CN112116691A - 基于NetCDF海洋数据三维可视化方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了基于NetCDF海洋数据三维可视化方法、系统及介质，方法包括获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集；解析数据集得到结构化数据，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值；将地理空间进行划分得到第一网格，将第一坐标值映射至第一网格；确定第一网格的颜色值，根据颜色值进行前端绘制；方法通过构建数据集，对海洋数据进结构化处理，可以保留更多的价值信息以及数据的维度及属性，能够满足数据的高速存储应用需求；方法进一步将结构化数据进行插值、转化以及网格化处理，克服了现有划分方法无法保证周期性的缺点，更为直观便捷地完整可视化展示，辅助决策，可广泛应用于海洋科学技术领域。

Description

基于NetCDF海洋数据三维可视化方法、系统及介质

技术领域

本发明属于海洋科学技术领域，尤其是基于NetCDF海洋数据三维可视化方法、系统及介质。

背景技术

网络通用数据格式(network Common Data Form，NetCDF)，是一种面向数组型并适于网络共享的数据的描述和编码标准。NetCDF最初用于存储气象数据，而目前NetCDF广泛应用于大气科学、水文、海洋学、环境模拟、地球物理等诸多领域，已经成为许多数据采集软件的常用文件格式。

现有的NetCDF数据进行可视化都是基于二维的，并且大都是依赖GrADS、NCL、IDV等软件来实现可视化目的，是得到的静态图片，无法直观地反映海洋数据的时空分布特征以及更多维度的特征的展示，此外，现有技术针对庞大的信息内容，也无法进行充分地利用与可视化表现。

发明内容

有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种更为直观，能够多维度的反映海洋数据特征的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法；同时本发明的实施例还提供可以对应实现基于NetCDF海洋数据三维可视化方法的系统以及介质。

第一方面，本发明实施例提供了基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其包括以下步骤：

获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集；

解析数据集得到结构化数据，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值；

将地理空间进行划分得到第一网格，将第一坐标值映射至第一网格；

确定第一网格的颜色值，根据颜色值进行前端绘制。

在本发明的一些实施例中，获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集这一步骤，其具体包括：

将海洋数据转换为单值函数；

根据若干单值函数构建若干数组，根据若干数组构建数据集。

在本发明的一些实施例中，解析数据集得到结构化数据这一步骤，其具体包括：

从数据集中提取结构化数据的维度以及结构化数据的数据属性；

根据维度以及数据属性读取得到结构化数据的变量。

在本发明的一些实施例中，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值这一步骤，其具体包括：

获取结构化数据的绘制要求，根据绘制要求对结构化数据进行插值处理；

插值处理的步骤为：

根据构化数据确定第一范围内的已知点；根据已知点的权重以及已知点的数值得到绘制要求中的插值点。

在本发明的一些实施例中，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值这一步骤，其还包括：

根据绘制要求中的参数要求，根据插值点的坐标值转换得到第一坐标值，参数要求中的参数包括平移参数、旋转角度参数以及尺度参数。

在本发明的一些实施例中，确定第一网格的颜色值这一步骤，其具体包括：

对第一网格进行遍历，得到第一网格中的最大值和最小值；

根据最大值设置起始颜色值，根据最小值确定终止颜色值，根据起始颜色值和终止颜色值确定颜色带；

根据颜色带确定第一网格的颜色值。

在本发明的一些实施例中，根据颜色值进行前端绘制这一步骤，其具体为：将第一网格以及第一网格的颜色值映射至三维虚拟地球场景中，通过三维渲染得到图像。

第二方面，本发明的技术方案还提供基于NetCDF海洋数据三维可视化的软件系统，包括数据获取单元、数据处理单元以及可视化单元，其中：

数据获取单元，用于获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集；

数据处理单元，用于解析数据集得到结构化数据，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值，以及将地理空间进行划分得到第一网格，将第一坐标值映射至第一网格；

可视化单元，用于确定第一网格的颜色值，根据颜色值进行前端绘制。

第三方面，本发明的技术方案还提供基于NetCDF海洋数据三维可视化的硬件系统，其包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器实现第一方面中的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法。

第四方面，本发明的技术方案还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如第一方面中的方法。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：

本发明实施例所提供的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，通过构建数据集，对海洋数据进结构化处理，可以保留更多的价值信息以及数据的维度及属性，能够满足数据的高速存储应用需求；方法进一步将结构化数据进行插值、转化以及网格化处理，克服了现有划分方法无法保证周期性的缺点，更为直观便捷地完整可视化展示，辅助决策。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于NetCDF海洋数据三维可视化方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中NetCDF文件数据以数组形式存储的示意图；

图3为本发明实施例中计算网格单元格数值的示意图；

图4为本发明实施例基于NetCDF海洋数据三维可视化方法的硬件系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明实施例所提供的技术方案的核心思路是，通过读取NetCDF数据，经过插值、坐标转换以及网格映射等步骤后，将数据直接叠加到三维球体上进行展示。使得NetCDF数据的展示更加直观、更加方便。

