基于時(shí)空維度的海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化方法分析與應(yīng)用

孫曉宇，呂婷婷，高義

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100101）

基于時(shí)空維度的海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化方法分析與應(yīng)用

孫曉宇1，呂婷婷2，高義1

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100101）

摘要：基于分形學(xué)理論對(duì)我國的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品信息展現(xiàn)形式進(jìn)行了維度分析，目前海洋環(huán)境預(yù)報(bào)要素主要包括海面風(fēng)、海浪、海流、潮汐、海冰、海嘯、風(fēng)暴潮以及生態(tài)要素等，按照預(yù)報(bào)信息所具有的點(diǎn)、線、面、體空間形態(tài)可以分別以零維，一維，二維，三維4種可視化方法進(jìn)行展示，同時(shí)每一種空間可視化方法均可以與時(shí)間維結(jié)合形成更高維度的時(shí)空可視化方法。海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品均包含時(shí)間、地點(diǎn)、要素3要素特征，因此零維點(diǎn)和一維空間線形不能孤立存在，必須包含在二維面或三維體中展示?？梢暬夹g(shù)的快速發(fā)展，為預(yù)報(bào)產(chǎn)品的信息展示提供了技術(shù)條件，厘清預(yù)報(bào)產(chǎn)品的時(shí)空特征，相應(yīng)選取最為適當(dāng)?shù)目梢暬椒?，可以最大限度的提高預(yù)報(bào)產(chǎn)品的視覺信息量，對(duì)于提高預(yù)報(bào)的精度和效率、更好服務(wù)于輔助決策具有重要意義。

關(guān)鍵詞：海洋預(yù)報(bào)；時(shí)空；可視化；維度

1　　引言

可視化方法就是通過一定的表現(xiàn)手段，讓人從視覺上可以更為直觀的獲取數(shù)據(jù)里面所蘊(yùn)含的各種信息。隨著海洋環(huán)境預(yù)報(bào)技術(shù)的進(jìn)步和海洋觀測大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品也進(jìn)入了極大豐富時(shí)代，從單點(diǎn)、單要素經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品到大面、多要素、多層級(jí)、多時(shí)相數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類繁多。適當(dāng)?shù)目梢暬椒梢宰屓艘宰羁斓乃俣全@取更多的蘊(yùn)含信息。如何選取最合適的可視化方法，必須把握好預(yù)報(bào)產(chǎn)品的維度特征，維度是分形學(xué)的概念［1］，我們經(jīng)常接觸的二維、三維都是整數(shù)維［2-3］，直觀且易于理解，但實(shí)際上在分形理論當(dāng)中維度是可以非整數(shù)，而且維數(shù)也不僅僅局限于易于理解的三維空間或者四維時(shí)空，而是可以構(gòu)建更高維度的空間。只有掌握了數(shù)據(jù)的維度特征，才能選取適合的可視化方法來盡可能的全面展示數(shù)據(jù)蘊(yùn)含信息。

本文依據(jù)分形維度概念，對(duì)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化方法進(jìn)行了分析和歸類，以期為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品的可視化方法選取提供參考，對(duì)于提高預(yù)報(bào)的精度和效率、更好服務(wù)于輔助決策具有重要意義。

2　　海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品特征分析

傳統(tǒng)的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品按照其表現(xiàn)形式一般可以分為3類，第一類為純文字描述形式，通常配合表格使用；第二類為文字和圖形的混搭形式；第三類為圖形形式。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的快速發(fā)展，圖形元素在海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的比重越來越大，傳統(tǒng)可視化方法難以滿足對(duì)時(shí)間序列大面信息的展示。GIS技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及視頻終端技術(shù)的多樣化給海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品的有效展示提供了技術(shù)條件［4-7］。厘清海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有的維度特征，對(duì)于選取適當(dāng)?shù)目梢暬椒ň哂兄匾饬x。

時(shí)間、地點(diǎn)、人物是寫作文的三要素，海洋環(huán)境

3　　海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化方法

3.1零維可視化方法

用點(diǎn)符號(hào)進(jìn)行信息表達(dá)的方法為零維可視化方法，是可視化方法中最簡單的一種，通常用顏色或者標(biāo)注的方式對(duì)空間數(shù)據(jù)某一種或幾種屬性值進(jìn)行表達(dá)，海洋環(huán)境預(yù)報(bào)當(dāng)中該方法主要用于表達(dá)某一確定空間位置、固定時(shí)刻、某種預(yù)報(bào)要素的預(yù)報(bào)值，比如水溫、浪高、流速、冰厚等。

