海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模
多波束海底地形三维虚拟仿真研究
多波束海底地形三维虚拟仿真研究王楠; 徐永臣; 陶常飞【期刊名称】《《海岸工程》》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】7页(P203-209)【关键词】多波束; 海底地形; 三维可视化; 虚拟仿真【作者】王楠; 徐永臣; 陶常飞【作者单位】中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室山东青岛266100; 中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100; 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061【正文语种】中文【中图分类】P229.1随着遥感探测技术、地理信息技术、计算机图形图像技术和虚拟现实技术的迅速发展,作为数字海洋信息空间表现的基础和重要内容,水下地形的三维可视化显示是目前国内外数字海洋应用研究的重要关注点之一[1-3]。
地形的三维可视化表示一般通过对地形进行几何表面的建模,采用阴影、不同颜色来表示不同地形特征(高度、材料等),同时可以叠加融合卫星影像来表现[4-6]。
在海洋测绘领域,利用高精度的多波束声呐数据,采用新的处理算法可以快速地建立海底地形场景库,并生成地形和纹理数据[7-8]。
同时,随着虚拟现实技术的广泛应用,可以构建真实度极高的地形场景,让地形表现更加直观[9]。
这些方法使得利用交互式三维可视化分析和解释水下地形数据得以实现。
本研究基于高精度多波束海底地形数据,建立起了视景仿真领域通用的三维地形场景数据库模型,利用交互式三维可视化分析软件可以真实直观地反映海底地形环境,实现了海底地形的三维可视化与漫游,可以更加直观地表现和解译水下地形数据。
1 数据获取和处理获取高精度水下地形数据是构建高仿真度水下地形模型的关键。
高分辨率的陆地影像数据和高精度的局部DEM(Digital Elevation Model)数据可以通过卫星遥感或无人机测量等手段获得,但是在水域或海域,高精度的水下地形地貌数据多通过多波束或侧扫声呐等精密海洋探测设备来获得。
多波束测深技术可以获取高精度和高密度的水下地形点云数据,精确地反映水下地形的细节特征。
虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究
第53卷 第7期 2023年7月中国海洋大学学报P E R I O D I C A LO FO C E A N U N I V E R S I T YO FC H I N A53(7):111~117J u l y,2023虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究韩 勇1,2,黄家琛1,马纯永1,2,杨 杰1,2,陈 戈1,2(1.中国海洋大学信息科学与工程学部,山东青岛266000;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266237)摘 要: 本文利用虚拟现实和可视化技术,对虚拟海洋环境仿真中海浪仿真㊁海风仿真与风海流仿真等关键技术进行研究,并基于研究成果开发了交互式虚拟海洋仿真系统㊂结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,对东方红2号海洋调查船进行三维建模,并运用体素化分析方法模拟其在海面的运动情况,构建了虚拟海洋环境观测载体㊂系统根据涉海专业出海实践内容设计观测实验,还原了海风观测实验和C T D 观测实验,能有效缓解当前涉海高校实践教学资源的不足,提高海洋人才的培养质量㊂关键词: 虚拟海洋;海浪仿真;船舶仿真;观测实验;实践教学中图法分类号: P 714;T P 391.9 文献标志码: A 文章编号: 1672-5174(2023)07-111-07D O I : 10.16441/j.c n k i .h d x b .20220075引用格式: 韩勇,黄家琛,马纯永,等.虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究[J ].中国海洋大学学报(自然科学版),2023,53(7):111-117.H a nY o n g ,H u a n g J i a c h e n ,M aC h u n y o n g ,e t a l .R e s e a r c h o f k e y t e c h n o l o g i e s a n d i m pl e m e n t a t i o n o n v i r t u a lm a r i n e e n v i -r o n m e n t s i m u l a t i o n [J ].P e r i o d i c a l o fO c e a nU n i v e r s i t y of C h i n a ,2023,53(7):111-117. ❋ 基金项目:国家重点研究发展计划项目(2020Y F B 1710400)资助S u p p o r t e d b y t h eN a t i o n a l K e y R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t P r o gr a mo f C h i n a (2020Y F B 1710400)收稿日期:2022-02-09;修订日期:2022-03-10作者简介:韩 勇(1969 ),男,教授㊂E -m a i l :y o n gh a n @o u c .e d u .c n 在海洋科学及技术类专业中,出海实践是专业学习的重要组成部分㊂出海实践的教学内容包含理论知识学习㊁仪器设备操作㊁海洋观测实验等内容,是培养涉海专业人才的必要环节㊂但由于教学船只紧张㊁设备费用昂贵及培训周期长等问题[1],许多涉海高校无法开展出海实践课程,难以满足涉海专业学生的培养需求㊂目前中国隶属于高等学校的海洋调查船大多需要承担繁重的科研任务,难以满足广大高校涉海专业学生的实践教学需求,难以保证涉海人才的培养质量㊂因此在船时不足的条件下,一些涉海高校积极寻找新的海洋实践教学方案㊂大连海洋大学为涉海专业建立了虚拟仿真实验教学中心,采用模拟设备与三维仿真相结合的方式实现了驾驶模拟㊁轮机工程模拟和船舶仿真等实训内容[2]㊂江苏海洋大学建立了占地面积3400m2的海洋工程技术研究中心,并配有多种常规海洋仪器和大型海洋仪器,使涉海专业学生能在学校内完成和实践教学相关的训练课程[3]㊂然而,采用搭建真实场景模拟海上实践环境的方式仍旧存在着场景搭建成本高昂㊁后期维护复杂等问题,而且以室内培训为主的教学方式很难还原真实的海洋实践教学环境,导致教学过程缺乏沉浸感,影响教学效果㊂虚拟海洋环境仿真以虚拟现实技术为核心,融合海洋相关学科知识内容,对一定范围内的海洋环境及其相关要素在视㊁听㊁触等方面进行还原㊂虚拟现实技术具有沉浸性㊁交互性㊁想象性的特点[4],能够逼真展现海洋场景中的海浪㊁海风及船舶等关键要素㊂当前对于虚拟海洋环境仿真的研究主要集中在宏观状态下的渲染模拟㊂王顺利等[5]提出一种自适应的深浅海网格模型对海浪进行模拟,郭晓非等[6]使用图标映射法和流线法将海洋环境要素可视化,R a m o s 等[7]提出一种G P U 多线程技术对海浪场景实现实时绘制㊂然而,宏观的虚拟海洋环境仿真普遍缺乏交互性,缺少个体视角对场景要素的观察互动,难以满足涉海高校海洋人才培养的需求㊂因此本文依托中国海洋大学丰富的海洋实践经验,对虚拟海洋环境仿真技术进行研究,在此基础上设计并实现了具有交互性的虚拟海洋仿真系统㊂1 海洋调查船建模及运动仿真海洋环境具有多维性㊁庞杂性的特点[8],为提高其仿真效率,需设置重点观测区域㊂本文将东方红2号海洋综合调查船作为虚拟海洋环境仿真中的主要观测Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年载体,实地采集其表面纹理和结构参数,并使用3d s M a x 软件对船体及其设备器材进行三维建模㊂构建船体及设备模型面片共74000余个,高度还原了东方红2号的船体外观及船上的起重机㊁救生艇㊁绞车等设备细节㊂船体建模效果如图1㊂图1 东方红2号三维模型F i g .1 3Dm o d e l s o f D o n g f a n g h o n g 2现实场景中船舶在海上运动时会受到周围海浪起伏的影响作用,导致船舶姿态发生改变[9]㊂本文采取一种基于浮力变化分析的船舶运动仿真方法,对在不断变化的海面环境中船舶的运动状态进行模拟㊂通过对主船体模型进行体素化,将随海浪高度变化的船体浮力通过分割出的体素矩体进行分析,从而实现对船体运动受力变化的仿真㊂体素化技术是一种将连续几何体分割为一组最接近连续对象体素的技术[10],常应用在各种复杂模型的处理中㊂本文对东方红2号主船体模型网格进行体素分割,以主船体中心为原点建立笛卡尔坐标系,生成最小坐标为(x m i n ,y m i n ,z m i n )㊁最大坐标为(x m a x ,y ma x ,z m a x )的矩体,然后分别沿x ㊁y ㊁z 轴将矩体分割成n 份,最终获得切割后的小型体素,体素的中心坐标(x i ,y j ,z k )如下:x i =x m i n +D x i +12æèçöø÷,i =0,1, ,n -1y j =y m i n +D y j +12æèçöø÷,j =0,1, ,n -1z k =z m i n +D z k +12æèçöø÷,k =0,1, ,n -1ìîíïïïïïïï㊂(1)式中:D x ㊁D y ㊁D z 分别为沿三个坐标轴的分割间隔,且D x =x m a x -x m i n ()/n ;D y =y m a x -y m i n ()/n ;D z =Z m a x -Z m i n ()/n ㊂但主船体模型不是规则的矩体,分割出的小型体素并未全部包含在船体模型网格范围内,因此在完成小型体素切割后,需对获得的体素集合进行筛选㊂本文使用射线检测法排除冗余体素,原理如下:从当前检测体素中心引出朝向主船体模型的射线,并检测碰撞点,若碰撞点为1,则保留当前体素;若碰撞点为0,则标记为冗余体素排除㊂重复以上步骤直到体素集合被遍历,完成筛选㊂完成体素筛选后,对船舶在海面所受的浮力进行分析㊂通过体素化分析,船舶所受的浮力F B 可以分解为所有体素受到的浮力F b i 的集合㊂通过比较体素中心点(x i ,y j ,z k )与同一水平位置(x i ,y j )的海面高度H 1的大小,体素所受浮力F b i可表示为:F b i =r i ρg V ㊂(2)式中:r 为当前体素的浮力系数;ρ为海水密度;V 为体素的体积㊂浮力系数r i 表示如下:r i =1,H 1-z k >L z 2H 1-z kL z2+12,H 1-z k ɤL z 20,z k -H 1>L z2ìîíïïïïïïïï ㊂(3)计算出每个体素的浮力后,通过力矩平衡可以计算出当前船舶的旋转力矩,从而实现对船舶在海面运动状态的模拟㊂系统使用R i g i d b o d y .A d d T o r q u e 函数控制船体首尾的摆动,其摆动幅度受船体所受合力矩大小的影响;使用R i g i d b o d y .A d d F o r c e 函数模拟船体的在垂直方向上的受力,其大小与方向受船体重力与浮力的影响㊂船舶的运动仿真效果如图2㊂图2 东方红2号在海浪中运动F i g .2 M o v e m e n t o f D o n g f a n g h o n g 2i n t h ew a v e s 2 海洋环境仿真技术研究2.1基于G e r s t n e r 波修正的F F T 海浪仿真海浪仿真是海洋环境仿真中的一个关键部分,是多种海洋要素仿真的基础,能极大地影响海洋环境仿真的真实感㊂常见的海浪仿真方法包括基于物理模型建模㊁几何模型建模和海浪波谱建模㊂物理模型模拟海浪计算复杂㊁耗时较长;几何模型仿真海浪真实感较差,难以充分还原真实海浪情况[11]㊂考虑到仿真效率和真实性要求,本文采用基于海浪波谱的仿真方法,使用G e r s t n e r 波模型对海浪进行仿真㊂具体实现步骤如下:211Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究(1)确定波数矢量k ң㊂在海浪仿真所需的空间网格平面x o y 上,沿x 轴和y 轴分别采样N 和M 个点㊂此时波数矢量k ң=(2πn /L x ,2πm /L y ),L x 和L y 分别代表网格平面沿坐标轴的长和宽,n ㊁m 为整数且-N /2ɤn <N /2,-M /2ɤm <M /2㊂(2)计算海面初始化高度场频谱H 0 (k ң)㊂H 0 (k ң)=1 2ε1+i ε2() φk ң()㊂(4)式中:ε1和ε2为均值方差相同(均值μ=0,方差σ2=1)㊁互相独立的高斯随机数;φk ң()为P h i l l i p s 谱,是常用于海面风浪模拟的波数谱[12],表达式为:φk ң()=A p k 4æèçöø÷k ң㊃r ң2e x p -1k 2l 2æèçöø÷㊂(5)式中:A p 为P h i l l i ps 谱常数;r