CN116107972A - 一种轻量级的海洋标量场可视化方法 - Google Patents

一种轻量级的海洋标量场可视化方法 Download PDF

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Abstract

一种轻量级的海洋标量场可视化方法，包括以下步骤：1、选择网格形式的海洋环境数据源；2、数据处理，将原始的网格海洋环境数据源转换为shp格式海洋标量场可视化数据，并进一步统一输出为文本格式；3、数据存储，将生成完毕的海洋标量场可视化数据文件在服务器端部署存储至固定目录，以供读取调用；4、基于ArcG I S AP Ifor Javascr i pt在二维地图上完成海洋标量场可视化数据文件的可视化表达。该方法为用户提供大规模时空范围内海洋标量场的可视化表达，将海洋环境数据文件转换为文本格式(txt)的标量场可视化文件，再通过ArcG I S API for Javascr i pt将数据文件在浏览器端进行可视化表达，从而在保证可视化响应速度前提下直观展示数据的变化，同时节省大量的服务器资源。

Description

一种轻量级的海洋标量场可视化方法
技术领域
本发明属于海洋环境可视化领域，特别是一种轻量级的海洋标量场可视化方法。
背景技术
海洋环境数据是表示海洋环境状态或特征的海洋要素数据，可以分为标量场数据和矢量场数据。海洋标量场数据是只有海洋要素值的大小，而没有方向的海洋环境数据，如温度、盐度、海面高、叶绿素浓度等要素数据。
海洋标量场可视化是指通过可视化图像实时动态展示海洋环境标量场数据的动态变化过程。海洋标量场可视化对于科研人员分析海洋极端天气，船只航线划定以及预测渔船捕鱼地点的鱼群数量都有着诸多益处，大范围时间或空间的海洋标量场可视化更可以有效探究海洋的内在规律及发展变化。
目前，国内的海洋环境数据管理和可视化平台大多基于三维球体开发而成，如“中国近海数字海洋信息基础框架”、“iOcean中国数字海洋公众版”和“数字海洋应用服务系统”均采用B/S架构，基于Skyline开发完成。B/S架构下海洋标量场可视化有两种主要的实现方式：
第一种是在服务器端部署海洋环境数据文件并发布服务，通过网络传输文件数据，在客户浏览器端完成文件解析、标量场可视化渲染、几何图形绘制等工作，如图1所示。
第二种是在服务器端部署海洋环境数据文件，并完成文件解析、生成shp文件、发布海洋环境标量场可视化服务(如WFS要素服务)等工作，通过网络传输在客户浏览器端完成可视化服务加载，如图2所示。
这两种海洋标量场可视化方法存在如下缺点：
1、服务器资源占用多
现有的两种海洋标量场可视化方法均存在占用服务器资源过多的情况。第一种方法需要在服务器端存储发布大量的海洋环境数据文件服务。以国家海洋科学数据中心提供的再分析产品(CORA V2.0)为例，数据涵盖温度、盐度、海面高等标量要素，时间范围从1989年至今，时间分辨率包括月平均、日平均等，数据量高达12000余个文件、12TB，极大地占用了服务器的存储资源。第二种方法需要在服务器端部署海洋环境可视化服务，同样以再分析产品为例，垂向层深为50层，即每个文件均需发布50个可视化服务，总计需要发布6万余个服务，占用大量服务器资源的同时极易造成宕机。
2、可视化响应速度不高
现有的海洋标量场可视化方法均需要网络传输数据，而且数据量较大，导致系统响应速度不高。第一种方法需要从服务器端将选定日期的海洋环境数据文件通过网络传输至浏览器前端，并完成文件解析才能调用GIS平台加载展示。以再分析产品(CORA V2.0)为例，文件大小通常超过1GB，网络传输就消耗了较多的时间，而过大的文件又增加了后续文件解析所花费的时间，因此可视化的响应速度不高，用户体验不佳。第二种方法需要从服务器端将选定日期、层深的可视化服务数据通过网络传输至浏览器前端，而过多的可视化服务必然造成服务器性能下降，因此可视化的响应速度通常也不高。3、客户端设备性能要求较高