3.2一維可視化方法及應(yīng)用

以線形進(jìn)行可視化表達(dá)的方法稱為一維可視化方法，在海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品里面又可以分為兩種情況，一種是平面空間上的線形表達(dá)，另一種是空間點(diǎn)的時(shí)間序列表達(dá)。前者在海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品里面以等值線的形式出現(xiàn)較多，比如溫度場的等溫線、海浪場浪高等值線等（見圖1），也可以用來表達(dá)特定區(qū)域的邊緣，比如海冰外緣線的可視化等。后者多以圖表形式出現(xiàn)，比如對(duì)具體保障目標(biāo)進(jìn)行的風(fēng)暴潮水位預(yù)報(bào)、海嘯波預(yù)報(bào)、逐時(shí)海浪預(yù)報(bào)等（見圖2）。在加入時(shí)間維的可視化方法中，只有一維可視化方法可以通過時(shí)間軸的方式通過靜態(tài)的效果進(jìn)行表達(dá)，更高維度的時(shí)間序列表達(dá)只能通過對(duì)時(shí)間片段狀態(tài)連續(xù)播放的方式來實(shí)現(xiàn)，下文將具體介紹。

圖1海浪高等值線

圖2風(fēng)暴潮單點(diǎn)水位時(shí)間序列曲線

3.3二維可視化方法及應(yīng)用

以面狀進(jìn)行可視化表達(dá)的方法通常稱為二維可視化方法，在海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品里面二維可視化方法理論上也可以分為兩種情況，一種是平面空間上的面狀表達(dá)，主要是標(biāo)注特定區(qū)域或者通過顏色或符號(hào)的方式表現(xiàn)區(qū)域上的差別，比如海浪浪高等值面、海溫等值面、風(fēng)暴潮增水分區(qū)、生態(tài)災(zāi)害區(qū)域標(biāo)定等（見圖3），其中等值面的可視化通常是配合等值線一起使用的，如果單獨(dú)展示則一定配合圖例或者說明性文字進(jìn)行使用。另一種情況是平面空間上的線形在時(shí)間序列上的表達(dá)，這種可視化方法理論上存在但在海洋預(yù)報(bào)中應(yīng)用較少。

圖3空間二維海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品

3.4三維可視化方法及應(yīng)用

“三維”是我們接觸最多的一種可視化方法［11］，一般以“立體感”作為衡量三維的標(biāo)準(zhǔn)，也就是在平面空間基礎(chǔ)上可以識(shí)別高度概念，在地圖學(xué)發(fā)展過程中還出現(xiàn)了2.5維的數(shù)字側(cè)視地圖表現(xiàn)方法，即通過渲染技術(shù)在二維圖形上產(chǎn)生視覺上的假三維效果。海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品在空間上的三維可視化可以分為兩種，一種是背景場的三維可視化，主要是對(duì)陸地或者水下地形的三維可視化（見圖4）；另一種是海洋預(yù)報(bào)要素的三維可視化（見圖5），以數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品為主，主要以數(shù)據(jù)在垂直高度上的分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維空間化，一般以顏色或者符號(hào)的方式描述預(yù)報(bào)要素?cái)?shù)值的大小?？臻g三維可視化產(chǎn)品難以通過靜態(tài)圖的形式實(shí)現(xiàn)，通常根據(jù)具體需求按照特定空間路徑進(jìn)行空間游弋方式觀察海水屬性的變化，通常以gif動(dòng)畫方式生成產(chǎn)品，或者直接通過軟件錄制成視頻產(chǎn)品。

還有一類三維可視化是時(shí)空結(jié)合的方式構(gòu)成的，即二維空間加時(shí)間維，通常用來表現(xiàn)特定區(qū)域海洋表面或者一定深度海水物理屬性在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)以一定時(shí)間步長連續(xù)變化的過程。比如1 d內(nèi)逐時(shí)海浪浪高的變化過程、海表溫度1 a的變化過程等，如圖6所示為海面流場隨時(shí)間變化過程中的一個(gè)片段。

圖4地形三維可視化

圖5預(yù)報(bào)要素三維可視化

圖6時(shí)空三維可視化

3.5四維可視化方法及應(yīng)用

海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品的四維可視化是在三維空間可視化基礎(chǔ)上加入時(shí)間維來實(shí)現(xiàn)的，也就是在時(shí)間上連續(xù)的三維體構(gòu)成了四維可視化效果。目前海洋預(yù)報(bào)空間三維可視化產(chǎn)品還處于探索應(yīng)用階段，在國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心主持的“十二五”科技支撐項(xiàng)目“全球海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)集成研究及應(yīng)用”中進(jìn)行了研究，取得了較好的效果。而時(shí)空四維可視化方法是在空間三維可視化基礎(chǔ)上的拓展，在實(shí)現(xiàn)方法上具有可行性，但受制于人感官的局限性，同一時(shí)刻只能清晰觀察一個(gè)二維面，即使進(jìn)行數(shù)據(jù)層的透明處理，圖層間的混淆影響也無法去除。因此，目前時(shí)空四維海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品在國內(nèi)外業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中很少得到應(yīng)用。

