海洋環(huán)境信息可視化研究進展

劉健，姜曉軼，范湘濤

（1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094；2.國家海洋局數(shù)字海洋科學(xué)技術(shù)重點實驗室，天津 300171；3.國家海洋信息中心，天津 300171）

海洋是地球系統(tǒng)的重要組成部分（馮士筰，2000），在調(diào)節(jié)全球氣候變化、維持生態(tài)平衡中起著十分重要的作用。海洋環(huán)境信息由海上大氣（云、雨、霧、氣壓、氣溫、風等）、海表（浪、流、潮汐、風暴潮等）、海洋水體（溫度、鹽度、密度、內(nèi)波、環(huán)流、躍層等）和海底（地質(zhì)、地貌等）等不同環(huán)境要素組成。研究海洋環(huán)境信息對于分析海洋現(xiàn)象的時空規(guī)律和影響機制具有重要意義。人類獲得的外在世界信息的80%以上是通過視覺，人類視覺信息處理具有高速、大容量、并行工作的特點。傳統(tǒng)意義上，可視化按照不同的應(yīng)用領(lǐng)域可分為：針對空間上二維和三維數(shù)據(jù)場的科學(xué)計算可視化和針對抽象數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫的信息可視化?？茖W(xué)計算可視化是對數(shù)據(jù)的可視化，信息可視化不僅包括數(shù)據(jù)可視化，如線狀圖，柱狀圖，表格等，還包括OLAP可視挖掘，如平行坐標、散點圖等。海洋GIS領(lǐng)域，對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化表達逐漸呈現(xiàn)出具有科學(xué)計算可視化和信息可視化的雙重特點，其研究趨勢可概括為“從2維到n維，從數(shù)據(jù)可視化到面向知識發(fā)現(xiàn)的可視化”，即：①可視化方法最初應(yīng)用于海洋環(huán)境要素數(shù)值解的圖形展示，從二維、2.5維擴展到三維場景；②針對單一環(huán)境要素的時空過程可視化以海洋時空數(shù)據(jù)模型為核心，是“三維空間+時間維+一維海洋環(huán)境要素”的動態(tài)呈現(xiàn)，是海洋環(huán)境要素的時空分析、深層知識獲取的基礎(chǔ)；③海洋環(huán)境要素多維可視化以多維時空數(shù)據(jù)模型為核心，是“三維空間+時間維+多維海洋環(huán)境要素”的動態(tài)呈現(xiàn)，通過同一場景中的多要素集成表達，研究海洋現(xiàn)象中涉及到的多維要素之間的影響關(guān)系；④面向知識發(fā)現(xiàn)的多維海洋環(huán)境可視化，通過將信息可視化領(lǐng)域的可視化挖掘方法引入三維場景中，不僅能對多維要素進行直觀展現(xiàn)，還能表達多維要素之間的關(guān)系模式。前三個階段是科學(xué)計算可視化在時間維和要素維上的擴展，其本質(zhì)仍是對數(shù)據(jù)的可視化，而面向知識發(fā)現(xiàn)的海洋環(huán)境可視化，是通過將科學(xué)計算可視化和信息可視化方法相結(jié)合，應(yīng)用于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化表達和分析，解決三維場景難以表現(xiàn)多維數(shù)據(jù)，信息可視化方法難以表現(xiàn)空間位置概念的問題，使二者優(yōu)勢互補。

本文第一部分總結(jié)了近10年來海洋環(huán)境數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)可視化的研究進展，第二部分論述了海洋環(huán)境可視化的發(fā)展方向，即通過數(shù)據(jù)可視化和信息可視化結(jié)合，實現(xiàn)海洋環(huán)境知識的可視化表達和發(fā)現(xiàn)。最后對本文進行了總結(jié)和展望，以期為海洋GIS研究提供借鑒。

