畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告：海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化研究

畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告 海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化研究海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)研究-開(kāi)題報(bào)告1課題意義海洋覆蓋著地球表面四分之三的“藍(lán)色領(lǐng)土”,在新的世紀(jì),海洋越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視,海洋事業(yè)的發(fā)展關(guān)系到各國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。中國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó),海岸線超過(guò)1.8萬(wàn)公里,面積在500平方米以上的島有6961個(gè)(蘇志強(qiáng),2010)。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)海洋公約》以及中國(guó)相關(guān)法律的規(guī)定,中國(guó)管轄約300萬(wàn)平方公里海域面積。隨著海洋漁業(yè)、濱海旅游業(yè)、海洋交通運(yùn)輸業(yè)、海洋油氣業(yè)等海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,海洋產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)越來(lái)越大。隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海洋防災(zāi)減災(zāi)的需要,海洋環(huán)境預(yù)報(bào)成為愈發(fā)重要的研究課題。同時(shí),中國(guó)又是世界上遭受海洋災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)象之一,平均每年由于風(fēng)暴潮、海冰、海霧、颶風(fēng)等各種海洋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)100億元(茅克勤,2011)。其中1997年和2005年造成的影響的規(guī)模空前,經(jīng)濟(jì)損失分別高達(dá)308億元和332億元,嚴(yán)重威脅了沿海省市的可持續(xù)發(fā)展;風(fēng)暴潮和海浪等臺(tái)風(fēng)引起的次生災(zāi)害造成的死亡和失蹤人數(shù)迗到6274人(左書華,2008)。因此,海洋環(huán)境檢測(cè)及預(yù)報(bào)對(duì)于沿海人民生命財(cái)產(chǎn)保護(hù)、海洋資源幵發(fā)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展等意義重大。經(jīng)過(guò)多年海洋環(huán)境檢測(cè)技術(shù)的積累,特別是隨著高科技預(yù)報(bào)技術(shù)和預(yù)報(bào)領(lǐng)域的發(fā)展,海洋環(huán)境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)飛速增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)是以簡(jiǎn)單的文字、表格、圖片等方式提供。而隨著海洋場(chǎng)信息的內(nèi)容向全球化、實(shí)時(shí)化、深度融合的方向發(fā)展,這對(duì)海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)提出了更高的要求。海洋環(huán)境平臺(tái)聚積了多源異構(gòu)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、數(shù)據(jù)量龐大的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),隨即面臨了如何更好地向海洋工作者展示信息的挑戰(zhàn)。尤其是海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)，具有一般文本和數(shù)字信息不具有的復(fù)雜度，空間相關(guān)等特點(diǎn)。針對(duì)海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化的需求,GIS服務(wù)技術(shù)可以為海洋工作者提供更加方便、直觀的海洋環(huán)境信息。