海洋水文数据可视化关键技术研究

发布时间：2017-03-28 22:13

  本文关键词：海洋水文数据可视化关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：海洋蕴涵着丰富的矿产、能源、渔业等各种资源,是国防建设、经济发展和军事斗争的主要场所,具有重要的经济与军事意义。现阶段,在海洋开发利用和军事斗争准备过程中积累了大量的海洋数据资料,海洋水文数据作为海洋基础信息数据的重要组成部分,是研究海洋物理性质,分析海洋中风、浪、流活动的变化过程与规律的重要依据。如何有效组织和管理这些数据,进而实现海洋数据的多维动态可视化表达,将海洋信息直观地呈现给用户,是海洋可视化研究的重要内容。本文对海洋水文数据可视化表达的关键技术进行了研究,并将水文数据分为标量场数据和矢量场数据分别研究其可视化实现,在此基础上构建了水文数据可视化原型系统。本文的研究内容及成果主要包括以下几方面：1.从理论上阐述了海洋水文数据可视化表达的研究背景与研究意义；总结并分析了海洋数据可视化技术及平台的研究现状；介绍了本文的研究内容及组织方式。2.从海洋水文数据的来源及获取,数据特点和军事价值等方面对水文数据进行了综合分析;介绍了水文数据的模型构建以及基于NetCDF的数据存储方法；利用时空插值方法对海洋水文数据进行预处理,并分析了常用的可视化方法。3.实现了水文标量场的球面体绘制。针对基于GPU的光线投射算法在球面表达的缺陷进行算法改进,针对水文数据深度方向不均匀性,基于纹理数组的方式组织体数据纹理；考虑地球曲率,通过坐标转换完成体数据的重采样,并利用虚拟八叉树剖分对算法绘制加速；给出了体绘制过程中视锥体裁剪问题的解决思路,实现了直接体绘制结果的自由观察。4.采用基于纹理的方法实现了水文矢量场瞬时和动态可视化效果。在瞬时矢量场可视化中,提出基于GPU加速的LIC算法,利用流线自适应跟踪方法改进了可视化效果；在时变矢量场可视化中,利用背景纹理卷积的方法,改善IBFV算法生成图像模糊的问题,并且通过数据的动态调度实现了时变矢量场的动态表达；提出矢量大小基于直方图均衡化的颜色映射方法,通过叠加显示增强了可视化效果。5.设计并实现了海洋水文数据可视化原型系统。结合上述研究,依托已有三维可视化平台设计开发了水文数据可视化原型系统,提供了灵活多样的水文数据查询分析和交互可视化功能,为海洋综合管理和战场辅助决策提供支持。
【关键词】：海洋水文数据 可视化 球面光线投射算法 线积分卷积算法 基于图像的流场可视化
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 引言14
• 1.2 论文的研究背景和意义14-16
• 1.2.1 论文的研究背景14-15
• 1.2.2 论文的研究意义15-16
• 1.3 国内外研究现状16-23
• 1.3.1 海洋数据可视化技术研究现状16-20
• 1.3.2 海洋数据可视化平台研究现状20-22
• 1.3.3 研究现状分析22-23
• 1.4 研究内容及论文结构23-24
• 第二章 海洋水文数据组织管理及预处理24-37
• 2.1 海洋水文数据综合分析24-26
• 2.1.1 海洋水文数据的来源及获取24-25
• 2.1.2 海洋水文数据的特点25
• 2.1.3 海洋水文环境对军事活动的影响25-26
• 2.2 海洋水文数据建模与存储26-32
• 2.2.1 海洋时空数据模型26-27
• 2.2.2 可视化数据结构设计27-29
• 2.2.3 基于NetCDF的水文数据存储29-32
• 2.3 海洋水文数据预处理32-36
• 2.3.1 海洋水文数据时空插值方法32-35
• 2.3.2 海洋水文数据可视化方法分析35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 海洋水文标量场球面体绘制37-53
• 3.1 光线投射算法37-41
• 3.1.1 光线投射算法描述37-38
• 3.1.2 基于GPU加速的光线投射算法38-40
• 3.1.3 问题分析及改进思路40-41
• 3.2 基于GPU加速的改进球面光线投射算法41-46
• 3.2.1 算法框架41-42
• 3.2.2 体数据纹理组织及包围盒生成42-43
• 3.2.3 算法实现流程43-45
• 3.2.4 算法绘制加速45-46
• 3.3 自由观察视角下视锥体裁剪修正46-50
• 3.3.1 视锥体裁剪“空洞”成因46-47
• 3.3.2 裁剪修正算法流程47-48
• 3.3.3 “空洞”填补绘制方法48-49
• 3.3.4 裁剪修正可视化效果49-50
• 3.4 实验结果与分析50-52
• 3.4.1 算法效率分析50
• 3.4.2 算法效果分析50-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第四章 基于纹理的海洋水文矢量场可视化53-69
• 4.1 基于纹理的可视化算法53-56
• 4.1.1 线积分卷积算法53-55
• 4.1.2 基于图像的流场可视化55-56
• 4.2 基于LIC的瞬时矢量场可视化56-61
• 4.2.1 算法框架56-57
• 4.2.2 数据插值和边界处理57-58
• 4.2.3 自适应流线跟踪58-60
• 4.2.4 可视化效果增强60-61
• 4.3 基于IBFV的时变矢量场可视化61-65
• 4.3.1 算法框架61-62
• 4.3.2 背景噪声纹理卷积62-64
• 4.3.3 纹理像素平流64
• 4.3.4 数据动态调度64-65
• 4.4 实验结果与分析65-68
• 4.4.1 瞬时矢量场可视化实验分析65-67
• 4.4.2 时变矢量场动态可视化实验分析67-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第五章 海洋水文数据可视化原型系统设计与实现69-79
• 5.1 系统设计69-70
• 5.2 系统实现及验证分析70-77
• 5.2.1 主要模块实现71-73
• 5.2.2 实验效果分析73-77
• 5.3 本章小结77-79
• 第六章 总结与展望79-81
• 6.1 论文主要工作79
• 6.2 论文创新点79-80
• 6.3 不足与展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-86
• 作者简历86

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本文编号：273129