1 海洋環(huán)境可視化表達研究現(xiàn)狀

1.1 海洋環(huán)境要素數(shù)值解的圖形展示

科學(xué)計算可視化為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)表達提供了基本的理論和方法。在GIS中，通常用“對象”來表示現(xiàn)實世界的離散特征，用“場”表示連續(xù)現(xiàn)象（Kjenstad，2006）。海洋環(huán)境要素的數(shù)值模式數(shù)據(jù)為典型的海洋場數(shù)據(jù)（邵全琴，2001；蘇奮振，2003）。運用科學(xué)計算可視化將各類海洋環(huán)境場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直觀的圖形圖像呈現(xiàn)在研究者面前，易于觀察、分析和理解。針對不同空間維度海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化表達可以采用不同的方法：一維數(shù)據(jù)主要是通過圖形、符號，在空間場景上標識出該位置的數(shù)值信息；二維標量場數(shù)據(jù)的可視化方法有等值線圖、區(qū)域填充圖、基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)填圖方法，二維矢量場數(shù)據(jù)的可視化方法有基于幾何形狀、基于顏色、光學(xué)特性和基于紋理的表達方法；三維數(shù)據(jù)場的可視化是科學(xué)計算可視化研究的核心，常用三維標量場數(shù)據(jù)的表達形式有直接體繪制法、三維等值面法和剖面重構(gòu)法；三維矢量場（三維流場、風場數(shù)據(jù)）常見的是基于幾何形狀的剖面重構(gòu)法、流線法?；诳茖W(xué)計算可視化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方法給多維要素的集成表達提供了研究基礎(chǔ)。

1.2 針對單一環(huán)境要素的時空過程可視化

在時空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上對特定環(huán)境要素進行時空過程模擬，是目前海洋數(shù)據(jù)可視化研究的主流。時空數(shù)據(jù)模型是時空過程表達的核心?；谔卣鞯臅r空數(shù)據(jù)建模方面：ArcMarine定義了點、線、面、柵格/格網(wǎng)/體、多媒體數(shù)據(jù)五種通用模型，其目的是為了建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)框架，使用戶能夠在這個框架基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)模型作適當修改，以適應(yīng)特定的數(shù)據(jù)和應(yīng)用（Wrightetal，2007）；劉金（2009；2011）對ArcMarine模型進行了擴展，構(gòu)建了海洋水體要素信息庫，實現(xiàn)了對海溫、海流要素的時空動態(tài)可視化。過程時空數(shù)據(jù)模型以過程（地理實體演變）為核心，通過面向過程的數(shù)據(jù)組織和存儲來實現(xiàn)對過程對象的連續(xù)漸變表達，已成為時空表達與建模理論的熱點問題。蘇奮振（2006）剖析了過程地理信息系統(tǒng)過程所在的時空范疇，探討了海洋過程地理信息系統(tǒng)的基本空間框架、體系結(jié)構(gòu)和過程倉庫的理論基礎(chǔ)，其過程數(shù)據(jù)倉庫中時空立方體的概念體現(xiàn)了多維數(shù)據(jù)組織的研究思路；Reitsma（2005）從過程模擬的角度出發(fā)，設(shè)計了基于過程的時空數(shù)據(jù)模型；薛存金（2012）以連續(xù)漸變地理實體的表達、組織和存儲為研究對象，提出面向過程的時空數(shù)據(jù)模型，以海洋渦旋為例，實現(xiàn)連續(xù)漸變地理實體的過程化組織、動態(tài)分析與可視化表達。

在具體的應(yīng)用領(lǐng)域，馬勁松等（2002）設(shè)計了由三維空間和一維時間組成的四維時空數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對潮流場和流速場的動態(tài)過程模擬；高錫章（2011）以海岸帶及海洋多源多維的、動態(tài)的海量數(shù)據(jù)為研究對象，設(shè)計了面向海洋數(shù)據(jù)的GIS空間數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)多源多維海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理及表達，特別是三維動態(tài)表達。文獻（Morris et al，2000； Liu etal，2009；Kulawiak et al，2010；Lietal，2011；李昭 等，2011）將三維空間加上一維時間，分別設(shè)計了針對海面高程、潮汐、溫度場、風暴潮、二氧化碳通量的四維時空數(shù)據(jù)模型，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了研究對象的動態(tài)可視化表達；文獻（黃杰，2008；劉文亮等，2009；郭圣威等，2010）研究了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合組織方法，并針對不同要素分別實現(xiàn)了時空過程可視化。針對單一環(huán)境要素時空過程可視化是對某一個要素過程變化結(jié)果的展示，而海洋現(xiàn)象是多要素共同作用的系統(tǒng)過程，因此難以進行過程變化原因的模擬和解釋。

