CN112308968B - 一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋数据分析技术领域，具体涉及一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，包括如下操作步骤：依据Longuet‑Higgins线性随机波浪模型生成代表强、中、弱三个等级的三维线性波面存储备用，其中以强、中、弱三维线性波面分别代表巨浪以上、中浪到大浪、中浪以下的浪场，Longuet‑Higgins将海浪波面高度ζ看作大量余弦波叠加构成。该海浪数值预报信息的三维可视化表达方法为海浪数值模拟结果可视化提供了一种全新的展示方式，能够更好地将数值模拟的浪场信息传递给用户，同时本发明以有效波高和平均波陡数值预报结果为控制参数生成复合三维虚拟波面，可以表现浪高空间分布以及波浪陡峭破碎形成的白浪，从而为用户提供一种直观的海浪预报信息展现方式。

Description

一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法

技术领域

本发明涉及海洋数据分析技术领域，具体涉及一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法。

背景技术

海浪数值预报产品是通过数值方法求解波作用量平衡方程得到的描述浪场特征的各种统计参量，其中最重的预报结果是有效波高场，通常采用伪彩色图或等值线等方式显示有效波高分布，实践表明传统方式不能有效传达预报信息：很多用户由于不了解有效波高的统计含义而误将预报图中的有效波高分布理解为水位分布，因此，设计出一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，对于目前海洋数据分析技术领域来说是迫切需要的。

发明内容

本发明提供一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，以解决现有技术存在的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明的实施例，一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，包括如下操作步骤：依据Longuet-Higgins线性随机波浪模型生成代表强、中、弱三个等级的三维线性波面存储备用，其中以强、中、弱三维线性波面分别代表巨浪以上、中浪到大浪、中浪以下的浪场，Longuet-Higgins将海浪波面高度ζ看作大量余弦波叠加构成：

其中a_n为组成波振幅，k_i为波数矢量，x为水平位置(x,y)，f_i为频率，ε_i为均匀分布在0到2π的随机量，振幅a_n与海浪谱S(f_n)之间具有如下关系：

其中，采用JONSWAP谱[18]为靶谱计算波面高度场：

其中f₀为谱峰频率，g为重力加速度，α、σ和γ分别为JONSWAP谱的强度因子、宽度因子和升高因子，方向函数采用cos²θ，其中θ为方向角，得到方向频率谱：

S(f,θ)＝S(f)cos²θ

根据深水波动的频散关系：

(2πf)²＝gk

其中，k为波数矢量的模k＝|k|，作变量代换得到波数方向谱：

采用线性滤波法生成波面高度场时首先生成二维白噪声场W，然后对其进行傅立叶变换得到：

S_W＝F(W)

其中F表示傅立叶变换，此处调用二维快速傅立叶变换(FFT)，以波数方向谱乘以S_W得到调制后的噪声谱，并对其作傅立叶逆变换得到波面高度场：

ζ＝F^-1(S·S_W)

其中F^-1表示傅立叶逆变换，此处调用二维快速傅立叶逆变换(IFFT)，得到某一时刻的波面高度场，即波面高度场的时间序列ζ(t_n)(t_n＝t+ndt，n＝1,2,3…N)，仅需要计算ζ＝F^-1(S·S_W)时先求出各个组成波相位随时间的变化再进行傅立叶逆变换即可得到波面高度场随时间的演化，由S_W计算各个分量的相位作为初始相位：

ε＝Angle(S_W)

t_n时刻频率f的组成波相位为：

φ_n＝ε-2πfndt

按上述方法即可得到各种平均波高的波面高度场时间序列；

进一步地，在Tessendorf波面变形公式基础上引入比例于平均波陡的变形强度控制参数，利用修改后的公式对强浪场陡化处理并生成匹配的白浪贴图纹理，实际风浪具有较陡峭的波峰和平缓的波谷，为刻画波面这一特征需要对线性虚拟波面进行修改，通过在波面位移场的水平坐标x中加入一个修正量λD(x,t)来锐化波峰并拉平波谷，其中：

其中，λ是一个控制波峰锐化程度的经验参数，本新型中建立λ和海浪数值预报平均波陡参数之间的关联：

λ∝S_t

其中，S_t是平均波陡，由此式可知数值预报平均波陡值越大，波峰锐化越显著，波面水平坐标加入修正量之后，其雅克比变换可写为：

J(x)＝J_xxJ_yy-J_xyJ_yx

其中，

根据雅克比行列式的模用于计算模型波面翻卷位置和白浪贴图位置，当行列式的模|J|＜0时，模型波面变形产生翻卷，本新型定义雅克比行列式模|J|＜0.3时模型渲染时进行白浪贴图，翻卷波面点被剔除并重新插值波面场以及白浪贴图位置信息留做渲染使用。

