面向三極科學(xué)的三維可視化系統(tǒng)應(yīng)用研究

吳阿丹，車濤

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院甘肅省遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國科學(xué)院黑河遙感試驗(yàn)研究站，甘肅蘭州730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國科學(xué)院青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京100101）

0 引言

南極、北極和青藏高原作為地球的“三極”，不僅儲藏著全球主要的淡水資源，且油氣資源豐富，是全球資源、能源開發(fā)利用的潛在戰(zhàn)略性儲備區(qū)域。隨著全球氣候變化，三極地區(qū)在生態(tài)與環(huán)境方面表現(xiàn)出敏感、快速的變化，國際社會(huì)對此給予了高度關(guān)注。我國已認(rèn)識到極區(qū)重要的戰(zhàn)略地位，積極參與到國際相關(guān)組織和活動(dòng)中，但限于研究積累不夠，國際話語權(quán)還十分有限。掌握三極地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化及區(qū)域影響的科學(xué)事實(shí)，集成三極環(huán)境研究的科學(xué)成果，科學(xué)評估和預(yù)測極地環(huán)境時(shí)空變化，不僅有助于確保我國權(quán)益、為國際談判提供話語權(quán)，也能為國家決策提供基礎(chǔ)支撐［1］。隨著天空地一體化對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展，三極地區(qū)積累了大量地面觀測、科考數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬及同化數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)等科學(xué)成果［2-4］，使得三極時(shí)空數(shù)據(jù)日益呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)［5-7］，這些時(shí)空大數(shù)據(jù)的積累為三極聯(lián)動(dòng)分析提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)知識，產(chǎn)生了一批具有較強(qiáng)影響的三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)［8-11］。然而，這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)一般都以專業(yè)圖表或?qū)I(yè)術(shù)語描述，普通用戶和決策者很難直觀了解這些三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)的真正內(nèi)容和意義，雖然傳統(tǒng)的二維地圖的空間分析能在一定程度滿足地學(xué)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的可視化的表達(dá)，但將三維空間中的地理對象向二維平面投影時(shí)，會(huì)導(dǎo)致三維方向上的信息缺失，導(dǎo)致其難以完整反映客觀世界的全貌，尤其面向三極聯(lián)動(dòng)分析時(shí)，傳統(tǒng)的二維地圖無法進(jìn)行三極協(xié)同對比分析，因此，加強(qiáng)三極大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)可視化已成為迫切需要。

三維空間模型的可視化分從應(yīng)用架構(gòu)上可以為兩種［12-16］：第一種是基于C/S架構(gòu)的平臺，如Arc-Scene、Skyline、SuperMap等，其優(yōu)點(diǎn)是顯示效果好、空間分析功能強(qiáng)大，但其大多為商業(yè)軟件，成本費(fèi)用高，只能適用于單機(jī)；第二種是采用B/S架構(gòu)，以傳統(tǒng)的瀏覽器作為客戶端，便于客戶端訪問和數(shù)據(jù)共享，如Cesium、Three、Unity 3D等。其中Cesium憑借其優(yōu)秀的平臺性能和完善的功能接口，近年來被學(xué)者較多地用于三維場景構(gòu)建的研究和應(yīng)用當(dāng)中。

本研究是在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)時(shí)空三極環(huán)境項(xiàng)目支持下，開展面向三極科學(xué)的三維可視化研究，通過選擇三個(gè)代表性的研究成果，建立三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)三維可視化原型系統(tǒng)，本文簡稱“三極球”，它是球形屏幕、弧形屏幕及Web可視化系統(tǒng)的統(tǒng)稱，是硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合體。本文首先介紹了“三極球”整體設(shè)計(jì)思路，再給出實(shí)現(xiàn)“三極球”的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，然后以三個(gè)場景為例實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用示范，最后對系統(tǒng)整體進(jìn)行總結(jié)并給出未來展望。