然而由于海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)具有異構(gòu)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、數(shù)據(jù)量龐大等特點(diǎn),傳統(tǒng)的GIS服務(wù)發(fā)布方法在應(yīng)用時(shí)無(wú)法解決服務(wù)發(fā)布效率低、服務(wù)器資源浪費(fèi)、服務(wù)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。本課題希望根據(jù)環(huán)境環(huán)境風(fēng)、浪、流在可視化過(guò)程中遇到效果和性能的瓶頸，提出合適的海洋環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，特別針對(duì)等值線和等值面開(kāi)展新方法的研究。2文獻(xiàn)綜述2.1數(shù)據(jù)來(lái)源國(guó)際上提供海洋數(shù)據(jù)服務(wù)的著名機(jī)構(gòu)包括美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NationalOceanicandAtmosphericAdministration)、歐洲太空局(EuropeanSpaceAgency)、法國(guó)國(guó)家空間研究中心(CentreNationald'EtudesSpatiales)、美國(guó)國(guó)家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)等(康燕,2012)。這些機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)的基本查詢和下載功能。例如地形數(shù)據(jù)提供網(wǎng)站naturalearth(/),美國(guó)國(guó)家天氣服務(wù)提供的氣象數(shù)據(jù)（/）等。隨著數(shù)據(jù)量的增加,海洋科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)提出了更高的要求。2.2場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化方法對(duì)于場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理，一般分為是預(yù)處理，壓縮傳輸，渲染可視化，交互操作幾個(gè)階段。下面分階段對(duì)可視化需要用到的技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。2.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理在多變量空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化中，特征抽取和統(tǒng)計(jì)分析經(jīng)常被結(jié)合使用：將處理對(duì)象從原始數(shù)據(jù)空間變換到統(tǒng)計(jì)空間（直方圖、散點(diǎn)圖等），用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法表達(dá)原始數(shù)據(jù)或者抽取的特征，以達(dá)到減少數(shù)據(jù)量同時(shí)保持關(guān)鍵信息、分析變量間關(guān)系的目的。多變量空間數(shù)據(jù)可視化的降維操作通常有2種途徑：低維空間嵌人，以便在低維檢測(cè)高維數(shù)據(jù)空間的特征；特征變量選擇，以便減少數(shù)據(jù)空間的維度而保留數(shù)據(jù)屬性的關(guān)系和重要特征[[]KaskiS，PeltonenJ。Dimensionalityreductionfordata

visualization[J]。IEEESignalProcessingMagazine,2011，28(2)：100-104[]KaskiS，PeltonenJ。Dimensionalityreductionfordata

visualization[J]。IEEESignalProcessingMagazine,2011，28(2)：100-1042.2.2傳統(tǒng)的場(chǎng)可視化方法流場(chǎng)可視化是科學(xué)可視化一個(gè)非常熱門的子領(lǐng)域，而對(duì)于二維流場(chǎng)可視化的研究是擴(kuò)展到三維或者更高維流場(chǎng)的基礎(chǔ)。根據(jù)不同作者對(duì)二維流體場(chǎng)可視化的不同分類結(jié)果，通過(guò)整合的方式歸納出直接法、紋理法、線形法、特征法四大類。直接法運(yùn)用可重復(fù)的圖標(biāo)來(lái)表示流體場(chǎng)中各種信息類型，同時(shí)也包括流體的流向信息。運(yùn)用箭頭、帶尖角形狀的圖標(biāo)，或者不同亮度的線段來(lái)表示流場(chǎng)的流向以及流場(chǎng)信息，該方法經(jīng)常運(yùn)用在整個(gè)區(qū)域或者很大一部分區(qū)域的可視化過(guò)程中。基于紋理的可視化方法是由非常細(xì)致、連續(xù)一致的稠密紋理來(lái)表征一個(gè)流場(chǎng)，該方法既能產(chǎn)生高密度的可視化，又能表達(dá)全局的流場(chǎng)信息。