海洋遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化

馮文君，艾 波，孫習(xí)文，張玉娟

（山東科技大學(xué)海島測繪技術(shù)國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青島市266590）

海洋遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化

馮文君，艾 波，孫習(xí)文，張玉娟

（山東科技大學(xué)海島測繪技術(shù)國家測繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青島市266590）

為了實(shí)現(xiàn)海量、長時間序列、多維、動態(tài)等特性的海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，運(yùn)用NetCDF數(shù)據(jù)模型對海洋遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與管理，構(gòu)建了海洋遙感沿軌掃描數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化系統(tǒng)。采用基于幾何形狀的矢量場映射方法和基于表面紋理貼圖的可視化方法，結(jié)合海量數(shù)據(jù)異步調(diào)度技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星掃描模式下風(fēng)速數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)以及高度計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)可視化表達(dá)。運(yùn)用多要素同步表達(dá)的方式和交互式時間圖例來提高數(shù)據(jù)的可讀性以及系統(tǒng)的交互性。

沿軌掃描數(shù)據(jù)；動態(tài)可視化；異步調(diào)度；多要素同步；時間圖例

近年來，隨著海洋遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用遙感衛(wèi)星獲取海洋數(shù)據(jù)已經(jīng)成為常用手段，遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)也成為了實(shí)時性最高的數(shù)據(jù)[1]。如何高效地利用沿軌掃描數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)長時間序列的沿軌掃描數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化，展現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時海洋特征的變化情況，成為物理海洋研究的迫切需求之一。

目前，我國研究人員在海洋數(shù)據(jù)可視化方面所做的研究和探索主要基于反演后的數(shù)據(jù)或者是短時間序列的數(shù)據(jù)，對于準(zhǔn)實(shí)時、長時間序列的衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)的可視化做出的研究和探索相對較少。本文在已有海洋數(shù)據(jù)可視化研究成果的基礎(chǔ)上，使用遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS相關(guān)技術(shù)以及可視化方法，實(shí)現(xiàn)了海洋遙感衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化系統(tǒng)。針對衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，引入了NetCDF數(shù)據(jù)模型對沿軌掃描時空數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，同時引入數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)制提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；由于數(shù)據(jù)時間序列較長，考慮到其可視化效率較低的問題，在可視化過程中對數(shù)據(jù)采用異步調(diào)度的方法，提高可視化效率；在可視化過程中，充分利用動態(tài)地圖的制圖方法以及交互式時間圖例來提高可視化效果以及用戶的交互性。

1 沿軌掃描數(shù)據(jù)時空數(shù)據(jù)管理

海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)作為時空數(shù)據(jù)，不僅具有多維、時間和空間上連續(xù)與漸變的特性，而且數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]。傳統(tǒng)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)管理方式都是采用文本格式或者二進(jìn)制的格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。每一行存儲一條記錄，每個時刻為一個文件，缺點(diǎn)就是在數(shù)據(jù)檢索過程中效率太低。本文引入NetCDF對沿軌掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并且考慮到數(shù)據(jù)量大，直接對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，系統(tǒng)運(yùn)行效率低的問題，引入了數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)制。

1.1 NetCDF數(shù)據(jù)模型

NetCDF（Network Common Data Form：網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式）是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)。它也是一個支持增進(jìn)存儲、便于多維數(shù)據(jù)讀寫的軟件類庫接口，支持多維數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、訪問和共享等操作[3]。由于其存儲量小，讀取速度快，自描述性以及讀取方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作大氣科學(xué)、水文、海洋學(xué)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)，并于2011年4月成為OGC多維數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)存儲方式[4]。

NetCDF數(shù)據(jù)模型由維度（Dimensions）、變量（Variables）及屬性（Attributes）部分組成。從數(shù)學(xué)角度來理解，NetCDF存儲的數(shù)據(jù)是由多個自變量共同決定的一個單值函數(shù)。等自變量在NetCDF稱為維度，例如經(jīng)度、緯度、時間等；在NetCDF中稱為變量，例如海風(fēng)、海溫、海流等；自變量和函數(shù)值在物理學(xué)上的一些性質(zhì)[5]，比如計(jì)量單位、物力學(xué)名稱等在NetCDF中叫做屬性。