ң表示风向;l 表示风速v 与海浪的关系且l =v 2/g ;g 为重力加速度㊂(3)用I F F T 算法反演空间域的海浪顶点高度H x ң,t ()㊂通过式(4)中求得的初始化高度场频谱H 0k (),计算傅里叶振幅值H k ң,t ():H k ң,t ()=H 0k ң()e x p i ωt ()+H *0(-k ң)e x p -i ωt ()㊂(6)式中:H *0是H 0k ()共轭复数;ω是角频率且ω= g k ,其中k 为波数矢量k ң的模㊂得到H k ң,t ()后,使用I F F T算法反演空间域中的海浪顶点高度㊂t 时刻海平面网格上某一点的瞬时波高H x ң,t ()表示为:H x ң,t ()=ð kH 0 (k ң,t )e x p (i k ң㊃x ң)㊂(7)式中:x ң=(x ,y )代表x o y 网格上点的坐标;x ㊁y 分别为采样点在X 轴和Y 轴的坐标数值,表示如下:x =n ㊃L x N ,-N 2ɤn <N 2y =m ㊃L y M ,-M 2ɤm <M 2ìîíïïïï ㊂(8)(4)使用G e r s t n e r 波模型对海浪顶点高度进行位移修正㊂G e r s t n e r 波模型是一种通过多个余弦波叠加而来的有限振幅波[13],适用于大范围海浪的仿真㊂相比使用正弦波海浪平稳的模拟效果,G e r s t n e r 波模拟的海浪波峰被压缩,波谷更宽,更接近真实的海浪波峰波谷情况㊂为实现对海浪受较强海风影响时浪尖受到挤压的效果模拟,根据G e r s t n e r 波模型理论,在t 时刻瞬时波高为H x ң,t ()的点坐标x ң=(x ,y )需要受到C h o p p y 波向量的位移修正,即点的真实位置坐标应当为(x ң+μD x ң,t (),H x ң,t ()),其中μ为偏移参数㊂偏移函数D (x ң,t )表示如下:D x ң,t ()=ð kk k ңH k ң,t ()e x p i k ң㊃x ң()㊂(9)(5)依据偏移修正过的海浪高度数据设置海浪网格平面,然后通过顶点着色器进行海面波纹渲染处理,实现海浪的仿真过程㊂海浪仿真效果如图3㊂图3 海浪仿真效果F i g.3 W a v e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2海风与风海流的粒子仿真2.2.1基于时变风速模型的海风仿真 海风的仿真对海洋学的研究和系统有着至关重要的作用,是海洋观测的重要组成部分[14]㊂系统基于粒子渲染技术,结合矢量场原理模拟三维空间中的海风轨迹,对海风的运动轨迹进行仿真㊂根据风速的变化性质,时变风速模型包含基本风㊁阵风㊁渐变风和随机风四种成分[15]㊂基本风V B 表示在一段时间内的基础风速,其值为常数㊂随机风V N 表示风速的随机变化,系统采用R a n d o m.R a n ge 函数进行模拟㊂基本风与随机风的仿真可通过简单建模完成,因此本文着重介绍阵风与渐变风的仿真过程㊂阵风V G 表示风速的突变性质,用来模拟在短时间内风速的剧烈变化㊂阵风的数学模型为:V G =0,t <t g 或t >t g +T G v g m 1-c o s 2πt -t g ()T G æèçöø÷éëêêùûúú,t g ɤt ɤt g +T G {㊂(10)式中:t 代表当前时间;v g m 代表阵风的最大风速;t g 代表阵风开始时间;T G 代表阵风周期㊂渐变风V R 表示风速在一段时间内的平稳变化,渐变风的数学模型为:V R =0,t <t r 1v r m t -t r 1()/(t r 2-t r 1),t r 1ɤt ɤt r 2v r m ,t r 2<t ìîíïïïï㊂(11)式中:t 代表当前时间;v r m 代表渐变风的最大风速,t r 1代表渐变风的开始时间,t r 2代表渐变风的结束时间㊂本文基于时变风速模型,采用粒子系统P a r t i c l eS y s t e m 对海风进行仿真㊂系统通过S t a r tD e l a y 控制粒子的延迟发射,模拟海风的开始时间;通过S t a r tS pe e d 控制粒子的发射速度,模拟海风的实时风速;通过R o t a t e()函数控制粒子的发射方向,模拟海风的风311Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年向;通过在S h a d e r 中将M a ps 设置为白色箭头,以指示海风前进方向㊂海风仿真效果如图4㊂图4 海风仿真效果F i g.4 S e a b r e e z e s i m u l a t i o n e f f e c t 2.2.2基于粒子迹线绘制的表层风海流仿真 风海流是指在风对海水的摩擦力与海面压力作用下,海水中形成的一种稳定海流[16]㊂根据‘海港水文规范“中对风海流的估算方法,近岸海区表层风海流的流速V u 可以近似为:V u =K V w ㊂(12)式中:V u 表示风海流的流速;V w 表示海面风速;K 代表流速系数,取K 的值为0.03㊂在浅海中,风海流的流向与风向的夹角较小,流向可近似为风的方向[17]㊂系统将2.1.1中的海风风速仿真结果作为输入,计算得出对应风海流的流速㊁流向与风向保持一致,并通过粒子系统进行仿真㊂粒子在场景的空间网格中按一定比例产生,并朝一定方向发射形成迹线,以模拟风海流的运动轨迹㊂在t 0时刻粒子方位表示如下:p t =p 0+ʏt 0vt()d t ㊂(13)式中:vt ()为粒子在t 时刻的运动速度;p 0为粒子发射时的初始位置;t 0代表粒子产生的时间㊂为描述风海流的运动轨迹,在粒子运动时保存其行动迹线,将粒子系统中的T r a i l s 模块的状态设置为激活,将贴图模式设置为拉伸状态S t r e t c h ,以实现粒子的拖尾效果,记录粒子的运动轨迹㊂在W i d t h O v e r T r a i l 中设置拖尾宽度随时间的变化趋势,实现对海流随时间的渐变效果模拟㊂在N o i s e 模块中设置噪声的频率与强度,以模拟实际情况下风海流的不规则运动㊂风海流仿真效果如图5所示㊂图5 风海流仿真效果F i g.5 W i n d c u r r e n t s i m u l a t i o ne f f e c t 3 交互式虚拟海洋仿真系统3.1虚拟海洋环境仿真系统架构本文基于海浪仿真和船舶运动仿真研究,结合中国海洋大学丰富的海洋实践教学经验,开发了虚拟海洋环境仿真系统㊂系统的结构可分为用户层㊁表现层㊁业务逻辑层和数据层(见图6)㊂用户层对应参与教学的用户角色,包含负责教学引导工作的教师和参与教学实验的学生;表现层包含系统各功能模块,主要有逻辑管理模块㊁用户界面模块㊁动画控制模块㊁用户交互模块㊁仿真实现模块和光学定位模块,通过组件式模块开发实现系统的低耦合度,提高系统的开发测试效率;业务逻辑层包含三维仿真逻辑和观测教学逻辑两大内容,其中三维仿真逻辑主要包含海洋环境仿真过程中的仿真算法逻辑实现,观测教学逻辑主要包括船体参观㊁海风观测和温盐深观测教学的逻辑实现;数据层对应数据存储和数据访问,包含模型数据㊁定位数据和仿真数据㊂图6 交互式虚拟海洋仿真系统结构F i g .6 S t r u c t u r e o f i n t e r a c t i v e v i r t u a lm a r i n e s i m u l a t i o n s ys t e m 3.2系统功能模块系统采用组件式架构,对特定模块的功能和数据进行封装㊂系统具体功能模块划分如下:(1)逻辑管理模块㊂逻辑管理模块主要功能是将各仿真模块按照一定的逻辑顺序组合后统一管理,并提供可与各模块通信的接口㊂逻辑管理模块中实现了系统启动运行及观测教学的逻辑设计,可设置系统的运行状态,编辑教学流程㊂在编辑界面中,可通过设置411Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩 勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究S t e p N u m 参数改变流程的步骤数量,拖动O b je c t 设置流程的步骤排序㊂在脚本中调用G e t C o m p o n e n t 函数可获取场景中对象的属性或组件,从而更改对象或组件的状态㊂通过逻辑管理模块,系统实现了教学流程构建,并设计完成了海风观测和C T D 观测的实验逻辑流程㊂(2)用户界面模块㊂用户界面(U s e r i n t e r f a c e ,U I )模块的主要功能是控制系统中U I 的状态开闭与位移旋转㊂系统使用U G U I 系统,制作了主界面登录U I 和场景中的交互U I㊂用户在登录界面登录后,可进入船舱的初始位置开始教学㊂在教学过程中,用户通过V R手柄与U I 上的按钮面板进行交互,即可触发对应的U I 事件,包括知识学习㊁教学考核㊁步骤推进等㊂通过用户界面模块,系统实现了文本㊁影音知识的教学,和教学内容的递进引导㊂(3)动画控制模块㊂动画控制模块的主要功能是控制系统中的动画播放状态㊂系统使用动画控制器A n i m a t o r C o n t r o l l e r 对动画片段C l i p s 进行管理㊂通过设置动画状态的控制参数及不同动画间转换条件,实现对不同C l i ps 的播放切换㊂系统通过动画控制器,实现了对海风观测实验中风向风速仪旋转动画,和C TD 观测实验中的C T D 下放(见图7(a ))收回㊁采水器的开闭等动画播放控制㊂(4)用户交互模块㊂用户交互模块的主要功能是设置场景中用户的手柄触发操作㊂通过V RC o n t r o l l e r 设置虚拟现实手柄的交互方式,用户在场景中可通过手柄进行近距离点按交互和远程射线交互㊂场景中可交互的物体通过标签T a g s 进行标记,当用户的手柄进入其触发范围内时,可激发物体的对应事件,如移动㊁变色㊁消失等㊂当手柄发出的射线接触到地面的传送标记(见图7(b ))时,松开扳机键可触发场景传送功能,实现用户在船舱㊁过道和甲板上的便捷传送㊂此外,通过N e t w o r k i n g 网络框架,系统可实现多终端用户间的协同交互,极大提高了系统的互动性和趣味性㊂图7 C T D 下放(a )及传送标志(b)F i g .7 P l a c i n g C T D (a )a n dm o v i n gi c o n (b ) (5)仿真实现模块㊂仿真实现模块主要负责系统中海洋环境仿真及船舶运动仿真中的运算及渲染功能㊂海浪仿真通过将计算所得网格高度值实时更新到对应的海面渲染器中,实现了对动态变化海浪的模拟㊂船舶运动仿真在物体的包围盒B o u n d s 中生成指定大小的正方体体素,通过射线检测保留在物体网格M e s h 内的体素,并实时分析每个体素与海面的位置关系,最终实现对海面船舶运动的模拟㊂海风仿真基于风速数学模型,将实时计算结果赋予粒子系统的E m i s s i o n 模块,实现对风速时变的海风模拟㊂风海流仿真在海风仿真的基础上,添加粒子拖尾迹线和随机误差,实现对海面表层风海流的模拟㊂(6)光学定位模块㊂光学定位模块主要负责场景中光学定位功能的实现㊂整个光学定位系统由12部F l e x 13摄像头组成,系统可在5mˑ6m 大空间内对多个目标的光学定位㊂视觉定位技术可以分为主动式视觉定位与被动式视觉定位[18]㊂系统采用的被动定位技术是由不同位置的相机拍摄同一场景,并通过对多幅图像中同一点的位置进行计算,来获得该点在空间内的三维坐标㊂本文定位系统使用多目立体视觉模型(见图8),其优势在于弥补了双目立体视觉定位易受环境干扰的缺陷,捕获的图像信息可以经过多次计算,可降低空间点的坐标估计误差㊂图8 多目立体视觉模型F i g.8 M u l t i -v i e ws t e r e o v i s i o n -b a s e dm o d e l 3.3基于虚拟海洋环境的观测实验3.3.1海风观测 海风观测实验使用风向风速仪(见图9(a))作为测量工具,模拟了对东方红2号顶部甲板的风速风向测量㊂在海风速测量实验中,学员通过操作手中的V R 手柄进行风速测量学习㊂实验开始后,虚拟场景中的V R 手柄将会替换为风向风速仪模型,晃动风向风速仪即可开始对场景内的风速㊁风向进行测量㊂风向风速仪的中央屏幕会显示当前位置的实时风速,单位为m /s,同时风杯旋转指示风力大小㊂风向风速仪上方的风标旋转指示风向,单位为(ʎ)㊂如图9(b)所示,学员在场景中手握风向风速仪并保持高举1m i n ,记录风向风速仪显示的平均风速和观察到的最多风向,完成风向风速测量实验㊂511Copyright ©博看网. All Rights Reserved.中 国 海 洋 大 学 学 报2023年((a )风向风速仪,(b )应用场景㊂(a )A e r o v a n e ;(b )A p pl i c a t i o n s c e n a r i o s .)