1.3 海洋環(huán)境要素多維可視化

任何一種海洋現(xiàn)象都不是孤立存在的。中時空尺度的風暴潮、赤潮、海冰等災(zāi)害，大時空尺度上的海洋大氣二氧化碳通量、ENSO循環(huán)是當前海洋研究的熱點、難點問題。這些海洋現(xiàn)象的產(chǎn)生與哪些環(huán)境要素相關(guān)，相關(guān)要素之間的變化強度如何，在已知的影響關(guān)系外是否還存在其他隱含的關(guān)系和模式，這些問題的研究需要多維海洋環(huán)境信息的支撐。

多維可視化需要多維時空數(shù)據(jù)模型為支撐。Dittert（2002）等將PANGAEA數(shù)據(jù)模型看作“多維數(shù)據(jù)模型（MultidimensionalDataModel）”用于支持SINOPS數(shù)據(jù)挖掘，維度包括：地理維、樣本位置、時間維、變量和單位等，其數(shù)據(jù)模型反映了自然科學(xué)中數(shù)據(jù)的標準處理步驟或地球科學(xué)中數(shù)據(jù)收集的標準活動。Su等 （2004）和季民 （2006）在海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)倉庫模型設(shè)計中采用基于星型模型和雪花模型的混合模式，將漁業(yè)生產(chǎn)事實和海洋環(huán)境觀測事實劃分為不同的事實表，將作業(yè)時間、漁獲種類、作業(yè)方式、漁船所屬公司等作為事實的維度，維之間的層次關(guān)系主要分為特化/泛化關(guān)系、聚集關(guān)系以及成員關(guān)系。McGuire（2008）從用戶需求角度出發(fā)設(shè)計了多維數(shù)據(jù)模型來觀察海洋生物的分布模式。劉?。?010）針對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多時空尺度、多維動態(tài)的特點，提出“元數(shù)據(jù)驅(qū)動共享元數(shù)據(jù)維”的建模方法，集成時間維、空間維和要素屬性維，設(shè)計了海洋環(huán)境多維時空數(shù)據(jù)模型。在大氣、環(huán)境領(lǐng)域，研究人員根據(jù)數(shù)據(jù)的特點，通過維度分解、細節(jié)層次劃分分別設(shè)計了多維數(shù)據(jù)模型，使研究人員能夠在多維度、多尺度分析評估環(huán)境數(shù)據(jù) （Fitzpatrick et al，2006； Ho et al，2010；Walkowiak et al， 2011）。 文 獻 （Oosterom et al，2010；Stoter etal，2010）提出了空間三維模型加上時間維和尺度維的五維數(shù)據(jù)模型，來確?？臻g、時間和尺度上的一致性表達，通過統(tǒng)一建模語言UML和對象約束語言實現(xiàn)了對不同尺度數(shù)據(jù)的集成和語義轉(zhuǎn)換。

國內(nèi)學(xué)者很早就重視地學(xué)多維信息可視化的研究。陳述彭（1990）先生在20世紀90年代即提出了地學(xué)多維圖解模式，以獲取存在于復(fù)雜地學(xué)數(shù)據(jù)中的新的空間關(guān)系、地學(xué)規(guī)律。陳軍、林暉等學(xué)者論述了多維動態(tài)數(shù)據(jù)模型、多維可視化在地學(xué)研究中的重要意義，提出了虛擬地理環(huán)境中地學(xué)可視化框架（陳軍等，2004；郭履燦，2005；龔建華等，2010；Lin etal，2010；Lü，2011）。關(guān)于海洋環(huán)境多維可視化表達的研究仍處于探索階段。覃如府（2009）采用Geodatabase地理數(shù)據(jù)模型管理多維海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，在一個視圖窗體中分別從海洋表面、海洋內(nèi)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(shù)據(jù)。文獻（徐敏等，2009；馮杭建等，2010；高錫章等，2011）從可視化表現(xiàn)的技術(shù)層面上，分別探索了臺風過程中三維風場數(shù)據(jù)的剖面、等值面、矢量線的一體化動態(tài)表達，海洋環(huán)境要素場數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的一體化顯示。以上對海洋環(huán)境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(xiàn)高維數(shù)據(jù)、難以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性和趨勢特征的問題。