在第一方面，如图1所示，本发明实施例提供了基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其主要包括步骤S01-S03：

S01、获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集；获取NetCDF数据格式的海洋数据，并将获取得到海洋数据进行必要的数据清洗以及结构化处理集成得到数据集存储在数据库中。在实施例实施过程中，步骤S01中根据海洋数据构建数据集的过程，可进一步细分为步骤S011-S012：

S011、将海洋数据转换为单值函数；具体地，从数据角度而言，NetCDF格式存储的海洋数据是一个多自变量的单值函数：

value＝f(x,y,z,....)(1)

在公式(1)中，自变量x,y,z,....在NetCDF格式中称作数据的维度，函数值value在NetCDF格式中称为变量，而NetCDF中的属性是如物理学中自变量和函数值之间的一些性质，比如计量单位。

S012、根据若干单值函数构建若干数组，根据若干数组构建数据集；具体地，NetCDF数据模型主要包括经典数据模型和增强型数据模型两类，而在本实施例中采用经典数据模型，由维度、变量及属性三部分组成。如图2所示，模型中NetCDF文件数据以数组的形式存储，可灵活方便地存储多维数据，如以一维数组形式存储某个区域内在指定时间的温度。以二维数组的形式存储某个区域内在指定时间的温度。常见的三维数据(如某海域随时间变化的温度数据)和四维数据(如某海域随时间和高度变化的温度数据)均以一系列的二维数组的形式存储。

S02、解析数据集得到结构化数据，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值；在此步骤中，从数据库或数据集中，将NetCDF解析为结构化数据，存储到数据库表中。其中，第一坐标值即为完成差值以及转化后，各个结构化数据中测量点的坐标值。

在实施例的具体实施过程中，步骤S02中解析数据集得到结构化数据这一过程可进一步具体为：从数据集中提取结构化数据的维度以及结构化数据的数据属性；根据维度以及数据属性读取得到结构化数据的变量。具体地，利用JAVA函数库netcdfAll-5.3.3.jar实现对NetCDF文件的解析，提取出所有维度、属性数据，然后通过维度与属性，读取相应变量，并将其存储到数据表中，最终实现NetCDF标准的海洋环境数据的读取装载。

另外，步骤S02中，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值这一过程，在一些实施例的实施过程中，可具体为：获取结构化数据的绘制要求，根据绘制要求对结构化数据进行插值处理；其中插值处理的步骤为：根据构化数据确定第一范围内的已知点；根据已知点的权重以及已知点的数值得到绘制要求中的插值点。其中，第一范围即为结构化数据中已知点的临近区域。

更为具体地，对已读取的数据根据绘制的需求通过空间插值(Inverse DistanceWeighted，IDW)算法对原始数据进行插值处理。IDW通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元。IDW要求离散点均匀分布，并且密度程度足以满足在分析中反映局部表面变化。其计算公式为：

公式(2)中，Z(x,y)为标志的待插值点的数值，比如温度值；n表示周边或者第一范围内的已知点的个数；w_i表示第i个点的权重；Z(x_i,y_i)表示第i个已知点的数值。在这之中，w_i的取值公式为：

在公式(3)中，h_i表示第i个点与待插值点的距离；p为幂参数，在本实施例中p＝2；进一步，h_i的取值公式为：

在公式(4)中，(x,y)为插值点坐标，(x_i,y_i)为已知的测量点坐标。

在一些实施例中，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值，其中转化这一过程，可进一步包括：根据绘制要求中的参数要求，根据插值点的坐标值转换得到第一坐标值，其中，参数要求中的参数包括平移参数、旋转角度参数以及尺度参数。

具体地，在数据插值之后，将数据库的数据，按照绘制的参数要求采用7参数进行坐标转换：

在公式(5)中，(X_T,Y_T,Z_T)为转换后的坐标；(X,Y,Z)为转换前的坐标，在坐标转换过程中需要使用七个参数，其中包括：三个平移参数，(ΔX，ΔY，ΔZ)，三个旋转角度参数(ε_x，ε_y，ε_z)以及一个尺度参数dK，不同坐标系之间转换，这七个参数为固定值。

S03、将地理空间进行划分得到第一网格，将第一坐标值映射至第一网格；具体地，将地理空间进行按网格划分，将步骤S2中的坐标值，映射至网格中，计算每一个网格的值。如图3所示，落在W(1,1)网格中，有p1、p2、p3三个点，则W(1,1)的值则为这三个点值的平均值。

S04、确定第一网格的颜色值，根据颜色值进行前端绘制；实施例针对以NetCDF数据模型存储的海洋环境数据，设计符合NetCDF标准的海洋要素三维动态渲染模型，基于cesuim的三维场景实现海洋要素数据的三维动态表达与分析。具体地，一些实施例在确定第一网格的颜色值这一过程中，可以进一步细分为步骤S041-S043：

S041、对第一网格进行循环遍历，获得第一网格的所有网格单元中的最大值W_max和最小值W_min。

S042、根据最大值设置起始颜色值，根据最小值确定终止颜色值，根据起始颜色值和终止颜色值确定颜色带；通过设置起始颜色RGB值(startColorR，startColorG，startColorB)与最终颜色RGB的值(startColorR，startColorG，startColorB)来设置颜色带。