现有的海洋标量场可视化方法大多基于三维球体研发，三维球体的加载需要占用客户端的大量内存及计算资源，因此对于客户端设备性能要求较高。而在航海及渔业捕捞活动中，船舶大多仅携带有存储容量有限、计算性能较差的嵌入式设备，同时网络传输速度也较差，导致现有的海洋标量场可视化方法无法在该环境下有效应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻量级的海洋标量场可视化方法，该方法为用户提供大规模时空范围内海洋标量场的可视化表达，将海洋环境数据文件转换为文本格式(txt)的标量场可视化文件，再通过ArcGIS API for Javascript将数据文件在浏览器端进行可视化表达，从而在保证可视化响应速度前提下直观展示数据的变化，同时节省大量的服务器资源。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种轻量级的海洋标量场可视化方法，包括以下步骤：
(1)选择网格形式的海洋环境数据源；
(2)数据处理，将原始的网格海洋环境数据源转换为shp格式海洋标量场可视化数据，并进一步统一输出为文本格式；
(3)数据存储，将生成完毕的海洋标量场可视化数据文件(txt)在服务器端部署存储至固定目录，以供读取调用；
(4)基于ArcGIS API for Javascript在二维地图上完成海洋标量场可视化数据文件的可视化表达。
优选地，所述适用于网格形式的海洋环境数据源采用国家海洋科学数据中心提供的再分析产品CORA V2.0。
优选地，所述步骤(2)的具体步骤是：
步骤1，读取某海洋环境数据文件，选择其中一未被处理的要素转换输出成shp格式的格点数据，将各格点的数值写入属性表；
步骤2，读取步骤1中生成的shp文件，按顺序将未被处理的下一层数据进行空间处理分析操作，将格点数据转换为等值面，并根据各个面的数值为其分配颜色信息，输出为shp文件；
步骤3，将步骤2形成的等值面作为输入要素，使用矢量格式的全球陆地边廓图层对其进行裁剪，将裁剪后的数据输出成为shp格式的可视化图层，各面所属的数值范围及对应颜色信息写入属性表，同时删除步骤2生成的shp文件；
步骤4，读取步骤3形成的可视化图层，使用“要素转点”地理处理操作生成点状的shp格式标记图层，将各点所对应的要素数值范围写入标记图层的属性表；
步骤5，读取可视化图层shp，将等值面的坐标及颜色信息写入文本文件；
步骤6，读取标记图层shp，将各点坐标信息和温度范围写入步骤5生成的文本文件；
步骤7，判断各层深数据是否已全部读取、生成完毕，如是则转步骤1处理下一要素，否则转步骤2。
优选地，所述步骤(4)可视化表达的具体方法是：使用ArcGIS API forJavascript加载基础底图后，针对海洋标量场可视化数据文件，采用从服务器端读取文件并拼接生成几何图形数据，浏览器前端进行解析绘制的方法完成；当后台收到浏览器前端用户申请查看某个日期、层深可视化的请求时，首先根据日期、层深、要素拼接形成对应的可视化文件名称，根据名称前往固定目录读取相应可视化数据文件，然后拼接成为可供ArcGIS API for Javascript解析的JSON格式字符串，再将其返回至浏览器前端，浏览器前端完成JSON序列化，并读取其中的等值面、RGB颜色、标注点和注记信息，最后利用ArcGISAPI for Javascript提供的接口绘制到地图中。
优选地，所述步骤(4)采用异步方式从浏览器前端向服务器端发送数据请求。
优选地，所述步骤(4)采用限制单次读取面数量和多次读取绘制的方式完成前后端数据传递与可视化绘制。
本发明具有如下的优点和积极效果：
1、本发明可提高响应速度
针对现有海洋标量场可视化数据源文件过大、耗用服务器资源多等问题，本发明提出基于网格形式海洋环境数据文件的处理方法，将海洋环境网格数据文件转换为文本格式(txt)的标量场可视化数据文件，转换后单个文件仅为之前千分之一大小，为海洋标量场可视化提供了可靠易用的数据源支撑，同时极大地减少了服务器存储资源耗费。
此外，本发明综合现有两种海洋标量场可视化方法优点，在减小网络传输数据量的同时，在可视化表达中将数据读取、拼接几何图形等大计算量工作都放在性能更加卓越的服务器端完成，客户端浏览器仅完成简单的几何图形绘制工作，减小了客户浏览器端压力，减轻了网络传输压力，提高了海洋标量场可视化响应速度。
2、本发明支持在嵌入式设备部署应用
与现有海洋标量场可视化方法相比，本发明提出的方法将可视化所需的文件源处理转换为占用资源极小的文本文件，可以将处理后的海洋标量场可视化数据文件存储部署至嵌入式设备。本发明通过轻量级的ArcGIS API for Javascript完成海洋标量场可视化表达，并提出了包括数据组织管理、数据读取、前后端数据传递、可视化绘制的技术流程，满足了海洋标量场可视化表达的需要，大大减小了以往使用三维球体进行可视化对设备性能的消耗，减小了对客户端设备的性能要求，使得本方法具有更广泛的应用性。同时，本发明可以在断网状态的嵌入式设备部署应用，为远洋航行、网络条件有限的船只提供航线划定及渔船捕鱼地点规划等服务支撑。
