化给海洋预报产品的有效展示提供了技术条件［4-7］。厘清海洋环境预报产品具有的维度特征，对于选取适当的可视化方法具有重要意义。

时间、地点、人物是写作文的三要素，海洋环境

3　　海洋环境预报产品可视化方法

3.1零维可视化方法

用点符号进行信息表达的方法为零维可视化方法，是可视化方法中最简单的一种，通常用颜色或者标注的方式对空间数据某一种或几种属性值进行表达，海洋环境预报当中该方法主要用于表达某一确定空间位置、固定时刻、某种预报要素的预报值，比如水温、浪高、流速、冰厚等。

3.2一维可视化方法及应用

以线形进行可视化表达的方法称为一维可视化方法，在海洋预报产品里面又可以分为两种情况，一种是平面空间上的线形表达，另一种是空间点的时间序列表达。前者在海洋预报产品里面以等值线的形式出现较多，比如温度场的等温线、海浪场浪高等值线等（见图1），也可以用来表达特定区域的边缘，比如海冰外缘线的可视化等。后者多以图表形式出现，比如对具体保障目标进行的风暴潮水位预报、海啸波预报、逐时海浪预报等（见图2）。在加入时间维的可视化方法中，只有一维可视化方法可以通过时间轴的方式通过静态的效果进行表达，更高维度的时间序列表达只能通过对时间片段状态连续播放的方式来实现，下文将具体介绍。

图1海浪高等值线

图2风暴潮单点水位时间序列曲线

3.3二维可视化方法及应用

以面状进行可视化表达的方法通常称为二维可视化方法，在海洋预报产品里面二维可视化方法理论上也可以分为两种情况，一种是平面空间上的面状表达，主要是标注特定区域或者通过颜色或符号的方式表现区域上的差别，比如海浪浪高等值面、海温等值面、风暴潮增水分区、生态灾害区域标定等（见图3），其中等值面的可视化通常是配合等值线一起使用的，如果单独展示则一定配合图例或者说明性文字进行使用。另一种情况是平面空间上的线形在时间序列上的表达，这种可视化方法理论上存在但在海洋预报中应用较少。

图3空间二维海浪预报产品

3.4三维可视化方法及应用

“三维”是我们接触最多的一种可视化方法［11］，一般以“立体感”作为衡量三维的标准，也就是在平面空间基础上可以识别高度概念，在地图学发展过程中还出现了2.5维的数字侧视地图表现方法，即通过渲染技术在二维图形上产生视觉上的假三维效果。海洋环境预报产品在空间上的三维可视化可以分为两种，一种是背景场的三维可视化，主要是对陆地或者水下地形的三维可视化（见图4）；另一种是海洋预报要素的三维可视化（见图5），以数值预报产品为主，主要以数据在垂直高度上的分层结构实现产品的三维空间化，一般以颜色或者符号的方式描述预报要素数值的大小。空间三维可视化产品难以通过静态图的形式实现，通常根据具体需求按照特定空间路径进行空间游弋方式观察海水属性的变化，通常以gif动画方式生成产品，或者直接通过软件录制成视频产品。

还有一类三维可视化是时空结合的方式构成的，即二维空间加时间维，通常用来表现特定区域海洋表面或者一定深度海水物理属性在一个时间段内以一定时间步长连续变化的过程。比如1 d内逐时海浪浪高的变化过程、海表温度1 a的变化过程等，如图6所示为海面流场随时间变化过程中的一个片段。

图4地形三维可视化

图5预报要素三维可视化

图6时空三维可视化

3.5四维可视化方法及应用

海洋环境预报产品的四维可视化是在三维空间可视化基础上加入时间维来实现的，也就是在时间上连续的三维体构成了四维可视化效果。目前海洋预报空间三维可视化产品还处于探索应用阶段，在国家海洋环境预报中心主持的“十二五”科技支撑项目“全球海洋环境数值预报关键技术系统集成研究及应用”中进行了研究，取得了较好的效果。而时空四维可视化方法是在空间三维可视化基础上的拓展，在实现方法上具有可行性，但受制于人感官的局限性，同一时刻只能清晰观察一个二维面，即使进行数据层的透明处理，图层间的混淆影响也无法去除。因此，目前时空四维海洋环境预报产品在国内外业务化预报系统中很少得到应用。

