基于時空維度的海洋預報產品可視化方法分析與應用

孫曉宇，呂婷婷，高義

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京100101）

基于時空維度的海洋預報產品可視化方法分析與應用

孫曉宇1，呂婷婷2，高義1

（1.國家海洋環境預報中心，北京100081；2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京100101）

摘要：基于分形學理論對我國的海洋環境預報產品信息展現形式進行了維度分析，目前海洋環境預報要素主要包括海面風、海浪、海流、潮汐、海冰、海嘯、風暴潮以及生態要素等，按照預報信息所具有的點、線、面、體空間形態可以分別以零維，一維，二維，三維4種可視化方法進行展示，同時每一種空間可視化方法均可以與時間維結合形成更高維度的時空可視化方法。海洋環境預報產品均包含時間、地點、要素3要素特征，因此零維點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。可視化技術的快速發展，為預報產品的信息展示提供了技術條件，厘清預報產品的時空特征，相應選取最為適當的可視化方法，可以最大限度的提高預報產品的視覺信息量，對于提高預報的精度和效率、更好服務于輔助決策具有重要意義。

關鍵詞：海洋預報；時空；可視化；維度

1　　引言

可視化方法就是通過一定的表現手段，讓人從視覺上可以更為直觀的獲取數據里面所蘊含的各種信息。隨著海洋環境預報技術的進步和海洋觀測大數據時代的來臨，海洋環境預報產品也進入了極大豐富時代，從單點、單要素經驗預報產品到大面、多要素、多層級、多時相數值預報產品種類繁多。適當的可視化方法可以讓人以最快的速度獲取更多的蘊含信息。如何選取最合適的可視化方法，必須把握好預報產品的維度特征，維度是分形學的概念［1］，我們經常接觸的二維、三維都是整數維［2-3］，直觀且易于理解，但實際上在分形理論當中維度是可以非整數，而且維數也不僅僅局限于易于理解的三維空間或者四維時空，而是可以構建更高維度的空間。只有掌握了數據的維度特征，才能選取適合的可視化方法來盡可能的全面展示數據蘊含信息。

本文依據分形維度概念，對海洋環境預報產品可視化方法進行了分析和歸類，以期為海洋環境預報產品的可視化方法選取提供參考，對于提高預報的精度和效率、更好服務于輔助決策具有重要意義。

2　　海洋環境預報產品特征分析

傳統的海洋環境預報產品按照其表現形式一般可以分為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。隨著數值預報技術的快速發展，圖形元素在海洋環境預報產品中的比重越來越大，傳統可視化方法難以滿足對時間序列大面信息的展示。GIS技術、虛擬現實技術的發展以及視頻終端技術的多樣化給海洋預報產品的有效展示提供了技術條件［4-7］。厘清海洋環境預報產品具有的維度特征，對于選取適當的可視化方法具有重要意義。

時間、地點、人物是寫作文的三要素，海洋環境

3　　海洋環境預報產品可視化方法

3.1零維可視化方法

用點符號進行信息表達的方法為零維可視化方法，是可視化方法中最簡單的一種，通常用顏色或者標注的方式對空間數據某一種或幾種屬性值進行表達，海洋環境預報當中該方法主要用于表達某一確定空間位置、固定時刻、某種預報要素的預報值，比如水溫、浪高、流速、冰厚等。

3.2一維可視化方法及應用

以線形進行可視化表達的方法稱為一維可視化方法，在海洋預報產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，另一種是空間點的時間序列表達。前者在海洋預報產品里面以等值線的形式出現較多，比如溫度場的等溫線、海浪場浪高等值線等（見圖1），也可以用來表達特定區域的邊緣，比如海冰外緣線的可視化等。后者多以圖表形式出現，比如對具體保障目標進行的風暴潮水位預報、海嘯波預報、逐時海浪預報等（見圖2）。在加入時間維的可視化方法中，只有一維可視化方法可以通過時間軸的方式通過靜態的效果進行表達，更高維度的時間序列表達只能通過對時間片段狀態連續播放的方式來實現，下文將具體介紹。

圖1海浪高等值線

圖2風暴潮單點水位時間序列曲線

3.3二維可視化方法及應用

以面狀進行可視化表達的方法通常稱為二維可視化方法，在海洋預報產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，主要是標注特定區域或者通過顏色或符號的方式表現區域上的差別，比如海浪浪高等值面、海溫等值面、風暴潮增水分區、生態災害區域標定等（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，如果單獨展示則一定配合圖例或者說明性文字進行使用。另一種情況是平面空間上的線形在時間序列上的表達，這種可視化方法理論上存在但在海洋預報中應用較少。

