并行化二維流場多元數據動態可視化系統技術方案

本發明專利技術公開了一種并行化二維流場多元數據動態可視化系統，操作步驟如下：(1)、流場數據準備；(2)、計算粒子路徑；(3)、繪制流場圖；所述流場數據準備包括時間變量、經緯度坐標變量、速度分量變量和溫度變量等格點化數組，計算粒子路徑是通過Fortran程序來實現，最后再利用Python語言及相應的程序包來繪制流場圖；本發明專利技術基于地球科學領域常用的工具，利用粒子追蹤方法構建曲線型流線向量場來更直觀地描述海洋二維流場，并利用并行技術來計算粒子追蹤和繪圖，大大提高了處理能力和計算速度。

A parallel dynamic visualization system for two-dimensional flow field multivariate data

The invention discloses a parallel two-dimensional flow field dynamic multivariate data visualization system, the operation steps are as follows: (1), the flow data preparation; (2) and the calculation of particle path; (3), drawing flow charts; the flow data preparation including the time variable, latitude coordinate variable, variable velocity component and temperature variable grid array, the calculation of particle path is realized by Fortran program, and finally using the Python language and the corresponding package to draw the flow chart; the invention of commonly used tools in Earth Sciences Based on the particle type curve is constructed to streamline vector field more intuitive description of marine two-dimensional flow tracing technique, and used to the calculation and drawing of parallel particle tracking technology, greatly improving the processing capacity and calculation speed.