图9 海风观测F i g.9 S e a b r e e z em e a s u r e m e n t 3.3.2虚实结合的C T D 观测实验 温盐深是海洋物理学的重要参数,是海洋水文观测的基本要素[19]㊂温盐深测量仪(C o n d u c t i v i t y ,t e m p e r a t u r e ,d e p t h ,简称C T D )是海洋研究观测中的重要设备,能够精确获取水体的温盐深数据[20]㊂C T D 由水下单元㊁甲板单元和采水系统三部分组成,其主要功能是采集不同层位的海水㊂实验采用的S B E -911型C T D 采水系统,其搭载的各类高精度传感器可以采集海水的温度㊁盐度㊁压力㊁叶绿素㊁溶解氧等基础观测要素[21]㊂实验设计了C T D 观测实验,包含甲板单元介绍㊁采水单元安装㊁C T D 下放回收等内容㊂实验采用动作捕捉技术设计虚实结合的互动模式,在场景内配置了实体的C T D 采水系统,并放置多个光学M a r k 点进行标记㊂实验过程中深度相机捕获M a r k 点标志,并与M o t i v e 软件中的光学刚体端点进行匹配,将M a r k 点在现实坐标系中的坐标同步给空间坐标系中的光学刚体,然后将光学刚体坐标同步给仿真场景中对应三维模型,从而实现C T D 采水系统在现实场景与仿真场景中的状态同步㊂图10中,学员通过佩戴动作捕捉手套,可实现对现实场景和虚拟场景中C T D 采水设备的同步操作㊂虚实结合的互动方式能极大增强交互的真实感和交互性,从而提高观测实验的系统效果㊂图10 虚实结合交互F i g .10 C o m b i n a t i o n i n t e r a c t i o n o f v i r t u a l i z a t i o n a n d r e a l i t y4 结语本文将虚拟现实技术应用在海洋环境仿真中,通过船只建模及其运动仿真构建虚拟海洋环境观测载体,研究了以海浪仿真㊁海风仿真㊁海流仿真为核心的虚拟海洋环境仿真技术,并在此基础上设计实现了交互式虚拟海洋仿真系统,逼真还原了出海实践教学中海风观测和C T D 观测两大实验内容,扩展了海洋实践教学的形式,提高了海洋人才的培养质量㊂本文通过研究虚拟海洋环境仿真中的多项关键技术,实现了基于实践教学的海洋仿真交互式系统,对涉海高校实践教学的新型模式进行了探索㊂交互式虚拟海洋仿真系统在一定程度上弥补了当前高校海洋调查船难以满足人才培养需求的缺陷,避免了真实海洋实践过程中可能的安全隐患㊂虽然现阶段虚拟仿真系统无法完全取代真正的出海实践教学,但它可作为高校出海实践的有效补充,以提高教学资源的利用效率并缩短海洋人才的培训周期㊂随着海洋环境仿真技术与交互技术的进一步发展,虚拟海洋仿真技术将在高校海洋实践课程中获得更广泛的应用㊂参考文献:[1] 林昆勇.中国海洋科技创新发展的历程㊁经验及建议[J ].科技导报,2021,39(20):19-32.L i nKY .T h e c o u r s e o f i n n o v a t i o n a n d d e v e l o p m e n t o f C h i n a 'sm a r i n e s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y :Ar e v i e wo f e x p e r i e n c ea n dc o u n t e r m e a s u r e s [J ].S c i e n c e&T e c h n o l o g y R e v i e w ,2021,39(20):19-32.[2] 隋江华,李昕,张堂伟.海上专业虚拟仿真教学中心建设的实践探讨[J ].航海教育研究,2015,32(3):70-75.S u i JH ,L iX ,Z h a n g T W.P r a c t i c ea n dd i s c u s s i o no nt h ec o n -s t r u c t i o n o f v i r t u a l s i m u l a t i o n t e a c h i n g c e n t e r f o rm a r i n e s p e c i a l t y [J ].M a r i t i m eE d u c a t i o nR e s e a r c h ,2015,32(3):70-75.[3] 田慧娟,周立,汤均博,等.海洋实践教学观测平台的建设与应用探索[J ].实验技术与管理,2020,37(11):261-263.T i a nHJ ,Z h o uL ,T a n g JB ,e t a l .E x pl o r a t i o no nc o n s t r u c t i o n a n d a p pl i c a t i o n o f o b s e r v a t i o n p l a t f o r mf o rm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h -i n g [J ].E x p e r i m e n t a lT e c h n o l o g y a n d M a n a ge m e n t ,2020,37(11):261-263.[4] D a n g x i a oW ,Y u a nG ,S h i y i L ,e t a l .H a p t i c d i s p l a yf o r v i r t u a l r e -a l i t y :P r og r e s sa n dch a l l e n g e s [J ].Vi r t u a lR e a l i t y &I n t e l l i ge n t H a r d w a r e ,2019,1(2):136-162.[5] 王顺利,康凤举,徐建华.通用化海浪仿真关键技术研究[J ].系统仿真学报,2017,29(2):381-386.W a n g SL .K a n g FJ,X u JH.R e s e a r c ho n g e n e r a l o c e a n s i m u l a -t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f S y s t e mS i m u l a t i o n ,2017,29(2):381-386.[6] 郭晓非,朱俊利,万剑华,等.基于C e s i u m 的海洋环境要素三维可视化研究[J ].海洋科学,2021,45(5):130-136.G u oXF ,Z h u J L ,W a n JH ,e t a l .3Dv i s u a l i z a t i o n o fm a r i n e e n -v i r o n m e n t a l e l e m e n t s b a s e d o nC e s i u m [J ].M a r i n e S c i e n c e s ,2021,45(5):130-136.[7] P u i g -C e n t e l l e sA ,R a m o sF ,R i p o l l e sO ,e ta l .V i e w -d e pe n d e n t t e s s e l l a t i o na n ds i m u l a t i o no fo c e a ns u rf a c e s [J ].T h eS c i e n t i f i c W o r l d J o u r n a l ,2014(2014):1-12.[8] 薄文波.海洋环境仿真系统的若干问题分析[J ].电子世界,2018(23):43-44.B oW B .A n a l y s i so f p r o b l e m s i n m a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n 611Copyright ©博看网. All Rights Reserved.7期韩勇,等:虚拟海洋环境仿真关键技术与应用研究s y s t e m[J].E l e c t r o n i c sW o r l d,2018(23):43-44.[9]黄松兴,焦甲龙,陈超核.方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略[J].浙江大学学报(工学版),2021,55(8):1473-1481.H u a n g SX,J i a o JL,C h e nC H.S h i p m o t i o nr e s p o n s e s i nc r o s sw a v e a n d r e l a t e d s a f en a v i g a t i o ns t r a t e g y[J].J o u r n a l o fZ h e j i a n g U n i v e r s i t y(E n g i n e e r i n g S c i e n c e),2021,55(8):1473-1481. [10] K a u f m a nA,C o h e nD,Y a g e l R.V o l u m e g r a p h i c s[J].C o m p u t e r,1993,26(7):51-64.[11]张文桥.动态海浪建模与仿真的关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2017.Z h a n g W Q.R e s e a r c ho nK e y T e c h n i q u e so fD y n a m i cO c e a n W a v e M o d e l i n g[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,2017. [12]B a d u l i nS I,Z a k h a r o vVE.T h e P h i l l i p s s p e c t r u ma n d am o d e l o fw i n d-w a v e d i s s i p a t i o n[J].T h e o r e t i c a l a n dM a t h e m a t i c a l P h y s i c s, 2020,202(3):309-318.[13] N o u g u i e r F,G uér i nCA,C h a p r o nB. C h o p p y w a v e m o d e l f o rn o n l i n e a r g r a v i t y w a v e s[J].J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h: O c e a n s,2009,114(C9):1-16.[14]王国峰,赵永生,范云生.风速风向测量误差补偿算法的研究[J].仪器仪表学报,2013,34(4):786-790.W a n g GF,Z h a oYS,F a nYS.R e s e a r c ho n e r r o r c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mf o rw i n d s p e e da n dd i r e c t i o nm e a s u r e m e n t[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u m e n t,2013,34(4):786-790. [15]张真源,刘国荣,杨小亮,等.基于R B F神经网络的参数自适应P I D变桨控制器的设计[J].电力系统及其自动化学报,2020,32(5):16-23.Z h a n g ZY,L i uGL,Y a n g XL,e t a l.D e s i g n o f R B F n e u r a l n e t-w o r k b a s e d p a r a m e t e r a d a p t i v e P I D p i t c h c o n t r o l l e r[J].P r o c e e d-i n g s o f t h eC S U-E P S A,2020,32(5):16-23.[16]陈邦杆,洪广鹏,胡宗敏.码头设计流速探析[J].水运工程,2016(2):76-80.C h e nBG,H o n g G P,H uZ M.O nd e s i g n e df l o wv e l o c i t y o fw h a r f[J].P o r t&W a t e r w a y E n g i n e e r i n g,2016(2):76-80.[17]韩庆楠.基于电子海图系统的海流对船舶航迹影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.H a nQ N.R e s e a r c h o f t h e I n f l u e n c e o f t h eO c e a nC u r r e n t o n t h eS h i p T r a c kB a s e do nE C D I S[D].H a r b i n:H a r b i nE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t y,2008.