[发明专利]基于LH直方图的海洋层结提取方法

说明书

本发明涉及一种基于温盐数据的海洋层结提取技术。已有研究发现海洋具有层结（海洋层结指海水的密度、温度、盐度等热力学状态参数随深度分布的层次结构），当前存在的直接体绘制可视化技术对这种海洋层结的提取较为困难，因此我们使用LH直方图和Region Grow等技术在海洋直接体绘制过程中对海洋层结进行有效的提取。LH直方图是二维直方图的一种，其横纵坐标轴分别表示L(lower)、H(higher)值。该技术首先对海洋温盐数据进行处理，计算出每个体素的Lower和Higher值，生成LH二维直方图；然后，在生成的LH直方图上选取海洋层结；最后，根据所选取的结果进行直接体绘制。如果所生成的LH直方图未对层结进行有效的区分，那么可以在生成的直方图上选取一个种子点，利用Region Grow技术对所选体素在给定的判据下进行聚类，处理完毕后进行直接体绘制。

技术领域

本发明属于海洋信息技术领域，具体涉及基于LH直方图的海洋层结提取方法。

背景技术

从19世纪海洋层结发现以来，它一直是物理海洋学研究的重要内容。海洋层结可以分为温度跃层、密度跃层、盐度跃层、声速跃层等，其研究成果具有较高的学术和军事应用价值。例如，密度跃层对潜艇活动、反潜作战等军事活动影响很大，当海洋中出现了较大的正密度梯度，即“液体海底”，潜艇能够停留在跃层的界面上，保持无声待机，可以有效地规避声纳的探测搜索。与“液体海底”相反，如果上层海水密度大，下层海水密度小，即为密度逆跃层，就会形成“海中断崖”。当潜艇遇到“海中断崖”时，由于潜艇受到的浮力突然减小，如果不及时采取措施减轻潜艇重量，潜艇就会突然急速下沉，造成严重事故。正因如此，各国海军都十分重视密度跃层的研究。

因此，数据可视化作为一种直观、有效的数据研究手段和方法，它对海洋学家研究海洋现象具有重要的意义。早期人们利用海洋数据绘制温深线图、密深线图等方式研究海洋的层结。后来随着可视化技术的快速发展，体绘制技术被运用于海洋学领域。

体绘制技术分为很多种，目前常见的数据体绘制方法有光线投射法、抛雪球法、基于硬件的3D纹理映射法等。

(1)光线投射法:光线投射法是一种以图象空间为序的体绘制方法，它从图象空间的每一象素出发，按视线方向发射一条射线，这条射线穿过三维数据场，沿着这条射线选择K个等距的采样点，并由距离某一采样点最近的8个数据点的颜色值和不透明度值作三次线性插值，求出该采样点的不透明度值和颜色值。再将每条射线上各采样点的颜色值和不透明度值由前向后或由后向前加以合成，即可得到发出该射线的象素点处的颜色值，从而可以在屏幕上得到最终的图象。

(2)抛雪球法：与光线投射法不同，抛雪球算法是反复对体素进行运算。它用一个称为足迹（Footprint ）的函数计算每一体素投影的影响范围，用高斯函数定义强度分布（中心强度大，周边强度小），从而计算出其对图象的总体贡献，并加以合成，形成最后的图象。

(3)基于硬件的3D纹理映射法:绘制的速度一直以来都是体绘制的主要问题，因为对生成的图象来说，物体的每个区域的处理都会影响到它的质量，因此需要计算每个体素，而且体素化以后，重新定位体素又需要相当大的计算量。为了解决体绘制速度的问题，人们提出了许多改进的算法，这些算法的共同点就是在软件的基础上来提高绘制的效率，如上面介绍的算法。而三维纹理映射方法是基于硬件来提高体绘制的速度。

目前利用体绘制技术对海洋层结进行可视化的研究比较少，而且大多是利用由属性值和属性梯度值构成的联合直方图进行数据特征的展示，然而在二维联合直方图中不同物质的边界之间会产生重叠，不能对边界进行有效的分割和提取。

发明内容