基于IDL的海洋內波波面三維可視化的設計與實現

陶榮華, 陳維亮, 陳 標, 許素芹

(海軍潛艇學院, 山東 青島 266071)

內波是海洋中常見的中、小尺度物理海洋現象,它對生產活動及軍事活動都存在較大影響。區別于海洋表面波浪, 海洋內波是指發生在密度穩定層化的海水內部的一種重力波, 其垂向振幅遠大于海面上的重力表面波[1]。因此, 精確反映(刻畫)海洋內波存在海域內海洋要素的時空分布不均勻性, 既要考慮水體場的三維變化特征又要體現其水平面上的波動特性。目前, 在表達和展示海洋水體中內波三維空間波動特性方面的研究較少, 鮮見海洋內波三維可視化產品開發案例。文獻[2]對CTD觀測的內波繪制了二維等溫線深度時間序列圖, 文獻[3]對實驗室條件下觀測到的內波采用紋影技術和 PIV技術進行了可視化測量, 上述工作都只是以二維圖像(圖形)的方式對內波的某一斷面或平面進行了顯示, 沒有從三維空間這個宏觀角度對海洋內波水體進行整體可視化表達, 尤其缺乏靈活展現內波區物理要素等值面的波動起伏。事實上, 內波區的海洋三維水體反映著介質物理性質分布狀況和運動狀況, 它直接決定著內波的結構形態并體現著內波的強弱, 貼切地展現三維分布和逼真地呈現波動性有利于揭示內波的水體結構及其變化特征, 從而便于直觀、全面及動態地表現內波的時空特征(波長、振幅、傳播方向和波速等)和變化規律。

三維可視化技術是用于顯示、描述和理解三維空間物理要素的一種技術, 具有交互性、多維性和可視性等顯著特點, 廣泛應用于對觀測對象的物理解釋, 因此, 三維可視化技術是海洋內波研究和產品開發過程中的關鍵技術和重要內容。IDL(Interactive Data Language)是美國ITT EXELIS公司開發的第四代科學計算語言, 它為用戶提供了完善、靈活、有效的開發環境, 在三維可視化方面具有獨特的優勢,是海洋信息可視化不可或缺的基礎軟件。IDL圖形系統包括直接圖形系統(Direct Graphics)和對象圖形系統(Object Graphics), 后者融合了C語言的面向對象技術和 OpenGL圖形技術, 有利于充分控制和重復利用圖形, 因此, 通常采用后者進行應用系統開發,文獻[4-8]應用 IDL對象圖形法分別實現了各自應用領域的三維切面的可視化。針對海洋內波波面可視化的實際情況, 本文以對象圖形法為例講述其實現方法[9-12]。

1 可視化方法描述

內波的存在會引起海洋要素(溫/鹽/密)的垂直分布不均勻性, 表現為水體中的等密(溫、鹽)度面呈現海面波浪狀的起伏振蕩。因此, 在構建的可視化場景中恰當地展示這種水平波動效果, 并且隨著觀察深度的變化自適應動態地呈現這樣波動是內波波面可視化的核心和目標。 從空間位置角度看, 海洋內波波面顯示對象包括呈高程分布的水平曲面和三維立方體等, 根據海洋數據可視化維度, 可將其分為2.5D和真 3D二類[13]。由于不同維度的數據應顯示在相應空間區域內, 因此, 需要設計一種可同時容納并可視化顯示2.5D和3D的混合型系統。針對研究對象的特點, 該可視化技術包括三維空間及其內含實體的構建和實現, 其中三維空間是承載各顯示對象的立體視圖窗體框架, 后者是欲具體顯示的圖形對象, 它以面、體的形式多角度展現和表達內波在時間和空間尺度的分布及特征。

1.1 可視化模型框架構建

對象圖形系統是一個內置于IDL內核中的IDL對象庫, 基于 IDL對象圖形系統進行應用開發, 實際上包括構建系統物理體系、虛擬圖形體系和系統運行體系等三個架構。圖形可視化的主要工作就是用對象圖形構建虛擬圖形體系, 它涉及為內置對象創建正確的層次結構, 決定著三維圖景中各圖形的布局及其相互聯系。通常, 按照確定的層次結構來創建和布局圖形場景, 實現具體的圖形要素對象的顯示。包括: 創建IDLgrView對象、創建IDLgrModel對象、創建 IDLgrAtom對象、將 IDLgrModel加入IDLgrView中, 將IDLgrAtom加入IDLgrModel和產生目標對象并顯示圖形。根據前述的功能需求分析結果, 可視化圖形對象包括: 三維內波體、水平面上呈高程分布的波動曲面體、色彩板及附屬標注等, 下文主要就圖形對象構建和實現過程中的三維空間水平波動顯示技術進行闡述。

