面向拓扑分析的海洋流场临界点提取算法研究

临界点是海洋流场拓扑结构中的重要构成要素,基于临界点的特征提取对于揭示海洋流场拓扑特征、开展海洋流场拓扑分析具有重要意义。本文基于临界点理论和Sperner引理,综合改进后的双线性插值算法和Sperner完全标号法,对海洋流场数据进行了临界点特征提取。首先,在双线性插值算法中添加滑动窗口处理,筛选临界点的候选网格单元,并采用聚合思想通过降低网格分辨率解决了网格插值中的二义性问题,同时考虑了0值网格存在的9种情形,通过迭代聚合思想滑动筛选候选网格单元,解决了插值网格均为0的情况。其次,提出了基于Sperner完全标号的最小值法临界点提取规则,将速度向量模最小的网格中心作为临界点,解决了实际流场物理场景中非0值的临界点提取。对两次提取结果进行合并、去重等处理,可以得到较为全面的临界点提取与分类结果。最后,通过对多个海域、不同深度流场数据的实验结果分析,证明了综合后的临界点提取方法的有效性及可行性。

利用水文资料推测海洋流场的研究进展

根据研究方法不同的动力学特征及其运用上的差异,利用已知的水文气象资料推测海洋流场的方法可以分成3类:①描述性方法;②热成风关系式与示踪物守恒相结合的诊断方法;③Sark isyan诊断模式及复杂动力模式。结合南海环流的工作讨论了这些方法的进展情况及在南海环流研究中的作用,并对目前利用水文气象资料推测海洋流场的研究趋势进行了分析。

海洋流场的计算——数值预报

从海洋流场计算的原理出发 ,简要地分析了海洋流场数值预报方法 ,并以浅水流场为例介绍了流场数值模拟的过程 。

基于海洋流场的拓扑区域划分的研究

海洋流场的拓扑区域,能够表明流场的某些重要特征。可以使用特征可视化中的拓扑结构分析法来划分拓扑区域,但这种方法太过于概括,区域大小只是相对的,没有考虑到附近临界点对周围流体运动的影响。还可以使用Voronoi图来划分拓扑区域,但是该方法对于相距较近的临界点效果不是很理想。为了能够更加清晰准确地划分流场的拓扑区域,论文提出将拓扑分析法和Voronoi图划分结合起来划分拓扑区域,并和前两种方法进行了对比。实验表明,该方法取得了较好的效果。

基于海洋流场的多级拓扑可视化

拓扑结构分析法在侧重于考虑场的特殊结构时显示出了较大的优越性。但是将该方法应用在复杂而信息丰富的流场中时,可视化的结果可能是成簇的、混乱的,这就需要考虑一种方法来对拓扑图像进行简化。在传统拓扑可视化的基础上,采用多级拓扑的方法对可视化结果图像进行简化。首先使用传统拓扑可视化方法求得临界点,然后基于统计学的原理过滤掉可以被忽略的临界点,并绘制出积分曲线。最后将该方法应用于海洋流场,并和传统的拓扑可视化结果进行比较。实验表明,该方法可以快速的可视化流场的主要特征而不显得混乱,有利于保持复杂流场的全局信息。

基于着色模型实时构造的海洋流场动态流线可视化方法研究

为了实现海洋流场流向、流速等特征信息的直观高效可视化表达,提出了一种基于着色模型实时构造的海洋流场动态流线可视化方法。设计了一种可适应三维纹理的流线属性信息存储结构,构建面向动态流线的着色模型并进行流线实时构造,实现复杂海洋流场的动态可视化表达。实验结果表明,相较于静态流线可视化方法和基于动态图元的流线可视化方法,该方法显著提高了流场海量数据集的可读性以及流场可视化的渲染效率与表达效果,更直观、流畅地反映了流场的时空特征和复杂动态过程。

基于World Wind平台的海洋流场三维可视化研究

针对如何在庞大但杂乱无章的海洋流场数据中获取有用信息,提出了建立三维动态可视化的World Wind平台。以Codar地波雷达采集到的三维空间数据为基础,对其进行了预处理,包括格式变换、提取有效数据经纬度和速度矢量信息(X、Y、U、V)和求取数据的最大范围,将处理后的每一时刻数据依据点图标映射法进行颜色映射,依照颜色映射结果,将处理后的每一时刻数据利用Direct3D技术绘制成流场箭头显示的形式,并在此基础上剪辑成视频,实现在World Wind平台上三维动态可视化的显示海洋流场信息。结果表明,该方法可直观展示流场信息的动态变化效果,并能为挖掘隐含信息提供方法。

