CN102831644A

CN102831644A - 一种海洋环境信息三维可视化方法

Info

Publication number: CN102831644A
Application number: CN2012102359429A
Authority: CN
Inventors: 刘厂; 贾韧峰; 赵玉新; 沈志峰; 高峰
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明公开了一种海洋环境信息三维可视化方法，属于三维可视化技术领域，包括：步骤一：三维地球模型的构建；步骤二海洋环境信息数据的三维可视化实现。其中步骤一包括数据预处理、数据分层分块和三维地球模型的生成三个步骤。步骤二包括海洋环境信息数据预处理、三维图像的绘制以及三维图像的显示三个步骤。本发明利用可视化技术实现了海洋环境信息的三维可视化，构建了三维地球模型，为海洋环境信息生动、形象地表达提供了宏观的背景场。且本发明结合海洋环境信息的特点，针对不同类型的海洋环境要素，设计了不同的三维可视化方法。使海洋环境信息更加形象、逼真地展示出来，有利于业务人员进行直观地分析，更好地利用海洋环境信息。

Description

一种海洋环境信息三维可视化方法

技术领域

本发明属于三维可视化技术领域，特别涉及一种以三维地球模型为背景场，实现海洋环境信息三维可视化的方法。

背景技术

近年来，随着对海洋开发的重视，各种新的技术和手段被用于海洋观测与数据获取，由此积累了大量的海洋环境信息数据。如何有效地利用海洋环境信息已经成为一个重要的研究课题，而如何直观、形象地表达海洋环境信息及其变化趋势成为研究的焦点。

伴随着在海洋开发过程中人们日益多样化的海量信息需求，原有的二维海洋环境信息已经日渐不能满足实际生产研究的需要。快速、高效的数据模型，流畅、逼真的三维场景渲染方式，日益成为海洋环境信息表达的一种趋势。

随着计算机技术的发展，三维可视化技术已广泛应用于各个领域。三维可视化技术可以将真实的三维信息还原到三维场景中，逼真再现实际场景中的信息，使人们更加清楚地从宏观上认识事物。目前，三维可视化技术在海洋环境信息方面虽有一些应用，但还处于初级层次，还没有专利对海洋环境信息的三维可视化进行研究，董文等在文献《基于球体的海洋标量场要素的三维可视化技术研究》中，只是研究了在球体上实现海洋标量场要素的三维可视化，而没有考虑矢量场要素的三维可视化。

发明内容

本发明公开了一种海洋环境信息三维可视化方法，该方法以三维地球模型为背景场，将不同类型的海洋环境要素以不同的绘制方法进行绘制并显示出来，从而实现海洋环境信息生动、形象地表达。

本发明提出一种海洋环境信息三维可视化方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：三维地球模型的构建；

（1）数据预处理

在构建三维地球模型之前，需要对高程数据和影像数据进行预处理，包括高程数据和影像数据的数据格式转换和坐标系转化：

1)数据格式转换

利用Geospatial Data Abstraction Library库完成把高程数据和影像数据转换成栅格数据；

2)坐标系转化

利用ERDAS软件对转换为栅格数据后的影像数据重新定位坐标系统，将转换为栅格数据后的影像数据的坐标系统转化为与转换为栅格数据后的高程数据相一致的坐标系统；

（2）数据分层分块

构建三维地球模型时，利用细节层次技术建立同一地区的多分辨率金字塔结构模型，绘制场景时，在满足精度要求的前提下，根据视点的变化，动态调度不同分辨率的高程数据和影像数据，通过构建金字塔模型，直接从不同层调用不同分辨率的高程数据和影像数据，避免实时重采样的时间，具体为：

金字塔的最底层包含一个瓦片，为一个地形单元，其顶点的行、列数为64×64，该层地形表达的信息量最小，精细度最低，第1层在第0层的基础上分为4个瓦片，每个瓦片的顶点行、列数仍为64×64，因此整个地形区域内第1层的瓦片数为第0层瓦片数的四倍，分辨率变为第0层的2倍，以此类推，第n+l层所含瓦片数为第n层瓦片数的4倍，分辨率为第n层的2倍，从而高程数据和影像数据变为四叉树结构的多分辨率分层数据；

（3）三维地球模型的生成

利用分层分块处理后的多分辨率分层数据，应用建模技术来构建三维地球模型，并按照层级关系命名三维地球模型文件，建立有效索引机制，便于高程数据和影像数据的动态加载，实现过程是：从第0层开始，以瓦片(tile)为单位，通过构建不规则三角网来创建三维地球模型，具体构建方法如下:

取瓦片内任意相邻的、可构成矩形的四个顶点A、B、C、D，行列序号分别为(r,c)、(r,c+1)、(r+1,c)、(r+l,c+l)，其中r代表顶点的行号，c代表顶点的列号，分别计算AD、BC之间的高差，若AD之间高差较大，则连接A、D两点，构成ACD、ABD两个三角形，若BC之间高差较大，则连接B、C两点，构成BAC、BDC两个三角形，该瓦片内其他顶点也按照此方法依次构建三角形，直到所有顶点构建完为止，其他各层按照第0层的构建方法依次构建不规则三角网，实现三维地球模型的构建；

构建好的三维地球模型以二进制ive的文件格式存储到硬盘上，对同一层的多个ive格式的三维地球模型文件按照File_L_X_Y的命名规则进行命名，其中File为目标索引文件名；L为高程数据和影像数据所在的金字塔模型层数；X为三维地球模型文件在该层中的行号；Y为三维地球模型文件在该层中的列号，利用三维渲染引擎OSG加载生成的三维地球模型文件，实现三维地球模型的显示；

步骤二海洋环境信息数据的三维可视化实现

在建立的三维地球模型的基础上，根据不同类型的海洋环境要素，设计不同的绘制方法进行绘制并显示出来，实现在三维球体上生动、形象地展示海洋环境信息，具体步骤如下：

（1）海洋环境信息数据预处理

根据查询区域的不同，对海洋环境信息数据分为两种情况处理，一种是对分布密集的海洋环境信息数据，在不影响可视化效果的前提下，按照一定的经纬度范围加以精炼和选择，以减少数据量；当数据分布过分稀疏而影响可视化的效果时，对其进行有效的插值处理采用反距离权重插值法进行处理，插值公式为：

z_{p} = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{z_{i}}{d_{i}^{k}}] / [Σ_{i = 1}^{n} \frac{1}{d_{i}^{k}}]

其中z_p为内插点p的估计值，z_i为采样点i的统计值，d_i为采样点i与内插点p之间的距离，n为邻近的采样点数目，k为指定的幂数；

（2）三维图像的绘制

对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制；对于属于矢量场数据采用箭头表示法进行绘制：

1）属于标量场数据的可视化

对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制，在颜色和海洋环境信息数据之间建立一种映射关系，用不同的颜色来表示不同数值的海洋环境信息数据；

2）属于矢量场数据的可视化

由于矢量场数据既有大小，又有方向，为了表达出属于矢量场的海洋环境信息数据的信息，采用箭头表示法进行绘制；

（3）三维图像的显示

将绘制好的海洋环境信息数据的三维图像显示在以三维地球模型为背景的场景中，实现海洋环境信息展示，绘制的海洋环境信息数据的三维图像经过坐标变换显示在屏幕上，具体为：

1）模型变换：通过模型视图矩阵将绘制的海洋环境信息数据的三维图像正确地放置在以三维地球模型为背景的场景中；

2）投影变换：利用投影矩阵将以三维地球模型为背景的场景中绘制的海洋环境信息数据的三维图像投影到垂直于视线方向的二维成像平面上，从而得到设备坐标；

3）视口变换：通过视口变换矩阵将投影变换之后得到的设备坐标转换为窗口坐标，最终使图像在屏幕上显示。

本发明的优点在于：

1、本发明提出一种海洋环境信息三维可视化方法，利用可视化技术实现了海洋环境信息的三维可视化。构建了三维地球模型，为海洋环境信息生动、形象地表达提供了宏观的背景场。

2、本发明提出一种海洋环境信息三维可视化方法，结合海洋环境信息的特点，针对不同类型的海洋环境要素，设计了不同的三维可视化方法。使海洋环境信息更加形象、逼真地展示出来，有利于业务人员进行直观地分析，更好地利用海洋环境信息。

附图说明

图1为三维地球模型构建流程图。

图2为海洋环境信息三维可视化实现流程图。

图3为图像坐标变换流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种海洋环境信息三维可视化方法，包括以下几个步骤：

步骤一三维地球模型的构建

为了生动、形象地将海洋环境信息以三维的方式表达出来，本发明以三维地球模型为背景场，实现海洋环境信息的三维可视化。主要是采用高程数据和影像数据来构建三维地球模型，高程数据用来构建三维地球模型的基本形状，影像数据用来增加三维地球模型的真实感。通过对高程数据和影像数据进行处理，生成地球模型文件，来实现三维地球模型的构建，具体模型构建流程如图1所示。具体步骤如下：

