海洋環境信息可視化研究進展

劉健，姜曉軼，范湘濤

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

海洋是地球系統的重要組成部分（馮士筰，2000），在調節全球氣候變化、維持生態平衡中起著十分重要的作用。海洋環境信息由海上大氣（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、內波、環流、躍層等）和海底（地質、地貌等）等不同環境要素組成。研究海洋環境信息對于分析海洋現象的時空規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。傳統意義上，可視化按照不同的應用領域可分為：針對空間上二維和三維數據場的科學計算可視化和針對抽象數據庫、數據倉庫的信息可視化。科學計算可視化是對數據的可視化，信息可視化不僅包括數據可視化，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領域，對海洋環境數據的可視化表達逐漸呈現出具有科學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，從數據可視化到面向知識發現的可視化”，即：①可視化方法最初應用于海洋環境要素數值解的圖形展示，從二維、2.5維擴展到三維場景；②針對單一環境要素的時空過程可視化以海洋時空數據模型為核心，是“三維空間+時間維+一維海洋環境要素”的動態呈現，是海洋環境要素的時空分析、深層知識獲取的基礎；③海洋環境要素多維可視化以多維時空數據模型為核心，是“三維空間+時間維+多維海洋環境要素”的動態呈現，通過同一場景中的多要素集成表達，研究海洋現象中涉及到的多維要素之間的影響關系；④面向知識發現的多維海洋環境可視化，通過將信息可視化領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，還能表達多維要素之間的關系模式。前三個階段是科學計算可視化在時間維和要素維上的擴展，其本質仍是對數據的可視化，而面向知識發現的海洋環境可視化，是通過將科學計算可視化和信息可視化方法相結合，應用于海洋環境數據可視化表達和分析，解決三維場景難以表現多維數據，信息可視化方法難以表現空間位置概念的問題，使二者優勢互補。

本文第一部分總結了近10年來海洋環境數據模型和數據可視化的研究進展，第二部分論述了海洋環境可視化的發展方向，即通過數據可視化和信息可視化結合，實現海洋環境知識的可視化表達和發現。最后對本文進行了總結和展望，以期為海洋GIS研究提供借鑒。

1 海洋環境可視化表達研究現狀

1.1 海洋環境要素數值解的圖形展示

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

1.2 針對單一環境要素的時空過程可視化

在時空數據模型的基礎上對特定環境要素進行時空過程模擬，是目前海洋數據可視化研究的主流。時空數據模型是時空過程表達的核心。基于特征的時空數據建模方面：ArcMarine定義了點、線、面、柵格/格網/體、多媒體數據五種通用模型，其目的是為了建立一個統一的數據框架，使用戶能夠在這個框架基礎上，對數據模型作適當修改，以適應特定的數據和應用（Wrightetal，2007）；劉金（2009；2011）對ArcMarine模型進行了擴展，構建了海洋水體要素信息庫，實現了對海溫、海流要素的時空動態可視化。過程時空數據模型以過程（地理實體演變）為核心，通過面向過程的數據組織和存儲來實現對過程對象的連續漸變表達，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過程所在的時空范疇，探討了海洋過程地理信息系統的基本空間框架、體系結構和過程倉庫的理論基礎，其過程數據倉庫中時空立方體的概念體現了多維數據組織的研究思路；Reitsma（2005）從過程模擬的角度出發，設計了基于過程的時空數據模型；薛存金（2012）以連續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據模型，以海洋渦旋為例，實現連續漸變地理實體的過程化組織、動態分析與可視化表達。

在具體的應用領域，馬勁松等（2002）設計了由三維空間和一維時間組成的四維時空數據模型，在此基礎上實現了對潮流場和流速場的動態過程模擬；高錫章（2011）以海岸帶及海洋多源多維的、動態的海量數據為研究對象，設計了面向海洋數據的GIS空間數據模型，實現多源多維海量數據的統一管理及表達，特別是三維動態表達。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據模型，并在此基礎上實現了研究對象的動態可視化表達；文獻（黃杰，2008；劉文亮等，2009；郭圣威等，2010）研究了海洋環境數據的綜合組織方法，并針對不同要素分別實現了時空過程可視化。針對單一環境要素時空過程可視化是對某一個要素過程變化結果的展示，而海洋現象是多要素共同作用的系統過程，因此難以進行過程變化原因的模擬和解釋。

1.3 海洋環境要素多維可視化

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

多維可視化需要多維時空數據模型為支撐。Dittert（2002）等將PANGAEA數據模型看作“多維數據模型（MultidimensionalDataModel）”用于支持SINOPS數據挖掘，維度包括：地理維、樣本位置、時間維、變量和單位等，其數據模型反映了自然科學中數據的標準處理步驟或地球科學中數據收集的標準活動。Su等 （2004）和季民 （2006）在海洋漁業數據倉庫模型設計中采用基于星型模型和雪花模型的混合模式，將漁業生產事實和海洋環境觀測事實劃分為不同的事實表，將作業時間、漁獲種類、作業方式、漁船所屬公司等作為事實的維度，維之間的層次關系主要分為特化/泛化關系、聚集關系以及成員關系。McGuire（2008）從用戶需求角度出發設計了多維數據模型來觀察海洋生物的分布模式。劉健（2010）針對海洋環境數據多時空尺度、多維動態的特點，提出“元數據驅動共享元數據維”的建模方法，集成時間維、空間維和要素屬性維，設計了海洋環境多維時空數據模型。在大氣、環境領域，研究人員根據數據的特點，通過維度分解、細節層次劃分分別設計了多維數據模型，使研究人員能夠在多維度、多尺度分析評估環境數據 （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據模型，來確保空間、時間和尺度上的一致性表達，通過統一建模語言UML和對象約束語言實現了對不同尺度數據的集成和語義轉換。

