[发明专利]一种基于Leaflet的全球涡旋轨迹动态可视化方法

说明书

一种基于Leaflet的全球涡旋轨迹动态可视化方法，该方法包括：生成涡旋运动数据；绘制不同层次的涡旋动态轨迹：计算涡旋寿命，并将涡旋的寿命按照颜色的透明度进行分级，存于数组中；多线程计算生成涡旋轨迹，通过基于Leaflet的VectorField可视化类绘制涡旋轨迹并逐步渲染形成数据图层，即完成可视化；再对上述得到的涡旋运动轨迹动态进行可视化分析。本发明在流场可视化效果的基础上，提出了涡旋轨迹动态可视化算法。与传统分析涡旋轨迹运动的方法相比，能够更加直观的看到整体的涡旋运动以及一些涡旋运动的细节部分，为基于全球角度的涡旋运动和各种环境因素之间相互关系的系统分析和研究奠定基础。

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种基于Leaflet的全球涡旋轨迹动态可视化方法。

背景技术

中尺度涡旋在世界各大洋中广泛存在，其移动对全球物质和能量的运输起到十分重要的作用，对海洋中的环境和气候变化具有深远影响。近年来，随着卫星高度计和 Argo浮标等海洋观测技术的发展，中尺度涡旋的识别和追踪方法不断完善，国内外学者对涡旋移动规律的研究越来越多。目前涡旋移动规律的研究方法主要分为两类。第一类是基于涡旋轨迹进行观察统计分析：Morrow 等人系统地研究了印度洋东南部、大西洋东南部和太平洋东北部的涡旋轨迹，并发现暖涡倾向于向赤道方向偏转，而冷涡倾向于向极地方向偏转；Chelton等人发现涡旋主要向西移动，而在南极绕极流区域向东移动，但暖涡和冷涡的经向移动方向相反。第二类是运用人工智能方法对涡旋轨迹进行时空分析。Du等人运用基于密度的轨迹时空聚类方法，对南海涡旋轨迹进行时空聚类分析，得到了涡旋典型移动模式的空间分布和时间特征。

可视化的方法有很多种，常见的三维矢量场可视化方法是流线跟踪、线积分卷积和体渲染；其基本原理是将流线从二维平面扩展到三维平面。常见的二维矢量场可视化方法有箭标法、纹理法和矢量线法。箭标法方法简单直观，但是当应用于大面积且方向混乱的区域，多则乱，少则无细节，因此，不适宜采样密集和变化突兀的矢量场；纹理法是当纹理中点的颜色按照一定的规则进行排列时，纹理就有了形状，能反映整个矢量场的结构，但是容易产生模糊和混淆；矢量线法利用空间中的曲线走向来描述矢量场。在矢量场中，流线上所有点的瞬时速度都与该线相切。迹线是在一个矢量场中，释放一个无质量的粒子，沿着它在流场中的运动轨迹所形成的矢量线。流线适合研究稳定场，迹线适合研究不稳定场，在稳定场中二者是重合的。空间上以流线的形式表现涡旋运动的瞬时特征，在时间上以轨迹的形式表现涡旋运动的连续特征，能够对涡旋运动的疏密，寿命和光滑度进行控制，直观且高效的展示矢量的各种特征。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Leaflet的全球涡旋轨迹动态可视化方法，以弥补现有技术的不足和实现全球涡旋轨迹动态可视化。

涡旋运动的研究方法主要是基于涡旋追踪数据集，根据全部涡旋的运动，综合分析涡旋的运动特征，主要基于区域分析，或者是对某些区域的个体涡旋的运动过程进行系统分析。而应用到全球层面时，只能观测到整体的运动趋势，而对于一下有明显的变化的微小区域不易察觉。因此，本发明联想到流场可视化的方法，对涡旋轨迹数据进行预处理，生成与流场可视化的数据格式一致的涡旋轨迹矢量场数据，联系海洋涡旋的运动特征，根据可视化的原则对涡旋轨迹矢量场数据处理，实现全球涡旋轨迹动态的可视化。

在传统涡旋运动分析中，大多数研究都依据目标涡旋的位置信息，独立地分析某一区域涡旋的整体运动趋势以及区域内单个涡旋的具体运动，但缺少对在全球涡旋运动趋势和运动细节变化上的研究。本发明计算出每个分辨率网格上的涡旋平均运动方向和速度，从而得到精细化的涡旋运动特征；然后在二维平面上初始化涡旋的位置，定义涡旋的分布密度和生命周期；再根据涡旋所在网格内的运动方向和速度，采用龙格库塔函数，计算涡旋运动到的下一个位置；如此迭代计算，最后以流线的形式显示涡旋的运动轨迹。本发明旨在基于全球-区域层面综合观测涡旋的运动，以流线的形式来表示涡旋的运动方向。