1 “三極球”的總體設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)流程

“三極球”是為三極科學(xué)研究和數(shù)據(jù)集成管理而搭建的信息化平臺，是三極研究的展示中心，也是播放三極的歷史，現(xiàn)在和將來的演播室。它是“可視化”在全球三極尺度上的一次實(shí)踐性嘗試：從技術(shù)層面，“三極球”實(shí)現(xiàn)了二維地圖和三維地圖互操作；從硬件資源層，其充分利用情景腳本將弧形屏幕和球形屏幕無縫銜接，實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有較強(qiáng)視覺沖擊的三維展示系統(tǒng)，其建設(shè)流程主要包括需求分析、框架設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、系統(tǒng)開發(fā)及測試運(yùn)行五個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程Fig.1 System development process

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以滿足“科學(xué)發(fā)現(xiàn)為本，聯(lián)動(dòng)分析為根，科普為主，互動(dòng)為輔”的原則進(jìn)行建設(shè)。基于二維、三維可視化實(shí)技術(shù)，通過多種屏幕互操作構(gòu)建出生動(dòng)、易懂的三極數(shù)字化3D平臺，在集成場景選擇和科普信息檢索等功能后，可以形成一套完備的三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)展示的原型系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠展示全球溫度異常變化、三極冰蓋及南北極海冰最新三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)，并以立體的、動(dòng)態(tài)的形式展示這些信息，在場景瀏覽中完成科普瀏覽及體驗(yàn)，可滿足多人、不同觀眾的參觀需求。

“三極球”采用瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S）架構(gòu)。瀏覽器端采用JavaScript作為開發(fā)語言，服務(wù)器端采用NodeJS技術(shù)，數(shù)據(jù)組織采用分布式數(shù)據(jù)庫Green-Plum。系系統(tǒng)整體框架基礎(chǔ)設(shè)施層、服務(wù)層和應(yīng)用層三個(gè)層面，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框架Fig.2 Overall framework of the system

基礎(chǔ)設(shè)施層：提供整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境及軟件環(huán)境。本系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施使用中科院網(wǎng)絡(luò)中心提供的云環(huán)境：12個(gè)處理服務(wù)結(jié)點(diǎn)、64個(gè)CPU核、總內(nèi)存320 G，總存儲為4 T。

服務(wù)層：由一系列Web服務(wù)組成，包括基于不同數(shù)據(jù)源的可視化服務(wù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)、互操作服務(wù)以及分析結(jié)果自動(dòng)生成服務(wù)。

應(yīng)用層：即“三極球”系統(tǒng)，通過調(diào)用服務(wù)層Web服務(wù)提供的各種方法，實(shí)現(xiàn)對三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)及科普的信息查詢及瀏覽。本系統(tǒng)支持弧形屏幕、球形系統(tǒng)以及瀏覽器三類終端的數(shù)據(jù)可視化。

本系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)北極放大效應(yīng)、三極冰雪凍融對比與關(guān)聯(lián)及三極聯(lián)動(dòng)對東亞氣候的影響三個(gè)典型三極科學(xué)案例，并針對球形屏幕和弧形屏幕對系統(tǒng)頁面進(jìn)行了定制開發(fā)，通過iPad可實(shí)現(xiàn)不同屏幕之間的內(nèi)容切換，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主要功能Fig.3 Main functions of the system

2 關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)基于三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究海量數(shù)據(jù)分布式存儲架構(gòu)、數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)處理、三維開發(fā)引擎、屏幕互操作、自動(dòng)生成分析等關(guān)鍵運(yùn)行技術(shù)，并將這五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)集成到三維可視化系統(tǒng)中，最后選取三個(gè)典型的科學(xué)案例（對應(yīng)三個(gè)數(shù)據(jù)集）驗(yàn)證技術(shù)流程的可行性和有效性。

2.1 基于GreenPlum的分布式數(shù)據(jù)庫

面對三極海量時(shí)空數(shù)據(jù)，我們選用Green-Plum［17-18］搭建分布式數(shù)據(jù)庫，原因如下：

（1）三極數(shù)據(jù)體量巨大，而傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫一般用一臺服務(wù)器存儲數(shù)據(jù)，可擴(kuò)展性較差，很難實(shí)現(xiàn)對三極數(shù)據(jù)的有效管理。

（2）三極數(shù)據(jù)類型繁多，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫僅存儲結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，對于網(wǎng)絡(luò)日志、音頻、視頻、圖片、地理位置等數(shù)據(jù)處理能力較差。

（3）三極數(shù)據(jù)增長很快，傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫性能隨著數(shù)據(jù)的增長急劇下降。

