本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)可視化，涉及海洋數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域，特別涉及一種海洋三維溫鹽流數(shù)據(jù)的可視化方法。

背景技術(shù)：

1、數(shù)據(jù)可視化在科學(xué)研究、決策支持中發(fā)揮著重要的作用，這項技術(shù)通過將復(fù)雜的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為圖形、圖像的形式，使得抽象的數(shù)值信息變得直觀易懂，從而有效地輔助科研人員進行數(shù)據(jù)觀測和分析。在海洋科學(xué)研究中，三維溫鹽流數(shù)據(jù)的可視化是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它涉及到從海洋觀測和遙感數(shù)據(jù)中提取有用信息，并以易于理解的方式展示給研究人員。海洋數(shù)據(jù)因其復(fù)雜性和多變性，傳統(tǒng)的二維圖表難以全面地展示海洋數(shù)據(jù)的空間分布和動態(tài)變化。近年來，隨著計算機圖形學(xué)和可視化技術(shù)的發(fā)展，更加高級的可視化技術(shù)逐漸能夠滿足展示海洋數(shù)據(jù)多維特性的需求，如顏色映射和矢量場可視化等。然而，現(xiàn)有可視化方法在處理大規(guī)模、高維度的海洋數(shù)據(jù)集時仍面臨著一系列的挑戰(zhàn)，尤其是在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，如何從包含噪聲和異常值的原始數(shù)據(jù)集中提取出真正有用的信息是一個技術(shù)難點。此外，顏色映射技術(shù)雖然在視覺上增強了數(shù)據(jù)的表現(xiàn)能力，但是如何保證在顏色映射過程中的準(zhǔn)確性，以及根據(jù)數(shù)據(jù)特點選擇合適的映射方法也需要進行研究。

2、海洋數(shù)據(jù)的多維度特性要求我們在可視化過程中采用高效的數(shù)據(jù)處理算法，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速集成。例如溫度、鹽度、密度等參數(shù)在空間與時間分布上都保持關(guān)聯(lián)，這些數(shù)據(jù)的處理就需要保持一致性與準(zhǔn)確性。其次由于海洋數(shù)據(jù)采集具有較高難度，獲取到的海洋數(shù)據(jù)中可能存在缺失或者錯誤值，如何準(zhǔn)確地處理這些異常數(shù)據(jù)并生成平滑的、連續(xù)的可視化結(jié)果是一個技術(shù)難題，盡管現(xiàn)有的三維可視化工具在一定程度上滿足了這些需求，但在數(shù)據(jù)的科學(xué)準(zhǔn)確性、視覺效果和用戶交互方面仍有改進空間。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種海洋三維溫鹽流數(shù)據(jù)的可視化方法，用于解析包含海洋溫度、鹽度等特征值的數(shù)據(jù)文件并生成可視化圖片。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種海洋三維溫鹽流數(shù)據(jù)的可視化方法，包括以下步驟：

4、步驟1、自動化讀取數(shù)據(jù)文件并預(yù)處理：

5、自動化讀取海洋觀測數(shù)據(jù)以及配置文件，并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，其中預(yù)處理包括使用掩膜標(biāo)記數(shù)據(jù)異常值或者無效數(shù)據(jù)、通過自適應(yīng)插值方法對缺失數(shù)據(jù)進行修復(fù)；

6、步驟2、數(shù)據(jù)規(guī)范化與顏色映射：

7、將步驟1預(yù)處理后的數(shù)值信息根據(jù)用戶自定義的顏色映射規(guī)則轉(zhuǎn)換為顏色信息，輸出為jpg格式，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的二維可視化效果；

8、步驟3、繪制等值線圖案：

9、首先將步驟1預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息進行規(guī)范化得到數(shù)據(jù)紋理，然后通過閾值處理將數(shù)據(jù)紋理轉(zhuǎn)換為二值化圖像，并使用圖像修復(fù)算法對數(shù)據(jù)紋理進行平滑處理，遍歷等值線的索引數(shù)組，通過計算等值線關(guān)鍵點的實際位置來構(gòu)建輪廓線，然后繪制貝塞爾曲線，得到最終的等值線圖案；

10、步驟4、可視化矢量數(shù)據(jù)或三維數(shù)據(jù)：

11、若海洋數(shù)據(jù)包含矢量環(huán)境數(shù)據(jù)或需三維展示，則分別構(gòu)建json格式文件以模擬海流運動或?qū)?shù)據(jù)填充至vtkimagedata對象并寫入vti文件，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的矢量模擬和三維可視化。

12、進一步的，步驟1中，海洋數(shù)據(jù)預(yù)處理具體采用以下步驟進行：

13、1）從配置文件中獲得的信息包括水域數(shù)據(jù)water_mask_datas，如果數(shù)據(jù)值不是空值且不是異常值，則相應(yīng)的water_mask掩膜位置被設(shè)置為255，表示水面區(qū)域；接下來遍歷輸入的原始數(shù)據(jù)，一旦檢測到異常值或者無效數(shù)據(jù)，使用mask掩膜變量來標(biāo)記這些數(shù)據(jù)點，將其標(biāo)記數(shù)據(jù)缺失區(qū)域；

