智慧海洋:三维海洋环境信息可视化平台建设方案

三维海洋环境信息可视化平台是一款面向城市与海洋的三维显示系统开发平台。它基于全球构架，为用户提供从全球范围场景到高度精细局部模型的实时可视分析工具。

本平台依托海军XX大学与浙江大学在海洋分析、航海技术、计算机图形学、虚拟现实及可视化等方面的强大优势，拥有完全自主的知识产权。本平台面向现代图形绘制硬件的能力和特点进行了优化设计，实现了对大规模海量三维模型的高性能三维自适应实时可视化，采用方便快捷的插件式设计，可灵活地开展各类专业功能定制和各类专业软件开发。

二、平台优势

目前，国内外都推出了多款三维GIS平台，国外比较著名的有Google Earth、Skyline、World Wind、 Virtual Earth、ArcGIS Explorer等，我国也紧随推出了EV-Globe、GeoGlobe、VRMap、IMAGIS等软件与国外软件竞争本土市场。三维GIS得到了各行业用户的认同，在城市规划、综合应急、军事仿真、虚拟旅游、智能交通、海洋资源管理、石油设施管理、无线通信基站选址、环保监测、地下管线等领域备受青睐。目前，我国国产三维GIS软件已占据了国内市场的半壁江山。

此外，国内还有多个单位开发了类似的三维信息平台，但从目前来看，国内公司的技术力量相对较薄弱，采用的技术路线都是对现有的开源软件进行改造，其中以知名开源Worldwind、OSG为基础改造的最多，但这种平台受开源内核和框架的限制，在大数据驱动、高质量、高精度绘制等方面就显示出很大的局限性，无法胜任大规模场景、动态数据的实时调度和绘制。
 

三维海洋环境信息可视化平台走的是完全自主研发的技术路线，从底层内核、数据调度、数据接口到专业应用模块，全部自主研发，并申请了一系列的专利。平台在大规模海量数据的驱动、管理、绘制、智能可视分析方面具有强大的优势，在普通PC单机上即可实现对TB级三维城市模型、三维海洋空间的高质量实时可视化表示，效率达到25帧/秒以上。

三、性能特点

1、多源海量数据的集成和管理。
支持并集成海量、多源、多维、动态、多变的三维空间信息数据，建立高保真的动态三维空间虚拟环境，支持各类数据场景类型和多种专业应用要求。传统的三维GIS可视化软件往往不同应用场景分别有所侧重，动态装载受限于场景复杂性和细节程度，难以兼顾大范围场景的宏观表现和局部场景的精细表现。而本平台具有对场景高度自适应性，同时支持从高度精细模型到大范围景物等各种不同复杂度场景的实时可视化，实现从太空视点直至室内视点、海底视点的画面显示无缝过渡。
 

2、大规模场景的高精度逼真绘制。
平台对大规模三维空间数据进行了实时高效局部多细节层次装载及自适应多级缓存；对所装载的局部复杂场景综合采取了包括场景简化优化、快速可见性计算、多线程计算、基于GPU的视域裁剪/遮挡剔除/LOD选择/细节生成、实例化和限时计算等可视化优化处理技术，完成了大范围景物的实时阴影、矢量和几何实时叠加显示、动态水面逼真绘制、实时动态光照及环境映照、实时星空绘制等一系列场景的逼真显示。
 

3、实时高效的智能可视分析工具。
平台支持对大规模动态标量场、向量场及复杂属性信息数据进行高质量的实时可视分析。支持对场数据直接体绘制及高质量矢量化处理，结合感知、交互和可视化来帮助用户理解和分析复杂属性信息数据。平台可对多源海量数据进行实时可视化及展示，为复杂事件和问题的决策提供分析仿真环境。
 

4、开放式的系统平台构架。
本平台按（平台+支撑+应用）三层构架进行设计，提供可支持二次开发应用的易用高效函数接口，面向不同专业方向应用提供多种支撑组件，使用户可便捷地进行插件式的二次开发，快速构建专业化的应用系统，并定制数据服务。
 

