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。

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. 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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。

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。