[18] D e n g FP,H o n g G,Z h a n g S,e t a l.R e s e a r c h o nM o t i o nS e n s i n gI n t e r a c t i o nT e c h n o l o g y B a s e do nH T CV i v e[C].X i'a n:I n t e r n a-t i o n a l C o n f e r e n c e o nM a c h i n e r y,M a t e r i a l s a n d I n f o r m a t i o nT e c h-n o l o g y A p p l i c a t i o n s,2017.[19]张龙,叶松,周树道,等.海水温盐深剖面测量技术综述[J].海洋通报,2017,36(5):481-489.Z h a n g L,Y e S,Z h o uSD,e t a l.R e v i e wo fm e a s u r e m e n t t e c h-n i q u e s f o r t e m p e r a t u r e,s a l i n i t y a n d d e p t h p r o f i l e o f s e aw a t e r[J].M a r i n e S c i e n c e B u l l e t i n,2017,36(5):481-489.[20] H a n b a iF,A nP,M i a o m i a oQ.R e s e a r c ho nE x p e n d a b l eS e a w a t e rC o n d u c t i v i t y M e a s u r e m e n t S y s t e m[C].D a l i a n:20102n d I n t e r n a t i o n-a l C o n f e r e n c e o nS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m s.I E E E,2010(1):115-118.[21]柴永平,占祥生.M V P在综合调测中对多波束声速改正的应用[J].海洋技术学报,2019,38(6):30-34.C h a i Y P,Z h a n X S.A p p l i c a t i o no f t h e M V Pf o r m u l t i-b e a ms o u n d v e l o c i t y c o r r e c t i o n[J].J o u r n a l o f O c e a nT e c h n o l o g y,2019, 38(6):30-34.R e s e a r c h o nK e y T e c h n o l o g i e s a n d I m p l e m e n t a t i o n o nV i r t u a l M a r i n eE n v i r o n m e n t S i m u l a t i o nH a nY o n g1,2,H u a n g J i a c h e n1,M aC h u n y o n g1,2,Y a n g J i e1,2,C h e nG e1,2(1.F a c u l t y o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,Q i n g d a o266000,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r yf o rR eg i o n a l O c e a n o g r a ph y a n dN u m e ri c a lM o d e l i n g,P i l o tN a t i o n a l L a b o r a t o r y f o rM a r i n e S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y(Q i n g d-a o),Q i n g d a o266237,C h i n a)A b s t r a c t: V i r t u a lm a r i n ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o n i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t ou n d e r s t a n da n dr e s e a r c h o c e a n.T h e p a p e r u t i l i z e d v i r t u a l r e a l i t y a n d v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y t o r e s e a r c h t h e s i m u l a t i o n o f w a v e, s e a b r e e z e,w i n d c u r r e n t a n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s i n v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t,a n d d e v e l o p e d a n i n t e r a c t i v e v i r t u a l o c e a n s i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do n t h e r e s e a r c h r e s u l t s.C o m b i n e dw i t h t h e a b u n-d a n tm a r i n e p r a c t i c a l t e a c h i n g e x p e r i e n c e o f O c e a nU n i v e r s i t y o f C h i n a,t h e D o n g f a n g h o n g2m a r i n e s u r-v e y v e s s e l w a sm o d e l e d i n t h r e e d i m e n s i o n s,a n d i t sm o v e m e n t o n t h e s e aw a s s i m u l a t e d b y v o x e l a n a l y-s i sm e t h o d.I n t h i sw a y,a v i r t u a lm a r i n e e n v i r o n m e n t o b s e r v a t i o n c a r r i e rw a s c o n s t r u c t e d.T h e s y s t e m d e s i g n e d o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t s b a s e d o n p r a c t i c e t e a c h i n g o fm a r i n e r e l a t e d s p e c i a l t y,r e s t o r i n g t h e s e a b r e e z em e a s u r e m e n t a n d C T Dm e a s u r e m e n t.I n t h i s w a y,i t c a n e f f e c t i v e l y a l l e v i a t e t h e s h o r t a g e o f t e a c h i n g r e-s o u r c e s i n r e l a t e d u n i v e r s i t i e s,a n d s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e t r a i n i n g q u a l i t y o fm a r i n e t a l e n t s.K e y w o r d s: v i r t u a l o c e a n;s e aw a v es i m u l a t i o n;s h i p s i m u l a t i o n;o b s e r v a t i o ne x p e r i m e n t;p r a c t i c a l t e a c h i n g责任编辑庞旻711Copyright©博看网. All Rights Reserved.。
虚拟现实及其在海洋技术中的应用
全作业 、 优化仪器设备设计和技能技术培训等提 ２ ４海洋空间的利用 供更为有效 的手段 。 随着人 口增多 ， 经济活动的开展 ， 适合人 类 ２ ． ２海洋工 程作业模拟 活动 的空间似乎越来越小 ， 广大沿海地区表 现得 浩瀚的海洋 蕴藏着 丰富地海底 矿产资 源 ， 最为突 出。 现代海洋空间利用就是指为 了发展生 其 种类之多 、ｄ Ｉ ｌ ／之大 、 —￣ Ｖ 品位之高 ， 是陆地 同类矿 产和改善生活的需要 ， 把海上 、 海中、 海底和海岸 产无法 比拟的。但是 由于海洋特殊的环境 ， 海底 带 的空间用作 交通 、 生产 、 储藏 、 军事 、 居住 和娱 矿 产的勘探和开发要 比在陆地困难的多， 具有技 乐场所的海洋开发活动。 也就是说未来的海洋会 术密集 、 资金密集和风险大的特点。若将虚拟现 成为人们重要的生存空间， 工作、 生活、 学习和娱 实技术应用到海洋矿产的勘探开发中， 以发挥 乐等都可以在海洋中进行 。 可 那么如何使 ＾ 们了解 它强大 的优势。虚拟现实系统对开采 过程 、 生产 海洋 、 熟悉海洋 ， 克服恐惧 ， 最终融人海洋就成为 系统等进行动态三维实时模拟 ， 并允许操作人员 了人类走 向海洋 的一个关键 问题 。在对海洋 世 与系统进行交互作用 ， 实时控制各设备及生产过 界 、 海洋生活 的宣传 中， 虚拟现实技术可 以扮 演 程。 从而可 以立体、 直观 、 系统地认识整个开采作 个重要 的角色 ， 为人们展现多姿多彩 、 妙趣横 业 过程 ，以便更进一步完善开采系统的分析 、 设 生 的海洋生活 ， 解答人们关心忧虑 的问题 ， 当 充 计和优化 ， 更科学 、 合理地监控和管理生产 ， 最终 人类进入海洋 的“ 领路人” 。 经 成为 可 能 。 达 到节省资金 ， 降低风险的目的。 例如 ， 在宣传销售海底住宅时 ， 房产商可 以 虚拟现实技术 的特点在于计算机能够产生 例如 ， 某公司要开发—个海上油田。那么他 利用虚拟现实技术对其住宅及周围环境进行三 种人为虚拟的环境， 这种虚拟的环境是通过计 就可 以先建立一个 “ 海上油 田开发虚拟现实” 系 维模拟。 客户通过虚拟现实系统可 以观察住所 的 算机图形构成的三维立体空间 ， 或是把其它现实 统。 系统首先对油田所在海 区的水文、 该ห้องสมุดไป่ตู้地质 、 气 外观 、 水下环境及周 围设施等 ， 而且它还允许客 环境编制到计算机中去产生逼真 的“ 虚拟环 境” 候等建立一个三维环境模型 。 ， 该模型可 以模拟海 户“ 进入” 系统 ， 带领客户从陆地通过海底隧道 ， 从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环 上风暴、 巨浪、 海底水压、 水流速度等各种海上油 直达海底住宅 ，进入住宅内部参观室内设计 ， 允 境的感觉。这种技术 的应用 ， 了人们利用计 田作业的 自然条件 ， 改进 以测试检验工程设计的可靠 许客户通过各种交互手段控制室 内设备， 并且还 算机进行多工程数据处理的方式 ， 尤其在需要对 性和 安全性 。该 系统还可 以模拟钻井系统和过 可以就客户关心的各种问题给予形象的解答 ， 如 大量抽象数据进行处理时。同时， 它在许多不同 程 、 油系统 和过程 、 采 事故应对与处理系统和过 演示垃圾 的处理过程 ， 给水 、 供电系统出现故障 领域的应用， 可以带来巨大的经济效益。 火灾的预防和处理等等 。从而客 程等等。 这样在未实际动工前—个完整的海上油 时的应对措施 ， ２虚拟现实在海洋技术中的应用 田的开发计划就 已经立体地呈现在眼前。 开发者 户可以从方便性 、 安全性 、 可靠性 、 经济性 、 实用 以此 性 等方面充分认识 和了解海洋生活 ， 伴随着科学技术 的迅猛发展 ，伴随着当今 可 以通过与 系统的交互作用改变各种参数， 最终打消顾 人类赖 以生存 的地球陆地所面临的严重挑战 ： 人 观察油 田 作业 中的各种过程 、 各个过程的衔接与 虑 ， 接受海洋生活方式 。 口 膨胀、 环境恶化 、 资源枯竭等问题， 人们把 目光 转换和可能出现的各种情况 ， 如遭遇暴风雨 、 出 虽然人类距真正进入海 洋生活还有很 长的 投向 占 地球表面积 ７ ％的海洋。２ 世纪将是海 现井下事故等等 ， １ １ 以及相应的应对处理措施是否 段路要走 ， 但是虚拟现实技术在这方 面的 巨大 洋开发的世纪。 这个新世纪的重要标志之一就是 得 当等等， 从而保证在逻辑上、 理论上、 技术上设 作 用不容忽视 ， 其应用前景也不容小窥 。 海洋技术 ， 特别是海洋高技术 的发展。 计 出完善、 高效的生产 系统。这样经过充分 的设 ２ ． ５海洋技术的教育与培训 ２１ ．