4　　結(jié)論

基于分形學(xué)中的經(jīng)典分維理論對(duì)目前我國的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品信息展現(xiàn)形式進(jìn)行了梳理和維度分析，按照預(yù)報(bào)信息的空間形態(tài)以及在時(shí)間維上的表現(xiàn)，把海洋環(huán)境預(yù)報(bào)信息分為零維，一維，二維，三維，四維5種可視化方法，其中零維可視化方法是用符號(hào)、顏色或標(biāo)注表示一個(gè)空間點(diǎn)，一維可視化方法展示的可以是空間線形，同時(shí)也可以是空間點(diǎn)的時(shí)間序列，二維可視化方法可以展示海洋要素的面狀空間分布，也可以是空間線形的時(shí)間序列，三維可視化方法用來展示海洋要素在水平和垂向上的立體分布情況，也可以是二維平面的時(shí)間序列，四維可視化方法是三維體的時(shí)間序列。由于海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有較強(qiáng)的空間屬性，所以零維（點(diǎn)）和一維空間線形是不能孤立存在的，它們只能是包含在二維面或三維體中的兩種可視化方法。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)等可視化技術(shù)的發(fā)展，海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品將逐漸由數(shù)值、文字、二維圖形等簡單表達(dá)方式向圖形符號(hào)化、動(dòng)態(tài)、多維等高級(jí)可視化方法發(fā)展，在手機(jī)、電腦等多樣化視頻終端設(shè)備的支持下，用戶可以更直觀、更高效的從中獲取更多的信息量。

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中圖分類號(hào)：P714

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）03-0071-05

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.010

收稿日期：2015-01-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41201442）；國家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2013418）；國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201105017）。

作者簡介：孫曉宇（1977-），男，副研究員，博士，從事海岸帶GIS與RS相關(guān)研究。E-mail：sunxy@lreis.ac.cn預(yù)報(bào)產(chǎn)品具有類似的特質(zhì)。海洋環(huán)境預(yù)報(bào)可視化產(chǎn)品無論其表現(xiàn)形式是點(diǎn)、線、面、體或者與時(shí)間序列的組合，它都無法脫離開空間而存在，如果沒有了空間特征任何預(yù)報(bào)都失去了意義。同時(shí)也不可能脫離時(shí)間，它可以是某一時(shí)刻的狀態(tài)或者是連續(xù)時(shí)刻，即一段時(shí)間的狀態(tài)變化過程；時(shí)間和空間是對(duì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品內(nèi)容的外在界定條件，預(yù)報(bào)要素才是預(yù)報(bào)產(chǎn)品需要展示的主角。海洋環(huán)境預(yù)報(bào)要素通常包括海浪、海流、潮汐、潮流、風(fēng)暴潮、海嘯、海冰以及赤潮、綠潮等生態(tài)要素［8-10］。每一種要素的預(yù)報(bào)內(nèi)容都是該要素的特征描述，比如海浪預(yù)報(bào)內(nèi)容包括波高和波向，海流預(yù)報(bào)內(nèi)容包括流向、流速等。如果按照分形學(xué)中經(jīng)典維數(shù)理論對(duì)海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的可視化方法進(jìn)行分類，可以按照其點(diǎn)、線、面、體的空間形態(tài)分為零維、一維、二維、三維，如果是連續(xù)時(shí)間序列的空間形態(tài)的可視化則可以分為一維、二維、三維、四維，如果考慮其他特殊屬性則可以構(gòu)建更高的維度。嚴(yán)格意義上來講，對(duì)于空間事物的可視化，無論是點(diǎn)狀還是線狀，它都是空間上的點(diǎn)和線，所以只要以空間形式進(jìn)行表達(dá)它們的維度至少是二維。本文中不過多對(duì)分維方法進(jìn)行探討，僅借助經(jīng)典分維方法對(duì)海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品的可視化方法進(jìn)行分類。

Visualization method analysis and application of marine environmental forecasting product based on spatio-temporal dimension

SUN Xiao-yu1，LYU Ting-ting2，GAO Yi1
（1.National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China；2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth Chinese Academy Sciences，Beijing 100101 China）

Abstract：Based on the fractal theory，we analyzed marine environmental forecasting products at the aspect of dimension.The mainly forecasting elements included in these products were surface wind，sea wave，currents，tidal，sea ice，tsunami，storm surge and ecological elements.According to the dimensions，the forecast information can be presented by the form of points for zero dimension，line for one dimension，area for two dimensions，and volume for three dimension respectively.Additionally，each of the represent pattern can also be combined with a time dimension.The forecast products can be characterized by three basic feature of time，location and content，so that the product of 0 dimension point and one dimension line geometry cannot exist in isolation，and must be contained in a two or three dimensional medium.With the development of visualization，the present methods of marine environmental forecast products will be more and more and users will be more convenient for obtain information.

Key words：marine forecasting；spatio-temporal；visualization；dimension.