圖3空間二維海浪預報產品

3.4三維可視化方法及應用

“三維”是我們接觸最多的一種可視化方法［11］，一般以“立體感”作為衡量三維的標準，也就是在平面空間基礎上可以識別高度概念，在地圖學發展過程中還出現了2.5維的數字側視地圖表現方法，即通過渲染技術在二維圖形上產生視覺上的假三維效果。海洋環境預報產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，主要是對陸地或者水下地形的三維可視化（見圖4）；另一種是海洋預報要素的三維可視化（見圖5），以數值預報產品為主，主要以數據在垂直高度上的分層結構實現產品的三維空間化，一般以顏色或者符號的方式描述預報要素數值的大小?？臻g三維可視化產品難以通過靜態圖的形式實現，通常根據具體需求按照特定空間路徑進行空間游弋方式觀察海水屬性的變化，通常以gif動畫方式生成產品，或者直接通過軟件錄制成視頻產品。

還有一類三維可視化是時空結合的方式構成的，即二維空間加時間維，通常用來表現特定區域海洋表面或者一定深度海水物理屬性在一個時間段內以一定時間步長連續變化的過程。比如1 d內逐時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間變化過程中的一個片段。

圖4地形三維可視化

圖5預報要素三維可視化

圖6時空三維可視化

3.5四維可視化方法及應用

海洋環境預報產品的四維可視化是在三維空間可視化基礎上加入時間維來實現的，也就是在時間上連續的三維體構成了四維可視化效果。目前海洋預報空間三維可視化產品還處于探索應用階段，在國家海洋環境預報中心主持的“十二五”科技支撐項目“全球海洋環境數值預報關鍵技術系統集成研究及應用”中進行了研究，取得了較好的效果。而時空四維可視化方法是在空間三維可視化基礎上的拓展，在實現方法上具有可行性，但受制于人感官的局限性，同一時刻只能清晰觀察一個二維面，即使進行數據層的透明處理，圖層間的混淆影響也無法去除。因此，目前時空四維海洋環境預報產品在國內外業務化預報系統中很少得到應用。

4　　結論

基于分形學中的經典分維理論對目前我國的海洋環境預報產品信息展現形式進行了梳理和維度分析，按照預報信息的空間形態以及在時間維上的表現，把海洋環境預報信息分為零維，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、顏色或標注表示一個空間點，一維可視化方法展示的可以是空間線形，同時也可以是空間點的時間序列，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間序列，四維可視化方法是三維體的時間序列。由于海洋環境預報產品具有較強的空間屬性，所以零維（點）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。隨著虛擬現實等可視化技術的發展，海洋環境預報產品將逐漸由數值、文字、二維圖形等簡單表達方式向圖形符號化、動態、多維等高級可視化方法發展，在手機、電腦等多樣化視頻終端設備的支持下，用戶可以更直觀、更高效的從中獲取更多的信息量。

參考文獻

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［11］高志一，于福江，許富祥.海浪預報三維動畫計算原理與制作方法［J］.海洋通報，2011，30（2）：172-178.

中圖分類號：P714

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0071-05

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.010

收稿日期：2015-01-19

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

作者簡介：孫曉宇（1977-），男，副研究員，博士，從事海岸帶GIS與RS相關研究。E-mail：sunxy@lreis.ac.cn預報產品具有類似的特質。海洋環境預報可視化產品無論其表現形式是點、線、面、體或者與時間序列的組合，它都無法脫離開空間而存在，如果沒有了空間特征任何預報都失去了意義。同時也不可能脫離時間，它可以是某一時刻的狀態或者是連續時刻，即一段時間的狀態變化過程；時間和空間是對預報產品內容的外在界定條件，預報要素才是預報產品需要展示的主角。海洋環境預報要素通常包括海浪、海流、潮汐、潮流、風暴潮、海嘯、海冰以及赤潮、綠潮等生態要素［8-10］。每一種要素的預報內容都是該要素的特征描述，比如海浪預報內容包括波高和波向，海流預報內容包括流向、流速等。如果按照分形學中經典維數理論對海洋預報數據的可視化方法進行分類，可以按照其點、線、面、體的空間形態分為零維、一維、二維、三維，如果是連續時間序列的空間形態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建更高的維度。嚴格意義上來講，對于空間事物的可視化，無論是點狀還是線狀，它都是空間上的點和線，所以只要以空間形式進行表達它們的維度至少是二維。本文中不過多對分維方法進行探討，僅借助經典分維方法對海洋預報產品的可視化方法進行分類。

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.