附图说明
图1是B/S架构下第一种形式海洋标量场可视化方法流程图；
图2是B/S架构下第二种形式海洋标量场可视化方法流程图；
图3是本发明方法的原理流程图；
图4是本发明数据处理具体流程图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明做进一步说明。该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明的描述和保护范围内。
参见图3，本发明提出了一种轻量级的海洋标量场可视化方法，包括以下步骤：
(1)数据源选择
海洋环境数据种类繁多，数据格式方面，包括.dat、.nc、.grd、.lev等多种格式，数据的时间分辨率也各不相同，但通常均包含多种海洋要素及不同层深。本方法针对数据的共性特点提出，适用于网格形式的海洋环境数据源，如国家海洋科学数据中心提供的再分析产品(CORA V2.0)。
(2)数据处理
数据处理主要完成对海洋环境数据文件的处理、转换，提取其中海面高、温度、盐度等标量场要素数据，通过格式转换、插值及裁剪空间处理分析操作，将其由原始的网格数据转换为shp格式数据，并进一步统一输出为文本格式。其流程如图4所示：
步骤1，读取某海洋环境数据文件，选择其中一未被处理的要素(以下以温度要素举例)转换输出成shp格式的格点数据，将各点的温度数值写入属性表。
步骤2，读取步骤1中生成的shp文件，按顺序将未被处理的下一层深温度，通过插值、渲染、转换等空间处理分析操作，将格点数据转换为等值面，并根据各个面的温度数值为其分配颜色信息(如RGB数值)，输出为shp文件。
步骤3，将步骤2形成的等值面作为输入要素，使用矢量格式的全球陆地边廓图层对其进行裁剪，将裁剪后的数据输出成为shp格式的可视化图层，各面所属的温度数值范围及对应颜色信息写入属性表，同时删除步骤2生成的shp文件。
步骤4，读取步骤3形成的可视化图层，使用“要素转点”地理处理操作生成点状的shp格式标记图层，将各点所对应的要素数值范围写入标记图层的属性表。
步骤5，读取可视化图层shp，将等值面的坐标及颜色信息写入文本文件。
步骤6，读取标记图层shp，将各点坐标信息和温度范围写入步骤5生成的文本文件。
步骤7，判断各层深数据是否已全部读取、生成完毕，如是则转步骤(1)处理下一要素，否则转步骤(2)。
转换后，将获取大量文本格式的海洋标量场可视化数据文件，针对文件数量过多的特点，为便于检索及文件管理，对新生成的文本文件采用统一规则进行命名，在其中包含数据时间、要素、层深等信息。例如2008年1月-50米层深的海面高可视化文件可命名为“HMG_200801_depth50.txt”，HMG代表要素海面高，200801为时间，depth50为层深-50米。
(3)数据存储
将生成完毕的海洋标量场可视化数据文件在服务器端部署存储至固定目录，以供读取调用。
(4)可视化表达
在制作并部署海洋标量场可视化数据文件后，仍需完成文件读取并进行可视化表达，本方法采用基于ArcGIS API for Javascript在二维地图完成可视化表达。
ArcGIS API for Javascript是ESRI根据JavaScript技术实现的调用ArcGISServer REST API接口的一组脚本，为构建高性能的、纯浏览器的Web GIS应用提供了轻量级的解决方案，在客户端可以轻松地利用Javascript API来调用ArcGIS Server所提供的地图服务为定位框架与空间分析工具，实现地图应用和地理处理功能。
使用ArcGIS API for Javascript加载基础底图后，针对海洋标量场可视化数据文件，采用从服务器端读取文件，并拼接生成几何图形数据，浏览器前端仅进行解析绘制的方法完成。当后台收到浏览器前端用户申请查看某个日期、层深可视化的请求时，首先根据日期、层深、要素拼接形成对应的可视化文件名称，根据名称前往固定目录读取相应可视化数据文件，然后拼接成为可供ArcGIS API for Javascript解析的JSON格式字符串，再将其返回至浏览器前端。浏览器前端完成JSON序列化，并读取其中的等值面、RGB颜色、标注点、注记等信息，最后利用ArcGIS API for Javascript提供的接口绘制到地图中。