國外關(guān)于空間數(shù)據(jù)多維可視化研究起步較早，并取得了一系列的研究成果。在海洋相關(guān)研究中，文獻 （Kreuseler，2000；Halverson et al，2007；Bertolotto et al， 2007； Watanabe et al， 2008；Sanyaletal，2008；Dransch etal，2010；Turk etal，2011）實現(xiàn)了漁業(yè)和水文數(shù)據(jù)、颶風（包括風場、氣壓場、軌跡數(shù)據(jù)）、大氣環(huán)境、風暴潮的多維可視化表達。文獻 （Lietal，2011；He etal，2011）采用以八叉樹為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)檢索和LOD策略，來提高渲染的幀速率；文獻（Atanasov et al，2011）針對可視化顯示所需的粗糙度（細節(jié)程度）不同，通過非重疊的自適應(yīng)網(wǎng)格來達到提高渲染效率的目的，其方法的本質(zhì)也是基于LOD策略。

在可視化軟件工具方面，國內(nèi)外已有VisAD、McIDAS、IDV、VTK、MatLab、IDL等開源或商業(yè)軟件，用于解決多維環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化應(yīng)用問題，但這些軟件在數(shù)據(jù)管理和分析方面明顯不足。

上述文獻表明，現(xiàn)有的海洋環(huán)境多維數(shù)據(jù)可視化均為三維場景中對數(shù)據(jù)的可視化，在實現(xiàn)方法上包括針對不同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分窗口表達，以及上述方法的結(jié)合?；谌S場景表現(xiàn)多維數(shù)據(jù)，形象直觀，便于理解，但存在的問題是：①現(xiàn)有研究多是以數(shù)據(jù)顯示為目的，針對特定應(yīng)用，缺少關(guān)于多維可視化表現(xiàn)方式的系統(tǒng)研究；②三維場景中所能表達的要素維數(shù)非常有限，并且難以表現(xiàn)隨機的、時空分異的多維屬性數(shù)據(jù)及其相互關(guān)系；③上述研究的本質(zhì)仍是對數(shù)據(jù)的可視化，難以進行多維可視化分析，難以發(fā)現(xiàn)多維要素隱含的關(guān)系和模式。

2 面向知識發(fā)現(xiàn)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化研究

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對于海洋數(shù)據(jù)管理、信息綜合分析及主題應(yīng)用服務(wù)提供了高效的技術(shù)手段（魏紅宇，2008）。在非空間信息多維可視化中，平行坐標、自組織映射（SOM）、散點圖、雷達圖、臉譜圖、調(diào)和曲線圖、星座圖等是常用的可視化挖掘方法，用來解決數(shù)據(jù)的多維顯示和分析。在多維信息的可視化中，SOM的作用主要體現(xiàn)在兩個方面，即在聚類分析和多變量可視化中，SOM的原型矢量可以看成樣本數(shù)據(jù)的代表，原始的樣本數(shù)據(jù)可被替換成維數(shù)較低的數(shù)據(jù)集；在其它的技術(shù)中，將SOM看成是數(shù)據(jù)的模型，可以將數(shù)據(jù)與這個模型進行比較，也可以根據(jù)模型反演各種樣本數(shù)據(jù)集。芮小平等（2011）采用SOM方法對與世界各國貧富水平有關(guān)的非空間要素多維數(shù)據(jù)進行了可視化分析，Jiménez等 （2012）采用 SOM方法 和K-means算法對河口進行可視化的聚類分析。平行坐標表示法由文獻（Inselberg，1990）提出，其原理是將高維數(shù)據(jù)的各個變量用一系列相互平行的坐標軸表示，變量值對應(yīng)軸上位置，即將n維歐式空間的一個點Xi（Xi1，Xi2，…，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(shù)據(jù)，并且常用來判斷多維信息的相關(guān)性。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(shù)據(jù)表達和分析中（Steed et al，2009； Yuan et al，2010；Guo et al，2011），為海洋環(huán)境多維可視化研究提供了新思路。

