海洋環境的可視化方法技術

本發明專利技術公開的海洋環境的可視化方法，將海洋環境三維場景同平行坐標法結合，具體包括以下步驟：第一步、海洋環境的三維場景和平行坐標建模；第二步、建立基于海洋環境三維場景和平行坐標的多維要素一體化繪制和交互式提取算法；第三步、多維海洋環境數據關聯特征、聚類特征表達。本發明專利技術可用于風暴潮、赤潮、ENSO循環等海洋現象的知識發現，為理解、重建、認知海洋現象提供新思路。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種多維數據的可視化方法，尤其涉及一種關于海洋環境多維數據的可視化方法。
技術介紹
海洋是典型的多維動態變化環境，包括時間維、空間維、海洋環境要素維。海洋環境要素維包括海空要素，具體的如云、雨、霧、氣壓、氣溫等；海表要素，具體的如風、浪、流、潮汐、風暴潮等；海洋水體要素，具體的如溫度、鹽度、密度、內波、環流、躍層等；和海底要素，如地質、地貌、磁場等等不同環境要素組成。中時空尺度的風暴潮、赤潮、海冰等災害，大時空尺度上的海洋大氣二氧化碳通量、ENSO(全球尺度的氣候振蕩)循環是當前海洋研究的熱點、難點問題，這些海洋現象的·產生與哪些環境要素相關，相關要素之間的變化強度如何，在已知的影響關系外是否還存在其他隱含的關系和模式，這些問題的研究需要多維海洋環境信息為支撐。在海洋環境知識發現、認知和決策過程中，通過在低維可視空間中對多維數據進行可視化展現，知識工作者可以準確、快速地發現數據集中隱藏的特征信息、關系信息和模式信息。對海洋環境多維要素進行綜合可視化表達與分析將有助于上述問題的解決。國內關于海洋環境多維可視化的研究仍處于探索階段。學者論述了多維動態數據模型、多維可視化在地學研究中的重要意義，提出了虛擬地理環境地學可視化框架采用Geodatabase地理數據模型管理多維海洋環境數據，在一個視圖窗體中分別從海洋表面、海洋內部、海底表面和海底深部四個空間層次來可視化顯示2D，2. 5D和3D矢量、柵格海洋數據。從可視化表現的技術層面上分別探索臺風過程中三維風場數據的剖面、等值面、矢量線的一體化動態表達；海洋環境要素數據與觀測數據的一體化顯示。以上對海洋環境的多維可視化的探索取得了一定進展，但仍面臨三維空間難以表現高維數據的，難以發現數據之間的關聯性和趨勢特征的問題。國外關于海洋多維數據可視化研究起步較早，并取得了一系列的研究成果。實現了漁業和水文數據、颶風(包括風場、氣壓場、軌跡數據)、大氣環境、風暴潮的多維可視化表達。軟件通過不同可視化方法的集成在一定程度上實現了海洋數據的多維可視化，但這些軟件針對可視化本身，在數據管理和分析功能方面存在明顯不足。現有的海洋環境多維數據可視化均為基于三維場景的可視化，在實現方法上包括針對不同要素采用不同渲染方法，達到在三維空間中多維顯示的目的；將不同屬性維度數據的分窗口表達，以及上述方法的結合。基于三維場景表現多維數據，形象直觀，便于理解，但存在的問題是①現有研究多是以數據顯示為目的，針對特定應用，缺少關于多維可視化表現方式的系統研究；②三維場景中所能表達的要素維數非常有限，并且難以表現隨機的、時空分異的多維屬性數據及其相互關系；③上述研究的本質仍是對數據的可視化，難以進行多維可視化分析，難以發現多維要素隱含的關系和模式。在非空間信息多維可視化中，平行坐標、散點圖、雷達圖、臉譜圖、調和曲線圖、星座圖等是常用的可視化挖掘方法，用來解決數據的多維顯示和分析。平行坐標表示法的原理是將高維數據的各個變量用一系列相互平行的坐標軸表示，變量值對應軸上位置，即將歐式空間的一個點Xi (Xil，Χ 2, ...，Xim)映射到2維平面上的一條曲線。平行坐標可以表示超高維數據，并且常用來判斷多維信息的相關性。大數據集采用平行坐標的表示，會遇到線段混亂、坐標軸屏幕限制、折線重疊的現象，不易于發現各維間的隱含關系，因此，許多處理平行坐標信息混淆的方法被開發了出來，如維度重排、數據點著色、數據聚類、動態顯示等，提高了平行坐標表示法的表現能力。目前，因其強大的多維展示和分析能力，平行坐標已被用于熱帶氣旋氣候、交通、地震多維數據表達和分析中，為海洋環境多維可視化研究提供了新思路。