孟靜娟 趙俐紅 陽凡林 管清勝 張登

摘 要：隨著空間信息可視化技術在海底地形表達中的應用越來越多，空間信息手段越來越受到學者們的重視。文章詳述了空間信息可視化技術的理論，并對其在海底地形表達中的具體應用進行系統(tǒng)講解。文章闡述了海底地形表達的發(fā)展現(xiàn)狀及其內(nèi)涵，列舉了一個小區(qū)域的海底地形的測量數(shù)據(jù)利用SUFER成圖軟件實現(xiàn)該區(qū)塊海底地形的三維可視化顯示，并評價這種應用的效果。

關鍵詞：空間信息；數(shù)字高程模型；海洋；海底地形；應用

引言

當今時代，科技信息飛速發(fā)展，空間信息可視化技術的發(fā)展應用也越來越廣，已經(jīng)擴展到我國的多個重要領域。地學信息可視化是信息可視化中的重要技術，涉及大多數(shù)關系到國防安全的重要領域，地理空間可視化的效果圖更利于工作人員做出正確判斷?？臻g信息可視化過程非常復雜，需大量時間和精力投入進行專門深入的研究。隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，三維地形繪制技術應運而生。海底地形三維地形模擬可真實再現(xiàn)人眼看不到的海底地形，相比二維模擬具有更好的直觀性和仿真能力，使人能更容易地明白復雜的海底地形。

地理信息系統(tǒng)（GIS）發(fā)展日益迅速，其新技術對海底地形地貌數(shù)據(jù)的采集和管理利用等有著重要作用。海洋數(shù)據(jù)的來源廣泛，存儲格式多樣，同一種類型的數(shù)據(jù)，由于測量儀器不同也各不相同。而由于各單位技術人員在預處理數(shù)據(jù)時所用的方法、工具的差異也形成了不同的存儲格式，有的數(shù)據(jù)以文件方式存儲，而有的卻存儲在數(shù)據(jù)庫或者檔案系統(tǒng)中，還有一些數(shù)據(jù)由多個分布存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組成。此外，基礎地理數(shù)據(jù)還有柵格和矢量之分，因而文件存儲格式也不相同。利用GIS可以有效地實現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的一體化管理，還可以大大提高海圖測量及成圖的開發(fā)周期及開發(fā)費用。

1 基礎理論

要滿足在海洋環(huán)境領域應用的需求，所采用的空間信息可視化軟件應當具備對冗雜的海洋時空數(shù)據(jù)有效的表達和分析的能力，而時空數(shù)據(jù)模型是解決上述問題的基礎，同時也是關鍵所在。GIS研發(fā)技術還有局限性，因為它仍是以傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)技術為依據(jù)，而傳統(tǒng)的技術方法已經(jīng)滿足不了新時代的發(fā)展要求。GIS系統(tǒng)的一個重要功能就是空間信息可視化，它可以將枯燥的難以理解的抽象事物，利用簡單的圖像曲線等，以三維立體圖形或靜態(tài)或動態(tài)的直觀表現(xiàn)呈現(xiàn)在大家面前。GIS系統(tǒng)可視化發(fā)展經(jīng)歷了二維到三維，靜態(tài)到動態(tài)，簡單到復雜的發(fā)展過程，SUFER的出現(xiàn)給GIS帶來了新的超越。

2 研究背景及發(fā)展

三維地形的可視化問題的發(fā)展一直受制于主流計算機技術的發(fā)展。當前三維可視化實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的管理技術已經(jīng)相對成熟，但在建模與實時動態(tài)方面還存在許多不足，尤其是在海洋領域的應用效果仍無法滿足需要，主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)地形三維表達的數(shù)據(jù)模型主要面向陸地數(shù)據(jù)，未考慮海洋數(shù)據(jù)與陸地數(shù)據(jù)之間存在的差異。

（2）海洋是具有時空效應的多維空間實體，單靠靜態(tài)的表達方法不能完全、詳細準確地表現(xiàn)和描述海洋中的多維對象的空間特征和變化趨勢。

基于上述的研究背景和當前技術，本文采用基礎的測深數(shù)據(jù)和sufer8.0繪圖軟件來實現(xiàn)小范圍的海底地形地貌的三維可視化操作。

3 具體實現(xiàn)

文章采用sufer8.0軟件實現(xiàn)海底地形的可視化。將測得的某個小范圍的海底沙坑地形的DAT格式的基礎數(shù)據(jù)文件，基本數(shù)據(jù)文件是至少包括X、Y、Z三列數(shù)據(jù)的文件。文章采用的數(shù)據(jù)有X、Y、Z三列，分別為X、Y坐標和該點對應的水深值。網(wǎng)格文件是繪制等值線圖和表面圖所必須的文件，由基礎數(shù)據(jù)文件經(jīng)網(wǎng)格化（Grid）命令處理后轉化得到。其文件的擴展名為.grd。利用GRD格式的文件繪制等深線圖（圖1）。從等深線的分布可以看出來在測區(qū)右側部分深度變化較快，這意味著地形坡度較陡，左側則坡度變化較緩。從二維圖看這種變化還不是很明顯，還需要根據(jù)等深線圖來繪制該區(qū)的地形三維立體圖。將等深線圖與海底表面的陰影圖相疊加可以生成三維海底地形圖，從而將海底地貌形象地表示出來。若根據(jù)不同的等深線所表征的水深來設置不同的顏色加入等深線中，就可以更加清晰的顯示海底地形地貌（圖2）。

圖1 一區(qū)的等深線圖

圖2 等值線圖與3D陰影圖的疊覆

等值面從三維要素中的提取對直觀表達海洋要素場的分布規(guī)律有著重要作用，為了更直接的表達海洋要素場的分布規(guī)律，從三維要素體中提取等值面并進行可視化是必要的。而等值面的生成比切片/切塊的生成要復雜的多，其數(shù)據(jù)的組織也不是僅僅通過比較或簡單插值就能得到的。

4 未來展望

隨著三維可視化技術的廣泛應用，另一個倍受關注的多維動態(tài)可視化問題，這個主題是以時間為主導的信息可視化問題。現(xiàn)階段一方面缺乏有效的描述模型，另一方面在增加時間維之后，信息量急劇增加，現(xiàn)有計算機處理起來還比較困難，所以，時空可視化仍是一個懸而未決的難題?；谶@種現(xiàn)狀，今后時空可視化是三維地形可視化發(fā)展的一個極具吸引力的方向，而時空可視化的實現(xiàn)可以模擬仿真自然地理的變化過程，包括追溯歷史和預測未來，會在根本上改變現(xiàn)有可視化的理論。因此，未來用三維可視化技術來實現(xiàn)海底地形的再現(xiàn)的發(fā)展前景將非常廣闊。

參考文獻

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