S043、根据颜色带确定第一网格的颜色值；将各个网格数值W换算为对应颜色值的RGB值；例如，在实施例具体实施的过程中，计算起始颜色和终点颜色RGB之间差值代码可参考如下：

float rr＝startColorR-endColorR；

float gg＝startColorG-endColorG；

float bb＝startColorB-endColorB；

在确定了起始颜色和终点颜色RGB之间差值，再实现垂直梯度变化：

r＝startColorR+(int)(rr*((float)W/255.0f)+0.5f)；

g＝startColorG+(int)(gg*((float)W/255.0f)+0.5f)；

b＝startColorB+(int)(bb*((float)W/255.0f)+0.5f)；

在通过步骤S041-S043完成RGB的颜色赋值之后，实施例将通过运用Cesium的绘制命令，第一网格以及第一网格的颜色值映射至三维虚拟地球场景中，通过三维渲染得到图像。例如，其具体的执行代码为：

第二方面，本发明的技术方案还提供基于NetCDF海洋数据三维可视化的软件系统，其包括数据获取单元、数据处理单元以及可视化单元，其中：

数据获取单元，用于获取海洋数据，根据海洋数据构建数据集；

数据处理单元，用于解析数据集得到结构化数据，对结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值，以及将地理空间进行划分得到第一网格，将第一坐标值映射至第一网格；

可视化单元，用于确定第一网格的颜色值，根据颜色值进行前端绘制。

第三方面，如图4所示，本发明实施例还提供基于NetCDF海洋数据三维可视化的硬件系统，其包括至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当至少一个程序被至少一个处理器执行，使得至少一个处理器实现如第一方面中的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法。

本发明实施例还提供了一种存储介质内存储有程序，程序被处理器执行如第一方面中的方法。

从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：

1.本发明所提供的实施例，通过构建数据集，对海洋数据进结构化处理，可以保留更多的价值信息以及数据的维度及属性，能够满足数据的高速存储应用需求。

2.本发明所提供的实施例，通过打通从NetCDF从数据读取、插值再到三维球体上显示的整个过程，为海洋环境数据的三维可视化显示提供了一个更加完善的解决方案。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

其中，功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取海洋数据，根据所述海洋数据构建数据集；

解析所述数据集得到结构化数据，对所述结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值；

将地理空间进行划分得到第一网格，将所述第一坐标值映射至所述第一网格；

确定所述第一网格的颜色值，根据所述颜色值进行前端绘制。

2.根据权利要求1所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述获取海洋数据，根据所述海洋数据构建数据集这一步骤，其具体包括：

将所述海洋数据转换为单值函数；

根据若干所述单值函数构建若干数组，根据若干所述数组构建所述数据集。

3.根据权利要求1所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述解析所述数据集得到结构化数据这一步骤，其具体包括：

从所述数据集中提取所述结构化数据的维度以及所述结构化数据的数据属性；

根据所述维度以及所述数据属性读取得到所述结构化数据的变量。

4.根据权利要求1所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述对所述结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值这一步骤，其具体包括：

获取所述结构化数据的绘制要求，根据所述绘制要求对所述结构化数据进行插值处理；所述插值处理的步骤为：

根据所述构化数据确定第一范围内的已知点；根据所述已知点的权重以及所述已知点的数值得到所述绘制要求中的插值点。

5.根据权利要求4所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述对所述结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值这一步骤，其还包括：

根据所述绘制要求中的参数要求，根据所述插值点的坐标值转换得到所述第一坐标值，所述参数要求中的参数包括平移参数、旋转角度参数以及尺度参数。

6.根据权利要求1所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述确定所述第一网格的颜色值这一步骤，其具体包括：

对所述第一网格进行遍历，得到所述第一网格中的最大值和最小值；

根据所述最大值设置起始颜色值，根据所述最小值确定终止颜色值，根据所述起始颜色值和所述终止颜色值确定颜色带；

根据所述颜色带确定所述第一网格的颜色值。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法，其特征在于，所述根据所述颜色值进行前端绘制这一步骤，其具体为：将所述第一网格以及所述第一网格的颜色值映射至三维虚拟地球场景中，通过三维渲染得到图像。

8.基于NetCDF海洋数据三维可视化的系统，其特征在于，包括数据获取单元、数据处理单元以及可视化单元，其中：

所述数据获取单元，用于获取海洋数据，根据所述海洋数据构建数据集；

所述数据处理单元，用于解析所述数据集得到结构化数据，对所述结构化数据进行差值以及转化得到第一坐标值，以及将地理空间进行划分得到第一网格，将所述第一坐标值映射至所述第一网格；

所述可视化单元，用于确定所述第一网格的颜色值，根据所述颜色值进行前端绘制。

9.基于NetCDF海洋数据三维可视化的系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-7任一项所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于：所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如权利要求1-7中任一项所述的基于NetCDF海洋数据三维可视化方法。

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