基于多要素的物理海洋數據統計與可視化表達

張玉娟，郭東琳，高松，艾波，*，李萍

（1.山東科技大學海島（礁）測繪技術國家測繪局重點實驗室青島市266590；2.國家海洋局北海預報中心青島市266061；3.中國船級社北京市100007）

基于多要素的物理海洋數據統計與可視化表達

張玉娟1，郭東琳2，高松2，艾波1，*，李萍3

（1.山東科技大學海島（礁）測繪技術國家測繪局重點實驗室青島市266590；2.國家海洋局北海預報中心青島市266061；3.中國船級社北京市100007）

當前物理海洋數據突顯出網格模型復雜化、高維、時變、海量的發展趨勢，在查詢統計、制圖表達等方面面臨嚴峻挑戰。在對多維物理海洋數據進行歸一化組織管理的基礎上，綜合運用GIS、數理統計、相關性分析、GDI+繪圖等技術，研究了海量物理海洋數據的截斷值統計分析、散布圖統計分析、動態地圖等可視化分析方法。論文旨在準確、直觀地表達海洋數據，利用可視化表達發掘物理海洋時空數據間潛藏的信息，提高數據的可用性、可讀性，加強用戶對海洋現象及海洋環境變化規律的認知。

海洋環境數據；截斷值統計；散布圖統計；動態可視化

我國已將建設海洋強國提升至國家發展戰略高度，維護海洋權益、開發海洋資源、發展海洋經濟需要更加全面深入地對海洋進行探索和認知。隨著海洋探測和數值模擬技術的迅速發展，當前物理海洋數據突顯出網格模型復雜化、高維、時變、海量的發展趨勢，這為海洋現象的分析提供了有效的數據支撐，也使其在查詢統計、制圖表達、特征提取等方面面臨嚴峻挑戰。

為順應海洋科學的發展趨勢，更加充分地利用海洋數據，相關人員在物理海洋數據的查詢、制圖表達、分析等方面已做出了大量研究[1]。孟娟[2]等通過列表、曲線圖的方式實現了渤海海區海洋數據的查詢與可視化；竇長娥[3]等以表格與地圖相結合的方式實現了連云港市海洋功能區劃數據的查詢和可視化管理；劉銘[4]、蔡振君[5]提出柵格模型渲染、等值線生成、地圖符號化、流線追蹤等方法，實現了二維、三維動態可視化表達；覃如府[6]等提出以立體技術展示多維地理空間現象的混合型GIS設計方案；李放新[7]利用開源的OSG實現了海洋溫度場、鹽度場等在三維球體上的顯示；徐敏[8]通過對大量多維海洋數據的具體屬性預先生成圖像，按照時間順序進行顯示，實現海洋數據的時空動態展示。以上研究，主要針對單一要素或單一地理過程，不能準確體現海洋數據復雜的時空連續性、要素關聯性；并且，提出的時空動態表達方法耗時長、冗余高，難以完成海量級數據的快速動態表達。海洋環境具有時空地理現象的典型特點，多種要素、過程間彼此影響[9]，復雜的地理關系之間蘊含著豐富的信息，基于多種要素關系的海洋數據研究具有重要意義。

針對以上問題，論文綜合利用統計分析、地圖制圖、GIS等知識，研究了基于多要素的海洋環境數據的組織管理、散布圖統計分析、截斷值統計分析、動態地圖可視化表達等方法和技術。結合數據的時空特性，通過可視化表達為挖掘多海洋環境要素以及不同海洋地理過程之間隱含信息提供支持，解決多維時空數據表達不直觀、多要素或多過程綜合表達不全面的問題。

1 物理海洋數據組織與管理

良好的數據管理方式是提高利用效率的基礎。為了確保研究的準確性、科學性，論文使用兩種海洋時空數據[10]：熱帶氣旋數據和海洋環境數據。由于兩種數據具有不同的時空分布特征，論文為其設計了不同的管理方式。

1.1 海洋環境數據的存儲

海洋環境數據涵蓋了風、浪、流等多種具有時間屬性的場模型要素，在時空維度上具有連續、漸變、多維的特性[6]，在空間上呈格網式分布。由于多源異構、數據量大等特點，使得海洋數據組織結構復雜、數據格式多樣。結合海洋環境數據特點及應用需求，論文使用NetCDF數據模型對海洋環境數據進行歸一化管理。

NetCDF數據模型由維度、變量及屬性3部分組成。從數學角度而言，NetCDF存儲的數據是一個多自變量的單值函數：value=f（x，y，z，…）。通常情況下，x、y代表經緯度，z表示時間，…表示其維度，如深度。該模型以數組形式存儲[11]數據，可靈活方便地存儲多維數據，與海洋環境數據多維、時變、格網化的特性相適應。如圖1所示，分別表示三維數據和四維數據的存儲結構。

