楊舒翔，蔣廷臣*，牛 原，聶靖坤

（1. 江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

目前海洋環(huán)境變化現(xiàn)象仍然難以做到及時、準(zhǔn)確的測量和預(yù)報[1-3]。為了提高海洋氣象觀測效率，需要海上錨定浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)和岸基多普勒天氣雷達(dá)等設(shè)備[4]，還需要采用系統(tǒng)工程的思想開展建設(shè)，加強頂層設(shè)計[5]。數(shù)字海洋建設(shè)旨在構(gòu)建一個基于地球球體模型的海洋信息應(yīng)用服務(wù)平臺，并開展相關(guān)專題特色應(yīng)用[6]。為了加快建設(shè)數(shù)字海洋建設(shè)，需加強海洋信息可視化技術(shù)開發(fā)、海洋虛擬現(xiàn)實構(gòu)建等方面的研究[7]。部分學(xué)者針對海洋可視化系統(tǒng)做了一些研究[8-11]，在海洋可視化系統(tǒng)方面取得了一定成果，但是并沒有解決目前中國近海海域地區(qū)的海洋研究薄弱及觀察不夠精準(zhǔn)等問題，對海洋氣候狀況把握不夠準(zhǔn)確。本項目將海洋數(shù)據(jù)與三維GIS 相結(jié)合，通過構(gòu)建三維地球場景，整合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋氣象數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)，制作海洋數(shù)據(jù)的三維展示圖層，為海洋數(shù)據(jù)提供一個三維可視化平臺。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用多層體系架構(gòu)模式，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺支撐層、功能應(yīng)用層和展示層。采用組件技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性，實現(xiàn)平臺的靈活性、開放性和擴(kuò)展性。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括服務(wù)器設(shè)備、交換機(jī)設(shè)備、計算機(jī)設(shè)備和輸入/輸出設(shè)備，主要作用是為了保證整個可視化展示系統(tǒng)的有效管理和實時監(jiān)督，從而為整個系統(tǒng)的運行保駕護(hù)航，提供良好的運行環(huán)境。作為整個可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)設(shè)施層的穩(wěn)定性可以保證系統(tǒng)的硬件設(shè)施正常運行和工作。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層為海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，下層基礎(chǔ)設(shè)施層為數(shù)據(jù)提供良好、安全的存儲管理環(huán)境，上層功能應(yīng)用層以數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的三維可視化展示。數(shù)據(jù)層包括海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、地圖服務(wù)數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)層需要對項目所涉及到的海洋氣息數(shù)據(jù)進(jìn)行重組織，為展示平臺提供匯集數(shù)據(jù)的能力，并且提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)獲取接入方式。

1.3 平臺支撐層

平臺支撐層是基于地理服務(wù)框架服務(wù)來為海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)發(fā)布，在處理大量從數(shù)據(jù)層獲取的信息同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

作為項目的展現(xiàn)平臺，Cesium JavaScript 提供了基于JavaScript語言的開發(fā)包，方便快速搭建一款零插件的虛擬地球Web應(yīng)用，并在性能、精度和渲染質(zhì)量上都能得到保證。通過Cesium 提供的API，可以支持多種資源的圖像層[12]。

1.4 功能應(yīng)用層

應(yīng)用層是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)總體架構(gòu)的核心層，是實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能體現(xiàn)。包括氣象數(shù)據(jù)的三維展示、環(huán)境數(shù)據(jù)的三維展示、CCTV 數(shù)據(jù)展示、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)三維展示和地圖服務(wù)功能，同時預(yù)留系統(tǒng)服務(wù)接口，保證用戶提出新的功能需求時，不需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行改動，只要在接口上進(jìn)行擴(kuò)展，圖1為項目數(shù)據(jù)訪問示意圖。

