海洋环境数据三维可视化系统的研究与设计
2023-01-03杨舒翔蒋廷臣聂靖坤
杨舒翔，蒋廷臣*，牛 原，聂靖坤
（1. 江苏海洋大学 海洋技术与测绘学院，江苏 连云港 222005）
目前海洋环境变化现象仍然难以做到及时、准确的测量和预报[1-3]。为了提高海洋气象观测效率，需要海上锚定浮标、漂流浮标和岸基多普勒天气雷达等设备[4]，还需要采用系统工程的思想开展建设，加强顶层设计[5]。数字海洋建设旨在构建一个基于地球球体模型的海洋信息应用服务平台，并开展相关专题特色应用[6]。为了加快建设数字海洋建设，需加强海洋信息可视化技术开发、海洋虚拟现实构建等方面的研究[7]。部分学者针对海洋可视化系统做了一些研究[8-11]，在海洋可视化系统方面取得了一定成果，但是并没有解决目前中国近海海域地区的海洋研究薄弱及观察不够精准等问题，对海洋气候状况把握不够准确。本项目将海洋数据与三维GIS 相结合，通过构建三维地球场景，整合海洋环境数据、海洋气象数据和海洋声学数据，制作海洋数据的三维展示图层，为海洋数据提供一个三维可视化平台。
1 系统架构设计
海洋环境数据三维可视化展示系统在系统设计过程中，采用多层体系架构模式，包括基础设施层、数据层、平台支撑层、功能应用层和展示层。采用组件技术实现基础模块的可复用性，实现平台的灵活性、开放性和扩展性。
1.1 基础设施层
基础设施层主要包括服务器设备、交换机设备、计算机设备和输入/输出设备，主要作用是为了保证整个可视化展示系统的有效管理和实时监督，从而为整个系统的运行保驾护航，提供良好的运行环境。作为整个可视化系统的基础，基础设施层的稳定性可以保证系统的硬件设施正常运行和工作。
1.2 数据层
数据层为海洋环境数据三维可视化展示系统提供数据来源，下层基础设施层为数据提供良好、安全的存储管理环境，上层功能应用层以数据层为基础，进行数据的三维可视化展示。数据层包括海洋气象数据、海洋环境数据、地图服务数据和海洋声学数据等。数据层需要对项目所涉及到的海洋气息数据进行重组织，为展示平台提供汇集数据的能力，并且提供统一的数据获取接入方式。
1.3 平台支撑层
平台支撑层是基于地理服务框架服务来为海洋气象数据三维可视化展示系统提供技术支撑和数据发布，在处理大量从数据层获取的信息同时保证系统的稳定性。
作为项目的展现平台，Cesium JavaScript 提供了基于JavaScript语言的开发包，方便快速搭建一款零插件的虚拟地球Web应用，并在性能、精度和渲染质量上都能得到保证。通过Cesium 提供的API，可以支持多种资源的图像层[12]。
1.4 功能应用层
应用层是海洋环境数据三维可视化展示系统总体架构的核心层，是实现该系统的功能体现。包括气象数据的三维展示、环境数据的三维展示、CCTV 数据展示、海洋声学数据三维展示和地图服务功能，同时预留系统服务接口，保证用户提出新的功能需求时，不需要对整个系统进行改动，只要在接口上进行扩展，图1为项目数据访问示意图。
图1 项目数据访问示意图
1.5 展示层
展示层是海洋环境数据三维可视化展示系统的最上层，是整个系统在用户面前最终呈现。主要包括海洋气象数据展示界面、海洋环境数据展示界面、海洋声学数据展示界面、CCTV 数据展示界面和三维地球展示界面。展示层以桌面端界面的形式展示在用户眼前，通过人机交互的接口与操作人员进行交互，提供直观、简单和友好的界面来实现应用层的功能。
2 系统功能设计
系统功能模块设计主要包括若干功能模块的建设，核心功能分别是GIS 操作功能、数据查询功能、数据服务发布功能模块和数据三维展示功能模块。图2 为可视化平台系统功能框图，从图5 中可以看出，Argo 网络数据库可视化平台主要包括5 个方面的功能，分别是GIS操作功能、Argo数据入库功能、Ar⁃go数据查询功能、Argo数据可视化功能和Argo备份恢复功能。其中GIS 操作功能包括图层的创建和图层的显示，通过此功能可以实现图层的放大和缩小、满屏显示以及图层的载入和属性信息。Argo 数据入库功能包括网络连接和数据输入2个方面，Argo 数据备份恢复功能包括数据库备份和数据库恢复2 个方面。其中Argo 数据入库和Argo 数据备份恢复功能是服务器端的专属功能，主要是为了实现服务器的数据更新、数据库的维护等工作，特别是Argo 剖面数据和元数据的入库操作以及后台数据库的数据备份和恢复。GIS 操作功能则是使用WebGIS 控件实现Argo 数据的显示和图层信息的操作。Argo 数据查询则是对数据库中Ar⁃go 数据进行检索，包括按浮标编号查询、浮标剖面综合分析以及剖面数据统计等功能。Argo 数据可视化实现了全球Argo 浮标的GIS 显示以及对数据库中已存在的浮标基本信息和剖面数据进行验证，保证数据库中数据的一致性和完整性，包括浮标位置分布图和浮标信息的验证。
图2 可视化平台系统功能框图
2.1 数据查询功能模块