基于三維場景可視化形象直觀，但難以表現(xiàn)多維數(shù)據(jù)；平行坐標、SOM等可視化挖掘方法可表現(xiàn)多維數(shù)據(jù)，并進行可視化分析，但難以表現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間位置概念。將二者結(jié)合應(yīng)用于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化表達和分析，不僅可以通過可視化表達方式的組合實現(xiàn)對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多維綜合表達、時間序列表達和區(qū)域分布表達，還可通過逐步回歸的關(guān)聯(lián)規(guī)則提取和可視化的聚類分析實現(xiàn)對數(shù)據(jù)分布特征、關(guān)聯(lián)特征和聚類特征的表達，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析過程的可視化，使二者優(yōu)勢互補。

目前，在海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化研究中，采用三維場景與平行坐標相結(jié)合的方法非常少見，需重點開展以下幾方面工作：

（1）研究三維場景和平行坐標的建模方法，具體包括研究基于空間網(wǎng)格模型的三維場景建模方法和多維數(shù)據(jù)集成可視化方法；對傳統(tǒng)的平行坐標表示法進行擴展，研究適合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)特點和分析需求的平行坐標表示法；研究在三維場景和平行坐標中，多維數(shù)據(jù)傳遞和調(diào)度的邏輯流程。

（2）研究基于三維場景和平行坐標的多維數(shù)據(jù)一體化繪制和交互式提取算法，具體包括研究維度數(shù)據(jù)的屬性值、梯度值到顏色、透明度之間的一體化映射機制，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)集在三維場景和平行坐標中的一致表達；研究三維場景和平行坐標中針對點、線數(shù)據(jù)提取方法，針對二維、三維網(wǎng)格場數(shù)據(jù)局部感興趣區(qū)域的交互式提取算法。

（3）研究基于三維場景和平行坐標的多維數(shù)據(jù)可視化表達方式，具體包括研究平行坐標中多維數(shù)據(jù)綜合表達、時間序列表達、區(qū)域分布表達方式；研究基于三維場景和平行坐標的多維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則提取和可視化分類方法，進一步實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)特征、分布特征、聚類特征的可視化表達。

3 結(jié)論與展望

海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可視化表達研究趨勢可概括為：①海洋環(huán)境要素數(shù)值解的圖形展示，為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的多維表達提供了基礎(chǔ)方法，使可視化表達從二維、2.5維發(fā)展到三維空間；②以海洋時空數(shù)據(jù)模型為核心的海洋環(huán)境時空過程可視化，通過動態(tài)表達實現(xiàn)了對海洋環(huán)境要素或現(xiàn)象的時空過程分析；③三維場景中對多維要素的動態(tài)過程模擬，基于多維時空數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的一體化組織和存儲，通過同一場景中的多要素集成表達，研究海洋環(huán)境要素之間的相互作用關(guān)系。

目前，國內(nèi)對海洋環(huán)境可視化的研究集中在針對單一要素“三維空間+時間”的四維時空過程表達，對多維要素表達的研究處于探索發(fā)展階段?，F(xiàn)有研究多是針對特定應(yīng)用需求，缺少系統(tǒng)化的研究；基于三維場景難以表達多維要素，其本質(zhì)仍是對數(shù)據(jù)的可視化。

傳統(tǒng)的三維場景中的數(shù)據(jù)可視化方法與信息領(lǐng)域可視化挖掘方法的結(jié)合，為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多維表達和分析提供新的理論和方法依據(jù)。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在空間上包括點、線、二維網(wǎng)格場、三維網(wǎng)格場數(shù)據(jù)，需要針對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)特點和分析需求展開研究：探索多尺度多維數(shù)據(jù)降維算法和評估方法，提取最相關(guān)維度；研究多維數(shù)據(jù)真實場可視化與幾何映射表達的一致繪制和交互式提取算法，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的交互式提?。粚趥鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)可視化方法和可視化挖掘方法相結(jié)合的多維要素的表達方式展開系統(tǒng)研究，建立對時空一致、時空分異的多維環(huán)境要素的綜合表達、時間序列表達和區(qū)域分布表達方式；通過可視化的關(guān)聯(lián)規(guī)則提取和數(shù)據(jù)分類，實現(xiàn)對多維數(shù)據(jù)分布特征、關(guān)聯(lián)特征和聚類特征的表達。集成的交互式多維表達與分析環(huán)境可用于風暴潮、赤潮、ENSO循環(huán)等海洋現(xiàn)象的知識發(fā)現(xiàn)，為理解、重建、認知海洋現(xiàn)象提供新思路。

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