进一步地，以数值预报有效波高分布为依据将不同等级波面拼接为复合三维波面，可以从高程数据中自动搜索浪区边界，然后逐层向内(向外)搜索并为各层数据点赋递增的值(或递减的值)，从而构造出复杂形状的平滑函数。

进一步地，以卫星遥感陆地高程为依据生成陆地高程模型，陆地高程模型使用归一化GEBCO陆地高程，陆地色彩RGB值由下式计算得到：

其中h_L和h_max分别表示陆地高程和画面内最高点的陆地高程。

进一步地，依据光学模型和高度分别对复合三维浪场和陆地模型进行渲染形成动态预报画面，采用光学定律计算波面的反射强度和色彩，然后再依据雅克比行列式判别法对波峰进行贴图，通过

计算陆地色彩，三维波面高度场中水平位置x，高度ζ(x,t)的位置矢量可以表示为：

其中

是向上为正向的方向矢量，r处波面的垂向矢量可以由波面坡度δ(x,t)(δ由波面高度场线性差分得到)计算：

若r处入射光线的方向为

入射光线与入射点垂向之间夹角θ_i：

通过斯涅耳定律将折射角θ_t与入射角θ_i联系起来：

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t

其中n_i和n_t分别为入射介质(空气)和透射介质(水)的折射率，n_i/n_t＝0.75，由上述几式可以求出θ_t和θ_i进而计算水-气界面处反射系数R：

按照以数值预报有效波高分布为依据将不同等级波面拼接为复合三维波面，可以从高程数据中自动搜索浪区边界，然后逐层向内(向外)搜索并为各层数据点赋递增的值(或递减的值)，从而构造出复杂形状的平滑函数拼接复合波面高度场的方法得到复合的反射系数场，本发明仅考虑天空和水体的颜色，令天空和水体的颜色矩阵分别为C_s和C_w，并以下式表示复合波面的颜色：

C＝R·C_s+C_w

波峰以外的波面根据该式进行渲染，波峰处采用白色泡沫照片的RGB值代换C＝R·C_s+C_w计算的RGB值，从而实现白浪效果，陆地部分按照

进行简单计算即可。

本发明具有如下优点：

该海浪数值预报信息的三维可视化表达方法为海浪数值模拟结果可视化提供了一种全新的展示方式，能够更好地将数值模拟的浪场信息传递给用户，使用户更好的理解海浪数值预报信息，同时本发明以有效波高和平均波陡数值预报结果为控制参数生成复合三维虚拟波面，可以表现浪高空间分布以及波浪陡峭破碎形成的白浪，从而为用户提供一种直观的海浪预报信息展现方式。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种技术方案：

一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，包括如下操作步骤：依据Longuet-Higgins线性随机波浪模型生成代表强、中、弱三个等级的三维线性波面存储备用，其中以强、中、弱三维线性波面分别代表巨浪以上、中浪到大浪、中浪以下的浪场，Longuet-Higgins将海浪波面高度ζ看作大量余弦波叠加构成：

其中a_n为组成波振幅，k_i为波数矢量，x为水平位置(x,y)，f_i为频率，ε_i为均匀分布在0到2π的随机量，振幅a_n与海浪谱S(f_n)之间具有如下关系：

其中，采用JONSWAP谱[18]为靶谱计算波面高度场：

其中f₀为谱峰频率，g为重力加速度，α、σ和γ分别为JONSWAP谱的强度因子、宽度因子和升高因子，方向函数采用cos²θ，其中θ为方向角，得到方向频率谱：

S(f,θ)＝S(f)cos²θ

根据深水波动的频散关系：

(2πf)²＝gk

其中，k为波数矢量的模k＝|k|，作变量代换得到波数方向谱：

采用线性滤波法生成波面高度场时首先生成二维白噪声场W，然后对其进行傅立叶变换得到：

S_W＝F(W)

其中F表示傅立叶变换，此处调用二维快速傅立叶变换(FFT)，以波数方向谱乘以S_W得到调制后的噪声谱，并对其作傅立叶逆变换得到波面高度场：

ζ＝F^-1(S·S_W)