基于地图载负量的海洋流场欧拉法多尺度表达

欧拉法是海洋流场常用的制图方法,在电子地图中需要对欧拉法箭头符号进行动态抽稀或加密以满足用户的多尺度表达需求,确定抽稀或加密的关键比例尺是欧拉法多尺度表达的核心问题。文中将地图载负量作为欧拉法多尺度表达的评价指标,首先提出了一种欧拉法地图载负量的计算方法,分析了流场制图中较适宜的载负量区间;并由适宜载负量区间限定载负量的值,进而拟合抽稀区间内地图载负量与比例尺关系曲线,得到欧拉法多尺度表达的关键比例尺。最后,利用模糊数学中的多层次综合评判法建立了评价数学模型,并利用问卷调查法对海洋流场多尺度制图成果进行了可用性评价。

一种海洋流场拓扑区域划分方法

海洋流场的拓扑特征可表现流场中某些重要结构,而拓扑区域的划分可更好地界定特征影响范围。为清晰准确地实现海洋流场的拓扑区域划分,在考虑临界点特征对周围流体运动影响的基础上,基于临界点理论,综合改进后的双线性插值和Sperner完全标号算法,对海洋流场临界点进行提取。采用聚合思想解决插值网格中的二义性问题,同时利用速度模的最小值代替插值求解临界点位置,对两次结果进行合并、去重等处理,实现对临界点更为准确、全面的提取。在此基础上,将基于Delaunay三角剖分的Voronoi图生成算法应用于海洋流场拓扑区域划分,即首先利用三角网生长法构造临界点集的Delaunay三角网,然后利用Delaunay三角网与Voronoi图对偶的性质进行Voronoi图的绘制,实现海洋流场的拓扑区域划分。文中所提方法有助于复杂海洋流场现象的理解和后续海洋流场流线图的绘制。

基于客观λ_(2)方法的海洋三维涡旋核心线提取

涡旋核心线是海洋中尺度涡旋结构的重要组成要素,涡旋核心线提取和可视化对于切入中尺度涡三维结构研究、开展海洋垂直物质能量运输分析具有重要意义。本文基于客观参考框架和λ_(2)准则,提出了使用客观化的流场参数得到λ_(2)区域,并提取其山谷线作为涡旋核心线的方法,实现了对海洋三维结构中尺度涡旋核心线的提取和可视化。首先,引入了最优局部参考系,使得速度、速度梯度等测度成为在变化的参考系下保持不变的客观量,提升了在海洋科学实践中的可靠性和实用性;其次,针对含有垂向速度的海洋三维流场数据,计算其空间雅可比矩阵,展示了涡旋核心区域的三维结构,实现了海洋涡旋研究从二维到三维的提升;最后,分别在多个半径大小播撒流线种子点,分析不同旋转方向的涡旋,对已提取的涡旋核心线实验结果进行验证,证明了客观λ_(2)海洋三维涡旋核心线提取方法的有效性及可行性。

基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究

随着海洋观测技术的不断发展,人类获取的海洋数据也快速增长,由于海洋流场是整个海洋系统物质流和能量流输送的主要渠道,基于这些观测数据进行海洋流场迁移变化规律分析及可视化表达研究,对所有涉海领域均具有非常重要的意义。然而,由于海洋时空大数据集合的多源性和异构性等原因,至今尚未有令人满意的海洋流场数据集成共享和动态可视化分析工具,从而导致这些异源异构数据难以实现统一标准下的集成组织与语义共享。为了实现海洋流场语义层次上的统一描述,本文在分析了海洋流场多维特征、拓扑特征、模糊特征等基础上,基于本体论的语义构建思想,提出并构建了基于四元组O=(C,P,R,I)的本体组织基础结构,其中C表示概念集合、P表示属性集合、R表示概念间的关系集合、I表示实例集合,通过对概念、属性、关系结构的进一步定义,共同组合构成了海洋流场整体本体结构。为了给出清晰的本体语义建模过程,以海流现象局部本体构建为例,在对成因性、空间性、时间性、运动性等本体属性分析的基础上,进行了海流概念、本体属性、语义关系的描述和定义,从而为海洋流场组织提供一个规范性框架。进而借助OWL语言本体建模的优势,以地转流为例进行了其形式化表达和本体类构建。研究结果表明,基于本体的海洋流场语义分析方法能有效地解决传统海洋现象描述中的异构问题,可为海洋信息共享与集成研究提供参考。

顺轨干涉SAR海洋表面流场迭代反演算法

该文在分析传统顺轨干涉SAR表面流场速度分离方法不足的基础上,根据海面微波成像仿真模型建立了顺轨干涉SAR海洋表面流场迭代反演算法。利用该迭代反演算法对JPL AIRSAR获得的机载顺轨干涉SAR数据进行流场反演,并将反演流场与普林斯顿海洋模型(POM)的输出流场进行对比,两个流场具有很好的一致性,证实了该迭代反演算法的有效性。

