一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法技術

本發明專利技術公開了一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，其步驟如下：1)建立關系數據庫圖層，記錄每個Argo浮標的信息；2)從關系數據庫中，快速讀取到需要進行繪制的海洋環境要素的數值，按照時間和深度兩個層的概念進行三維矩陣存儲；3)根據Argo浮標的監測位置信息構建m×n大小的網格空間，同時將幾何坐標轉換為墨卡托Mercator投影進行線性插值；4)將海洋環境要素的監測數據分別按照時間和空間的層次組織，根據m×n網格空間進行線性插值；5)每個Argo浮標的監測范圍進行邊界處理；6)將處理邊界后的三維矩陣，通過MATLAB三維仿真方法進行可視化渲染。本方法可有效、直觀地看到海洋產品的切面仿真，對于海洋環境產品的研究和應用有著重要的意義。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及海洋要素的可視化仿真方法，具體涉及一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法。
技術介紹
Argo(ArrayforReal-timeGeostrophicOceanography)計劃實現全球實時海洋觀測網，對2000m以下的水深進行溫度、鹽度、壓強和溶解氧的探測。目前在全球范圍內已投放了8000多個浮標，每年生成10萬多條數據。海量的數據量對海洋監測要素的三維切面可視化仿真帶來了挑戰，讀取速度慢，繪制時CPU消耗多，都會給Argo浮標海洋產品的應用帶來困擾。目前尚未有一種可靠完善的Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法。分布式管理系統HDFS具有存儲大文件、流式訪問、高性能存儲和高吞吐量等特點，符合Argo浮標監測數據的特點，采用HDFS與傳統關系型數據庫相結合，可有效地存儲各種文本形式的監測數值信息。在繪制監測要素的三維切面圖時，采用流式方式來讀取三維矩陣數值，加快了讀取速度，從而為三維切面繪圖服務。MATLAB是一個集算法開發、數據可視化、數據分析、數值計算等技術于一體的交互式環境開發工具。在使用MATLAB的工具箱對海洋環境監測要素進行三維切面可視化渲染時，其原理是利用低維信息來處理高維數據，通過顏色屬性作為高維信息的表達方面，在z軸上增加一個渲染表達，可以有效地提高海洋環境監測要素三維切面的繪制效率，縮短海洋產品生成周期，能較好地實現海洋產品的實時展示。
技術實現思路
本專利技術的目的是克服現有技術的不足，提供一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的：一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，依次包括如下步驟：步驟1：建立關系數據庫圖層，記錄每個Argo浮標的監測位置信息、海洋環境監測要素信息和監測時間信息；步驟2：從關系數據庫中，讀取到需要進行繪制的海洋環境要素的數值，按照時間和深度兩個層的形式進行三維矩陣存儲；步驟3：根據Argo浮標的監測位置信息構建m×n大小的網格空間，同時將幾何坐標轉換為墨卡托Mercator投影進行線性插值，其中m和n分別為網格空間的行數和列數；步驟4：將海洋環境要素的數值分別按照時間和空間的層次組織，根據m×n網格空間進行線性插值；步驟5：對每個Argo浮標的監測范圍進行邊界處理；步驟6：將處理邊界后的三維矩陣，通過MATLAB三維仿真方法進行可視化渲染，并在z軸的維度上進行切面渲染。上述各步驟可分別采用如下優選方式：所述的步驟1中，Argo浮標通過關系型數據庫進行統一管理時，采用分布式管理系統與傳統關系型數據庫相結合的方式；所述的監測要素包括傳統的溫度、鹽度、壓強和溶解氧，且該4類監測要素進行數據存儲時，需要按照年份的方式進行存儲管理。所述的步驟3中，利用每個Argo浮標對應的監測位置信息構建網格空間時，預先設置m和n的數值，再采用meshgrid函數進行網格化處理，網格化處理公式為[xx，yy]＝meshgrid(x，y)，其中x和y分別為當前浮標的經度信息和緯度信息，xx和yy分別為網格化后的經度信息和緯度信息；Argo浮標的監測數據在進行坐標轉換時，需要增加在每個坐標點上的監測數目。所述的步驟4包括：1)將各海洋環境要素的數值按照時間維度和空間維度的兩種方式，以NC文件的形式進行組織；2)在繪制時，需要從NC文件中依次讀取每一層的監測數據，通過m×n網格空間進行線性插值，采用interp2內插法，插值公式為ec2＝interp2(x,y,ec,xx,yy)，其中x和y分別為網格化前的經度和緯度信息，xx和yy分別為網格化后的經度和緯度信息，ec為海洋監測要素的數值，ec2為插值后的監測要素數值。所述的步驟5中，在對m×n網格空間進行邊界分割時，將邊界外的海洋環境要素的數值設為nan值，以便矩陣剔除。所述的步驟6包括：1)按照m×n網格空間的經緯度范圍，以及時間和深度的層數，構建一個三維空間；2)剔除nan值后的監測要素值分別按照時間和深度的維度進行三維空間上的渲染，同時在z軸上增加一層的斷面渲染，采用slice函數，公式為slice(x,y,z,v,xx,yy,zz)，其中v為超立體的三維數組，x，y和z分別為Argo浮標的經度、緯度和監測要素的數值，xx、yy和zz分別為網格化后的經度、緯度和監測要素的數值。本專利技術與現有技術相比具有有益效果：全球Argo浮標每年產生海量的文本數據，如果僅依靠傳統的關系型數據庫會造成讀取數據流時浪費過多的時間，從而造成海洋產品生成的延時性，這點嚴重影響了海洋產品的可視化展示。