1.2 熱帶氣旋數據的存儲

熱帶氣旋隨著時間的推移，中心位置、中心風速、中心氣壓、風圈大小等都在變化。不同于海洋環境要素數據的實時、全覆蓋的規則格網式分布，熱帶氣旋發生的時間、位置不確定，移動過程離散、隨機，使其數據趨于離散化，NetCDF數據模型規則格網式的數據結構不再適用于熱帶氣旋數據，論文選用關系型數據庫進行時空離散數據的管理。

熱帶氣旋發生和移動的過程附帶信息較多，包括名稱、發生時間、位置等基本信息，以及不同時刻的狀態。因此，論文采用類似于元數據的方式管理熱帶氣旋數據。數據庫分為兩類表：元數據表和過程數據表。元數據表描述熱帶氣旋數據基本信息，記錄名稱、編號、起始位置、發生時間，信息凝練，存儲量小；熱帶氣旋過程數據表則記錄熱帶氣旋移動過程中每個時刻的狀態，每個狀態包含路徑位置、風速、氣壓、風圈大小、時間等信息，信息豐富，存儲量大。元數據表作為索引表與熱帶氣旋過程數據表通過熱帶氣旋編號進行關聯，提高查詢效率。

圖1 多維數據存儲示意圖

2 統計可視化表達

研究指出，反直觀的地理空間系統必須借助定量計算和數學推理認識假象、揭示真相[12]。論文利用散布圖統計和截斷值統計，從統計、定量的角度對海洋數據之間的關系進行真實、準確、科學地詮釋，為分析和挖掘時空變化過程中隱藏的規律和知識提供支持。兩種統計通過地理位置結合二維圖表的形式實現，是時空數據在“點”尺度上的可視化表達。

2.1 散布圖統計

散布圖是用非數學的方式來辨認某現象的測量值與可能原因因素之間的關系。論文將散布圖原理應用到物理海洋要素數據的因果關系判定中，并利用定量的統計學知識加以論證。根據對長時間序列空間位置點數據的統計，能夠進一步預測海洋環境的變化趨勢，判斷位置點的環境穩定性。這一功能對于海洋空間選址問題具有重要意義。

下面以有效波高為現象測量值集、跨零周期為原因因素集，對散布圖統計進行說明。

有效波高是1/3倍部分最大波的平均波高，是波浪場的一個特征值[13]，能反映出海浪的顯著部分或特別顯著部分的狀態。跨零周期則是指兩個相鄰的上跨零點或下跨零點的時間間隔[10]，反映波浪起伏的時間頻率。理論上，有效波高越大，跨零周期的值越大，兩者存在相關性。為驗證兩者的相關性，利用研究區域內某空間點2000年1月1日零點到同年12月30日零點8 737個時刻的連續數據進行統計，步驟如下：

（1）確定要研究的測量要素和可能原因要素，從數據庫中讀取所研究時間范圍內的所有數據；

（2）分別根據獲取的兩要素值的值域范圍，對兩要素隨機值進行從小到大依次分組；

（3）對已分組的兩要素進行相互匹配，即某一組原因因素發生時相應的測量要素的值屬于哪一組，根據統計值進行散布圖繪制。

繪制結果如圖2所示，以圖中左下角單元格為例，單元格表示的是跨零周期的值在2.0～3.0范圍且有效波高在0～0.5范圍的時刻有8個。

圖2 散布圖繪制結果

根據散布圖判別知識可知，統計結果顯示散點分布呈正向線性趨勢，且擬合度較高，由此可判定跨零周期與有效波高之間呈強正相關關系。為驗證統計結果的準確性，通過計算統計值的相關性系數進行定量的說明。相關性系數求解公式如下：

根據公式求得相關性系數γ=0.82，所以跨零周期與有效波高具有強正相關性，與散布圖統計結論相同。

2.2 截斷值統計

截斷值統計分析研究的是有效波高與熱帶氣旋數據的集成表達，并使用其他海洋環境要素數據進行輔助論證，以便更準確地研究和證明要素間的相互關系。有效波高是最接近目測的波高值[14]，能夠體現海洋的波動情況。使用有效波高和熱帶氣旋數據以及其它海洋要素數據進行截斷值統計，能夠估算位置點的環境穩定性、受熱帶氣旋影響的頻率和程度據。

論文實現的截斷值統計是在有效波高統計圖交互式繪制的基礎上實現的，采用GDI+繪圖技術將有效波高值以時間為序列繪制成曲線波動譜圖，實現了空間點在時間維度上的變化表征。同時，獲取該空間點在研究時間范圍內的所有海洋環境要素數據，以方便進行對比分析多個物理屬性。此外，根據空間點位置和時間范圍，匹配經過此時空范圍的熱帶氣旋數據，并將熱帶氣旋經過的時刻標記在有效波高曲線圖上。然后，根據經驗取有效波高值域內一值作為截斷值，表示某一海洋現象發生的臨界值或某一事物的最高承受值。通過截斷值將有效波高曲線譜圖分為上下兩部分，即低于截斷值部分和高于截斷值部分。統計結果如圖3所示。