14、2）對于缺失的數(shù)據(jù)，采用一種自適應(yīng)的方法，根據(jù)海洋數(shù)據(jù)的空間分布特征，基于周圍有效像素點動態(tài)選擇插值算法來填補缺失值，具體是：在處理缺失數(shù)據(jù)前定義好鄰域范圍，在局部鄰域內(nèi)計算數(shù)據(jù)的梯度，根據(jù)梯度大小衡量數(shù)據(jù)的變化率，在梯度小的區(qū)域，選擇線性插值進行像素修復(fù)；在梯度大的區(qū)域，選擇樣條插值來進行像素修復(fù)；通過多次迭代修復(fù)所有的缺失像素，若處理后仍有像素?zé)o法填充，則將水面區(qū)域掩膜對應(yīng)的像素值設(shè)置為0，直到所有缺失像素都被處理。

15、進一步的，步驟2中，具體采用以下步驟進行：

16、步驟201、數(shù)據(jù)規(guī)范化：根據(jù)給定的配置信息，決定是否需要計算每個數(shù)據(jù)點的規(guī)范化值，這一步是將數(shù)據(jù)值映射到一個標(biāo)準(zhǔn)化的顏色索引范圍內(nèi)；

17、步驟202、確定所在顏色區(qū)間：根據(jù)數(shù)據(jù)值確定其在顏色索引數(shù)組中的位置，找到包含該數(shù)據(jù)值的顏色區(qū)間，并記錄下該區(qū)間的左右端點索引；

18、步驟203、取區(qū)間左端顏色值或取插值結(jié)果：根據(jù)配置文件中的信息決定是否進行顏色插值，如果設(shè)置為0則直接返回區(qū)間左端點的顏色值；否則，進行顏色插值以得到更加平滑的顏色過渡；

19、步驟204、應(yīng)用于每個像素點：將計算得到的顏色值應(yīng)用于每個像素點，生成最終的顏色映射圖像。

20、進一步的，步驟203中，顏色插值的具體過程為：對于選定的顏色區(qū)間，使用線性插值方法，通過計算兩個區(qū)間端點顏色的加權(quán)平均值得到最終該像素點的rgb顏色值：

21、；

22、；；

23、；

24、其中，crelativevalue是原數(shù)據(jù)值或根據(jù)配置文件歸一化到0~1范圍內(nèi)的值，ci是當(dāng)前顏色區(qū)間起始索引所對應(yīng)的數(shù)據(jù)值，cnext是當(dāng)前顏色區(qū)間末尾索引所對應(yīng)的數(shù)據(jù)值，通過公式計算得到相對數(shù)據(jù)值在當(dāng)前區(qū)間內(nèi)的插值系數(shù)α，rleft、rright、gleft、gright、bleft、bright分別是當(dāng)前顏色區(qū)間起始索引和末尾索引的rgb值，r、g、b是每個像素點對應(yīng)的rgb值。

25、進一步的，步驟3中，等值線繪制的具體步驟是：

26、步驟301、二值化處理及修復(fù)：首先將步驟1預(yù)處理后的數(shù)據(jù)信息規(guī)范化到一個統(tǒng)一的范圍內(nèi)，并使用構(gòu)造函數(shù)將其存儲為數(shù)據(jù)紋理；然后將數(shù)據(jù)紋理轉(zhuǎn)換為二值化圖像，其中根據(jù)每個像素點對應(yīng)數(shù)據(jù)是否高于閾值來分配黑白色；然后對二值化圖像進行膨脹操作以及圖像修復(fù)操作，填充數(shù)據(jù)不連續(xù)部分；

27、步驟302、構(gòu)建關(guān)鍵點數(shù)組并優(yōu)化：首先，遍歷二值化圖像，通過分析像素值和給定的閾值來確定等值線條的路徑，構(gòu)建線條的關(guān)鍵點數(shù)組，然后遍歷關(guān)鍵點數(shù)組，實現(xiàn)去重；

28、步驟303、構(gòu)建輪廓并計算控制點：通過關(guān)鍵點數(shù)組構(gòu)建輪廓，然后計算貝塞爾曲線的控制點對線條進行擬合與繪制，得到等值線；然后對生成的等值線進行優(yōu)化，去除過于接近的點；

29、步驟304、數(shù)值文本標(biāo)注：根據(jù)用戶配置文件的需要，在等值線上添加數(shù)值文本標(biāo)注；

30、步驟305、輸出等值線圖案：根據(jù)用戶需要將等值線輸出為svg格式或者png格式。

31、進一步的，構(gòu)建等值線條關(guān)鍵點數(shù)組的具體實現(xiàn)方法是：首先考慮將當(dāng)前像素點及其周圍的像素點作為搜索鄰域，檢查該點數(shù)據(jù)值是否滿足水域范圍，若滿足條件則繼續(xù)進行相關(guān)計算；接下來，通過以下公式，根據(jù)閾值threshold和周圍像素點對應(yīng)的數(shù)據(jù)值來確定關(guān)鍵點的實際位置，使得等值線更加平滑地貼合數(shù)據(jù)的實際分布：

