海洋三維仿真平臺(tái)的潮流模擬可視化建模

1、 454 上 海 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自 然 科 學(xué) 版 第 13 卷 圖7 簡(jiǎn)化的潮流數(shù)值模擬可視化與虛擬 圖6 海岸海洋潮流數(shù)值模擬空間參照系 UML 類圖 Fig. 6 Object class diagram of spatial reference system 現(xiàn)實(shí)對(duì)象模型 UML 類型 Fig. 7 Simplified object class diagram of tidal current numerical simulation visualization and VR model 流對(duì)象直觀空間認(rèn)知的手段 ,使研究者產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實(shí) 系統(tǒng)的 3 個(gè)特征 ,即主體的沉浸感 (

2、 Immersion 、 運(yùn)用 對(duì)虛擬客體的交互操作 ( Interaction 以及認(rèn)識(shí)反映研 究客體規(guī)律性的自治特性 (Autonomy . 對(duì)于潮流數(shù)值 模擬的可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)主要體現(xiàn)在具有真實(shí)感的 動(dòng)態(tài)視覺模型和交互操作潮流參數(shù)而獲得的虛擬潮 流客體自治的變化特性 ,其對(duì)象模型如圖 7 所示 . 由于需要顯示水下的地形起伏 , 海水必須呈現(xiàn) 藍(lán)色半透明的視覺效果 ,所以 ,水位場(chǎng)的顯示需要用 到色彩融合的技術(shù) . 實(shí)現(xiàn)海面和水下三維飛行模擬 , 需要設(shè)定飛行器實(shí)時(shí)的空間坐標(biāo)及其空中姿態(tài) . 這 可以通過上述的空間方向矢量 Orientation 來表達(dá) , 其中 ,Position 確

3、定飛行器的空間位置 , 并假設(shè) front 方向矢量確定飛行器的飛行方向并控制飛行器的滾 動(dòng) 角度 ; right 方向矢量控制飛行器對(duì)地的俯仰角 度 ;above 方向矢量控制飛行器的偏航角度 ; 根據(jù)人 機(jī)交互操作發(fā)生的動(dòng)作 , 實(shí)時(shí)刷新飛行器的空間位 置和空中姿態(tài) ,就可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的三維模擬飛行 . 綜上所述 ,利用可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ,我們?cè)O(shè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)海岸海洋潮流數(shù)值模擬虛擬現(xiàn)實(shí)的 原型軟件系統(tǒng) 3DVROcean , 其中實(shí)現(xiàn)了潮流水位場(chǎng) 和流速場(chǎng)的三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬 、 交互控制的三維空 間飛行 、 遙感正射影像的三維地形映射 、 多分辨率 DEM 數(shù)據(jù)的分形壓縮等功能 . 圖

4、 8 和 9 是用該軟件 生成的黃海輻射沙洲潮流數(shù)值模擬中水下數(shù)字地形 模型和潮流場(chǎng)的虛擬場(chǎng)景 . 進(jìn)一步的工作在于設(shè)計(jì) 并實(shí)現(xiàn)交互控制潮流參數(shù)獲得虛擬潮流的自治特性 的研究 . 該原型軟件系統(tǒng) 3DVROcean 在東海分局應(yīng) 用過程中反應(yīng)效果好 . 圖8 黃海輻射沙洲水下數(shù)字地形模型的虛擬場(chǎng)景 Fig. 8 Virtualscene of sandridges under the water of Yellow Sea of China 4 結(jié) 論 本研究將可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)的建模技術(shù)手段運(yùn) 用到海岸海洋潮流數(shù)值模擬中 , 其動(dòng)態(tài)圖像演示了 潮流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)演化過程 , 及海底地形與潮流場(chǎng)的相

5、互演化關(guān)系 . 這與海底地貌和沉積學(xué)研究得出的結(jié) 果可 互 為 印 證 價(jià)值 . 12 , 表明該項(xiàng)技術(shù)具有實(shí)際應(yīng)用 建立的基于海洋物理的實(shí)時(shí)海面模擬潮流數(shù)學(xué) 模型 ,在海洋三維仿真平臺(tái)的潮流模擬建模實(shí)驗(yàn)中 可以動(dòng)態(tài)地 、 實(shí)時(shí)地模擬出波浪在某個(gè)角度下的振 幅、 角度分布 、 能量分布和潮流 、 潮汐 , 具有實(shí)際應(yīng) 第4期 師 彪 ,等 : 海洋三維仿真平臺(tái)的潮流模擬可視化建模 455 圖9 二維潮流場(chǎng)矢量的虛擬場(chǎng)景( 漲潮流 Fig. 9 Virtual scene of two2dimensional tidal current velocity field 用價(jià)值 . 海岸海洋潮流數(shù)值

