CN110826183B - 一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，包括：对海洋环境进行监测，获取海洋环境标量场监测数据并对所述监测数据进行储存；根据所述监测数据实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体，实现环境标量场可视化；基于所述多维海洋环境数据体，对多维海洋环境数据进行时空互动操作；本发明通过获取海洋环境标量场监测数据，实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体并对多维海洋环境数据进行时空互动操作，以解决现有的二维平面图不能直观的观测出环境要素的空间分布和时间变化的技术问题，从而实现直观地认知海洋环境要素的时空变化，进而更便于海洋环境标量场模拟仿真。

Description

一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法

技术领域

本发明涉及可视化构建领域，尤其涉及一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法。

背景技术

海洋环境要素是海水中所包含的生物化学等成分如氮、磷、溶氧等或物理特征如温度，波高等。现在的海洋环境，所使用的监测方法一般为遥感和海洋调查数据技术，遥感数据只能监测到海洋表层数据；而海洋调查数据却可以对海洋内部进行全方位立体监测，是对海洋环境监测的主要手段。但通过海洋调查获得是点状数据，目前的可视化技术仅仅是利用二维平面的形式绘制海洋不同深度的水平面，或者是垂直剖面，或者是水平和垂直面简单拼接，无法建立多维仿真模拟，更无法建立起动态模拟仿真。

现在并无有效的海洋环境要素的三维或多维可视化平台，仅仅是通过二维平面图。在认知海洋环境要素时，不能有效的观测其三维分布或多维结构，不能直观的观测出环境要素的空间分布和时间变化；而特别动态特征表现不出来，则不利于海洋环境标量场模拟仿真。

发明内容

本发明提供了一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，通过获取海洋环境标量场监测数据，实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体并对多维海洋环境数据进行时空互动操作，以解决现有的二维平面图不能直观的观测出环境要素的空间分布和时间变化的技术问题，从而实现直观地认知海洋环境要素的时空变化，进而更便于海洋环境标量场模拟仿真。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，包括：

对海洋环境进行监测，获取海洋环境标量场监测数据并对所述监测数据进行储存；

根据所述监测数据实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体，实现环境标量场可视化；

基于所述多维海洋环境数据体，对多维海洋环境数据进行时空互动操作。

作为优选方案，所述储存的监测数据包括经度值数据、纬度值数据、深度值数据、要素值数据和时间数据。

作为优选方案，所述要素值数据通过二维表的结构方式进行储存。

作为优选方案，所述根据所述监测数据实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体，实现环境标量场可视化，包括：