（4）在如此海量的三極數(shù)據(jù)面前，傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫基本很難實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的快速挖掘和可視化分析。

分布式數(shù)據(jù)庫庫GreenPlum能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)單機(jī)數(shù)據(jù)庫的不足，為我們實(shí)現(xiàn)三極時(shí)空大數(shù)據(jù)的管理提供了機(jī)遇和條件：GreenPlum數(shù)據(jù)庫是基于MPP（Massively Parallel Processing）大規(guī)模并行處理和完全無共享架構(gòu)的數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)，主要由Master節(jié)點(diǎn)、Segment節(jié)點(diǎn)、Interconnect三大部分組成。Master節(jié)點(diǎn)是GreenPlum數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的入口，接受客戶端連接及提交的SQL語句，將工作負(fù)載分發(fā)給Segment實(shí)例。Segment節(jié)點(diǎn)由若干獨(dú)立的PostgreSQL實(shí)例組成（一個(gè)實(shí)例可以理解為一個(gè)Postgresql數(shù)據(jù)庫），每個(gè)PostgreSQL實(shí)例完成一部分?jǐn)?shù)據(jù)的存儲和計(jì)算。Interconnect負(fù)責(zé)Master節(jié)點(diǎn)與Segment節(jié)點(diǎn)以及不同PostgreSQL實(shí)例之間的通信。

本系統(tǒng)中，我們基于四個(gè)存儲節(jié)點(diǎn)搭建Green-Plum分布式數(shù)據(jù)庫（圖4），主節(jié)點(diǎn)上部署Master節(jié)點(diǎn)，三個(gè)子節(jié)點(diǎn)上部署Segment節(jié)點(diǎn)。每個(gè)Segment節(jié)點(diǎn)上部署14個(gè)PostgreSQL實(shí)例（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值：每個(gè)實(shí)例占用一個(gè)CPU內(nèi)核，需要4 G內(nèi)存），三個(gè)節(jié)點(diǎn)共42個(gè)實(shí)例，也就是說我們進(jìn)行Sql語句查詢時(shí)，Master節(jié)點(diǎn)把Sql任務(wù)分解成42個(gè)子任務(wù)，在不同的42個(gè)實(shí)例中同時(shí)查詢數(shù)據(jù)，大大提高查詢效率，并具有很高的可擴(kuò)展性，該設(shè)計(jì)充分考慮到了時(shí)空三極大數(shù)據(jù)海量、異構(gòu)的特點(diǎn)，為海量三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫及可視化提供了重要的技術(shù)支撐。

2.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)處理

場景的流暢度是可視化系統(tǒng)是否友好的關(guān)鍵因素之一，因此，在采用基于B/S架構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示時(shí)，必須考慮到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度與數(shù)據(jù)渲染速度等問題?！叭龢O球”主要使用時(shí)空三極項(xiàng)目產(chǎn)出的南極、北極和第三極地區(qū)冰凍圈、大氣、生態(tài)等時(shí)空連續(xù)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù).本文在選取三個(gè)典型的三極科學(xué)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)處理技術(shù)及流程，包括全球溫度數(shù)據(jù)、南極和格陵蘭冰雪凍融產(chǎn)品及南北極海冰密集度數(shù)據(jù)，其具體屬性如表1所示。

圖4 分布式數(shù)據(jù)庫部署Fig.4 Deployment of the GreenPlum database

從表1可知，“三極球”用到的三類數(shù)據(jù)體量很大，格式均為NetCDF［19-20］。雖然該格式可以對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地存儲、管理及分發(fā)，但不能被Cesium三維引擎直接讀取并顯示。經(jīng)過反復(fù)測試，我們發(fā)現(xiàn)png格式的數(shù)據(jù)能夠在Cesium三維數(shù)據(jù)地球引擎中高效顯示，因此我們將所有數(shù)據(jù)通過開發(fā)的腳本自動(dòng)轉(zhuǎn)換為png數(shù)據(jù)。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的png數(shù)據(jù)經(jīng)緯度范圍為-180°～180°，-90°～90°，其像素長款比為2：1（如698×349像素），可直接用于基于Web的三維球和實(shí)體物理球的數(shù)據(jù)可視化，其流程為：首先對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理與組織存儲，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，最終實(shí)現(xiàn)用戶交互分析操作。