平台包含的主要功能包括以下方面：

1) 全球规模海量多源三维数据的集成、编辑与管理。
平台可支持全球规模的海量多源动态数据，并建立高效的数据库系统进行高效管理、索引和查询，拟在不久后支持分布式数据库。平台可支持以下种类数据：全球规模的高程/影像表达的地形数据；离线采集重构的城市、港口、导航物、航行物等大范围静态三维不规则三角网格模型；海洋测量点数据；二维电子海图数据；洋流、潮汐、大气等各种动态场信息；实时传感器信息；等等。

平台支持基于二维海图数据进行三维几何重建，支持对多源数据进行统一的集成、编辑和管理。

2) 全球规模三维数据的高精度实时可视化显示。
平台对上述全球规模的多源数据实现集成的高精度实时可视化，以满足仿真用户需求。包括：对全球规模高程/影像数据的实时多分辨率三维浏览；全球范围TB级不规则三维模型实时可视化；经纬线和水深线等矢量线在高程/影像上的实时投射叠加；数据分层显示；二维电子海图显示；二维/三维电子海图的互相联动；支持三维空间文字标绘的自动避让显示等。

 

3) 数字城市仿真。
平台能实现对大规模数字城市的实时可视化分析。包括：TB级三维不规则三角网格模型的高效高精度局部装载调度及实时可视化；大范围城市场景的实时阳光阴影计算；大量的三维植被、地下管线的实时高质量可视化；实时传感器信息的接入，如视频、影像、气象、交通等；支持交互分析等等。

 

   

4) 典型大气海洋及水体环境仿真。
平台拟对海洋虚拟环境进行高质量的可视化，包括以下功能：云层效果；雨雪等天气；晨昏效果；星辰效果；水面风浪效果；水下观察具有水体填充的光影效果；潮汐计算；海底底质可视化；岛礁和近海海滩仿真；导航物仿真；态势表达、对抗仿真；等等。

  

5) 支持对矢量场、标量场体数据以及属性数据的可视分析。
可对洋流、潮汐、大气等各种动态场信息中所蕴含信息进行直观展示。支持直接体绘制；支持映射、分层、开窗、定位等操作；支持信息矢量化处理，如矢量线、面的提取及矢量线的合理分布；支持基于纹理的流场稠密可视化；支持垂直剖面插值计算。

  

       

6) 平台接口设计：
本平台按（平台+支撑+应用）三层构架进行分层设计，通过制定开放性的数据接口标准，来便于新数据类型的扩展；为用户提供规范易用的、插件式的二次开发接口；在仿真平台基础上，封装各关键技术，用户可便捷地定制专业化的应用系统及数据服务；研发支撑算法和工具库；研发示范应用；进行人性化界面设计。

五、技术指标

ü 可支持单机模式以及网络环境下B/S和C/S的运行模式

ü 支持全球范围多维时空数据的高效存储管理与动态更新

ü 支持地球全球环境三维可视化、矢量地理数据可视化、数字地球通用功能、遥感影像加载和多时相影像对比浏览等功能

ü 支持各种天气、海洋现象的真实感可视化及示意性可视化

ü 全球范围的纹理精度可高于0.6米，地形精度可高于１米
 

ü 单机上三维模型实时调度、管理和实时可视化能力达到TB级以上

ü 支持自适应多分辨率实时可视化

ü 系统的数据精度与原始数据精度一致

ü 集成整合传统二维地图、电子海图信息，实现二三维联动

ü 基于现代GPU，完成环境中各种要素的高质量实时绘制和时变体数据的可视分析

ü 地球全球球体规模虚拟环境的集成综合显示帧数稳定在25帧/秒以上
 

ü 支持在基础平台上进行支撑软件及应用系统研发

ü 支撑软件平台提供点、线、面、体等空间几何数据的基础可视化算法库及标量、矢量、张量等多源多维异构属性数据的可视化算法库

ü 面向各专业应用研发多种可视分析组件及工具

ü 支持基于CPU/GPU 协同计算的交互可视化技术

ü 能支持10种以上的专业动态数据的接入和可视分析
 

ü 接口开发功能齐全、文档完整、高效易用。