在很多二維流體場(chǎng)可視化應(yīng)用中，都會(huì)用到該可視化方法，尤其是在二維流場(chǎng)或者曲面流場(chǎng)的可視化過(guò)程中，因?yàn)樗热菀咨啥疫€易于分析流體場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息。線形法通常是通過(guò)積分曲線的放置來(lái)達(dá)到對(duì)二維流體場(chǎng)的可視化，所以各種線形法之間的區(qū)別往往是積分曲線的不同以及積分曲線種子點(diǎn)放置位置的不同。如果在圖像中低強(qiáng)度區(qū)域放置種子點(diǎn)，而曲線作為高強(qiáng)度信號(hào)擴(kuò)散到圖像中，使得曲線的優(yōu)化放置和圖像的強(qiáng)度分布相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化算法不斷地減少圖像像素間的強(qiáng)度差來(lái)達(dá)到均勻放置的目的，從而獲得與手繪插畫相似的可視化結(jié)果，然而該方法卻需要多次產(chǎn)生圖像并優(yōu)化來(lái)達(dá)到目基于特征的流場(chǎng)可視化方法第一步往往是特征提取，其目的是為了判定、量化以及描述流場(chǎng)數(shù)據(jù)集的特征。對(duì)于一個(gè)具體的研究問(wèn)題，特征可以被寬泛地定義成任何的物體、結(jié)構(gòu)或者區(qū)域，所以大多數(shù)的特征判別方法是針對(duì)于某個(gè)特殊問(wèn)題的，然而也可以綜合的歸納為以下三種情況：基于圖像處理、基于拓?fù)浞治鲆约盎诹鲌?chǎng)物理特點(diǎn)。多變量空間數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化的手段分為2類：用不同視覺(jué)通道映射和編碼各個(gè)屬性及其相互之間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)；分別可視化各個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)屬性，再進(jìn)行融合。兩者都可以歸結(jié)為將數(shù)據(jù)屬性和特征映射到不同的視覺(jué)通道（圖標(biāo)信息、紋理信息、顏色和透明度、輪廓、形狀、隱喻等），再以合理的方式進(jìn)行結(jié)合;如數(shù)據(jù)處理階段的數(shù)據(jù)融合、繪制階段的混合繪制、閣像處理階段的圖像融合等。2.2.3網(wǎng)頁(yè)3D技術(shù)使用二維地圖或者地球的三維模型對(duì)地面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化是過(guò)去被推薦的方法。因?yàn)槎S地圖經(jīng)過(guò)投影之后會(huì)產(chǎn)生變形，所以我們選擇了三維地球模型。例如，圓柱投影最常用的二位地圖投影，會(huì)在兩極地區(qū)產(chǎn)生很大的變形。三維虛擬球體，已經(jīng)被廣泛用于分類數(shù)據(jù)的可視化，天氣預(yù)報(bào)和許多種其他類型的數(shù)據(jù)（人口統(tǒng)計(jì)學(xué)，出生率，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值等等）。網(wǎng)頁(yè)3D技術(shù)讓用戶只需要單獨(dú)安裝一個(gè)瀏覽器即可直觀感受數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，在Web上的三維技術(shù)已經(jīng)比較成熟，當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)上使用虛擬球體有很多種不同的方式。主要包括基于瀏覽器渲染，遠(yuǎn)程渲染，數(shù)據(jù)壓縮和傳輸技術(shù)等。具體來(lái)說(shuō)，瀏覽器渲染中主要使用了SVG數(shù)據(jù)格式和HTML5規(guī)范中的canvas標(biāo)簽。盡管兩種技術(shù)也用于2D技術(shù)，但是其三維顯示能力也是十分強(qiáng)大的。代替VRML的X3D提供了許多先進(jìn)的API，同時(shí)指出更多的形式數(shù)據(jù)。X3D支持父類，并行計(jì)算和行為模型，提供數(shù)據(jù)流處理，插值和可視化節(jié)點(diǎn)。這些特征使其支持動(dòng)態(tài)的網(wǎng)頁(yè)效果和3D圖景（然而可能需要瀏覽器插件支持）。其升級(jí)版X3DOM嘗試在不實(shí)用插件的情況下顯示3D圖形，并且調(diào)用WebGL進(jìn)行加速。使用CSS3D進(jìn)行顯示也被幾乎所有主流瀏覽器支持。Three.JS是一個(gè)非常流行的用于顯示3D圖形的JS庫(kù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)如分層加載，格網(wǎng)分割解決了科學(xué)研究中大數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題。不過(guò)需要注意的是，壓縮率不是越高越好，因?yàn)榻鈮嚎s所需要的時(shí)間也是影響最終程序性能的重要因素。