國內學者很早就重視地學多維信息可視化的研究。陳述彭（1990）先生在20世紀90年代即提出了地學多維圖解模式，以獲取存在于復雜地學數據中的新的空間關系、地學規律。陳軍、林暉等學者論述了多維動態數據模型、多維可視化在地學研究中的重要意義，提出了虛擬地理環境中地學可視化框架（陳軍等，2004；郭履燦，2005；龔建華等，2010；Lin etal，2010；Lü，2011）。關于海洋環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地理數據模型管理多維海洋環境數據，在一個視圖窗體中分別從海洋表面、海洋內部、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、柵格海洋數據。文獻（徐敏等，2009；馮杭建等，2010；高錫章等，2011）從可視化表現的技術層面上，分別探索了臺風過程中三維風場數據的剖面、等值面、矢量線的一體化動態表達，海洋環境要素場數據與觀測數據的一體化顯示。以上對海洋環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高維數據、難以發現數據之間的關聯性和趨勢特征的問題。

國外關于空間數據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）實現了漁業和水文數據、颶風（包括風場、氣壓場、軌跡數據）、大氣環境、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的數據檢索和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（細節程度）不同，通過非重疊的自適應網格來達到提高渲染效率的目的，其方法的本質也是基于LOD策略。

在可視化軟件工具方面，國內外已有VisAD、McIDAS、IDV、VTK、MatLab、IDL等開源或商業軟件，用于解決多維環境數據的可視化應用問題，但這些軟件在數據管理和分析方面明顯不足。

上述文獻表明，現有的海洋環境多維數據可視化均為三維場景中對數據的可視化，在實現方法上包括針對不同數據采用不同渲染方法，達到在三維空間中多維顯示的目的，將不同屬性維度數據分窗口表達，以及上述方法的結合。基于三維場景表現多維數據，形象直觀，便于理解，但存在的問題是：①現有研究多是以數據顯示為目的，針對特定應用，缺少關于多維可視化表現方式的系統研究；②三維場景中所能表達的要素維數非常有限，并且難以表現隨機的、時空分異的多維屬性數據及其相互關系；③上述研究的本質仍是對數據的可視化，難以進行多維可視化分析，難以發現多維要素隱含的關系和模式。

2 面向知識發現的海洋環境數據可視化研究

數據挖掘技術對于海洋數據管理、信息綜合分析及主題應用服務提供了高效的技術手段（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、調和曲線圖、星座圖等是常用的可視化挖掘方法，用來解決數據的多維顯示和分析。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據的代表，原始的樣本數據可被替換成維數較低的數據集；在其它的技術中，將SOM看成是數據的模型，可以將數據與這個模型進行比較，也可以根據模型反演各種樣本數據集。芮小平等（2011）采用SOM方法對與世界各國貧富水平有關的非空間要素多維數據進行了可視化分析，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，其原理是將高維數據的各個變量用一系列相互平行的坐標軸表示，變量值對應軸上位置，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據，并且常用來判斷多維信息的相關性。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、地震多維數據表達和分析中（Steed et al，2009； Yuan et al，2010；Guo et al，2011），為海洋環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，但難以表現多維數據；平行坐標、SOM等可視化挖掘方法可表現多維數據，并進行可視化分析，但難以表現數據的空間位置概念。將二者結合應用于海洋環境數據可視化表達和分析，不僅可以通過可視化表達方式的組合實現對海洋環境數據多維綜合表達、時間序列表達和區域分布表達，還可通過逐步回歸的關聯規則提取和可視化的聚類分析實現對數據分布特征、關聯特征和聚類特征的表達，實現數據分析過程的可視化，使二者優勢互補。

目前，在海洋環境數據可視化研究中，采用三維場景與平行坐標相結合的方法非常少見，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格模型的三維場景建模方法和多維數據集成可視化方法；對傳統的平行坐標表示法進行擴展，研究適合海洋環境數據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，多維數據傳遞和調度的邏輯流程。

（2）研究基于三維場景和平行坐標的多維數據一體化繪制和交互式提取算法，具體包括研究維度數據的屬性值、梯度值到顏色、透明度之間的一體化映射機制，實現多維數據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、線數據提取方法，針對二維、三維網格場數據局部感興趣區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據可視化表達方式，具體包括研究平行坐標中多維數據綜合表達、時間序列表達、區域分布表達方式；研究基于三維場景和平行坐標的多維數據關聯規則提取和可視化分類方法，進一步實現多維數據關聯特征、分布特征、聚類特征的可視化表達。

3 結論與展望

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

目前，國內對海洋環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展階段。現有研究多是針對特定應用需求，缺少系統化的研究；基于三維場景難以表達多維要素，其本質仍是對數據的可視化。

傳統的三維場景中的數據可視化方法與信息領域可視化挖掘方法的結合，為海洋環境數據多維表達和分析提供新的理論和方法依據。海洋環境數據在空間上包括點、線、二維網格場、三維網格場數據，需要針對海洋環境數據特點和分析需求展開研究：探索多尺度多維數據降維算法和評估方法，提取最相關維度；研究多維數據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，實現多維數據的交互式提取；對基于傳統數據可視化方法和可視化挖掘方法相結合的多維要素的表達方式展開系統研究，建立對時空一致、時空分異的多維環境要素的綜合表達、時間序列表達和區域分布表達方式；通過可視化的關聯規則提取和數據分類，實現對多維數據分布特征、關聯特征和聚類特征的表達。集成的交互式多維表達與分析環境可用于風暴潮、赤潮、ENSO循環等海洋現象的知識發現，為理解、重建、認知海洋現象提供新思路。

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