表1 核心數(shù)據(jù)介紹Table 1 Introduction of core data

2.3 數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺開發(fā)引擎

“三維球”的建設(shè)是在中科院遙感所提供的數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺二次開發(fā)引擎（DESP Client for WebGL，簡稱DespWeb）的基礎(chǔ)上完成的。該引擎基于HTML5、WebGL等技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，將數(shù)字地球相關(guān)的數(shù)據(jù)解析、可視化、服務(wù)等方法封裝為統(tǒng)一的Web組件，為數(shù)字地球網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)提供二次開發(fā)接口，幫助開發(fā)者者快速搭建B/S架構(gòu)的三維數(shù)字地球應(yīng)用平臺。該框架重點(diǎn)解決用戶交互和數(shù)據(jù)交換，涉及到的核心技術(shù)如表2所示。

表2 二次開發(fā)引擎核心技術(shù)Table 2 Core technologies of secondary development engine

其中Cesium是三維球開發(fā)的重要組件，它是開源的前端JavaScript庫，通過WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形的硬件加速，能夠提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的二、三維可視化展示，可以自行繪制圖形、高亮區(qū)域等，且具有跨平臺、跨瀏覽器的特點(diǎn)［21］。

2.4 球形屏幕與弧形屏幕互操作策略

“三極球”在建設(shè)之初就計(jì)劃在中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心2D展廳進(jìn)行系統(tǒng)部署及展示，該展廳配備了先進(jìn)的大型球體展示系統(tǒng)（簡稱為球形屏幕）和弧屏展示融合系統(tǒng)（簡稱為弧形屏幕），如圖5。球形屏幕由軟件環(huán)境和硬件環(huán)境組成，軟件環(huán)境主要負(fù)責(zé)GIS展示、交互演示和動(dòng)態(tài)結(jié)果匯報(bào)分析、數(shù)據(jù)可視化、人機(jī)交互和互動(dòng)等功能的實(shí)現(xiàn)。硬件環(huán)境主要負(fù)責(zé)提供多通道立體顯示功能和系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)輸出、處理、轉(zhuǎn)換和采集功能。弧形屏幕利用正投原理、曲邊校正和無縫拼接技術(shù)將投射出的內(nèi)容組成無縫統(tǒng)一的畫面，實(shí)現(xiàn)270°全方位的數(shù)字地球信息可視化模擬，同時(shí)對多源地球大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合可視化展示，并滿足大型活動(dòng)及會(huì)議的展示需求。

因此如何充分利用球形屏幕和弧形屏幕的互操作，實(shí)現(xiàn)球幕與弧幕的互動(dòng)聯(lián)動(dòng)，更加清晰的展示三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)的邏輯與關(guān)聯(lián)是該系統(tǒng)需要解決的重要問題之一。本系統(tǒng)通過Web系統(tǒng)架構(gòu)和情景腳本編寫來實(shí)現(xiàn)不同類型屏幕互操作。

圖5 中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心2D展廳（中間為球體系統(tǒng)，兩側(cè)為弧屏系統(tǒng)，左側(cè)為A屏幕，右側(cè)為B屏幕）Fig.5 2D exhibition hall of National Science Library，Chinese Academy of Sciences（spherical screen is in the center，curved screen is on both sides，Screen A is on the left and Screen B is on the right）

（1）基于Web的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了方便展廳控制中心對系統(tǒng)內(nèi)容的方便調(diào)用和操作，本系統(tǒng)通過引入Web Service、Web Socket等技術(shù)建立數(shù)據(jù)訪問、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)交換接口等基礎(chǔ)服務(wù)，提供B/S架構(gòu)的在線模型計(jì)算接口，并以地圖、可視化曲線、視頻、文本等方式對三極科學(xué)數(shù)據(jù)及科學(xué)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行瀏覽。同時(shí)利用JavaScrip腳本對屏幕的分辨率自動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在弧形屏幕、球形屏幕及普通瀏覽器中自適應(yīng)顯示。最終，控制中心直接通過網(wǎng)絡(luò)訪問即可選擇和播放展示資源，即通過網(wǎng)絡(luò)將幾個(gè)展示屏幕無縫鏈接起來，從不同角度和內(nèi)容展示三極科學(xué)發(fā)現(xiàn)，顯著提高了不同屏幕系統(tǒng)之間互操作的效率和顯示度。