本專利技術采用分布式管理系統HDFS與傳統關系型數據庫相結合，采用流式方式讀取監測要素，大幅度地降低了數據的加載過程，在三維切面的可視化仿真過程中，利用MATLAB的高性能繪圖，采用顏色屬性作為高維信息的表達，有效地縮短了Argo浮標海洋產品的生產周期，對于研究和實際應用具有重大的意義。附圖說明圖1為本專利技術Argo浮標鹽度不同深度的三維切面仿真示意圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步詳細說明。以某區域Argo浮標鹽度監測要素的不同深度可視化仿真為例。Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，依次包括如下步驟：步驟1：建立關系數據庫圖層，記錄每個Argo浮標的監測位置信息、海洋環境監測要素信息(投放日期、維護情況)和監測時間信息；將Argo浮標的文本放入HDFS下的子節點，與關系型數據庫相關聯。具體來說，在該步驟中，由于全球Argo浮標數量眾多，采用關系型數據庫進行統一管理時，需要采用分布式管理系統與傳統關系型數據庫相結合的方式；本實施例中監測要素包括傳統的溫度、鹽度、壓強3類和當前新增的溶解氧共4類監測要素，且該4類監測要素進行數據存儲時，為了提高讀取的速度，需要按照年份的方式進行存儲管理。步驟2：從HDFS中讀取需要可視化仿真的監測要素，本實施例中是指鹽度，以流式的方式讀取選定Argo浮標不同深度的數值，并按照時間和深度兩個層的形式進行三維矩陣存儲；步驟3：根據Argo浮標的監測位置信息構建1000×1000大小的網格空間，同時將幾何坐標轉換為墨卡托Mercator投影進行線性插值，其中m和n分別為網格空間的行數和列數。具體來說，每個Argo浮標都有著對應的監測位置信息，可視化渲染時，需要建構一個空間網格，根據實際需要設置m和n的數值，采用meshgrid函數進行網格化處理，網格化處理公式為[xx，yy]＝meshgrid(x，y)，其中x和y分別為當前浮標的經度信息和緯度信息，xx和yy分別為網格化后的經度信息和緯度信息；Argo浮標的監測數據是站點數據，屬于點類型，在進行坐標轉換時，為了避免數據較少引起的像素較差問題，需要增加在每個坐標點上的監測數目。步驟4：將海洋環境要素的數值分別按照時間和空間的層次組織，根據m×n網格空間進行線性插值。具體來說，首先要將各海洋環境要素的數值按照時間維度和空間維度的兩種方式，以NC文件的形式進行組織；然后在網格空間繪制時，需要從NC文件中依次讀取每一層的監測數據，通過m×n網格空間進行線性插值，采用interp2內插法，插值公式為ec2＝interp2(x,y,ec,xx,yy)，其中x和y分別為網格化前的經度和緯度信息，xx和yy分別為網格本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，其特征在于，依次包括如下步驟：步驟1：建立關系數據庫圖層，記錄每個Argo浮標的監測位置信息、海洋環境監測要素信息和監測時間信息；步驟2：從關系數據庫中，讀取到需要進行繪制的海洋環境要素的數值，按照時間和深度兩個層的形式進行三維矩陣存儲；步驟3：根據Argo浮標的監測位置信息構建m×n大小的網格空間，同時將幾何坐標轉換為墨卡托Mercator投影進行線性插值，其中m和n分別為網格空間的行數和列數；步驟4：將海洋環境要素的數值分別按照時間和空間的層次組織，根據m×n網格空間進行線性插值；步驟5：對每個Argo浮標的監測范圍進行邊界處理；步驟6：將處理邊界后的三維矩陣，通過MATLAB三維仿真方法進行可視化渲染，并在z軸的維度上進行切面渲染。

【技術特征摘要】
1.一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，其特征在于，依次包括如下步驟：步驟1：建立關系數據庫圖層，記錄每個Argo浮標的監測位置信息、海洋環境監測要素信息和監測時間信息；步驟2：從關系數據庫中，讀取到需要進行繪制的海洋環境要素的數值，按照時間和深度兩個層的形式進行三維矩陣存儲；步驟3：根據Argo浮標的監測位置信息構建m×n大小的網格空間，同時將幾何坐標轉換為墨卡托Mercator投影進行線性插值，其中m和n分別為網格空間的行數和列數；步驟4：將海洋環境要素的數值分別按照時間和空間的層次組織，根據m×n網格空間進行線性插值；步驟5：對每個Argo浮標的監測范圍進行邊界處理；步驟6：將處理邊界后的三維矩陣，通過MATLAB三維仿真方法進行可視化渲染，并在z軸的維度上進行切面渲染。2.根據權利要求1所述的一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，其特征在于，所述的步驟1中，Argo浮標通過關系型數據庫進行統一管理時，采用分布式管理系統與傳統關系型數據庫相結合的方式；所述的監測要素包括傳統的溫度、鹽度、壓強和溶解氧，且該4類監測要素進行數據存儲時，需要按照年份的方式進行存儲管理。3.根據權利要求1所述的一種Argo浮標海洋產品的可視化仿真方法，其特征在于，所述的步驟3中，利用每個Argo浮標對應的監測位置信息構建網格空間時，預先設置m和n的數值，再采用meshgrid函數進行網格化處理，網格化處理公式為[xx，yy]＝meshgrid(x，y)，其中x和y分別為當前浮標的經度信息和緯度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張豐，杜震洪，劉仁義，吳森森，周曉莉，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33