海洋技术 计、 、 论证 检验后再进行施工 ， 就可以大大降低开 海洋技术 的学科特 点 是实用性强 ， 与复杂的 海洋技术是一门主要研究为海洋科学 调查 发风险 ， 节约投入资金且提高生产效率 ， 从而可 海洋环境结合紧密 ， 理论抽象 ， 不易理解 ， 难于想 和海洋开发提供一切手段与装备的新兴学科 ， 是 以获得更大 的经济效益 。 象。 这对理论教学和技能培训提 出了挑战。 由于 当代最重大的新技术领域之一 ， 几乎涉及 当代所 与海底石油 的开采 同样 ，虚拟现实技术还 虚拟现实技术可以彻底打破时空限制 ， 能够为学 有的科学技术 ， 实际上是各种通用技术和现代最 可 以应用在其它的矿产开采工程作业中， 只需根 生提供 一个生动、 逼真的学习环境 ， 允许学生 并 新技术在海洋这个特殊环境中的应用和发展。 海 据不同的开采过程 ， 建立不同的虚拟现实系统。 成为虚拟环境中的一名参与者 ， 因此可 以将虚拟 洋技术是海洋科学发展 的必要条件， 它的每—个 ２ 新仪器设备 的开发 ． ３ 现实技７ 应用于海洋技术的教育和培训中， Ｉ 建立 重大突破 ， 都对海洋基础科学发展产生重大 的推 虚拟现实技术用于大型设施 、设备 的设计 虚拟课堂和实验室 。在虚拟课堂上 ， 学生可 以进 动作用。 和制造 已有许多成 功的实例。 把虚拟现实技术用 入 几千米以下的深海海底观看机器人 的水 下作 但是 ， 由于海洋的特殊 自然环境条件 ， 如海 于对 海洋作业 设备 的设计方 案进行 可视 化的性 业 ；可 以登上海 上平 台了解海底石油 的开采过 洋水深 、 浪大 、 海洋中高压 、 黑暗、 温等严酷条 能评估 ， 低 则更显示 出虚拟现实技术的优势 。由于 程 ；可以在几分钟 内看到地壳几千年的变化， 理 件， 给海洋研究和开发带来了很大 困难 ， 也给海 海洋 环境复杂、 水下能见度低 ， 因此对水下 设备 解各种矿藏的形成过程 ， 虚拟实验室还可以帮组 洋技术提 出了 多很高的要求 。 前 ， 许 目 世界各 国， 的设计 、 运行、 维修都提出了很高的要求。 采用虚 学生在远离海 洋的情 况下锻炼各种海上海下作 包括技术最先进 的国家 ， 对海洋的探测和开发不 拟现实技术来设计设备 ， 设计人员可以在不必制 业技能 ， 训练使用各种作业设备。 如陆地 ， 甚至太空 。许多陆地上已经成熟的技术 造样机的前提下 ，通过电脑 的三维空间图像 ， 借 为学生建立虚拟 的学习环境 ， 使学生在虚拟 却难以适 用于海洋环境 ， 须重新 改造 ， 多的 助多种交互 手段 ，直接对设备 的设计修 改和完 环境中扮演—个角色 ， 必 更 这对调动学生 的学习积极 则要创新和开拓 。 由于虚拟 现实技术的思维构想 善 ， 并在 虚拟 的海洋环境中测试其性 能， 检验其 性 ， 突破教学 的重点、 ， 难 培养学生 的技能都将 性 ， 以实现一切想象中的事物 ， 以可以利用 可靠性和安全性 。 可 所 从而大大地缩�
数字海洋
4.海洋虚拟现实
水面折射反射效果
4.海洋虚拟现实
海底光束
海面光影效果图
4.海洋虚拟现实
帆船仿真
4.海洋虚拟现实
鱼群效果仿真
4.海洋虚拟现实
溢油效果仿真
5.海洋数据可视化
数据可视化主要旨在借助于图形化手段，清晰有效地传达与 沟通信息。为了有效地传达思想概念，美学形式与功能需要齐头 并进，通过直观地传达关键的方面与特征，从而实现对于相当稀 疏而又复杂的数据集的深入洞察。利用图形、图像处理、计算机 视觉以及用户界面，通过表达、建模以及对立体、表面、属性以 及动画的显示，对数据加以可视化解释。
水下机器人
2.海洋生物
与陆地相比，海洋生物的研究起步晚, 力量相当薄弱, 被描 述的海洋物种较少，但在某些方面，海洋生物却更加丰富多彩。 如海洋中生活着世界上尚存的33个动物门中的32门，其中15门完 全是海洋生物。珊瑚礁，就像热带雨林一样，以高物种多样性而 著称，最近的证据表明，在深海也有可能有非常高的物种多样性 。由于许多海生物种以化学方法保护自己，海洋生物多样性是重 要的新药源泉。海洋生物多样性也为人们提供了多种观赏种类和 景观。
1.1海洋遥感
与世界先进水平相比，总体上我国差距较大，主要表现在我 国海洋卫星工程起步晚、星载仪器的飞行会小、海洋卫星地面应 用系统基本建成但业务化应用还需完善等方面。为此，要坚持独 立研制；建立海洋卫星体系，逐步形成业务化运行能力；要实行 军民结合，综合利用；重视关键技术储备；同时发展卫星海洋的 应用；积极参与国际合作
数字海洋
它是：
“数字海洋”随“数字地球”理念应运而生，它通过卫星、 遥感飞机、海上探测船、海底传感器等进行综合性、实时性、持 续性的数据采集，把海洋物理、化学、生物、地质等基础信息装 进一个“超级计算系统”，使大海转变为人类开发和保护海洋最 有效的虚拟视觉模型。
基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究
基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究一、概要随着科技的飞速发展，虚拟地球技术已经逐渐走进了我们的生活。
在这个信息爆炸的时代，如何更好地利用这些技术来提高我们的工作效率和生活质量呢？本文将重点研究一种基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化方法，以期为我国海洋环境的保护和可持续发展提供有力支持。
在这篇文章中，我们首先会介绍虚拟地球的基本概念和技术原理，让读者对这个领域有一个初步的了解。
接下来我们将详细阐述基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化的研究方法和实现过程，包括数据的获取、处理、分析以及可视化展示等环节。
此外我们还将探讨这种方法在实际应用中可能遇到的问题和挑战，以及如何克服这些困难，使之更加完善和实用。
1. 研究背景和意义随着科技的发展，人们对海洋环境数据的可视化需求越来越高。
而传统的二维地图无法满足人们对于海洋环境数据多维度、立体化展示的需求。
因此本研究旨在探索一种基于三维虚拟地球技术的海洋环境数据动态可视化方法，以便更好地展示和分析海洋环境数据。
三维虚拟地球技术是一种将地理信息与计算机图形学相结合的技术，可以实现地理信息的立体化展示。
通过这种技术，我们可以将海洋环境数据以三维的形式呈现在用户面前，使得用户可以更加直观地了解海洋环境的状况。
同时本研究还将探讨如何利用动态效果来增强可视化效果，使得用户可以在观察到海洋环境数据的同时，感受到其变化趋势。
本研究的意义在于：首先，它可以提高人们对海洋环境数据的认识和理解；其次，它有助于政府部门制定更加科学合理的海洋环境保护政策；它还可以为海洋科研工作者提供一种新的可视化方法，有助于他们更好地开展研究工作。
2. 国内外研究现状海洋环境数据的可视化一直是一个备受关注的研究领域，因为它不仅有助于我们更好地理解和分析海洋环境，还能够帮助我们预测未来的海洋环境变化。
近年来随着科技的发展，尤其是计算机图形学和虚拟现实技术的进步，基于三维虚拟地球的海洋环境数据动态可视化研究已经成为了一个热门的研究方向。
黄吴蒙-面向虚拟地球的海面动态可视化方法
5
实验与讨论
2 面向虚拟地球的海面格网组织
N(90,0)
影像 海域分布
B
max
,Lmin
B
max
,Lmax
第i层
B
W(0,-180)
min
,Lmax
分层分块
B
min
,Lmin
E(0,180)
风场
海水深度
S(-90,0) (a)虚拟地球 (b)空间数据库
第j层 (c)海面网格金字塔
[1]明德烈, 徐秋程, 李向春. 面向全球应用的海洋仿真系统的实现研究[J]. [2]Yang X, Pi X, Zeng L, et al. GPU-based real-time simulation and rendering of unbounded ocean surface[C].
5 实验与结论
纬度
������������������, ������������������, ������ + ������������, ������ + ������������, ������ + ������������
（a）当前海域的位移纹理
（b）某一时刻的海面格网
构建当前海域的位移纹理 在着色器中根据格网点的经纬度坐标 和帧率采样位移纹理得到偏移值 III. 将偏移值叠加在格网点原来的坐标上 I. II.
5 实验与结论
本文方法海面远景效果
相邻格网之间 不存在缝隙问 题 不同尺度格网 过渡平滑 海陆分界清晰
5 实验与结论
本文方法海面近景效果 投影网格法海面近景效果
实现较为精细的海 陆分界
海水覆盖陆地的问题 较难解决
海洋环境模拟与预测技术设计
海洋环境模拟与预测技术设计1. 研究背景与意义海洋环境是地球上最广阔的生态系统之一，对全球气候变化、生态系统平衡以及人类社会的可持续发展具有重要影响。
然而，海洋环境的复杂性和不可预测性使得对其进行准确模拟和预测成为一项具有挑战性的任务。
为了更好地理解和保护海洋环境，海洋环境模拟与预测技术设计成为了当今海洋科学研究的重要方向。
2. 海洋环境模拟技术设计2.1 数值模型数值模型是进行海洋环境模拟与预测的基础工具之一。
通过数学方程对流体运动、热传输、盐度变化等进行描述，并借助计算机技术进行数值求解，可以得到海洋中各种物理过程的时空分布。
常用的数值模型包括地球系统模式（ESM）、大气-海洋耦合模式（AOGCM）、波浪动力学模型等。
2.2 数据同化数据同化是将观测数据与数值模型相结合，通过优化算法将观测数据融合到数值模型中，以提高模型的准确性和可靠性。
常用的数据同化方法包括最优插值方法、卡尔曼滤波方法、变分同化方法等。
数据同化可以有效地改善数值模型的初始场和边界条件，提高海洋环境模拟和预测的准确性。
2.3 网格划分与离散化海洋环境模拟与预测需要对海洋空间进行离散化处理，将连续的物理过程转化为离散的数值计算问题。
网格划分是将海洋空间划分为若干个小区域或网格单元，常用的网格包括经纬度网格、正交曲线坐标网格等。
离散化是对物理过程进行数值逼近，常用的方法包括有限差分法、有限元法、有限体积法等。
3. 海洋环境预测技术设计3.1 气象与气候预测气象与气候对海洋环境起着重要影响。
气象预测可以通过数值天气预报模型对大气运动进行模拟，从而提供风速、风向等重要参数供海洋环境模型使用。
而气候预测则是对长期气候变化进行预测，可以为海洋环境的长期变化趋势提供参考。
3.2 海洋动力学预测海洋动力学预测是对海洋流场的变化进行模拟和预测，包括海流、海表面高度、海温等。
通过数值模型和数据同化技术，可以对海洋动力学过程进行准确模拟，并提供实时的流场信息，为航行安全、渔业资源管理等提供重要参考。
基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟
基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【摘要】Based on a finite-volume coastal ocean model (FVCOM) , adopting an unstructured triangle grid, a three-dimensional tide and tidal current numerical modeling with high resolution (26 m) is applied to Quanzhou Bay. The simulated results agree well with the observed data from two tide-gauges and three continuing current stations , and reproduce the distribution features of the tide and tidal currents in the Quanzhou Bay famously. The distributions of co-tidal charts and tidal ellipses on the surface layer for four major constituents (M2 , S2, K1 ,O1) are obtained. What's more, the distributions of the maximum probable tidal range and tidal currents velocity and tidal residual currents on the surface and bottom layers are obtained, too. By analyzing, the maximum tidal amplitude and phase-lag range for the four constituents are 219 cm and 19°,85 cm and 25°,26 cm and 12°,26 cm and 9°, respectively. The tidal wave is anti-clockwise standing wave in the east area of Shihu Port, but it is advancing wave in the west area of Shihu Port. The maximum probable tidal range increases from 8. 