通过设置多维数据设定研究海域的时空范围；

建立多维坐标系，并基于所述多维坐标系生成多维观测窗，以显示研究海域的多维标量场；

导入所述储存的监测数据并对所述监测数据进行解析，得到解析数据；

基于所述解析数据绘制多维动态标量场，生成得到可视化环境标量场。

作为优选方案，所述导入所述储存的监测数据并对所述监测数据进行解析，得到解析数据，包括：

根据选择的空间范围，读取存储文件的坐标信息和深度信息，以用于实时绘制标量场；

读取存储文件的时间信息，以用于动态显示标量场的变化。

作为优选方案，所述基于所述解析数据绘制多维动态标量场，生成得到可视化环境标量场，包括：

通过设置插值算法，模拟生成环境标量场点云集合体；

对所述点云集合体中空间坐标点进行属性赋值，通过环境变量的不同特征值显示环境变量的多维特征；

对进行赋值后的所述点云集合体进行水平分层和垂直分层。

作为优选方案，所述通过设置插值算法，模拟生成环境标量场点云集合体，包括：

通过观测获取大量的海洋环境场数据，并根据观测值构建出环境标量场的空间分布模型；

基于所述空间分布模型，根据不同区域和不同时间段，生成不同的空间分布模型并建立动态空间插值模型库储存不同的空间分布模型；

根据选择海域和时间段，在所述动态空间插值模型库中选择相应的空间分布模型并对空间中空间位置点进行插值生成点云，模拟生成环境标量场点云集合体。

作为优选方案，所述对所述点云集合体中空间坐标点进行属性赋值，通过环境变量的不同特征值显示环境变量的多维特征，包括：

根据值域范围对环境变量进行模拟，通过设置不同颜色表示环境标量场的空间分布并绘制颜色条以显示颜色代表的要素值；

设置透明度，以直接观测到所述点云集合体内部的要素分布，实现多维观测海洋环境要素；

设置时间轴，根据时间变化加载不同时间的多维结构体，以实现海洋环境在不同时间尺度的时间变化模拟；

其中，所述时间变化包括年度变化、季节变化、月变化和日变化。

作为优选方案，所述对进行赋值后的所述点云集合体进行水平分层和垂直分层，包括：

根据深度，对所述点云集合体进行水平分层，以显示标量场的不同水平面特征；

根据经度或纬度，对所述点云集合体进行垂直分层，以显示标量场的不同垂直面特征。

作为优选方案，所述对多维海洋环境数据进行时空互动操作，包括：

多尺度时间序列数据分析模拟操作、任意角度海洋环境场要素分布观测操作、环境标量场的范围截取操作、设置任意构建剖面的观测操作、设置任意点属性读取操作、对选取范围海洋环境要素的数据观测操作、多窗口联动显示操作，以及设置不同间隔距离实现数据抽稀和加密操作。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明通过获取海洋环境标量场监测数据，实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体并对多维海洋环境数据进行时空互动操作，以解决现有的二维平面图不能直观的观测出环境要素的空间分布和时间变化的技术问题，从而实现直观地认知海洋环境要素的时空变化，进而更便于海洋环境标量场模拟仿真。

附图说明

图1：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法的步骤流程图；

图2：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法的步骤S2流程图；

图3：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法步骤S23流程图；

图4：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法步骤S24流程图；

图5：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法步骤S241流程图；

图6：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法步骤S242流程图；

图7：为本发明多维动态海洋环境标量场的构建交互方法步骤S243流程图；

图8：为本发明实施例中的数据存储格式示意图；

图9：为本发明实施例中的多维坐标系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种全新的环境数据的认知平台；依托时空互动平台，利用多维可视化(二、三、多维)技术对海洋环境要素进行时空认知，获取海洋环境要素的三维特征(或多维结构)，直观的观测海洋环境要素的空间分布和时间变化。

请参照图1-图9，本发明优选实施例提供了一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，包括：

S1，对海洋环境进行监测，获取海洋环境标量场监测数据并对所述监测数据进行储存；在本实施例中，所述储存的监测数据包括经度值数据、纬度值数据、深度值数据、要素值数据和时间数据。在本实施例中，所述要素值数据通过二维表的结构方式进行储存。

其中，要素值包括温度、盐度、溶氧等；二维表的结构存储包括exce l、txt格式等，如图8所示。

S2，根据所述监测数据实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体，实现环境标量场可视化；

具体地，在本实施例中，所述步骤S2包括：

S21，通过设置多维数据设定研究海域的时空范围；其中，通过经度，纬度，深度设定研究区域空间范围，通过设定时间拖拽轴设定时间范围。

S22，建立多维坐标系，并基于所述多维坐标系生成多维观测窗，以显示研究海域的多维标量场；其中，建立多维坐标系，以空间起始点作为原点，x轴代表经度，y轴代表纬度，z轴代表深度，t代表透明度，T代表时间，盐度，温度等赋值，如图9所示；并依托多维坐标系生成多维观测窗，用于显示研究海域多维标量场。

S23，导入所述储存的监测数据并对所述监测数据进行解析，得到解析数据；在本实施例中，所述步骤S23包括：S231，根据选择的空间范围，读取存储文件的坐标信息和深度信息，以用于实时绘制标量场；S232，读取存储文件的时间信息，以用于动态显示标量场的变化。

其中，根据数据格式与规范，数据读取，解析数据。根据选择的空间范围，读取存储文件的坐标信息和深度信息，用于实时绘制标量场。根据读取时间信息，用于动态显示标量场的变化。

S24，基于所述解析数据绘制多维动态标量场，生成得到可视化环境标量场。在本实施例中，所述步骤S24包括：S241，通过设置插值算法，模拟生成环境标量场点云集合体；S242，对所述点云集合体中空间坐标点进行属性赋值，通过环境变量的不同特征值显示环境变量的多维特征；S243，对进行赋值后的所述点云集合体进行水平分层和垂直分层。