其中F^-1表示傅立叶逆变换，此处调用二维快速傅立叶逆变换(IFFT)，得到某一时刻的波面高度场，即波面高度场的时间序列ζ(t_n)(t_n＝t+ndt，n＝1,2,3…N)，仅需要计算ζ＝F^-1(S·S_W)时先求出各个组成波相位随时间的变化再进行傅立叶逆变换即可得到波面高度场随时间的演化，由S_W计算各个分量的相位作为初始相位：

ε＝Angle(S_W)

t_n时刻频率f的组成波相位为：

φ_n＝ε-2πfndt

按上述方法即可得到各种平均波高的波面高度场时间序列；

本发明中：在Tessendorf波面变形公式基础上引入比例于平均波陡的变形强度控制参数，利用修改后的公式对强浪场陡化处理并生成匹配的白浪贴图纹理，实际风浪具有较陡峭的波峰和平缓的波谷，为刻画波面这一特征需要对线性虚拟波面进行修改，通过在波面位移场的水平坐标x中加入一个修正量λD(x,t)来锐化波峰并拉平波谷，其中：

其中，λ是一个控制波峰锐化程度的经验参数，本新型中建立λ和海浪数值预报平均波陡参数之间的关联：

λ∝S_t

其中，S_t是平均波陡，由此式可知数值预报平均波陡值越大，波峰锐化越显著，波面水平坐标加入修正量之后，其雅克比变换可写为：

J(x)＝J_xxJ_yy-J_xyJ_yx

其中，

根据雅克比行列式的模用于计算模型波面翻卷位置和白浪贴图位置，当行列式的模|J|＜0时，模型波面变形产生翻卷，定义雅克比行列式模|J|＜0.3时模型渲染时进行白浪贴图，翻卷波面点被剔除并重新插值波面场以及白浪贴图位置信息留做渲染使用。

本发明中：以数值预报有效波高分布为依据将不同等级波面拼接为复合三维波面，可以从高程数据中自动搜索浪区边界，然后逐层向内(向外)搜索并为各层数据点赋递增的值(或递减的值)，从而构造出复杂形状的平滑函数。

本发明中：以卫星遥感陆地高程为依据生成陆地高程模型，陆地高程模型使用归一化GEBCO陆地高程，陆地色彩RGB值由下式计算得到：

其中h_L和h_max分别表示陆地高程和画面内最高点的陆地高程。

本发明中：依据光学模型和高度分别对复合三维浪场和陆地模型进行渲染形成动态预报画面，采用光学定律计算波面的反射强度和色彩，然后再依据雅克比行列式判别法对波峰进行贴图，通过

计算陆地色彩，三维波面高度场中水平位置x，高度ζ(x,t)的位置矢量表示为：

其中

是向上为正向的方向矢量，r处波面的垂向矢量由波面坡度δ(x,t)(δ由波面高度场线性差分得到)计算：

若r处入射光线的方向为

入射光线与入射点垂向之间夹角θ_i：

通过斯涅耳定律将折射角θ_t与入射角θ_i联系起来：

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t

其中n_i和n_t分别为入射介质(空气)和透射介质(水)的折射率，n_i/n_t＝0.75，由上述几式可以求出θ_t和θ_i进而计算水-气界面处反射系数R：

按照以数值预报有效波高分布为依据将不同等级波面拼接为复合三维波面，可以从高程数据中自动搜索浪区边界，然后逐层向内(向外)搜索并为各层数据点赋递增的值(或递减的值)，从而构造出复杂形状的平滑函数拼接复合波面高度场的方法得到复合的反射系数场，本发明仅考虑天空和水体的颜色，令天空和水体的颜色矩阵分别为C_s和C_w，并以下式表示复合波面的颜色：

C＝R·C_s+C_w

波峰以外的波面根据该式进行渲染，波峰处采用白色泡沫照片的RGB值代换C＝R·C_s+C_w计算的RGB值，从而实现白浪效果，陆地部分按照

进行简单计算即可。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，包括如下操作步骤：依据Longuet-Higgins线性随机波浪模型生成代表强、中、弱三个等级的三维线性波面存储备用，其中以强、中、弱三维线性波面分别代表巨浪以上、中浪到大浪、中浪以下的浪场，Longuet-Higgins将海浪波面高度ζ看作大量余弦波叠加构成：

其中a_n为组成波振幅，k_i为波数矢量，x为水平位置(x,y)，f_i为频率，ε_i为均匀分布在0到2π的随机量，振幅a_n与海浪谱S(f_n)之间具有如下关系：

