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面向三极科学的三维可视化系统应用研究.docx
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面向三极科学的三维可视化系统应用研究.docx
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0 引言
南极、北极和青藏高原作为地球的“三极”,不仅储藏着全球主要的淡水资
源,且油气资源丰富,是全球资源、能源开发利用的潜在战略性储备区域。随
着全球气候变化,三极地区在生态与环境方面表现出敏感、快速的变化,国际
社会对此给予了高度关注。我国已认识到极区重要的战略地位,积极参与到国
际相关组织和活动中,但限于研究积累不够,国际话语权还十分有限。掌握三
极地区生态环境变化及区域影响的科学事实,集成三极环境研究的科学成果,
科学评估和预测极地环境时空变化,不仅有助于确保我国权益、为国际谈判提
供话语权,也能为国家决策提供基础支撑
[ 1]
。随着天空地一体化对地观测技
术的快速发展,三极地区积累了大量地面观测、科考数据、数值模拟及同化数
据、文献等科学成果
[ 2-4 ]
,使得三极时空数据日益呈现出大数据的特点
[ 5-7 ]
,
这些时空大数据的积累为三极联动分析提供了丰富的经验知识,产生了一批具
有较强影响的三极科学发现
[ 8-11]
。然而,这些科学发现一般都以专业图表或专
业术语描述,普通用户和决策者很难直观了解这些三极科学发现的真正内容和
意义,虽然传统的二维地图的空间分析能在一定程度满足地学科学发现的可视
化的表达,但将三维空间中的地理对象向二维平面投影时,会导致三维方向上
的信息缺失,导致其难以完整反映客观世界的全貌,尤其面向三极联动分析时,
传统的二维地图无法进行三极协同对比分析,因此,加强三极大数据领域的三
维数据可视化已成为迫切需要。
三维空间模型的可视化分从应用架构上可以为两种
[ 12-16]
:第一种是基于
C/S 架构的平台,如 ArcScene、Skyline、SuperMap 等,其优点是显示效果
好、空间分析功能强大,但其大多为商业软件,成本费用高,只能适用于单机;
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489026/bg2.jpg)
第二种是采用 B/S 架构,以传统的浏览器作为客户端,便于客户端访问和数据
共享,如 Cesium、Three、Unity 3D 等。其中 Cesium 凭借其优秀的平台性能
和完善的功能接口,近年来被学者较多地用于三维场景构建的研究和应用当中。
本研究是在中国科学院战略性先导科技专项时空三极环境项目支持下,开
展面向三极科学的三维可视化研究,通过选择三个代表性的研究成果,建立三
极科学发现三维可视化原型系统,本文简称“三极球”,它是球形屏幕、弧形屏
幕及 Web 可视化系统的统称,是硬件和软件的有机结合体。本文首先介绍了“三
极球”整体设计思路,再给出实现“三极球”的五个关键技术,然后以三个场景为
例实现系统的应用示范,最后对系统整体进行总结并给出未来展望。
1 “三极球”的总体设计
1.1 建设流程
“三极球”是为三极科学研究和数据集成管理而搭建的信息化平台,是三极
研究的展示中心,也是播放三极的历史,现在和将来的演播室。它是“可视化”
在全球三极尺度上的一次实践性尝试:从技术层面,“三极球”实现了二维地图
和三维地图互操作;从硬件资源层,其充分利用情景脚本将弧形屏幕和球形屏
幕无缝衔接,实现一个具有较强视觉冲击的三维展示系统,其建设流程主要包
括需求分析、框架设计、数据预处理、系统开发及测试运行五个方面,如图 1
所示。
图 1
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489026/bg3.jpg)
图 1 系统开发流程
Fig.1 System development process
1.2 总体设计
系统以满足“科学发现为本,联动分析为根,科普为主,互动为辅”的原则
进行建设。基于二维、三维可视化实技术,通过多种屏幕互操作构建出生动、
易懂的三极数字化 3D 平台,在集成场景选择和科普信息检索等功能后,可以
形成一套完备的三极科学发现展示的原型系统。此系统能够展示全球温度异常
变化、三极冰盖及南北极海冰最新三极科学发现,并以立体的、动态的形式展
示这些信息,在场景浏览中完成科普浏览及体验,可满足多人、不同观众的参
观需求。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489026/bg4.jpg)
“三极球”采用浏览器/服务器模式(B/S)架构。浏览器端采用 JavaScript
作为 开发 语言 ,服 务器 端采 用 NodeJS 技术 ,数 据组 织采 用分 布式 数据 库
GreenPlum。系系统整体框架基础设施层、服务层和应用层三个层面,如图 2
所示。
图 2
图 2 系统整体框架
Fig.2 Overall framework of the system
基础设施层:提供整个系统运行的硬件环境及软件环境。本系统基础设施
使用中科院网络中心提供的云环境:12 个处理服务结点、64 个 CPU 核、总
内存 320 G,总存储为 4 T。
服务层:由一系列 Web 服务组成,包括基于不同数据源的可视化服务、
数据预处理服务、互操作服务以及分析结果自动生成服务。
应用层:即“三极球”系统,通过调用服务层 Web 服务提供的各种方法,实
现对三极科学发现及科普的信息查询及浏览。本系统支持弧形屏幕、球形系统
以及浏览器三类终端的数据可视化。
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