为保证响应速度，采用异步方式从浏览器前端向服务器端发送数据请求。在读取txt文本信息时，由于等值面信息数量过多，而前端与后端之间的单次数据传输量、ArcGISAPI for Javascript接口单次绘制几何图形量均存在限制，因此采用限制单次读取面数量、多次读取绘制的方式完成前后端数据传递与可视化绘制。
本发明是是一种高效自动的海洋标量场数据处理方法，减少了服务器资源占用、减轻了网络传输压力，提高了可视化响应速度；本发明是一种基于ArcGIS API forJavascript的可视化表达方法，满足了海洋标量场可视化表达的需要，同时减小了对客户端设备的性能要求，使得本方法具有更广泛的应用性；本发明可以应用于嵌入式设备的轻量级可视化架构，可以广泛应用于远洋航行及渔业捕捞活动，支撑航线划定、渔船捕鱼地点规划等工作。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种轻量级的海洋标量场可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)选择网格形式的海洋环境数据源；
(2)数据处理，将原始的网格海洋环境数据源转换为shp格式海洋标量场可视化数据，并进一步统一输出为文本格式；
(3)数据存储，将生成完毕的海洋标量场可视化数据文件在服务器端部署存储至固定目录，以供读取调用；
(4)基于ArcGIS API for Javascript在二维地图上完成海洋标量场可视化数据文件的可视化表达。
2.根据权利要求1所述的一种轻量级的海洋标量场可视化方法，其特征在于：所述适用于网格形式的海洋环境数据源采用国家海洋科学数据中心提供的再分析产品CORA V2.0。
3.根据权利要求1所述的一种轻量级的海洋标量场可视化方法，所述步骤(2)的具体步骤是：
步骤1，读取某海洋环境数据文件，选择其中一未被处理的要素转换输出成shp格式的格点数据，将各格点的数值写入属性表；
步骤2，读取步骤1中生成的shp文件，按顺序将未被处理的下一层数据进行空间处理分析操作，将格点数据转换为等值面，并根据各个面的数值为其分配颜色信息，输出为shp文件；
步骤3，将步骤2形成的等值面作为输入要素，使用矢量格式的全球陆地边廓图层对其进行裁剪，将裁剪后的数据输出成为shp格式的可视化图层，各面所属的数值范围及对应颜色信息写入属性表，同时删除步骤2生成的shp文件；
步骤4，读取步骤3形成的可视化图层，使用“要素转点”地理处理操作生成点状的shp格式标记图层，将各点所对应的要素数值范围写入标记图层的属性表；
步骤5，读取可视化图层shp，将等值面的坐标及颜色信息写入文本文件；
步骤6，读取标记图层shp，将各点坐标信息和温度范围写入步骤5生成的文本文件；
步骤7，判断各层深数据是否已全部读取、生成完毕，如是则转步骤1处理下一要素，否则转步骤2。
4.根据权利要求1所述的一种轻量级的海洋标量场可视化方法，所述步骤(4)可视化表达的具体方法是：使用ArcGIS API for Javascript加载基础底图后，针对海洋标量场可视化数据文件，采用从服务器端读取文件并拼接生成几何图形数据，浏览器前端进行解析绘制的方法完成；当后台收到浏览器前端用户申请查看某个日期、层深可视化的请求时，首先根据日期、层深、要素拼接形成对应的可视化文件名称，根据名称前往固定目录读取相应可视化数据文件，然后拼接成为可供ArcGIS API for Javascript解析的JSON格式字符串，再将其返回至浏览器前端，浏览器前端完成JSON序列化，并读取其中的等值面、RGB颜色、标注点和注记信息，最后利用ArcGIS API for Javascript提供的接口绘制到地图中。
5.根据权利要求4所述的一种轻量级的海洋标量场可视化方法，其特征在于：所述步骤(4)采用异步方式从浏览器前端向服务器端发送数据请求。
6.根据权利要求4所述的一种轻量级的海洋标量场可视化方法，其特征在于：所述步骤(4)采用限制单次读取面数量和多次读取绘制的方式完成前后端数据传递与可视化绘制。
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