数据查询功能模块主要集成了GIS 界面的操作，包括图层打开、图层属性设置、地理量算、坐标显示、电子地图生成、GIS 的放大、缩小和漫游等操作功能。
针对单个Argo 浮标基本信息的查询，主要包括Argo浮标的剖面层数、首层剖面的时间、坐标和所属权等，要想获得这些Argo浮标的基本信息，只需要在系统查询界面输入Argo 浮标WMO 编号就可以查询到全面的信息。这些信息包括浮标剖面的地理位置和漂移轨迹。当然还可以查询到某一浮标的深层流速，特别是要获得所有浮标的T-S点聚图、地理位置分布图及流速图，可以在系统中输入时间和经纬度坐标范围来进行查询。
在整个查询系统中，除了可以通过输入Argo浮标WMO 编号、时间和经纬度坐标范围来进行查询，还可以通过点击文件菜单栏上的“Argo 数据查询”，然后选择“浮标位置分布图”，接着会在全球地图上显示所有浮标的位置分布。最后选中某一浮标，就会显示出相对应的浮标信息。用鼠标点击该浮标，就可以从服务器中提取该浮标的剖面数据。
2.2 数据服务发布功能模块
针对数据中所包含海洋气象数据、海洋环境数据、海洋声学数据、CCTV 数据，以及三维地球的影像数据，将这些数据以服务的形式，在服务器端进行发布，使得用户利用客户端系统进行操作时，并不需要在每台电脑上都存储相应的数据，只需要通过发布的服务地址，系统将自动找到服务器的发布的数据服务。通过数据发布平台，只需要一次数据发布，即可多次和多台设备进行访问。
数据服务发布模块具体包括全球影像地图发布、海洋气象数据发布、海洋环境数据发布、海洋声学数据发布和CCTV数据服务发布5个部分。
1）全球影像地图发布。全球影像地图主要是栅格地图，将栅格地图通过GeoServer进行发布，保证三维球体在显示时能够展现全球影像数据。
2）海洋气象数据发布。常见气象海洋数据有Ar⁃go、HYCOM 和SSH 等几种，主要是在服务器端通过服务的形式进行发布。
3）海洋环境数据发布。海洋环境数据包括海洋温度数据、海洋盐度数据、海洋深度数据、洋流数据和海洋波浪数据，将这些数据在服务端以服务的形式进行发布。
4）海洋声学数据发布。海洋声学数据主要包括声源点数据，利用服务器将声源点数据进行服务发布。
5）CCTV 数据服务发布。CCTV 数据主要包括声音数据、文字数据和图像数据，这一部分可根据实际需求，以服务的形式进行发布，也可以通过本地文件打开。
2.3 数据三维展示模块
系统数据三维展示主要是针对海洋气象数据、海洋环境数据、海洋声学数据、CCTV 数据和三维地球的影像数据，通过服务器发布的数据服务，将这些数据在三维球体上进行展示。数据三维展示功能模块包含海洋气象与CCTV 数据三维展示、海洋环境数据三维展示、海洋声学数据三维展示和地图服务功能展示等部分。
Argo、HYCOM、SSH 等常见气象海洋数据在三维地球上进行展示，用户可通过拖动球体对数据的每一个部分进行详细的查看，也可将三维地球转换成二维平面的形式，从总体上进行数据的展示。
1）用户可通过特定的CCTV 数据展示界面，查看这些数据。
2）海洋环境数据可以通过服务器发布的服务来获取，并在三维地球上进行展示。
3）地图服务功能是海洋相关数据展示的底图基础，以三维地球的形式呈现在用户眼前。用户打开系统界面首先就能看到三维地球，在三维地球上，提供了放大、缩小、拖拽、旋转和二三维平面切换的功能，用户通过常用鼠标操作即可实现这些功能，具有较强的实用性。
3 结 语
本文基于HTML 语言进行海洋气象数据三维可视化展示系统的研究与设计，将海洋数据与三维GIS 相结合，通过构建三维地球场景，整合海洋环境数据、海洋气象数据和海洋声学数据，制作海洋数据的三维展示图层，为海洋数据提供一个三维可视化平台。
本文从系统架构设计、系统功能设计和数据三维展示等3 个方面展开论述，详细介绍了海洋气象数据三维可视化展示系统的研发过程和实际应用。在系统设计过程中，采用多层体系架构模式，包括基础设施层、数据层、平台支撑层、功能应用层和展示层。为了实现平台的灵活性、开放性和扩展性，采用了组件技术，一定程度上实现了基础模块的可复用性。通过该系统可以即时掌握海洋大气温度、海浪、海风、海洋盐度和洋流等海洋环境要素的具体信息，对于研究海洋至关重要。因此，该系统可以广泛应用于海洋气象、海洋环境、海洋声学、海-气变化和海洋经济发展等研究中，对于实现海洋环境数据的多维动态即时展示和综合可视分析功能，提升海洋数据应用服务效能具有现实意义。
后期还要针对系统的使用进行推广培训。系统建设是一个综合性工程，为保证平台使用的整体效果，对管理人员、系统维护人员以及使用人员进行整体的平台介绍以及相关配套的管理机制要求，以期让培训人员对平台的整体价值、管理机制和平台概况进行全面了解。培训主要根据《用户使用手册》的内容，结合详细实例，说明每一个子系统的内容和实际功能，就能方便用户快速了解掌握系统，又能通过文档向用户广泛地征求意见，有利于系统进行快速、有效和准确的分析验证，不断完善系统功能结构体系，使之发挥更大的效用。