6、模擬的可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)是 海岸海洋潮流研究的重要技術(shù)方法 , 借助于地理信 息系統(tǒng) 、 計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)以及科學(xué)可視化等理論 和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) , 可以很好地滿足海岸 海洋科學(xué)的深入研究 . 在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)虛擬地理 環(huán)境 、 數(shù)字地球等網(wǎng)絡(luò)化 、 全球化的系統(tǒng)將是今后的 發(fā)展方向 . 參考文獻(xiàn) : 1 WANG Y, REN M E , ZHU D K. Sediment supply to the continental shelf by the major rivers of China J . Journal of Geological Society , 1986 , 143

7、 :9352944. 2 WANG Y, REN M E , SY VITSKI J . Sediment transport and terrigenous fluxes J . The Sea , 1998 , 10 :252 2292. 3 林琿 ,閭國年 ,宋志堯 ,等 . 地理信息系統(tǒng)支持下東中 國海潮波系統(tǒng)的模擬研究 J . 地理學(xué)報(bào) ,1997 ,52 ( 6 : 1602169. 4 BART LETT D. Space , time chaos and coastal GIS C 16th International Cartographic Conference and t

8、he 42nd Deutscher Kartographentag , K oln , Germany. 1993 :5392 551. 5 BART LETT D , DEVOY R , MCCALL S , et al. Marine Geodesy , 1997 , 20 :1372151. 6 MCCALL S. The application of dynamic segmentation in the development of a coastal geographic information system C Coast GIS 95 International Symposi

9、um on GIS and Computer Mapping for Coastal Z one Management , Cork Ireland. 1995 :3052312. 7 SHERIN A G, EDWARDSON KA. Using GIS and dynamic segmentation to build a digital coastal information database C Coastal Zoon Canada , Halifax , Nova Scotia. 1994 : 78282. 8 SHERIN A G. Linear reference data m

10、odels and dynamic A dynamically segmented linear data model of the coast J . segmentation : application to coastal and marine data C Marine and Coastal Geographical Information Systems , Taylor & Francis. 2000 :952115. 9 G OLD C M. Problems with handling spatial data : the Vorono approach J . CI

11、SM Journal , 1991 , 45 :65280. 10 G OLD C M , CONDAL A R. A spatial data structure integrating GIS and simulation in a marine environment J . Marine Geodesy , 1995 , 18 :2132228. 11 G OLD C M. An algorithmic approach to marine GIS C Marine and Coastal Geographical Information Systems , Taylor &

12、Francis. 2000 :37252. 12 王穎 ,朱大奎 . 南黃海輻射沙脊群沉積特點(diǎn)及其演變 J . 中國科學(xué) :D 輯 ,1998 ,28 (5 :3852393. 13 MA J S , WANG Y. A spatiotemporal data model on relational database for coastal dynamic research J . Marine Geodesy , 1999 , 22 (2 :1052114. 14 LI R , QIAN L , BLAIS J A R. A hypergraph 2based conceptual mode

13、l for bathymetric and related data management J . Marine Geodesy , 1995 , 18 :172 2182. 15 LI R. Shape from shading : a method of integration of sonar images and bathymetric data for ocean mapping J . Marine Geodesy , 1993 , 15 :1152127. 16 LI R. Data models for marine and coastal geographical infor

14、mation systems C Marine and Coastal Geographical Information Systems , Taylor & Francis. 2000 :25 236. 17 SU Y. A user2friendly marine GIS for multi2dimensional visualization C Marine and Coastal Geographical Information Systems , Taylor & Francis. 2000 :227 2236. 18 WRIGHT D J . Spatial reasoning for marine geology and geophysics C Marine and Coastal Geographical Information Systems , Taylor & Francis. 2000 :37 252. 19 MANDELBRO