0 m at the mouth of the bay to 8.8 m inside of the bay. The type of tidal currents is regular semi-diurnal currents inside of the bay, and the maximum velocity of ebbing is larger than flooding. The velocity in the channel of Beiwujiao is stronger than any other area, and the maximum probable tidal-current velocity is 2. 4 m/s on the surface layer. The flow is rotating with anti-clockwise mainly at the mouth of thebay, while rectilinear flow is mainly inside of the bay, such as estuaries and channels. And the directions of major axes are along with channels direction mainly, or paralleling with isobaths and coastlines. The maximum tidal current velocities for the four major constituents are 1. 4 m/s,0. 58m/s, 0. 12 m/s,0. 10 m/s on the surface layer, respectively. Tidal residual currents velocity is closely related to tidal currents, the maximum velocities on the surface layer, the middle layer and the bottom layer are 26 cm/s, 20 cm/ s, 16 cm/s, respectively. All of them are coming into the bay from north and going out of the bay from south.%基于FVCOM海洋数值模式,采用非结构的三角形网格和有限体积法,建立了泉州湾海域高分辨率(26 m)的三维潮汐、潮流数值模型.模拟结果同2个验潮站和3个连续测流站的观测资料符合良好,较好地反映了泉州湾内潮汐、潮流运动的变化状况和分布特征,给出了M2、S2、K1、O14个主要分潮的同潮图、表层潮流椭圆分布,以及模拟区域内最大可能潮差、表层最大可能潮流流速和潮余流分布.分析表明,4个分潮的最大潮汐振幅和迟角差分别为219 cm和19°,85 cm和25°,26 cm和12°,26 cm和9°；石湖港以东海域的潮波为逆时针旋转的驻波,以西海域为前进波；最大可能潮差由湾口的8.0m向湾内增加至8.8m.湾内潮流类型为规则半日潮流,落潮最大流速大于涨潮最大流速,北乌礁水道为强流区,表层最大可能潮流流速为2.4 m/s;湾口潮流运动以逆时针方向的旋转流形式为主,湾内的潮流运动以往复流形式为主,长轴走向主要沿着水道方向,与等深线和海岸线平行；四个分潮流表层最大流速分别为1.4 m/s,0.58m/s,0.12 m/s,0.10 m/s.余流流速大小与潮流强弱有密切的联系,表、中、底层最大余流流速分别为26 cm/s,20 cm/s,16 cm/s,三者在水平方向基本呈北进南出的分布形态.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】10页(P15-24)【关键词】泉州湾;潮汐;潮流;FVCOM;潮余流【作者】林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【作者单位】泉州市环境监测站,福建泉州362000;国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京100081;中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;国家海洋局海洋减灾中心,北京100194【正文语种】中文【中图分类】P731.231 引言泉州湾地处福建省东南沿海，台湾海峡西侧沿岸的中部，海域总面积211.24 km2，包括围垦面积45.70 k m2，滩涂面积84.84 k m2；海岸线总长229.61 km［1］。
海洋环境数值模拟与预报技术研究
海洋环境数值模拟与预报技术研究随着经济的发展和人口的增长，全球的海洋环境受到了越来越大的压力。
污染、气候变化、过度捕捞等问题日益严峻，对海洋生态系统和人类健康造成了严重威胁。
为了更好地理解海洋环境，及时发现和解决问题，海洋环境数值模拟与预报技术被广泛应用。
一、海洋环境数值模拟技术海洋环境数值模拟技术是基于海洋动力学、物理、化学、生物学等基础学科和海洋环境监测数据开展的，旨在模拟和预测海洋环境和生态系统的变化趋势。
这项技术主要包括海洋数值模型建立和参数优化、模拟实验和数据处理等内容。
1.1 海洋数值模型建立和参数优化海洋数值模型建立是海洋环境数值模拟技术的第一步，需要收集并处理监测数据、形成完整的模型框架和数值算法，同时确定各种因素的参数值。
有了模型，就可以模拟各种复杂的现象和预测不同的情形。
参数优化则是指对模型各项参数进行调整，以尽可能符合实际数据和观测结果，以提高模型精确度和可预测性。
1.2 模拟实验和数据处理模拟实验通常是通过计算机对建好的海洋数值模型进行微观的模拟和预测，得出各种参数在不同条件下的变化趋势和范围，预测海洋环境的发展趋势。
而数据处理是将监测、模拟、预报等数据进行处理，提取信息、统计特征以及进行综合分析的过程。
二、海洋环境预报技术海洋环境预报技术是基于海洋环境数值模拟技术，利用实时监测数据进行预测和提醒，以对海洋环境变化做出快速反应。
这项技术主要包括预警系统建立和预测模型优化等内容。
2.1 预警系统建立预警系统是指利用现代技术手段，通过对海洋环境监测数据进行实时分析和处理，及时发布和传播海洋环境变化的信息以及相应的应对措施。
预警系统主要包括预警信息采集、监测数据处理、信息发布和应急响应等环节。
2.2 预测模型优化为了让海洋环境预报技术更加准确和实用，预测模型的优化是至关重要的。
通过对历史数据和实时监测数据的分析，以及对数值模型的优化，优化预测模型的精度和可靠性，进一步提高预测水平。
海洋生态环境模型建模与预测技术设计
海洋生态环境模型建模与预测技术设计海洋生态环境模型建模与预测技术设计一、引言海洋生态环境是指海洋中生物、物理、化学等各个方面的综合环境，对于维护海洋生态平衡和保护海洋资源具有重要意义。
随着人类活动的增加和气候变化的影响，海洋生态环境面临着严重威胁。
因此，建立海洋生态环境模型，预测未来的变化趋势，是非常重要的。
二、海洋生态环境模型建立1. 数据收集与处理建立准确的海洋生态环境模型，首先需要搜集大量的观测数据。
海洋生态环境的复杂性和广阔性使得数据收集成为一项艰巨的任务。
现代科技的发展提供了很多数据收集手段，如遥感技术、声纳测量等。
同时，海洋生态环境模型的建立还需要对原始数据进行处理，包括数据清洗、插值、空间化等步骤。
2. 确定模型的结构和参数在进行模型建立之前，需要确定模型的结构和参数。
模型的结构指的是模型所包含的变量和它们之间的关系，模型的参数指的是模型中的一些未知或可调整的参数。
在海洋生态环境模型中，变量可以包括温度、盐度、营养物浓度、海洋生物种群等。
确定模型结构和参数的过程是一个迭代的过程，需要使用统计学的方法进行拟合和优化。
3. 模型建立与评估模型建立的过程是通过对已知数据集的拟合来确定模型的参数。
建立模型后，需要对模型进行评估，以验证模型的准确性和可靠性。
评估的方法可以是交叉验证，即将数据集划分为训练集和测试集，分别用于模型参数的估计和验证。
三、海洋生态环境模型预测技术设计1. 长期趋势预测通过对历史数据的分析，可以发现一些长期的趋势和周期性变化。
海洋生态环境模型可以利用这些信息，对未来的变化趋势进行预测。
可采用时间序列分析的方法，如ARIMA模型、指数平滑模型等。
2. 短期变化预测海洋生态环境的短期变化通常与气象因素和人类活动密切相关。
对于短期的变化预测，可以结合气象模型和人类活动的数据来进行建模和预测。
此外，还可以利用机器学习的方法，如神经网络、支持向量机等，对短期变化进行建模和预测。
海洋环流模型的最新进展
海洋环流模型的最新进展海洋环流是全球气候系统的重要组成部分，它直接影响着气候变化、生态系统、天气模式以及人类社会的活动。
随着气候变化的加剧，对海洋环流模型的研究变得愈发重要。
模型不仅帮助科学家们理解当前的海洋状况，还可以用于预测未来的变化趋势。
本文将探讨海洋环流模型的最新进展，包括其基本原理、研究方法、应用案例以及未来发展方向。
海洋环流模型基础海洋环流模型是为了模拟海洋中水体流动行为的数学工具。
这些模型通过物理方程（如纳维-斯托克斯方程）描述了水流动力学以及与之相关的热量、盐度等物理性质传播。
主要类型包括：大尺度环流模型：着重模拟整个海洋系统，如大型气候模式（例如全球气候模型GCM）。
中尺度环流模型：侧重于区域性的海洋特征，例如沿海和海峡区域。
小尺度环流模型：关注特定微观现象，如涡旋、潮汐等。
这些模型不仅依赖于数值计算，也结合了观测数据进行校正，确保模拟结果的精准性。
最新研究进展在过去几年中，海洋环流模型的研究取得了一些显著的进展，这些进展主要体现在以下几个方面。
新的计算方法随着计算机技术的发展，更加精确和高效的数值方法被应用到海洋环流模型中。
例如，使用高性能计算（HPC）平台，可以对较为复杂的方程进行更高分辨率的模拟。
这种技术允许研究人员捕捉微小规模上的动力学，从而提高了对环流模式理解的深度。
机器学习与人工智能的应用近年来，机器学习和人工智能（AI）技术在环境科学中的应用不断增加，这也同样适用于海洋环流模型。
通过机器学习算法，研究人员能够快速分析和预测不同条件下的海洋环流变化。
例如，基于大数据分析的方法能够从历史数据中提取非线性趋势，从而提供更精确的短期气候预报。
同时，这些新技术还可以用来优化现有模型，提高其运行效率和精度。
强化观测数据整合为了提升模型准确性，越来越多的新型观测手段被引入，包括卫星遥感、浮标监测及无人潜航器等。
这些手段提供了丰富的实时数据，使科学家能够更好地校正和验证他们的环流模型。
21440510
马劲松 ，朱大 奎 ．海 岸海洋 潮流模 拟可视 化 与虚拟 现实建 模 ［］ Ｊ ．测绘学报 ，２０ ，３ （ ） ９５ ． ０ ２ ｌ １ ：４ －３
詹 世平 ． 利用 ＧＳ进行海水污染物浓度分布的可视 化研究 ［ ］ Ｉ Ｊ．
大连理工 大学学报 ，２０ ０ ４，（ ） ０ －０ ． ４ ：５６５ ８
杨
旭，等 ． 基于 ＧＳ的地下水流可视化模拟系统研究 ［ ］ Ｉ Ｊ ．现
代测绘 ，２Ｏ ，（ ） ２１． ０ ５ ２ ：１ － ６
吴信才 。地理 信息 系统 的基本 技术 与发 展动态 ［ ］ 地 球科 Ｊ．
学一 中国地质大学学报 ，１９ ９ ８，（ ：３ ０３ ３ ４） ３ －３ ． 陈德春 ，等 ．浅析台州湾一椒江河 口水文特性 ［］ Ｊ ．水文，１９ ， ９８
告 已受理的环评 文件简要信 息 与审批 结 果 。第八 ，为 保证公 众 参与 的有效性 ，明确要 求建设单 位 应当在 报审 的环 评报 告
书 中附上对公众 意见采 纳或者 不采 纳的说 明 。暂 行办 法 同时 还对 编制和 审查 各类开 发建设规 划如何 征求 公众 意见 作 了相
（ ） ２５， ５ ：５ － ４
（） 合高级编程工具 Ｖ ３结 Ｂ和 ＧＳ Ｉ，开发 了 潮 流 模拟 可视 化 系统 ，系统 具有 友 好 、便 捷 的用 户 界 面 。 不 仅可 以实现 地理 信息 管理 功能 ，同 时针对 数值模 拟
・
（ 责任 编辑
林雁 庆 ）
简
讯 ・
圆明园经验 制度化
维普资讯
欧
剑， 等∥基于 Ｇ Ｓ的潮流数值模拟可视 化研究及应用 Ｉ
的需要 进行 前 、后处 理 ，实现 了与潮流 数值模 拟计 算
海洋生态环境监测数据处理技术研究
海洋生态环境监测数据处理技术研究海洋环境对于人类来说是至关重要的，它涉及到环境、气候、经济、生物等多个方面。
因此，通过对海洋生态环境的监测和数据的处理分析，可以更好地了解海洋生态系统及其变化趋势，为海洋保护和管理提供科学依据。
海洋监测数据的来源海洋生态环境监测的数据主要来源于传统的现场观测、探测仪器的测量、遥感技术、卫星遥感技术等。
这些数据涉及海洋水文、水动力、化学、生物等多个方面，如潮汐、海流、水温、盐度、pH值、溶氧量、营养盐含量、藻类、浮游动物、鱼类等。
这些数据的收集和处理是海洋生态环境监测的重要基础。
海洋监测数据的处理技术海洋监测数据处理技术是指利用计算机技术和数学模型对海洋监测数据进行分析、处理、计算、模拟、预测等，从而得到关于海洋生态环境状态和变化趋势的信息。
主要包括以下几个方面的技术。