（2）腳本編寫

編寫腳本是“三極球”實(shí)現(xiàn)的另外一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。腳本編寫之前要明確總體展示計(jì)劃，明確各個(gè)體驗(yàn)流程，確定每個(gè)動(dòng)畫的時(shí)長，劃分不同的場景，讓物理球和弧形屏幕協(xié)同演示，最終讓用戶體驗(yàn)在不同場景切換過程中所帶來的視覺沖擊，給其留下深刻的印象。本系統(tǒng)包括三個(gè)場景：北極放大效應(yīng)、三極冰雪凍融對比與關(guān)聯(lián)及三極聯(lián)動(dòng)對東亞氣候的影響，我們利用腳本編寫將這三個(gè)場景無縫銜接起來，以三個(gè)完整的科學(xué)故事重塑三極協(xié)同對比研究的重要性及新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。此外，還利用定時(shí)器腳本實(shí)現(xiàn)情景的完全自動(dòng)播放和選擇播放，實(shí)現(xiàn)了按需播放的需求。

2.5 分析結(jié)果自動(dòng)生成

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)場景對應(yīng)表1中的三個(gè)數(shù)據(jù)集。前兩個(gè)場景基于歷史數(shù)據(jù)的分析得出科學(xué)結(jié)論。而對于第三個(gè)場景（三極聯(lián)動(dòng)對東亞氣候），實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析更能準(zhǔn)確、生動(dòng)地支撐科學(xué)觀點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)分析結(jié)果的時(shí)效性也是系統(tǒng)必須考慮的重要因素。

本節(jié)以第三個(gè)場景設(shè)計(jì)到的海冰分析產(chǎn)品為例［22-23］，說明分析結(jié)果自動(dòng)生成的流程。其思路是利用已有的海冰密集度資料和海冰范圍指數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)地生成海冰分析產(chǎn)品。該海冰分析產(chǎn)品使用的原始數(shù)據(jù)來源于美國大氣與海洋管理局（NOAA）的北半球海冰覆蓋數(shù)據(jù)集（IMS），該數(shù)據(jù)集融合了多源遙感數(shù)據(jù)以及地面觀測數(shù)據(jù)、模型輸出數(shù)據(jù)，具有較高的精度［24］。通過這些海冰分析產(chǎn)品能夠更加清晰地認(rèn)識北極海冰變化趨勢，能夠進(jìn)一步解釋大氣環(huán)流發(fā)生變化如何影響東亞氣候異常。

海冰分析產(chǎn)品自動(dòng)生成流程采用簡潔高效的Python語言實(shí)現(xiàn)，完全采用面向?qū)ο缶幊趟枷?，遵循單一職?zé)原則，保證了設(shè)計(jì)程序的繼承和擴(kuò)展性，對整體系統(tǒng)后期的遷移、維護(hù)和升級帶來極大的便利。而對于14類海冰產(chǎn)品實(shí)時(shí)計(jì)算，采用Fortran語言實(shí)現(xiàn)，有利于提高數(shù)據(jù)計(jì)算的效率（圖6）。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建高性能Web服務(wù)將這些實(shí)時(shí)海冰分析產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享及展示（圖7）。這些結(jié)果最終在弧形屏幕中實(shí)時(shí)展示，用來進(jìn)一步解釋科學(xué)現(xiàn)象，有利支撐科學(xué)觀點(diǎn)。

圖6 海冰分析產(chǎn)品自動(dòng)生產(chǎn)流程Fig.6 Automatic production process of sea ice analysis products

圖7 海冰分析產(chǎn)品Fig.7 Sea ice analysis product：number of days covered by sea ice in February 2020（a）；trend of days covered by sea ice in February from 2017 to 2020（b）