1.2 三維空間波面的可視化

通常情況下, 對于表示高程含義的二維數據大多采用曲面方式顯示, 在 IDL中即使用 idlgrsurface對象繪制二維半圖形來實現。但以此種方式生成的圖形都是呈現在由繪制數據驅動的動態坐標系中,無法承載于已構建的三維水體坐標空間這個大場景中; 另外, 內置的 idlgrsurface對象不支持動態交互顯示, 必須在顯示前就事先指定輸入數據。為解決此問題, 筆者采用自行從底層編程實現曲面對象的構建。下文以大小為30×40×20的三維數據vol作為示例講述實現過程, 具體步驟如下:

(1)坐標轉換, 將數據坐標轉換為視窗坐標

(2)創建多邊形曲面對象, 將其加載到上一層級對象中

(3)繪制數據準備

從 vol數據體中抽取出相對于待觀察水層(第k層)平面的二維數據matrix(圖1A)。

(4)以 matrix作為輸入, 使用 MESH_OBJ函數生成頂點列表vertex和連接表connectivity。

(5)顏色映射, 將整個三維水體數據映射成256色三維圖像數據, 抽取出相應層的二維圖像數據

(6)設置曲面對象的頂點位置和連接關系屬性,實現曲面形狀的定義和控制(圖1B)

(7)設置曲面顏色, 保證每一頂點處的著色關系與所表達物理量的大小關系兩者相適應(圖1C)

此時繪制出的圖形曲面表示的是內波在三維空間的分布,z方向對應著數值的大小, 該方向軸刻度的最大值和最小值相應著 matrix中的最大值和最小值, 當改變k值時(對應于另一位置的水層), 坐標值會自適應動態變化。而在構建的三維空間坐標系中,z方向表示內波發生位置, 軸的最值刻度卻是固定不變的。也就是說, 繪制出的任一曲面圖形都應包容于已構建的三維坐標系框架中, 它們都在圍繞著各自的基本水平面呈現上下波動。因此, 必須對 matrix所在的曲面坐標系和vol三維坐標系進行配準, 即對oPolygon_s的關鍵字 ZCOORD_CONV的輸入參數進行歸一化處理。

(8)坐標關聯, 保證曲面坐標系自然無縫地貼于已構建的三維體系中(圖1D)

另外, 采用上述方式生成的曲面對象響應消息驅動, 當需觀察不同深度的內波波面時, 實時傳入數據即可實現動態顯示相應的曲面圖形。

圖1 三維空間中波面可視化分解圖Fig. 1 The setup Graphics of surface among 3D

2 實例及分析

衛星遙感技術是探測海洋內波有效手段, 基于遙感獲取的內波SAR圖像或光學圖像可以得出內波波長, 結合現場測量的海區剖面數據運用內波動力學模型即可反演出內波振幅, 進而重構出整個水體的三維結構, 為深入研究和觀察內波的時空特征提供全域數據。圖2A是2008年5月4日ERS1衛星在南海某處(中心位置: 19.649°N, 112.493°E)獲得的內波SAR圖像, 根據CTD同步測量的剖面數據, 對水下5 m至水下100 m, 每間隔5 m的水層進行內波振幅反演(經向間隔42 m, 緯向間隔143 m)。圖2B是重構的三維內波水體(大小為 200×80×20), 明顯看出, 內波引起海洋水體較大的垂直波動?？紤]到波動帶來的位移, 故垂直方向的坐標軸在最上層和最下層, 預留了適當空間以盡可能容納這種起伏(此處各預留了一個間隔的空間長度)。

按照前述的可視化方法, 筆者構建了內波波面三維顯示系統。該應用系統能交互響應各曲面的顯示, 從而動態地體現波動性, 便于在同一框架內對內波的空間分布特性進行可視化比較。內波波動性主要體現在不同水層處的振幅存在較大差別, 同一水層中各水質點波動的位移也不盡相同。圖3是對水體部分水層內波波動的可視化結果, 不同水層曲面的起伏程度對應著內波位移的大小。其中: 圖3A是第1層(水下5 m)處的內波波動分布, 其最大值為3.1 m, 最小值為-1.8 m; 圖3B是第11層(水下55 m)處的內波波動分布, 其最大值為21.7 m,最小值為-12.7 m; 圖3C是第20層(水下100 m)處的內波波動分布, 其最大值為2.9 m, 最小值為-1.7 m。動態過程直接表明, 內波的最大振幅達40 m, 但只是發生在中間的部分水層, 而表層和底層的振幅并不大。

圖2 內波SAR圖像及三維內波分布圖Fig. 2 SAR image of IW and its 3D graphic

圖3 三維空間中波面波動可視化圖Fig. 3 The surface graphic among 3D

3 小結

內波是海洋中較為廣泛分布的一種自然現象, 它所引起的物理要素等值面的上下波動使得內波研究中對振幅的提取及波動特性的表征變得十分重要。本文基于內波三維顯示的應用需求, 采用 IDL的對象圖形方法, 就體視化技術在海洋內波波面可視化中的關鍵問題做了初步的探索。示例表明, 該方法能突出反映內波的波動特征且具有動態交互功能。當然, 由于內波水體是一個三維場, 除了本文關注的水平面波動外, 事實上, 任一垂直切面也是觀察內波波動的有效角度, 因此, 今后應加強該位置的內波波動特性表征技術研究。

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