4　　结论

基于分形学中的经典分维理论对目前我国的海洋环境预报产品信息展现形式进行了梳理和维度分析，按照预报信息的空间形态以及在时间维上的表现，把海洋环境预报信息分为零维，一维，二维，三维，四维5种可视化方法，其中零维可视化方法是用符号、颜色或标注表示一个空间点，一维可视化方法展示的可以是空间线形，同时也可以是空间点的时间序列，二维可视化方法可以展示海洋要素的面状空间分布，也可以是空间线形的时间序列，三维可视化方法用来展示海洋要素在水平和垂向上的立体分布情况，也可以是二维平面的时间序列，四维可视化方法是三维体的时间序列。由于海洋环境预报产品具有较强的空间属性，所以零维（点）和一维空间线形是不能孤立存在的，它们只能是包含在二维面或三维体中的两种可视化方法。随着虚拟现实等可视化技术的发展，海洋环境预报产品将逐渐由数值、文字、二维图形等简单表达方式向图形符号化、动态、多维等高级可视化方法发展，在手机、电脑等多样化视频终端设备的支持下，用户可以更直观、更高效的从中获取更多的信息量。

参考文献

［2］蔡振君，李小娟，孙永华.海洋预报产品可视化系统设计与实现［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2013，34（3）：77-83.

［3］张玲，杨晓平，魏占玉，等.三维数据的二维可视化方法综述［J］.地震地质，2014，36（1）：275-284.

［4］陈迅.2.5维电子地图的制作与发布［D］.西安：西安科技大学，2012.

［5］张志远，谢帮勇，毛一凡.利用NCL制作海洋环境数值预报产品［J］.电脑编程技巧与维护，2014，（12）：81-83.

［6］张世民，卢君峰，林选跃，等.基于C/S与B/S混合模式的海洋预报信息产品制作发布系统［J］.海洋预报，2013，30（3）：66-72.

［7］方长芳，张翔，尹建平.21世纪初海洋预报系统发展现状和趋势［J］.海洋预报，2013，30（4）：93-102.

［8］刘钦政，张存智，刘煜，等.渤海溢油数值预报研究［J］.海洋预报，2005，22（增刊）：70-76.

［9］刘钦政，刘煜，白珊，等.2002-2003渤海海冰数值预报［J］.海洋预报，2003，20（3）：60-67.

［10］李敏，王辉，金啟华.中国近海海面风场预报方法综述［J］.海洋预报，2009，26（3）：114-120.

［11］高志一，于福江，许富祥.海浪预报三维动画计算原理与制作方法［J］.海洋通报，2011，30（2）：172-178.

中图分类号：P714

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）03-0071-05

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.010

收稿日期：2015-01-19

基金项目：国家自然科学基金项目（41201442）；国家海洋局青年海洋科学基金（2013418）；国家海洋公益性行业科研专项（201105017）。

作者简介：孙晓宇（1977-），男，副研究员，博士，从事海岸带GIS与RS相关研究。E-mail：sunxy@lreis.ac.cn预报产品具有类似的特质。海洋环境预报可视化产品无论其表现形式是点、线、面、体或者与时间序列的组合，它都无法脱离开空间而存在，如果没有了空间特征任何预报都失去了意义。同时也不可能脱离时间，它可以是某一时刻的状态或者是连续时刻，即一段时间的状态变化过程；时间和空间是对预报产品内容的外在界定条件，预报要素才是预报产品需要展示的主角。海洋环境预报要素通常包括海浪、海流、潮汐、潮流、风暴潮、海啸、海冰以及赤潮、绿潮等生态要素［8-10］。每一种要素的预报内容都是该要素的特征描述，比如海浪预报内容包括波高和波向，海流预报内容包括流向、流速等。如果按照分形学中经典维数理论对海洋预报数据的可视化方法进行分类，可以按照其点、线、面、体的空间形态分为零维、一维、二维、三维，如果是连续时间序列的空间形态的可视化则可以分为一维、二维、三维、四维，如果考虑其他特殊属性则可以构建更高的维度。严格意义上来讲，对于空间事物的可视化，无论是点状还是线状，它都是空间上的点和线，所以只要以空间形式进行表达它们的维度至少是二维。本文中不过多对分维方法进行探讨，仅借助经典分维方法对海洋预报产品的可视化方法进行分类。

Visualization method analysis and application of marine environmental forecasting product based on spatio-temporal dimension

SUN Xiao-yu1，LYU Ting-ting2，GAO Yi1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China；2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth Chinese Academy Sciences，Beijing 100101 China）

Abstract：Based on the fractal theory，we analyzed marine environmental forecasting products at the aspect of dimension.The mainly forecasting elements included in these products were surface wind，sea wave，currents，tidal，sea ice，tsunami，storm surge and ecological elements.According to the dimensions，the forecast information can be presented by the form of points for zero dimension，line for one dimension，area for two dimensions，and volume for three dimension respectively.Additionally，each of the represent pattern can also be combined with a time dimension.The forecast products can be characterized by three basic feature of time，location and content，so that the product of 0 dimension point and one dimension line geometry cannot exist in isolation，and must be contained in a two or three dimensional medium.With the development of visualization，the present methods of marine environmental forecast products will be more and more and users will be more convenient for obtain information.

Key words：marine forecasting；spatio-temporal；visualization；dimension.