與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取方式不同，NetCDF可以通過ID標(biāo)示直接讀取指定位置的數(shù)據(jù)，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)遍歷，大大提高了數(shù)據(jù)的存取效率[6]。綜上所述，運(yùn)用NetCDF數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)的管理不僅具有顯著的靈活性，而且對數(shù)據(jù)的調(diào)度效率也比較高。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)最基本的特點(diǎn)就是時間序列長，數(shù)據(jù)量大。由于海洋標(biāo)量場數(shù)據(jù)在可視化過程中采用紋理貼圖的可視化方式，考慮到在可視化過程中動態(tài)生成紋理貼圖會導(dǎo)致可視化效率比較低，所以預(yù)先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程大大提高了海洋標(biāo)量場數(shù)據(jù)的可視化效率。數(shù)據(jù)預(yù)處理采用監(jiān)聽文件夾，實(shí)時處理的方式。通過監(jiān)聽數(shù)據(jù)存放文件夾，當(dāng)文件夾中有新的數(shù)據(jù)推送時，對推送的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理運(yùn)算，輸出處理成果。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖1所示。

2 海量時空數(shù)據(jù)異步調(diào)度

圖1 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

在海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化過程中，如果將所有數(shù)據(jù)先讀到內(nèi)存中，再按照時間順序進(jìn)行可視化顯示，數(shù)據(jù)量太大容易導(dǎo)致內(nèi)存溢出；如果根據(jù)可視化時刻直接從外存中讀取數(shù)據(jù)，CPU或GPU將會處于長時間等待狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行效率低。本文采用異步調(diào)度的方式，根據(jù)當(dāng)前可視化時刻高效準(zhǔn)確的加載可視化必須的數(shù)據(jù)、釋放不需要的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)整個可視化系統(tǒng)運(yùn)行過程中內(nèi)存數(shù)據(jù)加載量的基本平衡。數(shù)據(jù)的異步調(diào)度主要包括以下兩個階段：數(shù)據(jù)預(yù)存取和多線程加速。

2.1數(shù)據(jù)預(yù)存取

在海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化過程中，隨著可視化時刻的變化，需要可視化的數(shù)據(jù)也會發(fā)生變化。由于CPU讀取內(nèi)存中數(shù)據(jù)的速度要比讀取外存中數(shù)據(jù)的速度快的多，若可視化時刻變化時直接從外存來讀取數(shù)據(jù)，必然導(dǎo)致CPU或GPU處于長時間等待數(shù)據(jù)的狀態(tài)，影響系統(tǒng)的可視化效率。因此，在數(shù)據(jù)調(diào)度策略中，一般需要利用緩沖區(qū)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)存取。預(yù)存取原理就是定義一個稍大的區(qū)域，從外存中除了讀取當(dāng)前可視化所需要的數(shù)據(jù)外，還要預(yù)先讀取即將可視化時刻的數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩存中，從而當(dāng)動態(tài)可視化繪制其他時刻的數(shù)據(jù)時，不需要直接從外存讀取需要的數(shù)據(jù)，直接從內(nèi)存中讀取即可，從而加快可視化的效率[7]。

如圖2所示，當(dāng)可視化時刻處于Tfocus時，內(nèi)存中需要加載的數(shù)據(jù)包括繪制的時間上文區(qū)間的數(shù)據(jù)[Tstart，Tfocus]和預(yù)加載的時間下文區(qū)間的數(shù)據(jù)[Tfocus，Tend]，而需要卸載繪制時刻之前的數(shù)據(jù)，即[Tbefore，Tstart]區(qū)間的數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)調(diào)度策略可以提前把下一步需要可視化顯示的數(shù)據(jù)讀入緩存，能夠保證動態(tài)可視化過程中，下一幀所要顯示的數(shù)據(jù)都在系統(tǒng)緩存中，從而減少卡幀現(xiàn)象。

圖2 緩沖區(qū)預(yù)處理策略

2.2多線程加速

多線程是指操作系統(tǒng)支持一個進(jìn)程中執(zhí)行多個線程的能力。在某些多任務(wù)軟件開發(fā)時常采用多線程技術(shù)，即整個軟件進(jìn)程包含了完成不同功能的多個線程，如數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理線程、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示線程、圖形曲線生成線程和用戶界面線程等[8]。這樣多個線程同時執(zhí)行，在一段時間內(nèi)并行完成了更多任務(wù)，加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提高了執(zhí)行效率。