具体地，在本实施例中，所述步骤S241包括：

S2411，通过观测获取大量的海洋环境场数据，并根据观测值构建出环境标量场的空间分布模型；在本实施例中，采用浮标观测的方式进行获取大量的海洋环境场数据，通过浮标观测获取的海洋环境场数据具有多维特征，包括经纬度信息(x，y)，海洋深度信息(z)，标量(v)可视透明度(t)，时间轴(T)。浮标观测变化值主要是标量(v)，而观测值有一定量，具有位置特征，即满足经度、纬度、深度的与环境场线性关系，根据观测值构建出环境标量场的空间分布模型，标量场F(V)＝f(x)+f(y)+f(z)。

S2412，基于所述空间分布模型，根据不同区域和不同时间段，生成不同的空间分布模型并建立动态回归模型库储存不同的空间分布模型；根据不同区域Q[Q₁,Q₂,Q₃,...,Q_n,...]和不同时间段T[T₁,T₂,T₃,...,T_n,...]生成不同模型M₁,M₂,...,M_n,，据此建立模型库Fi(V)＝fi(x)+fi(y)+fi(z)。

S2413，根据选择海域和时间段，在所述动态空间插值模型库中选择相应的空间分布模型并对空间中空间位置点进行插值生成点云，模拟生成环境标量场点云集合体。根据选择海域和时间段，在模型库中选择相应应用模型对空间中空间位置点进行插值生成点云，模拟生成环境标量场点云集合体。

具体地，在本实施例中，所述步骤S242包括：

S2421，根据值域范围对环境变量进行模拟，通过设置不同颜色表示环境标量场的空间分布并绘制颜色条以显示颜色代表的要素值；其中，V代表环境场变量；根据值域范围对环境变量进行模拟，根据V值域不同设置不同颜色表示环境标量场的空间分布，绘制颜色条(colorbar)来说明颜色代表的要素值。

S2422，设置透明度，以直接观测到所述点云集合体内部的要素分布，实现多维观测海洋环境要素；其中，t代表透明度，设置透明度，从外部到内部，透明度由最大(100)到最小(0)。以达到直接观测到长方体内部的要素分布，实现多维观测海洋环境要素。

S2423，设置时间轴，根据时间变化加载不同时间的多维结构体，以实现海洋环境在不同时间尺度的时间变化模拟；其中，所述时间变化包括年度变化、季节变化、月变化和日变化。其中，T代表时间变量，设置时间轴，根据时间变化加载不同时间的多维结构体D，(1)年度变化，(2)季节变化(3)月变化，(4)日变化。实现海洋环境变化不同时间尺度的(年、月、日、时、分、秒)时间变化模拟。

具体地，在本实施例中，所述步骤S243包括：

S2431，根据深度，对所述点云集合体进行水平分层，以显示标量场的不同水平面特征；

S2432，根据经度或维度，对所述点云集合体进行垂直分层，以显示标量场的不同垂直面特征。

S3，基于所述多维海洋环境数据体，对多维海洋环境数据进行时空互动操作。其中，在本实施例中，所述对多维海洋环境数据进行时空互动操作，包括：

多尺度时间序列数据分析模拟操作：通过对时间轴的拖拉和任意截取等操作，截取所需的时间区间内，海洋环境场信息，多尺度时序数据动态模拟分析。

任意角度海洋环境场要素分布观测操作：对长方体进行任意度旋转观测，从不同角度观测海洋环境要素的分布情况。

环境标量场的范围截取操作：设置边界点来确定环境体空间位置界址点，来实时绘制多维海洋环境要素，实现了不同区域范围的观测。

设置任意构建剖面的观测操作：设置三点或四点来绘制剖面海洋环境要素，实现对二维剖面环境要素观测。

设置任意点属性读取操作：设置坐标点或点选，读取出某一点所在空间的位置和相应属性信息(空间坐标位置和标量值以及环境要素特征)。

对选取范围海洋环境要素的数据观测操作：如：色标管理，根据标量值分布区间，设置颜色分布，调节分布范围，凸显出主要标量值分布。透明度调节，拉动滚动条，调节透明度以实现对选取范围海洋环境要素的观测。