[[][]EvansA,RomeoM,BahrehmandA,etal.3DGraphicsontheWeb:ASurvey[J].Computers&Graphics,2014,41(1):43-61.[3]鄧晶,曾銘,章奇志.動(dòng)態(tài)多地圖服務(wù)負(fù)載平衡設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].地理空間信息,2007,5(6).[4]康燕.基于web的海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)研究[D].浙江大學(xué),2012.[5]張旺俊.Web緩存替換策略與預(yù)取技術(shù)的研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.[6]林賢輝.海洋環(huán)境預(yù)報(bào)信息服務(wù)發(fā)布方法研究[D].浙江大學(xué),2014.基德于2009年，布才力諾于2014年，普朗提斯于2015年用不同的技術(shù)設(shè)計(jì)了自己的應(yīng)用?；碌膽?yīng)用使用了一種用于三維景物的描述性文件格式VRML。布才力諾的應(yīng)用使用SVG格式，這種文件格式用于二位矢量圖形，是基于XML文件格式的。普朗提斯的應(yīng)用使用WebGL（更多關(guān)于這些方法的信息見(jiàn)伊文思等的文章）。2.3現(xiàn)有可視化平臺(tái)近年來(lái),涌現(xiàn)出很多可應(yīng)用于海洋環(huán)境的商業(yè)平臺(tái)和開(kāi)源平臺(tái)。國(guó)外的包括MyOcean、giovanni、ArcGISServer等服務(wù)平臺(tái),GoogleEarth、WorldWind等客戶端平臺(tái),國(guó)內(nèi)的包括EV-Globe、GeoGlobe等。2.3.1MyOceanMyOcean是歐盟委員會(huì)推出的一系列項(xiàng)目。它的目標(biāo)是為歐洲海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)建立一個(gè)集成的平臺(tái)。MyOcean可以為海洋工作者提供有效的海洋信息服務(wù),包括海上安全,溢油預(yù)防,海洋資源管理,氣候變化,海冰調(diào)查,水質(zhì)污染等等服務(wù)。MyOcean第一階段時(shí)間為2009-2012年,現(xiàn)在處于第二階段,即MyOcean2(2012-2014)。MyOcean2在第一階段的基礎(chǔ)上建立可靠的原型系統(tǒng),為海洋科學(xué)研究提供全面的管理服務(wù)和有用的接口。2.3.2GiovanniGiovanni是由NASA的GESDISC(GoddardEarthSciencesDataandInformationServicesCenter)開(kāi)發(fā)的一個(gè)Web應(yīng)用程序。Giovanni提供了一個(gè)簡(jiǎn)單,直觀的方式來(lái)可視化、分析和訪問(wèn)地球科學(xué)遙感數(shù)據(jù),而無(wú)需用戶花費(fèi)大量時(shí)間下載數(shù)據(jù)到客戶端。Giovanni數(shù)據(jù)包括氣溶膠、大氣化學(xué)、大氣溫度、濕度和降雨量,此外還包括同化模式輸出的大氣、地表和海洋參數(shù)數(shù)據(jù)。2.3.3ArcGIS ServerArcGISServer是ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)開(kāi)發(fā)的GIS服務(wù)軟件。它用于創(chuàng)建和管理GISWeb服務(wù),應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。ArcGISServer通常部署在面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)或云計(jì)算環(huán)境中。Web和客戶端應(yīng)用可以連接ArcGISServer,獲取其發(fā)布的GIS服務(wù)。2.3.4Google EarthGoogleEarth最初叫做EarthViewer3D,由Key-hole公司開(kāi)發(fā),是一個(gè)虛擬地球的地理信息軟件。2004年10月27日Key-hole公司被Google收購(gòu),Google于2005年6月推出了GoogleEarth。它將衛(wèi)星影像、航空照相和GIS數(shù)據(jù)疊加映射到3D地球上。GoogleEarth提供了極其良好的用戶交互體驗(yàn)和非常豐富的地理信息,比如氣象、海洋、3D建筑、道路交通等等。2.3.5World WindWorldWind是NASA的一個(gè)開(kāi)源3D世界瀏覽器。它利用三維的地球模型將NASA、USGS(UnitedStatesGeologicalSurvey)以及其它網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)商提供的地理信息圖像展現(xiàn)出來(lái),里面的模型還包括了火星和月球等。WorldWind結(jié)合了諸多最新技術(shù)。