1.数据采集和存储数据采集和存储是数据处理的第一步。
传统的现场观测和探测仪器采集的数据需要通过网络传输到数据中心进行存储。
卫星遥感技术和海洋观测平台的数据则需要通过卫星通信及时传输到数据中心。
数据中心需要建立可靠的存储系统，对数据进行分类、整理、编目、备份和存档等，确保数据的安全性和有效性。
2.数据质量控制数据质量控制是保证数据质量的关键，它包括数据审查、数据校正、数据插值、缺失值填充、异常数据处理等。
通过建立有效的质量控制体系，可以保证数据的准确性、完整性和连续性，提高数据的可信度和可用性。
3.数据预处理数据预处理是指对原始数据进行预处理，提取出有用的信息和特征，并进行数据降维和数据去噪等处理，以便数据分析和建模。
预处理技术主要包括数据降采样、特征提取、数据变换、滤波和去噪等。
4.海洋生态模型海洋生态模型是基于海洋环境监测数据建立的数学模型，用于分析和预测海洋生态环境的状态和变化趋势。
海洋生态模型主要包括生物数量模型、营养盐物质循环模型、生态系统模型等。
通过建立有效的模型，可以对海洋生态环境进行全面的监测、评估和管理。
虚拟现实在海洋生态系统模拟中的运用
虚拟现实在海洋生态系统模拟中的运用虚拟现实（Virtual Reality）是一种通过计算机生成的仿真环境，通过头戴式显示器、手柄控制器等设备，使用户可以身临其境地感受到虚拟环境的真实性。
近年来，虚拟现实技术在各个领域都得到了广泛的应用，其中包括海洋生态系统模拟。
本文将深入探讨虚拟现实在海洋生态系统模拟中的运用，并分析其优势和应用前景。
一、虚拟现实在海洋生态系统模拟中的优势虚拟现实技术在海洋生态系统模拟中具有以下几个显著的优势：1.身临其境的沉浸感：通过虚拟现实技术，使用者可以身临其境地感受到仿真海洋环境，包括海水的颜色、声音的传播以及海洋生物的行为等。
这种沉浸感可以增强用户对海洋生态系统的了解和感知。
2.灵活的交互方式：虚拟现实设备中的手柄控制器可以模拟用户在真实环境中的手部动作，使用户能够灵活地与模拟海洋生态系统进行交互。
例如，用户可以触摸虚拟海洋中的海洋生物，改变海洋底部的地貌等，从而深入了解海洋生态系统的运行机制。
3.真实性的可视化效果：虚拟现实技术可以实现高度逼真的图像渲染和模拟，将海洋生态系统的各个细节以三维形式呈现给用户。
用户可以通过虚拟现实设备感受到海洋中的光照、颜色、纹理等特征，进而更好地理解海洋生态系统的运行和演变。
二、虚拟现实在海洋生态系统模拟中的应用虚拟现实技术在海洋生态系统模拟中有多种应用方式，下面列举几个常见的应用领域：1.教育与科普：虚拟现实可以为学生和公众提供一个沉浸式学习环境，通过模拟海洋生态系统中的各种生物和生态过程，让学生更好地理解海洋生物多样性、食物链、气候变化等概念。
同时，通过虚拟现实的可视化效果，可以直观地展示海洋生态系统的复杂性和脆弱性。
2.科研与实验：虚拟现实可以提供一个安全而实用的环境，供科研人员进行海洋生态系统的模拟实验。
科研人员可以灵活地改变虚拟环境中的参数，观察和分析海洋生态系统的相互作用和影响，从而为实际海洋生态系统的保护和管理提供科学依据。
海洋数值模拟 实施方案
海洋数值模拟实施方案海洋数值模拟是一种重要的海洋科学研究工具，可以模拟和预测海洋的物理、化学和生态过程。
海洋数值模拟涉及数学、计算机科学和海洋科学的交叉领域，实施方案需要以下几个步骤：第一步，收集海洋数据。
海洋数值模拟需要大量的海洋数据作为模型输入，包括海洋观测数据、卫星遥感数据、气象数据等。
这些数据需要进行处理和预处理，以符合模型的要求和格式。
第二步，建立数值模型。
数值模型是实施海洋数值模拟的核心工具，可以用来模拟和预测海洋的物理、化学和生态过程。
建立数值模型需要根据具体研究问题选择合适的数学方程和模型参数，并进行适当的离散化和数值解法选择。
第三步，验证和调整模型。
建立好数值模型后，需要进行验证和调整以提高模型的准确性和可靠性。
验证可以通过比较模拟结果和实际观测数据进行，调整可以通过调整模型参数和改进数值解法进行。
第四步，设置边界和初始条件。
进行海洋数值模拟时，需要确定海洋模型的边界条件和初始条件。
边界条件是指模拟区域的边界上的物理和化学性质，初始条件是指模拟开始时的物理和化学性质。
边界和初始条件的确定需要依靠实际观测数据和模型处理。
第五步，进行数值模拟实验。
在确定边界和初始条件后，可以进行数值模拟实验。
数值模拟实验可以在计算机上运行数值模型，模拟和预测海洋的物理、化学和生态过程。
通过对不同参数和条件进行数值实验，可以揭示海洋系统的内在规律和机制。
第六步，分析和解释模拟结果。
模拟实验结束后，需要对模拟结果进行分析和解释。
分析可以通过统计和图表等方法进行，解释可以依据模型的假设和简化。
根据模拟结果可以得出新的结论和发现，为海洋科学研究和应用提供依据和指导。
最后，通过实施上述步骤，可得到准确、可靠的海洋数值模拟结果。
海洋数值模拟可用于科学研究、海洋资源开发、灾害预测和环境保护等方面，对于提高对海洋的认识和管理具有重要意义。
同时，海洋数值模拟也是一个不断发展和改进的领域，未来还需要进一步发展和完善数值模型和技术，提高模拟的准确性和可信度。
基于MATLAB的三维海浪模型数值仿真
基于MATLAB的三维海浪模型数值仿真齐宁;夏天;李文岩;赵立光【期刊名称】《电脑知识与技术》【年(卷),期】2013(000)025【摘要】海洋工程领域中的浮式结构物设计，需要精确计算海浪载荷，保证满足稳定性和安全性。
该文利用MATLAB对Longuet-Higgins长峰波海浪模型和三维不规则短峰波随机海浪模型进行了仿真研究。
结果表明，利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值，进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。
%The load on offshore structure generated by waves should be computed accurately, in order to keep the offshore struc-ture stability and security in the structure design in the ocean engineering. The mathematical models of Longuet-Higgins long crested waves and 3-D irregular short crested waves were learned in this paper by using MATLAB. The results showed that more precise wave map and wave height value can be gotten by using wave spectrum theory to simulate 3-D irregular wave.【总页数】3页(P5737-5739)【作者】齐宁;夏天;李文岩;赵立光【作者单位】海军92301部队,北京,100000;海军91053部队,北京,100071;海军91053部队,北京,100071;海军91053部队,北京,100071【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.基于三维海浪模型的海浪感应磁场模型研究 [J], 高胜峰;朱海;郭正东;蔡鹏;2.基于MATLAB轨迹规划的模型建立与数值仿真 [J], 刘延斌;金光;张炜3.基于三维海浪模型的海浪感应磁场模型研究 [J], 高胜峰;朱海;郭正东;蔡鹏4.基于MATLAB的海浪及船舶横摇仿真模型研究 [J], 刘鹏;籍艳;漆随平;王东明;宋文杰;孙佳5.基于Matlab的不规则海浪三维仿真 [J], 李晖;郭晨;李晓方因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于海洋谱模式的海洋环境建模技术研究
基于海洋谱模式的海洋环境建模技术研究海洋是地球最广阔、最神秘的领域之一，它覆盖了地球表面的71%。
因此，海洋环境建模技术的研究不仅能够帮助我们了解海洋生态及其物理化学过程，也对开发海洋资源、保护海洋环境、应对全球气候变化等都具有重要作用。
其中，基于海洋谱模式的海洋环境建模技术是一种较为常见的海洋环境建模技术。
一、什么是海洋谱模式海洋谱模式是指海洋领域内用来研究波浪、风浪、潮汐、海流等物理现象的一种模式。
海洋领域内的波动和振动现象十分广泛，使得海洋谱模式的应用变得尤为重要。
通过这种模式，我们可以了解海洋波浪、海洋气象和海洋生态等方面的内容。
海洋谱指的是海洋内潜在的波动和振动现象。
海洋谱模式的研究基于线性波动理论，通过计算机模拟，可以预测海洋内各种波动和流动现象。
这种模式可以被分为两类：一类是基于数值方法构建的谱模式，另一类是基于解析方法构建的偏微分方程模式。
二、海洋环境建模技术的研究海洋环境建模技术是利用计算机模拟技术，根据实际观测数据和先验知识，建立海洋环境的数值模型，以了解海洋环境的运动、变化等信息。
建模技术可以仿真模型的多种情况，从而揭示和预测海洋环境变化的趋势。
这样，我们可以更好地了解海洋环境及其变化趋势，进而为海洋环境保护、海洋资源开发等提供科学依据。
建模技术的研究由浅入深，包括数据采集、数据预处理、模型建立和结果分析等环节。
其中，数据采集和预处理是建立模型的基础。
根据海洋采样和观测数据，必须进行测量、传感器、数据传输等方面的接口调试和调整。
模型建立是整个建模过程中最为关键的部分。
在模型建立中，首先需要选择适当的建模方法和建模软件。
海洋谱模式就是广泛应用的一种建模方法。
然后需要设置好模型参数，确保模型能够准确、有效地模拟出实际的海洋环境。
三、基于海洋谱模式的海洋环境建模技术优势相比于其他模型方法，基于海洋谱模式的海洋环境建模技术具有以下优势：1、预测效果好。
基于海洋谱模式的模型算法能够纳入多种海洋物理因素和元素，可以准确模拟海洋中的浪高、流速、压力等参数，整体预测效果更加可靠和准确。
数字流域三维虚拟仿真系统综述_叶伟
个缺憾，可将流域及周边区域具有标志性的、重要的自然和人 文景观真实地呈现在人们的面前，可对多角度、多层次地进行 观察。
同时，数字流域导入具体水利专业建筑模型如水坝，水库， 监测站点等的三维电子沙盘接口，可用来准实时地监测水位， 监测人员，察看险情等。
近年来，国内在数字流域三维可视化方面取得了快速的发 展。清华大学基于 VRMap2 开发了黄河流域三维仿真系统。天 津大学开发了水利水电工程施工场地布置可视化演示系统。四 川大学也开始致力于将虚拟现实技术与水利工程结合的研究 等[7]。
真实模拟数字流域的水流效果需要建立真实的动态水流
动力学及运动学的微分方程模型，将模型通过编程进行数值求
解得到实时的数据。
数字流域的洪水模型包括流域水文模型和流域洪水演进
模型两部分。流域水文模型包括流域蒸发模拟，降雨产流模拟，
区域汇流模拟和区域出流模拟。洪水演进模型包括边界条件模
拟，零维水流模拟，一维水流模拟，二维水流模拟，区间入流模
摘 要：近年来，虚拟现实技术在我国得到了快速的发展，并应用于各行各业。文中主要综述三维虚拟仿真系统在以 三维可视化和仿真模拟为目标的数字流域实时仿真系统中的应用。
关键词：虚拟现实；三维可视化；数字流域
中图分类号：TP311
文献标识码：B
Summary of Three Dimension Virtual Simulation System of Digital Basins
24
文章编号：1006-8139（2013）02-024-03
山西水利科技
数字流域三维虚拟仿真系统综述
2013 年 5 月
叶 伟 1 荣 榕 2 邓长涛 3 申 晨 4
（１．交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术实验室，天津 ３００４５６；２．山西省水利厅数字水利中心， 山西太原 ０３０００２；３．珠江水利水电科学研究院，广东广州 ５１０６１０；４．太原理工大学，山西太原 ０３００２４）
基于虚拟现实技术的舰船装备设计与可视化研究
基于虚拟现实技术的舰船装备设计与可视化研究虚拟现实（VR）技术近年来飞速发展，已经逐渐进入到我们的日常生活中。
在军事领域，虚拟现实技术也发挥着越来越重要的作用，其中舰船装备设计和可视化方面尤为突出。
虚拟现实技术在舰船装备设计领域的应用随着技术的不断发展，基于虚拟现实技术的舰船装备设计已经成为了现实。
虚拟现实技术的特点在于其可以使观察者获得更具交互性和沉浸感的体验。
这一特点使其在舰船装备设计方面有着得天独厚的优势。
虚拟现实技术可以在设计舰船装备时提供更为全面和精确的数据。
通过VR技术，设计人员可以在舰船的机舱、甲板等空间内浏览，并深入了解每一处巧妙设计的空间应用。
这一体验可以使设计人员更好地理解舰船的复杂系统，为舰船的设计提供更为全面和精确的信息。
此外，VR技术也可以为舰船装备的测试和验证提供更为直观的效果。
在舰船装备的测试过程中，设计人员可以通过虚拟现实技术将潜在的错误或缺陷暴露出来，从而更好地改进产品。
因此，虚拟现实技术在舰船装备测试中的应用范围越来越广泛。
虚拟现实技术在舰船可视化方面的应用除了在舰船装备设计方面的应用，虚拟现实技术在舰船可视化方面也扮演着重要的角色。
在舰船可视化方面，VR技术可以为军事决策提供更为准确的信息。
例如，设计人员可以在舰船模型中模拟燃料的消耗、运行时间，或者预测在不同海况下船体的承载能力。