圖3截斷值統計結果

實驗證明，當熱帶氣旋經過時，會引發海洋環境要素數據的劇烈波動，距離越近波動越劇烈。以熱帶氣旋進入影響范圍至熱帶氣旋偏離影響范圍為時間基準，海洋要素數據波動曲線趨于正態分布模式。該功能能夠幫助研究人員歸納、總結熱帶氣旋對某一位置點的海洋環境的影響。

3 動態地圖可視化

在空間區域內，地理關系復雜多樣，一種地理現象通常涉及多種地理變化[15]。因此，論文通過海洋環境要素與熱帶氣旋的聯動動態可視化表達，更加直觀、形象地反映地理現象引發的連鎖反應。

動態地圖可視化是在實現靜態可視化基礎上，進行海洋環境數據與熱帶氣旋數據的時空關聯性表達，為發掘不同海洋現象之間隱含的信息提供支持。靜態可視化表達，即將某一時刻的海洋環境數據按照其空間位置展示在地圖上，研究的是海洋要素在海域中的狀態[16]。論文根據數據的空間分辨率在地圖繪制同等分辨率的格網，單元格中心則是每個數據點的位置，并根據位置點數值大小利用系統預定義的顏色帶對網格進行渲染。首先，獲取數據的最大、最小值，以及對應顏色帶最大、最小值；然后，根據線性比例關系對格網對應的顏色進行賦值。公式如下：

其中，V表示單元格數值大小，C為待求顏色值，Vmax、Vmin分別是當前范圍內數據的最大最小值，Cmin、Cmax表示顏色帶的起止顏色值。由于海洋環境數據在區域內是連續變化的，經渲染的地圖在整體上呈現的是一個漸變、連續的狀態，繪制結果如圖4所示。

圖4 2000年7月5日0時有效波高查詢結果

靜態可視化表達的是海洋環境數據在某一時刻的狀態，不能體現時序上的連續變化情況。論文研究的動態可視化是將海洋環境數據不同時刻的狀態按時序連接起來，通過動態播放來模擬研究區域海洋環境的動態變化，展示的是海洋環境的變化過程。正常情況下，海洋環境要素變化波動小，趨于平穩。但當熱帶氣旋經過時，風場、流場等隨之發生劇烈波動。為模擬海洋環境的復雜關系，論文將海洋環境要素與熱帶氣旋集成在一起，進行聯動的動態可視化表達，如圖5。

實現海洋要素數據與熱帶氣旋的聯動動態可視化的具體步驟如下：

（1）時間分辨率歸一化，通過插值方法對兩種數據進行預處理，使其處于相同的時間標準下；

（2）利用靜態可視化表達的方法繪制起始時刻的海洋要素數據反映的狀態；

（3）檢測當前時刻是否有臺風，有則繪制臺風符號；

（4）讀取下一時刻海洋要素數據，對不同于上一時刻不同的值，更新對應網格的顏色；

（5）返回步驟（3），直至所有時刻數據繪制完畢。

通過對連續多年的海洋環境數據和熱帶氣旋數據進行聯動的動態可視化表達，可以估計研究區域海洋環境要素的穩定性、遭受熱帶氣旋災害的頻率以及熱帶氣旋經過時海洋環境動態波動程度等。海洋地理過程變化直接反映在海洋環境要素數值的變化上，動態可視化分析結果通過圖形圖像的方式能夠更加直觀、形象地展示這個過程，為研究海洋生態環境、海洋工程建設、海洋資源開發等提供技術支持。

圖5物理海洋數據動態可視化

4 結語

結合海洋環境數據以及熱帶氣旋數據的特性，論文研究了數據的組織與管理方式、統計分析方法、地圖可視化表達方法等，并基于ArcEngine組件、GDI+技術、GIS背景知識，設計開發了物理海洋數據查詢分析系統。論文實現了海量數據的有效組織和管理，著重研究了多要素集成統計分析與地圖可視化表達，彌補了單要素查詢、可視化表達等方面的不足。本論文的研究有利于發現海洋環境的變化規律，并通過不同要素間關系挖掘隱含信息，進而幫助相關人員進行海洋環境狀態的預測、海洋選址、災難評估等工作。目前，該系統已應用到國家海洋局的工作中，提高了工作效率，得到了用戶的認可。

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2016-11-07

國家自然科學基金資助項目（41401529）；高等學校博士學科點項科研基金項目（20123718120001）