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37、；

38、；

39、；

40、；

41、；

42、其中，、、、、、、、分別表示左上、右上、左下、右下像素點的橫縱坐標(biāo)，、、、分別表示左上、右上、左下、右下像素點對應(yīng)的數(shù)據(jù)值，threshold是通過將用戶在config.json文件中定義的等值線數(shù)組進行規(guī)范化計算后得到的閾值，scale是縮放因子，stride是步長；通過上述公式，得到等值線在當(dāng)前像素點及其鄰居像素點處的交點，用于后續(xù)的繪制過程；

43、接下來，根據(jù)tempcount的值動態(tài)生成等值線段，具體來說：初始化計數(shù)器tempcount變量為0，然后根據(jù)四個端點所對應(yīng)的數(shù)據(jù)以及閾值的比較結(jié)果更新tempcount的值，這里使用不同的權(quán)重來區(qū)分左上、右上、左下、右下的點；根據(jù)tempcount的值來確定等值線可能穿過的像素邊界，使用之前計算得到的left、top、right、bottom決定等值線在局部區(qū)域內(nèi)的走向，將等值線段加入一個用于存放等值線的lines數(shù)組中，并將兩個端點作為關(guān)鍵點，并繼續(xù)遍歷剩下的像素點；遍歷完成后對所有關(guān)鍵點進行排序和降重，構(gòu)建輪廓線。

44、進一步的，步驟3中，構(gòu)建輪廓線的具體步驟為：創(chuàng)建三個數(shù)組contours、isclosedcontour和usedlines來標(biāo)記輪廓點集、輪廓是否閉合以及線段是否用于構(gòu)建輪廓；首先尋找可以作為輪廓起始點的點，從起始點開始不斷查找新點并檢查可連接的線條，將連接的關(guān)鍵點添加到輪廓線數(shù)組中，跟蹤已經(jīng)使用過的線條，避免重復(fù)使用，直到所有點都被用于構(gòu)建輪廓，無法找到可連接的線條；接下來去除構(gòu)建的輪廓中距離過近的點，并記錄輪廓是否閉合的信息；對于每一個輪廓，通過計算得到控制點后繪制貝塞爾曲線，得到最終的等值線圖案。

45、進一步的，步驟3中，在輸出等值線圖案前還需進行數(shù)值文本的標(biāo)注，數(shù)值文本標(biāo)注的具體步驟為：評估每個關(guān)鍵點處地局部輪廓方向，計算正弦值來確定輪廓的傾斜方向；評估文本標(biāo)注的預(yù)期寬度，選出文本標(biāo)注位置。

46、進一步的，步驟4中，若海洋數(shù)據(jù)中含有海流矢量環(huán)境數(shù)據(jù)，則需要遍歷數(shù)據(jù)文件獲取對應(yīng)的經(jīng)度、緯度以及指定類型的數(shù)據(jù)，用以構(gòu)建json格式的數(shù)據(jù)文件，使用粒子系統(tǒng)模擬海流的運動；

47、若需要采用三維的方式展示不同層深的海洋數(shù)據(jù)，則需要循環(huán)遍歷三維數(shù)據(jù)集中的每個像素點，將變量數(shù)據(jù)填充到圖像數(shù)據(jù)集中的對應(yīng)位置，并將填充好數(shù)據(jù)的vtkimagedata對象寫入到vti文件中用以可視化三維效果。

48、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點在于：在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，使用了兩個掩膜mask和water_mask標(biāo)記數(shù)據(jù)中的無效像素和水域像素，這種區(qū)分使得本發(fā)明可以專注于水面區(qū)域缺失數(shù)據(jù)的修復(fù)工作，能夠有效地節(jié)省計算資源；同時，根據(jù)數(shù)據(jù)的空間分布特征，動態(tài)選擇不同的插值算法，這種自適應(yīng)插值方法能夠更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)的局部特性。

49、在繪制等值線階段，與經(jīng)典的marching?squares算法相比，本發(fā)明改進了傳統(tǒng)的直線段繪制，使用貝塞爾曲線來平滑等值線，使得線條表示更加流暢和美觀。除此之外，本發(fā)明可以根據(jù)不同的閾值動態(tài)地繪制等值線，并提供了評估最佳文本標(biāo)注位置的功能，能夠更加靈活地適應(yīng)不同數(shù)據(jù)集，使得等值線上的數(shù)值信息能夠無遮擋地直觀顯示，增強了繪制結(jié)果的可讀性。本發(fā)明支持將等值線輸出為svg格式，適用于高質(zhì)量的圖像渲染和縮放，顯著提高了繪制質(zhì)量和可讀性。