圖1 項目數(shù)據(jù)訪問示意圖

1.5 展示層

展示層是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的最上層，是整個系統(tǒng)在用戶面前最終呈現(xiàn)。主要包括海洋氣象數(shù)據(jù)展示界面、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)展示界面、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)展示界面、CCTV 數(shù)據(jù)展示界面和三維地球展示界面。展示層以桌面端界面的形式展示在用戶眼前，通過人機(jī)交互的接口與操作人員進(jìn)行交互，提供直觀、簡單和友好的界面來實現(xiàn)應(yīng)用層的功能。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能模塊設(shè)計主要包括若干功能模塊的建設(shè)，核心功能分別是GIS 操作功能、數(shù)據(jù)查詢功能、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布功能模塊和數(shù)據(jù)三維展示功能模塊。圖2 為可視化平臺系統(tǒng)功能框圖，從圖5 中可以看出，Argo 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫可視化平臺主要包括5 個方面的功能，分別是GIS操作功能、Argo數(shù)據(jù)入庫功能、Ar?go數(shù)據(jù)查詢功能、Argo數(shù)據(jù)可視化功能和Argo備份恢復(fù)功能。其中GIS 操作功能包括圖層的創(chuàng)建和圖層的顯示，通過此功能可以實現(xiàn)圖層的放大和縮小、滿屏顯示以及圖層的載入和屬性信息。Argo 數(shù)據(jù)入庫功能包括網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)輸入2個方面，Argo 數(shù)據(jù)備份恢復(fù)功能包括數(shù)據(jù)庫備份和數(shù)據(jù)庫恢復(fù)2 個方面。其中Argo 數(shù)據(jù)入庫和Argo 數(shù)據(jù)備份恢復(fù)功能是服務(wù)器端的專屬功能，主要是為了實現(xiàn)服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)庫的維護(hù)等工作，特別是Argo 剖面數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的入庫操作以及后臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。GIS 操作功能則是使用WebGIS 控件實現(xiàn)Argo 數(shù)據(jù)的顯示和圖層信息的操作。Argo 數(shù)據(jù)查詢則是對數(shù)據(jù)庫中Ar?go 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，包括按浮標(biāo)編號查詢、浮標(biāo)剖面綜合分析以及剖面數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能。Argo 數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)了全球Argo 浮標(biāo)的GIS 顯示以及對數(shù)據(jù)庫中已存在的浮標(biāo)基本信息和剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性和完整性，包括浮標(biāo)位置分布圖和浮標(biāo)信息的驗證。

圖2 可視化平臺系統(tǒng)功能框圖

2.1 數(shù)據(jù)查詢功能模塊

數(shù)據(jù)查詢功能模塊主要集成了GIS 界面的操作，包括圖層打開、圖層屬性設(shè)置、地理量算、坐標(biāo)顯示、電子地圖生成、GIS 的放大、縮小和漫游等操作功能。

針對單個Argo 浮標(biāo)基本信息的查詢，主要包括Argo浮標(biāo)的剖面層數(shù)、首層剖面的時間、坐標(biāo)和所屬權(quán)等，要想獲得這些Argo浮標(biāo)的基本信息，只需要在系統(tǒng)查詢界面輸入Argo 浮標(biāo)WMO 編號就可以查詢到全面的信息。這些信息包括浮標(biāo)剖面的地理位置和漂移軌跡。當(dāng)然還可以查詢到某一浮標(biāo)的深層流速，特別是要獲得所有浮標(biāo)的T-S點聚圖、地理位置分布圖及流速圖，可以在系統(tǒng)中輸入時間和經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍來進(jìn)行查詢。

在整個查詢系統(tǒng)中，除了可以通過輸入Argo浮標(biāo)WMO 編號、時間和經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍來進(jìn)行查詢，還可以通過點擊文件菜單欄上的“Argo 數(shù)據(jù)查詢”，然后選擇“浮標(biāo)位置分布圖”，接著會在全球地圖上顯示所有浮標(biāo)的位置分布。最后選中某一浮標(biāo)，就會顯示出相對應(yīng)的浮標(biāo)信息。用鼠標(biāo)點擊該浮標(biāo)，就可以從服務(wù)器中提取該浮標(biāo)的剖面數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布功能模塊

針對數(shù)據(jù)中所包含海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)、CCTV 數(shù)據(jù)，以及三維地球的影像數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式，在服務(wù)器端進(jìn)行發(fā)布，使得用戶利用客戶端系統(tǒng)進(jìn)行操作時，并不需要在每臺電腦上都存儲相應(yīng)的數(shù)據(jù)，只需要通過發(fā)布的服務(wù)地址，系統(tǒng)將自動找到服務(wù)器的發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)。通過數(shù)據(jù)發(fā)布平臺，只需要一次數(shù)據(jù)發(fā)布，即可多次和多臺設(shè)備進(jìn)行訪問。

數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布模塊具體包括全球影像地圖發(fā)布、海洋氣象數(shù)據(jù)發(fā)布、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布和CCTV數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布5個部分。

1）全球影像地圖發(fā)布。全球影像地圖主要是柵格地圖，將柵格地圖通過GeoServer進(jìn)行發(fā)布，保證三維球體在顯示時能夠展現(xiàn)全球影像數(shù)據(jù)。

2）海洋氣象數(shù)據(jù)發(fā)布。常見氣象海洋數(shù)據(jù)有Ar?go、HYCOM 和SSH 等幾種，主要是在服務(wù)器端通過服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布。