这些信息将对舰船的战术决策和行动计划产生重要的影响。
另外，虚拟现实技术也可以为舰船建模提供更为便利的方法。
通过现代的3D 扫描仪和建模软件，我们可以将舰船的各个部分进行数字化的建模。
这些数字化的模型可以再通过VR技术进行完整的可视化呈现。
这一过程可以更为高效地完成舰船建模和设计，缩短舰船设计周期，同时便于人员更深入地了解舰船的各个部分。
基于虚拟现实技术的舰船装备设计和可视化：未来展望基于虚拟现实技术的舰船装备设计和可视化在未来有着很广阔的前景。
虚拟现实技术的不断进步将为未来的舰船装备设计和可视化提供更为先进的功能。
海浪建模方法综述
海浪建模方法综述I. 研究背景与研究意义1.1 研究背景1.2 研究意义II. 可行性分析2.1 数据来源及数据信息2.2 数值模型的适用性2.3 模型构建可行性分析III. 海浪建模方法3.1 基础理论3.2 近岸海浪建模方法3.3 远海海浪建模方法3.4 模型结果的评估指标IV. 海浪建模案例4.1 数据采集4.2 模型构建4.3 结果与分析4.4 实验结果V. 未来发展趋势5.1 海浪建模技术的发展方向5.2 海浪建模技术的应用前景VI. 结论与建议6.1 研究结论6.2 研究建议参考文献第1章节：研究背景与研究意义1.1 研究背景海洋是地球上最广阔的一处物理环境，其对人类生产生活产生了深远的影响。
而海浪作为海洋环境中的一种重要形态，其变化和演变不仅关系到航海、海运，还与能源开发、沿海开发、天气预报等方面有着紧密的联系。
海浪的建模研究可以为进行海洋工程的设计、计划和管理提供科学依据。
目前，海浪建模技术已得到快速的发展，可以模拟不同风浪条件下海浪的变化规律。
然而，目前已有的研究成果和建模方法仍然存在着一些问题，如模型的精度和计算效率，以及对于不同地域和时期的应用性。
1.2 研究意义海浪建模技术的发展对于海洋安全、经济利益以及生态环境的保护都有着深远的意义。
其可应用于各种海洋工程的设计、建设和管理中，如海上风电场、海岸防护工程、海上油田等。
同时，海浪建模技术可以为天气预报、海浪预报等方面提供科学依据。
海洋资源是人类所需要的极其重要的资源之一，海洋环境的保护和可持续利用是当今社会不可回避的命题。
海浪建模技术可以为研究和探究海洋物理、气象和生态环境等方面提供基础理论和数据支持。
因此，加强海浪建模技术研究和应用不仅可以推动海洋领域的科学发展，也可以为经济发展、环境保护和社会稳定等多个领域提供重要的支持和保障。
第2章节：可行性分析2.1 数据来源及数据信息要进行海浪建模研究，首先需要有足够的海浪数据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
海岸海洋潮流模拟可视化与虚拟现实建模*马劲松，朱大奎（南京大学大地海洋科学系，南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京，210093电话：86-25-3593770(O)，86-25-3593756(H)，Email ：majs@ ）Visualization Modeling and Virtual Reality for CoastalOcean Tidal Current Numerical SimulationMA Jingsong ，ZHU Dakui（Dept. of Geo & Ocean Sciences, Nanjing University,The Key Laboratory of Coast and Island Development of Ministry ofEducation P .R.China Nanjing, 210093,Tel: 86-25-3593770(O), 3593756(H), Email:majs@ ）Abstract: The technology of scientific visualization and virtual reality (VR) for tidal current numericalsimulation is one of the most important modern methods utilized in coastal ocean science. This paper firstly illustrates a data model used for tidal current simulation from the viewpoint of Geographical Information Systems (GIS), presents an object-oriented modeling methodology suitable for hydrodynamic numerical simulation. Secondly, discusses the field visualization technique of tidal current velocity and describes the utilization of VR in simulation. The authors also designed and implemented a prototypic software system--VROcean, used in visualization of coastal ocean tidal simulation as well as oceanographic studies, and verified the results in the research program of tidal current numerical simulation on the sand ridges in South Yellow Sea of China.Keywords: Tidal Current Numerical Simulation; Virtual Reality; Visualization Model; Coastal Ocean摘 要:潮流数值模拟的科学可视化与虚拟现实是海岸海洋科学研究重要的现代技术手段之一。
本文首先从地理信息系统的角度对潮流数值模拟系统的数据模型进行了论述，提出了适合水文数值模拟的对象模型方法；其次探讨了空间流场的可视化技术，阐述了虚拟现实在潮流数值模拟中的作用；最后设计并实现了一个海岸海洋潮流模拟虚拟现实的原型软件系统VROcean ，并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比检验。
关键词：潮流数值模拟；虚拟现实；可视化模型；海岸海洋 1概述*实验室论文编号：SCIEL21101102基金项目：国家自然科学基金资助项目（49701013）；“九五”国家科技攻关项目（96-922-03-01）作者简介：马劲松（1969-），男（回族），南京人，南京大学副教授，博士，2000年赴加拿大滑铁卢大学作为访问学者，著有《地理信息系统与空间可视化》，主要从事GIS 空间数据结构理论、技术及其在海岸海洋方面的应用研究。
潮流是海岸海洋主要的水动力因素之一，它影响着诸如泥沙、盐分、各类污染物及能量的输运过程[1][2]。
潮流的数值模拟是海岸海洋科学研究中一个重要且经济快速的技术方法，它通过离散化描述潮流运动的控制方程，用近似的求解方法模拟潮流的运动规律，达到对海岸海洋潮流场特征及其变化的科学认识，并指导对海岸海洋的管理、开发和利用[5]。
然而，数值模拟方法在具有经济快速特点的同时，也存在形象性与直观性差的问题。
潮流数值模拟的计算结果往往是大量枯燥的数据，以及根据这些数据所绘制的静态流场图和水位过程曲线，这就阻碍了进一步进行潮流运动规律性认识的研究工作。
针对这一问题，科学可视化和虚拟现实技术的兴起，无疑是改变这一状况的契机。
科学可视化和虚拟现实为研究者提供了直观地处理研究结果的技术方法，越来越被公认为是科学研究过程的重要组成部分。
它在计算机空间（Cyberspace ）中为研究者开辟了一个具有沉浸感的虚拟环境，实现了三维空间和时态数据的可视化，并使研究者既能够在虚拟环境中交互地操控研究对象，更可以在仿真模拟等科学计算过程中实时地得到正在处理的动态过程的反馈。
如果将科学可视化与虚拟现实技术运用于海岸海洋潮流数值模拟中，将极大地提高海洋研究者的研究成效。
建立海岸海洋潮流数值模拟的可视化与虚拟现实系统，关键技术在于数据模型的建立。
结合海洋学、水文学、地理信息系统和计算机图形学等理论和技术，该系统可由图1所示的三个子系统模型组成：针对上述系统模型的建立，目前的国际和国内研究者已分别在潮流数值模拟数学模型、面向对象空间建模、以及科学计算可视化与虚拟地理环境等方面都作了许多卓有成效的研究和探索。
例如Bartlett [6],[7]、McCall [7],[8]和Sherin [9],[10]用于海洋GIS 的线性参照系统；Gold [13],[14],[15]等的用V oronoï图和其对偶Delaunay 三角剖分建立的三维海岸海洋数字地形模型；王颖、朱大奎等的南黄海辐射沙洲潮流通道边坡稳定性[4]GIS 与遥感综合集成研究，利用南黄海海底沙脊区的地形、潮流、沉积物的大量数据，以此基础建立潮流泥沙模型；马劲松、王颖等用于海岸动态研究的基于关系数据库的空间时态数据模型[3]；林珲等的东中国海潮波系统与海岸演变模拟[5]；Li [17],[18],[19]基于超图理论的三维海岸空间数据模型；以及Su [20]的海洋时态序列三维可视化系统研究与开发等。
本文结合上述研究成果，提出了基于UML 统一建模语言的潮流数值模拟可视化与虚拟现实系统的面向对象系统模型。
2潮流数值模拟系统的对象模型①潮流的数学模型：直角坐标系下三维潮流数学模型基本方程是Navier-Stokes 方程组，水流间的紊动应力采用Boussinesq 假定，则基本方程为： 连续方程：0=∂∂+∂∂+∂∂zw y v x u 动量守恒方程：010101=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-+∂∂++∇⋅+∂∂=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂++∇⋅+∂∂=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∂∂+-∇⋅+∂∂z w A z y w A y x w A x g z P f w t w z v A z y v A y x v A x y P f v t v z u A z y u A y x u A x x P f u t u VM H H w H VM H H u H VM H H v H ρμρμρμ图1 海岸海洋潮流数值模拟可视化与虚拟现实系统的组成Fig.1 The components of coastal ocean tidal current numerical simulation visualization and VR system密度守恒方程：0=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂-∇⋅+∂∂z A z y A y x A x t t V t H t H t t σσσσμσσ 流体静力学方程：g zPρ-=∂∂ 其中：ρ=ρ0+σt ρ：水密度。
μ=(u, v, w )：速度矢量。
f :Coriolis 系数，f =2ωsinφ,ω:地转角速度，φ：纬度。
P ：静压力。
g ：重力加速度。
A H ：水平涡旋扩散系数，A VM ：垂直涡旋粘性系数，A Vσ：垂直涡旋扩散系数。
②潮流数值模拟模型：潮流数值模拟分为二维和三维的模型。
对于二维模型，按差分网格形状可以分为三角形、正方形、矩形、多边形、曲线坐标网格以及各种形状网格的组合等；按计算方法可分为显式法、半隐半显式法和隐式法；对三维的模型，计算方法有分层二维法、谱方法、流速分解法和坐标变换法等。
潮流数值模拟数学模型简化的对象类层次可以用以下图2来表达。
3潮流数值模拟空间数据对象模型 ①四维时空数据模型：潮流数值模拟的空间与时态数据构成四维的多分辨率时空数据结构，可由三维空间模型与一维时间序列组成。
二维平面的网格结构可以采用栅格表示矩形或正方形网格，不规则三角网TIN 表示平面的三角剖分。
多个二维网格组合成三维序列用以表达海水的垂直分层结构，再加上时间序列，就可以形成四维的潮流时空数据模型。
空间参照系作为时空的一部分与空间数据模型相关联。
实例化的边界条件、水下地形、水位场和流速场等需要与可视化模型相应部分相关联，以生成静态三维和动态四维的潮流场虚拟环境。
潮流数值模拟空间数据对象模型的简化类图如图3所示。
图2潮流数值模拟数学模型的简化UML 类图Fig. 2 UML class diagram of tidal current numerical simulation hydrodynamic model图3 简化的潮流数值模拟空间时态数据对象UML 类图 Fig. 3 Simplified object class diagram of spatiotemporal data model空间多分辨率存储的实现可以借助分维的方法。
海底地形的分维数反映了地形的粗糙程度，运用空域到频域的离散傅立叶变换求得分维数，再利用分维数控制地形的内插和采样，就可以获得多分辨率的地形数据。