基于三维场景和平行坐标的海洋环境多维数据可视化新方法研究

The marine environment is a typical multidimensional dynamic environment. At present, the domestic research mainly concentrates on the expression of four-dimensional temporal-spatial process for a single element, while multidimensional visualization research of the marine environment is still at an exploratory stage. However, the visualization methods based on 3D scene can hardly be used to demonstrate the multidimensional data, neither can they be applied to multi-dimensional visual analysis. This project combines the visual data mining methods with the three-dimensional scene, putting forward a multi-dimensional data visualization method in marine environment based on 3D scene and parallel coordinates:(1)constructing 3D scene based on grid model,improving the representation of tradional paralle coordinates;(2) setting up key algorithms for integration maping and interactive data extraction between 3D scene and paralle coordinates; (3)through combination of multi-dimensional visualization methods in 3D scene and parallel coordinates, to achieve integrated expression, time series expression and regional distribution expression of both time-space consistent and time-space different multi-dimensional data of marine environment; through visual extraction of associated rules and data classification, to achieve the expression of distribution features, associated features and clustering features of multi-dimensional data. The visualization method based on three-dimensional scene and parallel coordinates can be applied to multidimensional visualization and analysis of such marine phenomena as storm surges, red tides, ENSO cycle, etc, which provides new ideas and methods for understanding, reconstructing and cognizing of mairine phenomena.

海洋是典型的多维动态变化环境。目前，国内研究集中在针对单一要素的四维时空过程表达，海洋环境多维可视化研究处于探索阶段。现有基于三维场景的可视化方法难以表现多维要素，更不能进行多维可视化分析。本项目引入可视化挖掘方法与三维场景结合，提出一种基于三维场景和平行坐标的海洋环境多维数据可视化方法：（1）基于空间网格模型进行三维场景建模，建立适合海洋环境数据的平行坐标表示法；（2）建立多维要素在二者间一致绘制和交互式数据提取关键算法；（3）通过三维场景和平行坐标中多维可视化表达方式的组合，实现对时空一致、时空分异的海洋环境多维数据综合表达、时间序列表达和区域分布表达，通过可视化的关联规则提取和数据分类，实现对多维数据分布特征、关联特征和聚类特征的表达。基于三维场景和平行坐标的可视化方法可用于风暴潮、赤潮、ENSO循环等海洋现象的多维可视化表达和分析，为理解、重建、认知海洋现象提供新思路和方法。

海洋是典型的多维动态变化环境。目前，国内对海洋环境可视化的研究集中在针对单一要素“三维空间+时间”的四维时空过程表达，多是针对特定应用需求，缺少系统化的研究，对多维要素表达的研究处于探索发展阶段。现有基于三维场景的可视化方法难以表现多维要素，更不能进行多维可视化分析。..本项目引入信息领域多维数据可视化挖掘方法，与三维场景中数据可视化相结合，提出一种基于三维场景和平行坐标的海洋环境多维可视化方法：基于空间网格模型进行三维场景建模，研究基于空间网格模型的三维场景建模方法和多维数据集成可视化方法；建立适合海洋环境数据的平行坐标表示法；建立多维要素在二者间一致绘制和交互式数据提取关键算法；通过三维场景和平行坐标中多维可视化表达方式的组合，实现对时空一致、时空分异的海洋环境多维数据综合表达、时间序列表达和区域分布表达。最后以典型风暴潮过程多维要素可视化模拟示例研究，风暴潮是海岸带及近海地区重大的海洋自然灾害之一，它的发生受多种因素的影响，具有多要素驱动的特点。实验选取2014年第12号台风“威马逊”的过程数据，包括海面高度、海水温度、海面气压、风场、台风数据等相关维度，进行风暴潮时空过程模拟。通过对风暴潮过程中多维要素的可视化表达，模拟、分析该过程中大气、海洋的相互作用，验证了上述方法的有效性。..基于三维场景和平行坐标的多维可视化方法，为海洋环境数据表达和分析提供新的理论和方法依据。集成的交互式多维表达与分析环境可用于风暴潮、赤潮、ENSO循环等海洋现象的知识发现，为理解、重建、认知海洋现象提供新思路。