（1）数据预处理

为了构建出一个逼真、形象的三维地球模型，在构建三维地球模型之前，需要对高程数据和影像数据进行预处理，包括高程数据和影像数据的数据格式转换、坐标系转化工作。

3)数据格式转换

由于用来生成地球模型文件的数据需为栅格数据，故需对高程数据和影像数据进行格式转换。本发明利用Geospatial Data Abstraction Library（GDAL）库完成把高程数据和影像数据转换成栅格数据。

4)坐标系转化

为保证构建三维地球模型时，高程数据和影像数据建立正确的映射关系，构建三维地球模型的高程数据和影像数据的坐标系统必须为同一坐标系统。本发明利用ERDAS软件对转换为栅格数据后的影像数据重新定位坐标系统，将转换为栅格数据后的影像数据的坐标系统转化为与转换为栅格数据后的高程数据相一致的坐标系统。

（2）数据分层分块

为实现经过（1）处理后的高程数据和影像数据的有效组织管理，构建三维地球模型时，利用细节层次技术(LOD)建立同一地区的多分辨率金字塔结构模型。绘制场景时，在满足精度要求的前提下，根据视点的变化，动态调度不同分辨率的高程数据和影像数据。通过构建金字塔模型，可以直接从不同层调用不同分辨率的高程数据和影像数据，避免了“实时”重采样的时间。构建金字塔结构分层数据的基本思想为:

金字塔的最底层（第0层）包含一个瓦片(tile)，即一个地形单元，其顶点的行、列数为64×64，该层地形表达的信息量最小，精细度最低。第1层在第0层的基础上分为4个瓦片(tile)，每个瓦片的顶点行、列数仍为64×64，因此整个地形区域内第1层的瓦片数为第0层瓦片数的四倍，分辨率变为第0层的2倍，对地形描述更为精细。以此类推，第n+l层所含瓦片数为第n层瓦片数的4倍，分辨率为第n层的2倍，从而高程数据和影像数据变为四叉树结构的多分辨率分层数据。

（3）三维地球模型的生成

利用分层分块处理后的多分辨率分层数据，应用建模技术来构建三维地球模型，并按照层级关系命名三维地球模型文件，建立有效索引机制，便于高程数据和影像数据的动态加载。实现过程是：从第0层开始，以瓦片(tile)为单位，通过构建不规则三角网来创建三维地球模型。具体构建方法如下:

取瓦片内任意相邻的、可构成矩形的四个顶点A、B、C、D，行列序号分别为(r,c)、(r,c+1)、(r+1,c)、(r+l,c+l)，其中r代表顶点的行号，c代表顶点的列号。分别计算AD、BC之间的高差，若AD之间高差较大，则连接A、D两点，构成ACD、ABD两个三角形，若BC之间高差较大，则连接B、C两点，构成BAC、BDC两个三角形。该瓦片内其他顶点也按照此方法依次构建三角形，直到所有顶点构建完为止。其他各层按照第0层的构建方法依次构建不规则三角网，从而实现三维地球模型的构建。

构建好的三维地球模型以二进制ive的文件格式存储到硬盘上，为便于管理和调度，对同一层的多个ive格式的三维地球模型文件按照File_L_X_Y的命名规则进行命名，其中File为目标索引文件名；L为高程数据和影像数据所在的金字塔模型层数；X为三维地球模型文件在该层中的行号；Y为三维地球模型文件在该层中的列号。利用三维渲染引擎OSG加载生成的三维地球模型文件，实现三维地球模型的显示。

步骤二海洋环境信息数据的三维可视化实现

在建立的三维地球模型的基础上，根据不同类型的海洋环境要素，设计不同的绘制方法进行绘制并显示出来，实现在三维球体上生动、形象地展示海洋环境信息，实现流程如图2所示。具体步骤如下：

1.海洋环境信息数据预处理

根据查询区域的不同，对海洋环境信息数据分为两种情况处理。一种是对分布密集的海洋环境信息数据，在不影响可视化效果的前提下，按照一定的经纬度范围加以精炼和选择，以适当减少数据量。相反地，当数据分布过分稀疏而有可能影响可视化的效果时，需要对其进行有效的插值处理。本发明采用反距离权重插值法进行处理，插值公式如下：

z_{p} = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{z_{i}}{d_{i}^{k}}] / [Σ_{i = 1}^{n} \frac{1}{d_{i}^{k}}]