3 應(yīng)用案例

依托中科院國家圖書館2D展廳球幕系統(tǒng)、弧幕系統(tǒng)等設(shè)備，“三極球”以“數(shù)據(jù)-知識-服務(wù)”為主線，以高新技術(shù)為手段，建設(shè)一個(gè)集數(shù)據(jù)管理、計(jì)算、分析、服務(wù)、展示于一體的地球大數(shù)據(jù)原型系統(tǒng)可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)→信息→可視化模擬的全過程，充分展示地球大數(shù)據(jù)科學(xué)工程專項(xiàng)在決策支持、科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)創(chuàng)新以及公眾科普等方面的重要作用?！叭龢O球”目前已在中科院國家圖書館2D展廳業(yè)務(wù)化運(yùn)行，包括北極放大效應(yīng)、三極冰雪凍融對比與關(guān)聯(lián)及三極聯(lián)動(dòng)對東亞氣候的影響三個(gè)緊密聯(lián)系的情景故事，其中球形屏幕是演示的核心區(qū)域，所有腳本均以球形屏幕為中心展開介紹。弧形屏幕是對球形屏幕的進(jìn)一步補(bǔ)充和說明，分為A和B兩個(gè)屏幕，A屏幕側(cè)重系統(tǒng)實(shí)時(shí)演示，B屏幕對其科學(xué)原理進(jìn)一步展示。

3.1 北極放大效應(yīng)

球幕系統(tǒng)展示內(nèi)容：顯示1870—2014年全球溫度異常，視角從格陵蘭轉(zhuǎn)到青藏高原再到南極（圖8），該過程由程序腳本自動(dòng)運(yùn)行，也可由iPad控制（以下屏幕及場景都可自動(dòng)播放或者人工控制）。A屏幕腳本（圖9）：利用我國自主研發(fā)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)確再現(xiàn)了20世紀(jì)全球增溫效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)在1979—2014年溫室氣體排放顯著增加的時(shí)期，三極升溫速度明顯要比全球其他地區(qū)要快，尤其是北極地區(qū)升溫明顯，我們稱之為北極放大效應(yīng)。B屏幕腳本（圖10）：針對這一問題，專項(xiàng)利用自主研發(fā)的FGOALS-f2模型開展對北極海冰變化的實(shí)時(shí)預(yù)測，并結(jié)合已有的數(shù)值模擬結(jié)果分析了北極放大效應(yīng)的原因。

圖8 球形屏幕顯示全球溫度異常場（數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化）Fig.8 Global temperature anomaly field is displayed on the spherical screen

圖9 A屏幕展示三極溫度異常變化Fig.9 The abnormal temperature variation of the three poles is showed on the Screen A

圖10 B屏幕解釋北極放大效應(yīng)發(fā)生的原因Fig.10 The reason why Arctic amplification effect occurs is illustrated on the Screen B

3.2 三極冰雪凍融對比與關(guān)聯(lián)

球幕系統(tǒng)展示內(nèi)容（圖11）：展示三極溫度異常對其冰凍圈的影響最為顯著。A屏幕腳本（圖12）：通過近40年三極冰蓋/冰川表面冰雪凍融進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)格陵蘭與青藏高原地區(qū)受到溫度升高影響，這兩個(gè)區(qū)域冰雪融化持續(xù)時(shí)間增長，而南極受到海-冰-氣相互作用，其冰蓋融化持續(xù)時(shí)間縮短。B屏幕腳本（圖13）：同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，南極與格陵蘭冰蓋融化面積年際變化呈現(xiàn)出“相反的變化趨勢”（負(fù)相關(guān)），究其原因是因?yàn)榇髿夂秃Ｑ蟮脑趦蓸O間的熱量輸送作用導(dǎo)致的。

圖11 球形系統(tǒng)展示三極溫度異常對格陵蘭島、青藏高原及南極的影響（數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化）Fig.11 The effects of three poles temperature anomalies on Greenland，Qinghai-Tibet Plateau and Antarctic are showed on the spherical system

3.3 三極聯(lián)動(dòng)對東亞氣候的影響

球幕系統(tǒng)展示內(nèi)容（圖14）：顯示2011年1月全球溫度異常場，視角北極轉(zhuǎn)到中國與東亞區(qū)域，可以看出冬季北極增暖伴有中東亞特別是我國極端冷事件。A屏幕腳本（圖15）：南北極海冰的異常變化造成大氣環(huán)流發(fā)生變化，進(jìn)一步影響東亞氣候異常。B屏幕腳本（圖16）：本研究的資助專項(xiàng)，利用中科院自主研發(fā)的氣候模式針對三極相互作用物理過程開展研究，發(fā)現(xiàn)兩極氣候變化導(dǎo)致了中國與東亞地表溫度的異常，這為理解三極聯(lián)動(dòng)協(xié)同影響中國天氣氣候提供了重要科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論與展望