其中，采用JONSWAP谱[18]为靶谱计算波面高度场：

其中f₀为谱峰频率，g为重力加速度，α、σ和γ分别为JONSWAP谱的强度因子、宽度因子和升高因子，方向函数采用cos²θ，其中θ为方向角，得到方向频率谱：

S(f,θ)＝S(f)cos²θ

根据深水波动的频散关系：

(2πf)²＝gk

其中，k为波数矢量的模k＝|k|，作变量代换得到波数方向谱：

采用线性滤波法生成波面高度场时首先生成二维白噪声场W，然后对其进行傅立叶变换得到：

S_W＝F(W)

其中F表示傅立叶变换，此处调用二维快速傅立叶变换，以波数方向谱乘以S_W得到调制后的噪声谱，并对其作傅立叶逆变换得到波面高度场：

ζ＝F^-1(S·S_W)

其中F^-1表示傅立叶逆变换，此处调用二维快速傅立叶逆变换，得到某一时刻的波面高度场，即波面高度场的时间序列ζ(t_n)(t_n＝t+ndt，n＝1,2,3…N)，仅需要计算ζ＝F^-1(S·S_W)时先求出各个组成波相位随时间的变化再进行傅立叶逆变换即可得到波面高度场随时间的演化，由S_W计算各个分量的相位作为初始相位：

ε＝Angle(S_W)

t_n时刻频率f的组成波相位为：

φ_n＝ε-2πfndt

按上述方法即可得到各种平均波高的波面高度场时间序列；

在Tessendorf波面变形公式基础上引入比例于平均波陡的变形强度控制参数，利用修改后的公式对强浪场陡化处理并生成匹配的白浪贴图纹理，实际风浪具有较陡峭的波峰和平缓的波谷，为刻画波面这一特征需要对线性虚拟波面进行修改，通过在波面位移场的水平坐标x中加入一个修正量λD(x,t)来锐化波峰并拉平波谷，其中：

其中，λ是一个控制波峰锐化程度的经验参数，建立λ和海浪数值预报平均波陡参数之间的关联：

λ∝S_t

其中，S_t是平均波陡，由此式可知数值预报平均波陡值越大，波峰锐化越显著，波面水平坐标加入修正量之后，其雅克比变换能够写为：

J(x)＝J_xxJ_yy-J_xyJ_yx

其中，

根据雅克比行列式的模用于计算模型波面翻卷位置和白浪贴图位置，当行列式的模|J|＜0时，模型波面变形产生翻卷，定义雅克比行列式模|J|＜0.3时模型渲染时进行白浪贴图，翻卷波面点被剔除并重新插值波面场以及白浪贴图位置信息留做渲染使用；

以卫星遥感陆地高程为依据生成陆地高程模型，陆地高程模型使用归一化GEBCO陆地高程，陆地色彩RGB值由下式计算得到：

其中h_L和h_max分别表示陆地高程和画面内最高点的陆地高程。

2.根据权利要求1所述的一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，其特征在于：以数值预报有效波高分布为依据将不同等级波面拼接为复合三维波面，能够从高程数据中自动搜索浪区边界，然后逐层向内搜索并为各层数据点赋递增的值，从而构造出复杂形状的平滑函数。

3.根据权利要求1或2所述的一种海浪数值预报信息的三维可视化表达方法，其特征在于：依据光学模型和高度分别对复合三维浪场和陆地模型进行渲染形成动态预报画面，采用光学定律计算波面的反射强度和色彩，然后再依据雅克比行列式判别法对波峰进行贴图，计算陆地色彩，三维波面高度场中水平位置x，高度ζ(x,t)的位置矢量表示为：

其中

是向上为正向的方向矢量，r处波面的垂向矢量由波面坡度δ(x,t)计算得到：

若r处入射光线的方向为

入射光线与入射点垂向之间夹角θ_i：

通过斯涅耳定律将折射角θ_t与入射角θ_i联系起来：

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t

其中n_i和n_t分别为入射介质和透射介质的折射率，n_i/n_t＝0.75，由公式

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t和n_i/n_t＝0.75能够求出θ_t和θ_i进而计算水-气界面处反射系数R：

拼接复合波面高度场的方法得到复合的反射系数场，仅考虑天空和水体的颜色，令天空和水体的颜色矩阵分别为C_s和C_w，并以下式表示复合波面的颜色：

C＝R·C_s+C_w

波峰以外的波面根据该式进行渲染，波峰处采用白色泡沫照片的RGB值代换C＝R·C_s+C_w计算的RGB值，从而实现白浪效果，陆地部分的RGB值按照陆地色彩RGB值的计算公式进行计算。