式中：z_p为内插点p的估计值，z_i为采样点i的统计值，d_i为采样点i与内插点p之间的距离，n为邻近的采样点数目，k为指定的幂数。

2.三维图像的绘制

由于不同类型的海洋环境信息数据所具有的属性信息是不一样的，所以本发明根据不同类型的海洋环境要素，设计了不同的绘制方法进行绘制。对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制；对于属于矢量场数据采用箭头表示法进行绘制。

3）属于标量场数据的可视化

对于属于标量场数据采用伪彩色法进行绘制，即在颜色和海洋环境信息数据之间建立一种映射关系，用不同的颜色来表示不同数值的海洋环境信息数据。具体绘制方法如下：

建立几何节点，在几何节点上绘出小四边形格点，每个格点的几何形状用2个三角形表示，每个三角形顶点的颜色由海洋环境信息数据及分层设色带(用颜色表示要素的值)之间的映射关系确定。用户可通过界面编辑来管理分层设色带，分层设色带有一定数目的颜色块，并且每个颜色块由红、绿、蓝和透明度4个值构成，对于不需要显示的内容及海洋环境信息数据中的空值，需设置透明度为0，最终实现海洋环境信息数据的三维图像绘制。

4）属于矢量场数据的可视化

由于矢量场数据既有大小，又有方向，所以为了更形象地表达出属于矢量场的海洋环境信息数据的信息，本发明采用箭头表示法进行绘制。具体绘制方法如下：

建立几何节点，在几何节点上绘出每个矢量箭头，箭头绘制的大小、方向依据要素值大小及方向来确定，具体确定时还要根据要素所在区域的视图比例而定。为了提高绘制的速度，将矢量箭头的绘制提前存入显示列表中，每次在网格点上显示矢量箭头时，只需调用显示列表即可实现海洋环境信息数据的三维图像绘制。

3.三维图像的显示

将绘制好的海洋环境信息数据的三维图像显示在以三维地球模型为背景的场景中，实现海洋环境信息生动、形象地展示。由于绘制的海洋环境信息数据的三维图像的坐标是三维坐标,而屏幕坐标是二维坐标，因此，绘制的海洋环境信息数据的三维图像需要经过坐标变换才能显示在屏幕上，海洋环境信息数据的三维图像的坐标变换流程如图3所示。具体步骤如下：

1）模型变换。通过模型视图矩阵将绘制的海洋环境信息数据的三维图像正确地放置在以三维地球模型为背景的场景中。

2）投影变换。利用投影矩阵将以三维地球模型为背景的场景中绘制的海洋环境信息数据的三维图像投影到垂直于视线方向的二维成像平面上，从而得到设备坐标。

3）视口变换。通过视口变换矩阵将投影变换之后得到的设备坐标转换为窗口坐标，最终使图像在屏幕上显示。

Claims

1.一种海洋环境信息三维可视化方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：三维地球模型的构建；

（1）数据预处理

1)数据格式转换

2)坐标系转化

（2）数据分层分块

（3）三维地球模型的生成

步骤二海洋环境信息数据的三维可视化实现

（1）海洋环境信息数据预处理

z_{p} = [Σ_{i = 1}^{n} \frac{z_{i}}{d_{i}^{k}}] / [Σ_{i = 1}^{n} \frac{1}{d_{i}^{k}}]

（2）三维图像的绘制

1）属于标量场数据的可视化

2）属于矢量场数据的可视化

（3）三维图像的显示

2.根据权利要求1所述的一种海洋环境信息三维可视化方法，其特征在于：所述的步骤二中属于标量场数据的可视化具体为：建立几何节点，在几何节点上绘出小四边形格点，每个格点的几何形状用2个三角形表示，每个三角形顶点的颜色由海洋环境信息数据及分层设色带之间的映射关系确定，用户可通过界面编辑来管理分层设色带，分层设色带有一定数目的颜色块，并且每个颜色块由红、绿、蓝和透明度4个值构成，对于不需要显示的内容及海洋环境信息数据中的空值，需设置透明度为0，最终实现海洋环境信息数据的三维图像绘制。

3.根据权利要求1所述的一种海洋环境信息三维可视化方法，其特征在于：所述的步骤二中属于矢量场数据的可视化具体为：建立几何节点，在几何节点上绘出每个矢量箭头，箭头绘制的大小、方向依据要素值大小及方向来确定，具体确定时还要根据要素所在区域的视图比例而定，为提高绘制的速度，将矢量箭头的绘制提前存入显示列表中，每次在网格点上显示矢量箭头时，调用显示列表可实现海洋环境信息数据的三维图像绘制。