在海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化中，程序既要根據(jù)當(dāng)前可視化時刻對需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，同時還需要執(zhí)行具體的可視化操作。為了提升動態(tài)可視化的持續(xù)性和效率，需要引入多線程技術(shù)在程序中同時運(yùn)行兩個線程：主線程負(fù)責(zé)海洋數(shù)據(jù)的可視化，子線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)度。具體思路是：首先開辟一個線程池，主線程主要負(fù)責(zé)根據(jù)焦點(diǎn)時刻對渲染隊(duì)列進(jìn)行更新以及數(shù)據(jù)的可視化工作；子線程主要負(fù)責(zé)從外存中調(diào)入缺少的數(shù)據(jù)。多線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略流程如圖3所示。

圖3 多線程數(shù)據(jù)調(diào)度策略流程圖

程序首先從主線程開始執(zhí)行，然后依次執(zhí)行以下步驟：1）獲取當(dāng)前可視化時刻，將需要可視化顯示的數(shù)據(jù)加入渲染列表，同時更新渲染鏈表與調(diào)度鏈表；2）遍歷渲染鏈表，對當(dāng)前時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，同時開辟一個子線程進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，更新預(yù)調(diào)度鏈表；3）判斷是否退出程序，若不退出程序則判斷可視化時刻是否發(fā)生變化，否則退出程序，算法結(jié)束。子線程則要根據(jù)緩沖池來加載預(yù)調(diào)度數(shù)據(jù)，當(dāng)所有預(yù)調(diào)度數(shù)據(jù)都加載完成時，子線程的任務(wù)結(jié)束。主線程將數(shù)據(jù)可視化顯示，當(dāng)前幀的任務(wù)結(jié)束，進(jìn)入下一幀。

3 沿軌掃描動態(tài)可視化研究

在進(jìn)行沿軌掃描數(shù)據(jù)動態(tài)可視化時，必須考慮到影響動態(tài)顯示的所有相關(guān)變量，一是能夠充分反映動態(tài)變化的時空數(shù)據(jù)內(nèi)容；二是提高用戶與動態(tài)顯示的交互能力，使用戶能夠更容易、更直觀、更自然地認(rèn)識和理解時空數(shù)據(jù)。本文運(yùn)用動態(tài)地圖的表達(dá)方式來增強(qiáng)海洋時空數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示效果，運(yùn)用交互式時間圖例提高系統(tǒng)與用戶的交互能力。

3.1基于動態(tài)地圖的多要素同步表達(dá)

衛(wèi)星沿軌掃描數(shù)據(jù)是隨著時間動態(tài)變化的，僅通過靜態(tài)地圖無法表達(dá)出其時空變化特征，因此，本文引入了動態(tài)地圖制圖的方法進(jìn)行海洋要素可視化表達(dá)。動態(tài)地圖是將不同時刻的空間表達(dá)映射至動畫的不同幀上，通過動畫的播放來再現(xiàn)地理現(xiàn)象的時空演變過程。這種方法在地圖中引入了時間維，與靜態(tài)地圖相比信息容量大大增加，更加符合人類對于自然現(xiàn)象動態(tài)變化的認(rèn)知規(guī)律。

動態(tài)地圖除了能夠幫助用戶對地理現(xiàn)象的時空變化進(jìn)行“識別”，也能夠進(jìn)行“比較”認(rèn)知操作：對同類型或不同類型的時空現(xiàn)象進(jìn)行比較，從而發(fā)現(xiàn)變化過程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。動態(tài)地圖能夠在相同的時間區(qū)間內(nèi)對相同或不同類型的時空現(xiàn)象進(jìn)行比較，如可以通過在一幅動態(tài)地圖中同時播放降雨量變化和某種植物的生長變化，通過動畫過程來發(fā)現(xiàn)這兩種不同類型時空現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[9]。本文在可視化過程中采用多要素同步表達(dá)的方式，根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡和掃描區(qū)域，將海表溫度數(shù)據(jù)和風(fēng)場數(shù)據(jù)同步表達(dá)，如圖4所示，用戶不僅可以觀察當(dāng)前時刻海表溫度和風(fēng)速單個要素的變化情況，而且可以查看兩種要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，幫助用戶及時發(fā)現(xiàn)異常情況。

圖4 多要素同步表達(dá)

3.2交互式時間圖例

時間圖例除了表達(dá)當(dāng)前的時間信息外，在動態(tài)可視化當(dāng)中另一個重要的功能是在時間維上對動態(tài)地圖進(jìn)行交互式的控制。用戶在觀察動態(tài)可視化的過程中，不僅要觀察當(dāng)前時刻數(shù)據(jù)的空間分布情況，而且要根據(jù)時間上下文來分析空間數(shù)據(jù)的變化過程以及變化規(guī)律。海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)時間序列較長，如果時間圖例只有基本的播放功能，用戶需要記憶每一幀的內(nèi)容，然后再去理解和分析，大量的信息會導(dǎo)致用戶疲勞而且使認(rèn)知效率降低，難以滿足用戶需求。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個交互式時間圖例來控制沿軌數(shù)據(jù)動態(tài)可視化的進(jìn)程，如圖5所示。主要有以下幾個功能：