基于平行坐標的方法通常用于信息科學領域，能夠表現超高維數據，最大缺點是 不能表現空間數據的位置信息，因此不夠形象直觀，需要對數據比較專業的理解和分析能力因此，現有技術存在缺陷，有待于進一步改進和發展。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種，本專利技術的技術方案如下，將海洋環境三維場景同平行坐標法結合，具體包括以下步驟第一步、海洋環境的三維場景和平行坐標建模；第二步、建立基于海洋環境三維場景和平行坐標的多維要素一體化繪制和交互式提取算法；第三步、多維海洋環境數據關聯特征、聚類特征表達。所述的，其中，所述第一步包括以下步驟I. I、基于空間網格模型進行海洋環境三維場景建模，通過可視化方法的集成，實現基于三維場景的多維集成表達；I. 2、根據海洋環境數據特點和應用分析需求，改進傳統平行坐標表示法，使其適應海洋環境數據；I. 3、建立海洋環境三維場景和平行坐標中多維數據傳遞和調度機制。所述的，其中，所述步驟I. I還包括以下步驟I. I. I、通過將海洋環境抽象為海洋外部、海洋表面、海洋內部和海洋底部四個層次，然后分別建立網格模型作為可視化表達的載體；I. I. 2、將具有時空特征的網格場數據離散到三維格網節點矢量要素值；I. I. 3、一維的點數據和二維的線數據則作為特征對象獨立繪制，并嵌入三維空間網格，遙感反演數據作為浮動圖層動態添加并嵌入三維空間網格中。所述的，其中，所述步驟I. 2包括以下步驟I. 2. I、計算屬性維度的均值、標準差、數據頻次信息，在相鄰維度間，通過定義關聯規則，動態計算關聯規則的置信度和支持度，并標示在平行坐標軸；I. 2. 2、在坐標軸中加入動態滑竿，結合均值和標準差，交互地對數據進行聚類，確定特定屬性準在低于均值、均值、高于均值區間內與其他屬性維度的相關性；I. 2. 3、針對標量數據,在坐標軸上直接顯示標量屬性值或變化量,針對矢量場數據，通過矢量方向分解，轉換為標量值顯示在坐標軸上。所述的，其中，所述第二步具體包括以下步驟2. I、建立從多維數據到三維場景和平行坐標的二維傳遞函數，實現從三維網格場數據的屬性值、梯度值到顏色、灰度、透明度之間的一致映射；2. 2、建立適合海洋網格場數據的八叉樹LOD實時繪制算法，實現大數據量的三維場數據和平行坐標的一致渲染；2. 3、采用動態滑竿技術實現平行坐標中網格場數據的交互式提取；基于模型-視 點矩陣實現三維場景中網格場數據的交互式提取。所述的，其中，所述步驟2. I包括以下步驟2. 2. I、建立對屬性數據的256 * 256 * 256色映射，實現從屬性值到灰度值的映射；2. 2. 2、建立分段線性函數，實現梯度到透明度的映射；2. 2. 3、建立二維傳遞函數，根據體素的顏色和透明度對三維場景和平行坐標中對數據進行整理渲染。所述的，其中，所述第三步具體包括以下步驟3. I、通過關聯規則可視化分析方法，篩選出最相關維度；3. 2、通過可視化的聚類分析、均值提取，實現相關維度之間的聚類特征表達，并根據聚類結果進一步細化多維數據關聯規則。所述的，其中，所述步驟3. I具體包括以下步驟3. I. I、固定一維，分別預定義該維度與其他維度的關聯規則；3. I. 2、設置關聯規則的置信度閾值，在平行坐標中對多維數據進行可視化；3. I. 3、計算所選維度與另一維度關聯規則的支持度和置信度；3. I. 4、根據置信度關系，保留高于最小置信度的維度，剔除小于最小置信度的維度，得到具有關聯關系的多維屬性及其置信度；3. I. 5、重復步驟3. I. 3,3.本文檔來自技高網...

【技術保護點】
海洋環境的可視化方法，將海洋環境三維場景同平行坐標法結合，具體包括以下步驟：第一步、海洋環境的三維場景和平行坐標建模；第二步、建立基于海洋環境三維場景和平行坐標的多維要素一體化繪制和交互式提取算法；第三步、多維海洋環境數據關聯特征、聚類特征表達。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉健，范湘濤，譚劍，朱俊杰，杜小平，
申請(專利權)人：中國科學院對地觀測與數字地球科學中心，
類型：發明
國別省市：