圖12 A屏幕展示三極冰雪融化時(shí)間變化對比分析Fig.12 The comparative analysis of melting time of ice and snow in three poles are showed on the Screen A

圖13 B屏幕解釋南北極冰蓋變化關(guān)聯(lián)及影響機(jī)制Fig.13 The correlation and influencing mechanism of the changes in the Arctic and Antarctic ice sheets are explained on the Screen B

圖14 球形屏幕顯示2011年1月溫度異常場（數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化）Fig.14 The temperature anomaly field in January 2011 is showed on the spherical screen

地球大數(shù)據(jù)開啟了地球科學(xué)認(rèn)知的新范式。隨著天-空-地一體化對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展三極地區(qū)也積累了海量時(shí)空數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)在衛(wèi)星遙感、模型模式與地面觀測數(shù)據(jù)三個(gè)方面。針對這些數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究并集成了五大關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套B/S架構(gòu)的三維可視化系統(tǒng)，并選取三個(gè)典型的科學(xué)案例，利用弧形屏幕和球形屏幕相結(jié)合的方式更加直觀、生動(dòng)的再現(xiàn)三極科學(xué)重大發(fā)現(xiàn)。該可視化系統(tǒng)有利于管理決策者與普通大眾理解三極生態(tài)環(huán)境變化相關(guān)研究成果，而集成的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息服務(wù)的核心和關(guān)鍵，能夠?yàn)榈貙W(xué)領(lǐng)域相關(guān)的信息展示提供借鑒。

圖15 A屏幕展示南北極海冰是重要的氣候驅(qū)動(dòng)因子Fig.15 Screen A shows that Arctic and Antarctic sea ice is an important driver of climate

圖16 B屏幕解釋三極聯(lián)動(dòng)對我國及東亞氣候的影響Fig.16 The effect of three poles linkage on climate in China and East Asia is explained on the Screen B

本研究開發(fā)的三維可視化系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性，后期可以很容易地將其他科學(xué)數(shù)據(jù)集成到該平臺。下一步工作將重點(diǎn)解決以下三個(gè)問題：

（1）目前該系統(tǒng)對顯示器的要求較高，雖然能夠在不同分辨率的大屏幕和普通電腦中瀏覽，但是對于只配備普通顯卡的電腦，其可視化的體驗(yàn)還不夠完美，這是未來急需改進(jìn)的地方。

（2）目前系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了三個(gè)重要場景，后期需要考慮更多的三極聯(lián)動(dòng)分析的可視化場景，如北極地區(qū)植被物候的變化與全球氣溫的關(guān)系，晝夜溫度與植被落葉期物候變化的關(guān)系以及氣溶膠變化與北極生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力的關(guān)系等。

（3）目前的系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化功能，沒有考慮針對用戶需求的實(shí)時(shí)計(jì)算功能，今后須完善Mapreduce、Spark等大數(shù)據(jù)庫計(jì)算接口，并支持關(guān)鍵遙感數(shù)據(jù)典型反演算法接口的Web調(diào)用，如北極海冰變化、積雪覆蓋比例、雪深、凍融狀態(tài)、碳吸收能力等，為實(shí)現(xiàn)三極決策支持提供在線分析功能。

致謝：“三極球”的建設(shè)自2019年實(shí)施至今，得到了中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、中國科學(xué)院大氣物理研究所、中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心、國家衛(wèi)星氣象中心等單位及同事的幫助，對他們在網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)、數(shù)據(jù)服務(wù)、腳本編寫等方面的工作表示衷心感謝。何編、梁磊、鄭照軍協(xié)助完成了海冰及凍融產(chǎn)品的研制，在此致謝。本系統(tǒng)涉及到的柵格數(shù)據(jù)格式自動(dòng)轉(zhuǎn)換代碼在Github上面共享：https://github.com/FlankYangPengFei/wad。