【技術實現步驟摘要】
并行化二維流場多元數據動態可視化系統
本專利技術涉及的是軟件
，具體的說是一種并行化二維流場多元數據動態可視化系統。
技術介紹
在地球科學領域，將海洋流場做為一種向量場來表示，是描述海洋特征的常用手段之一。目前對流場可視化的方法主要有紋理法、幾何線形法和特征法等，不同的方法對流場的刻畫都有其觀注的重點，而在地球科學領域，人們更傾向于使用幾何線形來表達真實觀測或數值模擬的流場數據。隨著觀測技術與計算機的發展，海洋流場數據產品的時空分辨率越來越高，人們對流場可視化的要求也越來越高。首先是靜態圖片對流場的描述已不能滿足一些特定場合的需求，尤其對于非靜態流場，簡單的幾張圖片已無法對流場的變化進行精細刻畫；其次，目前在地球科學領域使用的流場表示方法多數是基于格點數據進行直線型矢量群的繪制，這種方法對流場精細結構的描述非常有限。另外，目前雖然有不少文獻介紹了多種方法來進行流場的可視化，但多數是從計算機信息工程與技術角度出發，與地球科學領域的直接應用還有一定的距離。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的缺陷和不足，提供了一種并行化二維流場多元數據動態可視化系統，基于地球科學領域常用的工具，利用粒子追蹤方法構建曲線型流線向量場來更直觀地描述海洋二維流場，利用并行技術來計算粒子追蹤和繪圖，大大提高了處理能力和計算速度。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：并行化二維流場多元數據動態可視化系統，具體操作步驟如下：1、流場數據準備；2、計算粒子路徑；3、繪制流場圖。進一步，所述流場數據準備包括時間變量、經緯度坐標變量、速度分量變量和溫度變量等格點化數組。進一步，所述步驟中第(2)、(3)步的實現均通過多CPU并行的計算方式來提高處理能力和計算速度。進一步，所述繪制的流場圖是利用粒子路徑形成的曲線矢量場來描述二維流場的形態，通過透明度漸變的方式表示流線方向，并利用線條顏色來疊加更多的流場信息。本專利技術的有益效果為：1、對定常流場進行粒子追蹤計算，利用粒子路徑形成曲線矢量場系列圖片對定常流場進行動態描述；2、對非靜態流場進行粒子追蹤計算，利用粒子路徑形成曲線矢量場系列圖片對時變的流場進行動態描述；3、對曲線矢量流場系列圖片進行染色，使得曲線矢量流場圖不僅可以對流場的運動進行描述，還可以疊加水溫等多元信息。4、根據計算條件可設置多個CPU進行并行計算，極大提高粒子追蹤計算和繪圖的速度。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施方式，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。并行化二維流場多元數據動態可視化系統，具體操作步驟如下1、流場數據準備流場數據文件為NetCDF格式，文件中應包含以下幾個變量：a)時間變量time，一維數組，記錄流場數據切片的時間，具有相等的時間間隔。b)經緯度坐標變量lon、lat，均為一維數組，記錄流場數據的格點坐標，也可以用迪卡爾坐標。c)速度分量變量u、v，均為三維數組，每個維度分別對應時間、緯度和經度，u和v分別記錄流場速度的東西分量和南北分量在各格點上的數值。d)溫度變量temp，三維數組，每個維度分別對應時間、緯度和經度，記錄流場格點數據對應的水溫值。其中溫度變量可以和流場數據保存在同一文件中，也可以單獨保存在不同的文件中，且溫度變量可換為其它相關標量數組。2、計算粒子路徑a)編譯perpetual.f90在命令行輸入如下編譯命令：mpif90-operpmperpetual_mpi.f90$optional_parameter–I/Path/To/NetCDF/Include–L/Path/To/NetCDF/lib-lnetcdf其中$optional_parameter為編譯時根據操作系統及軟件平臺等環境可選的Fortran編譯選項，比如二進數據大小端存儲方式、數據記錄標記Maker的具體格式等；/Path/To/NetCDF/Include需替換為編譯環境中NetCDF函數庫中Include路徑的具體位置；/Path/To/NetCDF/lib需替換為NetCDF函數庫中Lib路徑的具體位置。b)通過Fortran的namelist機制設置與流場數據及繪圖相關的參數，關鍵參數如下：ncfn-流場數據文件路徑M、N-流場數據格點數Pfnb-粒子路徑計算結果文件路徑xl、yl-繪圖區域的經緯度范圍fps-流場數據相鄰記錄間粒子追蹤次數Ns-粒子路徑對應的流線長度控制參數ds-粒子分布密度控制參數dt-粒子追蹤積分時間參數spn-定常流場與非靜態流場繪制切換開關，值為真時對定常流場進行粒子追蹤計算，值為假時是對非靜態流場進行粒子追蹤計算。對非靜態流場需要先設置其值為假對第一條記錄進行粒子追蹤計算并使之達到粒子分布密度動態平衡狀態，然后再設置為真進行時變流場下的粒子追蹤計算。nspin-粒子追蹤計算總次數c)啟動粒子追蹤計算具體命令形式如下：mpirun–np$Nprocessperpm其中$Nprocess為參與并行計算的CPU總個數。3、繪制流場圖需要將perpetual.py和mplotting.py放在同一路徑下，然后設置關鍵參數：gfn-第2步生成的粒子格點數據文件路徑dfn-第2步生成的粒子路徑文件的路徑ffn-欲保存的圖片文件名nrow、ncol-分區式并行繪圖的分區參數nt-分層式并行繪圖的層數參數nfms-第2步生成的粒子路徑文件總數fid-溫度變量所在NetCDF文件路徑然后運行繪圖程序mplotting.py：命令格式具體如下：pythonmplotting.py運行完成后會產生一系列按時間序列排列的圖片，利用合成軟件(如imagemagick等)可以很方便地制作出動態視頻。對于本領域技術人員而言，顯然本專利技術不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本專利技術的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本專利技術。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本專利技術的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本專利技術內。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
并行化二維流場多元數據動態可視化系統，其特征在于：操作步驟如下：(1)、流場數據準備；(2)、計算粒子路徑；(3)、繪制流場圖。

【技術特征摘要】
1.并行化二維流場多元數據動態可視化系統，其特征在于：操作步驟如下：(1)、流場數據準備；(2)、計算粒子路徑；(3)、繪制流場圖。2.根據權利要求1所述的并行化二維流場多元數據動態可視化系統，其特征在于：所述流場數據準備包括時間變量、經緯度坐標變量、速度分量變量和溫度變量等格點化數組。3.根據權利要求1所述的并行化二維流場多元...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李明悝，
申請(專利權)人：中國海洋大學，
類型：發明
國別省市：山東,37