其中BlueMarble技術(shù)使WorldWind的解析度每像素最高可以達(dá)到15公尺;MODIS模塊實(shí)現(xiàn)災(zāi)害性事件監(jiān)視;GLOBE模塊實(shí)現(xiàn)全球氣溫變化動(dòng)態(tài)查看。以上平臺(tái)都有各自顯著的特點(diǎn),但應(yīng)用于海洋數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化時(shí)存在一些不足。在性能和表現(xiàn)效果上存在諸多限制，可視化業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要消耗大量的服務(wù)器資源,這不僅大大提高了運(yùn)行成本,而且過(guò)量服務(wù)存在發(fā)布效率低和用戶體驗(yàn)差的問(wèn)題。例如商業(yè)的ArcGISServer開(kāi)啟一個(gè)地圖服務(wù)至少占用20M內(nèi)存,海量數(shù)據(jù)發(fā)布成地圖服務(wù)對(duì)內(nèi)存的大量消耗是服務(wù)器的一大瓶頸。處理該問(wèn)題的一般策略是橫向擴(kuò)展服務(wù)器和ArcGISLicense的數(shù)量,或者構(gòu)造動(dòng)態(tài)服務(wù)池(鄧晶,2007),但兩者都無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。3.研究方案受windmap項(xiàng)目（http://hint.fm/wind/）啟發(fā)，綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化的研究，我打算綜合密度圖和流線圖兩種可視化形式處理海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)。采用的主要技術(shù)為JS語(yǔ)言及其相關(guān)的HTML,CSS技術(shù)等。JavaScript是一種運(yùn)行在瀏覽器的腳本，它簡(jiǎn)單，輕巧，易于編輯，這種腳本通常用于瀏覽器的前端編程。網(wǎng)站總體建設(shè)基于node.js，構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大高效的可視化系統(tǒng)。

Node.js是一個(gè)基于ChromeJavaScript運(yùn)行時(shí)建立的平臺(tái)，用于方便地搭建響應(yīng)速度快、易于擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Node.js使用事件驅(qū)動(dòng)，非阻塞I/O

模型而得以輕量和高效，非常適合在分布式設(shè)備上運(yùn)行的數(shù)據(jù)密集型的實(shí)時(shí)應(yīng)用。Node是一個(gè)Javascript運(yùn)行環(huán)境(runtime)。實(shí)際上它是對(duì)GoogleV8引擎進(jìn)行了封裝。V8引擎執(zhí)行Javascript的速度非常快，性能非常好。Node對(duì)一些特殊用例進(jìn)行了優(yōu)化，提供了替代的API，使得V8在非瀏覽器環(huán)境下運(yùn)行得更好。D3是最流行的可視化庫(kù)之一，它被很多其他的表格插件所使用。它允許綁定任意數(shù)據(jù)到DOM，然后將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換應(yīng)用到Document中。你可以使用它用一個(gè)數(shù)組創(chuàng)建基本的HTML表格，或是利用它的流體過(guò)度和交互，用相似的數(shù)據(jù)創(chuàng)建驚人的SVG條形圖。其中的地理信息數(shù)據(jù)需要用到開(kāi)源項(xiàng)目GDAL，將shp文件轉(zhuǎn)化為JSON格式。GDAL(GeospatialDataAbstractionLibrary)是一個(gè)在X/MIT許可協(xié)議下的開(kāi)源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(kù)。它利用抽象數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)所支持的各種文件格式。它還有一系列命令行工具來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。采用SVG（可縮放矢量圖形）格式表達(dá)地理底圖，可縮放矢量圖形是基于HYPERLINK"/view/159832.htm"\t"/_blank"可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（HYPERLINK"/view/5286041.htm"\t"/_blank"標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言的子集），用于描述HYPERLINK"/view/719535.htm"\t"/_blank"二維矢量圖形的一種圖形HYPERLINK"/subview/33401/5086174.htm"\t"/_blank"格式。網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，主要采用JSON格式，JSON（JavaSc