（1）播放、暫停、前一時刻和后一時刻功能，用戶可以在可視化過程中隨時暫停，查看當(dāng)前時刻的海洋現(xiàn)象，也可以查看前一時刻和后一時刻，觀察海洋現(xiàn)象的變化規(guī)律。

（2）時間滑條功能，用戶可以拖動時間滑條，查看任意幀的可視化結(jié)果。可用于不同時刻可視化結(jié)果的比較。

（3）可視化速度控制功能，用戶可以自定義可視化的速度，查看不同變化率下海洋現(xiàn)象的變化過程。

圖5 交互式時間圖例

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于沿軌掃描動態(tài)可視化的研究，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星掃描模式下風(fēng)速數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)以及高度計(jì)數(shù)據(jù)的動態(tài)可視化：

（1）風(fēng)場數(shù)據(jù)可視化。采用基于幾何形狀的矢量場映射方法，通過點(diǎn)圖標(biāo)法實(shí)現(xiàn)了掃描風(fēng)場數(shù)據(jù)的可視化。其中風(fēng)場符號的不同顏色表示風(fēng)速大小的不同（從紅色到藍(lán)色代表風(fēng)速由大到?。?，風(fēng)場符號的方向代表風(fēng)速的方向，并且根據(jù)風(fēng)速的不同等級，使用不同的風(fēng)場符號。用戶可以控制時間軸，查看衛(wèi)星沿軌掃描過程中不同區(qū)域風(fēng)場的具體情況。

圖6 風(fēng)場可視化

（2）海表溫度可視化。采用基于表面紋理貼圖的可視化方法，運(yùn)用面狀紋理貼圖實(shí)現(xiàn)海表溫度數(shù)據(jù)的可視化。其中不同的顏色表示海表海溫的高低。由于沿軌掃描的海溫?cái)?shù)據(jù)時間序列較長，在海溫的可視化過程中，運(yùn)用了基于時間分辨率的時空數(shù)據(jù)聚合的方法。在時間維上將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，降低數(shù)據(jù)的時間分辨率以適應(yīng)可視化的要求。用戶可以控制時間軸，查看衛(wèi)星在不同掃描區(qū)域中海表海溫情況。

圖7 海表溫度可視化

圖8 海洋高度計(jì)數(shù)據(jù)可視化

（3）海洋高度計(jì)數(shù)據(jù)可視化。采用基于表面紋理貼圖的可視化方法，運(yùn)用點(diǎn)狀紋理貼圖實(shí)現(xiàn)高度計(jì)數(shù)據(jù)的可視化。其中不同的顏色表達(dá)高度計(jì)值的大小。在高度計(jì)的可視化中采用了LOD動態(tài)調(diào)度技術(shù)，通過當(dāng)前視點(diǎn)高度對高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)的抽稀，生成對應(yīng)的細(xì)節(jié)層次，有效地減少了可視化顯示的數(shù)據(jù)量，提高了可視化的效率。用戶可以控制時間軸，查看衛(wèi)星沿軌掃描過程中不同點(diǎn)高度計(jì)的具體情況。

5 結(jié)語

本文基于海洋沿軌掃描數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大、時間序列長和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了運(yùn)用NetCDF數(shù)據(jù)模型對海洋沿軌掃描時空數(shù)據(jù)進(jìn)行組織與管理，利用GIS相關(guān)技術(shù)和可視化方法，構(gòu)建了直觀、逼真的海洋遙感衛(wèi)星沿軌數(shù)據(jù)動態(tài)可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星掃描模式下風(fēng)速數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)以及高度計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)可視化表達(dá)。此外還提出運(yùn)用多要素同步表達(dá)和交互式時間圖例來提高數(shù)據(jù)的可讀性和系統(tǒng)的交互性。隨著海洋領(lǐng)域日益增強(qiáng)、不斷深入的應(yīng)用需求，本系統(tǒng)在進(jìn)一步完善和深化的同時，將探索和研究衛(wèi)星掃描模式下其他海洋要素的可視化表達(dá)。

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2016-12-13

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