摘要
海洋是地球系统中最重要的组成部分之一，其内各种现象及过程极其复杂且相互影响，时空尺度也千差万别，随着海洋数据特性越来越复杂，在进行数据分析及挖掘海洋现象规律时，由于信息过载及认知困难，大量海洋数据无法被有效利用。海洋科学可视化与可视分析是进行数据感知及最大化利用数据进行知识发现和决策支持的重要技术手段，也是实现数字海洋、透明海洋、智慧海洋等先进理念的重要理论和技术支撑，具有非常重要的科研和应用价值。 本文通过分析海洋可视化与可视分析的研究及应用现状，以海洋数据的组织管理和可视化渲染方法为两个切入点，提出了现阶段需要解决的瓶颈和关键问题：第一，如何针对海洋动态过程表达设计可扩展性系统架构，满足不断增长的可视化交互及应用需求，并且根据多维异构海洋时空数据特征，实现面向可视化系统集成的海洋数据组织；第二，如何基于海洋数据特征实现海洋数据的时空连续可视化绘制，并在保证高视觉渲染质量基础上，结合海洋现象特征设计界面控件，进行实时交互式可视化分析。 针对以上问题，本文主要进行了四方面工作。首先，从海洋可视化分析平台架构方面，通过构建图形化渲染引擎，设计了特效管理机制、交互式分析拓展机制、基于GeoTIFF与JSON的海洋数据组织方式。其次，在高感知度渲染算法研究方面，针对海洋可视化系统地理背景支持方面，实现了基于GPU曲面细分的全球海陆地形绘制算法；针对海洋动态过程的时空连续绘制提出了基于GPU的数据组织及绘制实现算法；根据不规则海洋体数据特征，设计了基于预积分自适应步长的体绘制算法。然后，在海洋特征可视化分析方面，就暖池变异这一热点问题，进行了基于模糊聚类的暖池分裂特征研究，设计了面向海洋特征交互式分析控件，对暖池的三维体结构进行了绘制表达。最后，在海洋可视化平台应用方面，在对系统集成技术研究基础上，设计了多源异构数据转换器，并对界面交互库扩展技术以及基于Python脚本语言的可视化技术进行了支持。通过具体的项目实际应用示例，验证了提出的系统架构及解决方法能够在海洋数据的实时渲染、时空连续可视化、交互分析方面具有明显的优势，能够进行辅助性的海洋数据感知、知识发现、快速的集成开发及项目应用。 本文的创新性工作和贡献主要有以下几点： 1）在海洋可视化平台架构设计方面，设计和实现了具有可扩展性的面向海洋时空数据可视化及可视化分析的底层架构TRMV（Translator-Render-Model-View），对海洋可视化及分析流程进行了模块抽象，能够根据应用需求进行各模块升级。分别针对数据处理，渲染引擎，交互管理设计了基于GeoTIFF与JSON的海洋数据组织方案，统一的特效管理及支持各类可编程着色器的封装机制，以及基于Tools的交互管理机制。平台设计符合高内聚低耦合特性，能够根据海洋可视化分析应用需求进行快速定制，辅助海洋科研人员进行数据感知及知识探索。 2）在可视化绘制算法方面，首先进行了海洋可视化系统地理背景支持，针对ETOPO1海陆地形数据特点，设计了基于曲面细分的实时绘制算法，能够支持基于距离的层次细节控制，与海洋数据可视化效果无缝结合，满足实时交互渲染要求。针对海洋动态过程的时空连续绘制提出了基于GPU的数据组织及绘制实现算法，解决了常见的“时空裂缝”问题，并根据不规则Z坐标海洋体数据特征，设计了基于预积分自适应步长的体绘制算法，在不影响绘制效率的基础上提升了视觉质量，为有效的可视化分析打下基础。 3）在海洋特征可视化分析方面，基于模糊聚类分析算法，针对暖池分裂这一热点问题，从更长时间尺度SST数据中（166年），证明了其内部北半球暖池分裂（高低高）的特征始终存在，并不受暖池阈值定义影响，发现了前人研究所忽视的南半球同样存在类似的暖池分裂结构，指出了两个暖池分裂的核心区域的具体位置，并对其统计特征进行说明。针对暖池结构的交互动态可视化，设计了传输函数及截面提取交互控件，辅助进行暖池结构细节的交互动态探索。
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