多窗口联动显示操作：设置多个窗口同屏联动显示，对不同尺度、不同时间段，不同维度，不同模型的海洋环境场进行。特别是利用多窗口联动对多维环境体，进行不同视角的同步观测，以把握海洋环境的空间特征。

设置不同间隔距离实现数据抽稀和加密操作：根据需要设置不同点云间隔距离，实现不同精度的环境标量场的显示，对精度要求低时，设置间隔距离大。对精度要求高时，设置间隔距离小。

本发明提供一种新的多维海洋环境数据的认知平台。直观的认知海洋环境要素的时空变化。能够进行有效的人机交互，360度直观观测结构体的三维特征(或多维结构)，快速读取出任意剖面图，抽取出空间数据点要素值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，包括：

对海洋环境进行监测，获取海洋环境标量场监测数据并对所述监测数据进行储存；

根据所述监测数据实时构建任意尺度的多维海洋环境数据体，实现环境标量场可视化,包括：通过设置多维数据设定研究海域的时空范围；建立多维坐标系，并基于所述多维坐标系生成多维观测窗，以显示研究海域的多维标量场；导入所述储存的监测数据并对所述监测数据进行解析，得到解析数据；基于所述解析数据绘制多维动态标量场，生成得到可视化环境标量场；所述基于所述解析数据绘制多维动态标量场，生成得到可视化环境标量场，包括：通过设置插值算法，模拟生成环境标量场点云集合体；对所述点云集合体中空间坐标点进行属性赋值，通过环境变量的不同特征值显示环境变量的多维特征；对进行赋值后的所述点云集合体进行水平分层和垂直分层；所述通过设置插值算法，模拟生成环境标量场点云集合体，包括：通过观测获取大量的海洋环境场数据，并根据观测值构建出环境标量场的空间分布模型；基于所述空间分布模型，根据不同区域和不同时间段，生成不同的空间分布模型并建立动态空间插值模型库储存不同的空间分布模型；根据选择海域和时间段，在所述动态空间插值模型库中选择相应的空间分布模型并对空间中空间位置点进行插值生成点云，模拟生成环境标量场点云集合体；

基于所述多维海洋环境数据体，对多维海洋环境数据进行时空互动操作。

2.如权利要求1所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述储存的监测数据包括经度值数据、纬度值数据、深度值数据、要素值数据和时间数据。

3.如权利要求2所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述要素值数据通过二维表的结构方式进行储存。

4.如权利要求1所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述导入所述储存的监测数据并对所述监测数据进行解析，得到解析数据，包括：

根据选择的空间范围，读取存储文件的坐标信息和深度信息，以用于实时绘制标量场；

读取存储文件的时间信息，以用于动态显示标量场的变化。

5.如权利要求1所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述对所述点云集合体中空间坐标点进行属性赋值，通过环境变量的不同特征值显示环境变量的多维特征，包括：

根据值域范围对环境变量进行模拟，通过设置不同颜色表示环境标量场的空间分布并绘制颜色条以显示颜色代表的要素值；

设置透明度，以直接观测到所述点云集合体内部的要素分布，实现多维观测海洋环境要素；

设置时间轴，根据时间变化加载不同时间的多维结构体，以实现海洋环境在不同时间尺度的时间变化模拟；

其中，所述时间变化包括年度变化、季节变化、月变化和日变化。

6.如权利要求1所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述对进行赋值后的所述点云集合体进行水平分层和垂直分层，包括：

根据深度，对所述点云集合体进行水平分层，以显示标量场的不同水平面特征；

根据经度或维度，对所述点云集合体进行垂直分层，以显示标量场的不同垂直面特征。

7.如权利要求1所述的多维动态海洋环境标量场的构建交互方法，其特征在于，所述对多维海洋环境数据进行时空互动操作，包括：

多尺度时间序列数据分析模拟操作、任意角度海洋环境场要素分布观测操作、环境标量场的范围截取操作、设置任意构建剖面的观测操作、设置任意点属性读取操作、对选取范围海洋环境要素的数据观测操作、多窗口联动显示操作，以及设置不同间隔距离实现数据抽稀和加密操作。