3）海洋環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)布。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)包括海洋溫度數(shù)據(jù)、海洋鹽度數(shù)據(jù)、海洋深度數(shù)據(jù)、洋流數(shù)據(jù)和海洋波浪數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)在服務(wù)端以服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布。

4）海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)布。海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)主要包括聲源點數(shù)據(jù)，利用服務(wù)器將聲源點數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)發(fā)布。

5）CCTV 數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布。CCTV 數(shù)據(jù)主要包括聲音數(shù)據(jù)、文字?jǐn)?shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，這一部分可根據(jù)實際需求，以服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布，也可以通過本地文件打開。

2.3 數(shù)據(jù)三維展示模塊

系統(tǒng)數(shù)據(jù)三維展示主要是針對海洋氣象數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)、CCTV 數(shù)據(jù)和三維地球的影像數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù)，將這些數(shù)據(jù)在三維球體上進(jìn)行展示。數(shù)據(jù)三維展示功能模塊包含海洋氣象與CCTV 數(shù)據(jù)三維展示、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)三維展示、海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)三維展示和地圖服務(wù)功能展示等部分。

Argo、HYCOM、SSH 等常見氣象海洋數(shù)據(jù)在三維地球上進(jìn)行展示，用戶可通過拖動球體對數(shù)據(jù)的每一個部分進(jìn)行詳細(xì)的查看，也可將三維地球轉(zhuǎn)換成二維平面的形式，從總體上進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示。

1）用戶可通過特定的CCTV 數(shù)據(jù)展示界面，查看這些數(shù)據(jù)。

2）海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可以通過服務(wù)器發(fā)布的服務(wù)來獲取，并在三維地球上進(jìn)行展示。

3）地圖服務(wù)功能是海洋相關(guān)數(shù)據(jù)展示的底圖基礎(chǔ)，以三維地球的形式呈現(xiàn)在用戶眼前。用戶打開系統(tǒng)界面首先就能看到三維地球，在三維地球上，提供了放大、縮小、拖拽、旋轉(zhuǎn)和二三維平面切換的功能，用戶通過常用鼠標(biāo)操作即可實現(xiàn)這些功能，具有較強的實用性。

3 結(jié) 語

本文基于HTML 語言進(jìn)行海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的研究與設(shè)計，將海洋數(shù)據(jù)與三維GIS 相結(jié)合，通過構(gòu)建三維地球場景，整合海洋環(huán)境數(shù)據(jù)、海洋氣象數(shù)據(jù)和海洋聲學(xué)數(shù)據(jù)，制作海洋數(shù)據(jù)的三維展示圖層，為海洋數(shù)據(jù)提供一個三維可視化平臺。

本文從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能設(shè)計和數(shù)據(jù)三維展示等3 個方面展開論述，詳細(xì)介紹了海洋氣象數(shù)據(jù)三維可視化展示系統(tǒng)的研發(fā)過程和實際應(yīng)用。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用多層體系架構(gòu)模式，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺支撐層、功能應(yīng)用層和展示層。為了實現(xiàn)平臺的靈活性、開放性和擴(kuò)展性，采用了組件技術(shù)，一定程度上實現(xiàn)了基礎(chǔ)模塊的可復(fù)用性。通過該系統(tǒng)可以即時掌握海洋大氣溫度、海浪、海風(fēng)、海洋鹽度和洋流等海洋環(huán)境要素的具體信息，對于研究海洋至關(guān)重要。因此，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于海洋氣象、海洋環(huán)境、海洋聲學(xué)、海-氣變化和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展等研究中，對于實現(xiàn)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的多維動態(tài)即時展示和綜合可視分析功能，提升海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)效能具有現(xiàn)實意義。

后期還要針對系統(tǒng)的使用進(jìn)行推廣培訓(xùn)。系統(tǒng)建設(shè)是一個綜合性工程，為保證平臺使用的整體效果，對管理人員、系統(tǒng)維護(hù)人員以及使用人員進(jìn)行整體的平臺介紹以及相關(guān)配套的管理機(jī)制要求，以期讓培訓(xùn)人員對平臺的整體價值、管理機(jī)制和平臺概況進(jìn)行全面了解。培訓(xùn)主要根據(jù)《用戶使用手冊》的內(nèi)容，結(jié)合詳細(xì)實例，說明每一個子系統(tǒng)的內(nèi)容和實際功能，就能方便用戶快速了解掌握系統(tǒng)，又能通過文檔向用戶廣泛地征求意見，有利于系統(tǒng)進(jìn)行快速、有效和準(zhǔn)確的分析驗證，不斷完善系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)體系，使之發(fā)揮更大的效用。