星载SAR海洋表层流场反演综述

基于星载SAR获取海洋表层流场,已经成为相关海洋科学研究的重要支持。本文分析了星载SAR系统反演海洋表层流场的技术发展,重点介绍了国内外基于顺轨干涉SAR技术和多普勒频移方法估计海洋表层流场的研究进展,并对星载SAR估计海洋表层流场的研究、发展与应用作了展望。

海洋三维流场可视化方法比较分析

海洋流场可视化方法多种多样,为得到较好的表达效果,本文总结归纳出目前几类主要的流场可视化方法——直接法、纹理法、特征法和几何法,分别概括其研究现状与发展方向,详细介绍了其所属典型算法,并按照各方法流场可视化步骤进行实例分析,比较总结了各方法的优势和存在的不足,并以图片及列表的形式分别说明。

近实时全球海洋表层流场估算方法研究

利用海洋水色卫星遥感图像获得高分辨率海洋表层流场变化信息,不但可应用于物理海洋学研究,同时可以实现中小尺度海战场环境的近实时预报。详细介绍了利用海洋水色卫星遥感图像进行近实时全球海洋表层流场估算的基本方法,以及在分析海洋表层流场中的应用,并通过分析实例说明了该方法的可靠性。

Stokes漂流近似公式对海洋表层流场估算的影响

本文采用波浪订正的Ekman模型,研究分析了三种Stokes漂流近似公式(单波公式、e指数公式、Phillips谱近似公式)对海洋表层流场估算的影响。海表总流场由海表面高度(SSH)数据计算的地转流和海浪模式WAVEWATCH Ⅲ输出结果计算的非地转流组成,并采用拉格朗日浮标观测数据对计算结果进行了验证。研究表明,随着Stokes漂流近似公式精度的提高,其计算的拉格朗日流速更接近于谱积分公式的计算结果,更贴近拉格朗日浮标观测数据。与谱积分公式计算的海表拉格朗日流速相比,单波公式的平均相对偏差为0.0834,e指数公式的平均相对偏差为0.0392,Phillips谱近似公式的平均相对偏差为0.0101,说明Phillips谱近似公式在不同风速下均能对谱积分公式有良好的近似效果。在低风速条件下,由Stokes漂流近似公式精度引起的海洋表层流场估算误差可以忽略不计,但随着风速增加,由近似公式精度引起的偏差逐渐变大,此时应该选择Phillips谱近似公式计算Stokes漂流,来减小误差。

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。

海洋流线积分自适应步长计算模型研究

针对步长固定的传统流线数值积分中造成的计算不精确或无谓计算过多的问题,文献[15]提出了一种自适应步长的海洋流线构造算法,该算法中的自适应步长计算模型可综合考虑局部网格的流速和流向,具有双自由度调整的优点,但也存在着邻近网格流向改变过大造成的追踪不持续、网格内流速过缓造成的迭代死循环等问题,为此本文提出了一种新的自适应步长计算优化模型,优化后的模型在保持原模型优点的基础上,通过限定积分步长的下限取值范围,解决了流线追踪不连续及计算迭代死循环问题,同时通过调整参数μ及δ在模型中的控制范围,使积分步长的适用度更加宽泛,从而提高了算法的计算效率、减少了数据存储量,并避免了流线混叠及锯齿现象,通过大量试验及三维可视效果的对比分析,验证了算法的可行性和有效性。

使用Voronoi图对流场拓扑区域进行划分

特征可视化中的拓扑结构分析法,能够快速的显示流场的全局结构,在侧重于考虑流场的特殊结构时显示出了较大的优越性。但是在很多情况下,仅仅显示流场的结构还不够,还需要更详细的知道拓扑场中每个区域的作用范围。传统的方法都是根据特征矢量的虚部来判断拓扑区域的作用范围,这种方法太过于概括,区域大小只是相对的,没有考虑到附近临界点对周围流体运动的影响。为了能更真实的反映临界点对周围流运动的影响,论文提出使用Voronoi图来划分拓扑区域的作用范围,并将该方法应用于海洋流场。同时也与传统的特征矢量方法进行了对比,实验表明,取得了较好的效果。

基于XNA的海洋环境三维动态可视化

基于微软的新型三维图形开发平台XNA Studio,进行海洋环境动态可视化方法研究,主要包括动态海面仿真和流场动态可视化。动态海面通过折射贴图和反射贴图模拟海面的光影效果;流场动态可视化通过运动矢量符号表达海流的流速、流向。此外还提出了基于贝塞尔曲线平滑的AUV水下漫游方法,解决了场景漫游中的关键问题。此方法可以达到良好的可视化效果,并且对系统图形硬件要求不高,适用性较好。