[发明专利]一种基于边绑定的涡旋迁移通道提取及可视化方法

说明书

本发明公开了一种基于边绑定的涡旋迁移通道提取及可视化方法，属于海洋观测技术领域。该方法包括如下步骤：对全球涡旋运动轨迹数据利用粒子系统实现基于Cesium平台的动态可视化；选取进行边绑定的涡旋轨迹典型试验区，并得到特征涡旋轨迹数据；利用基于力的边绑定算法对所述特征涡旋轨迹数据进行绑定，实现涡旋通道的提取；提取得到的涡旋通道进行分类，提取出涡旋运动轨迹主通道和旁支通道。本发明所得的捆绑图简化了边缘杂乱，减少了歧义信息，突出海洋涡旋主通道，实现了基于力的海洋涡旋主通道提取。

技术领域

本发明属于海洋观测技术领域，具体地说，尤其涉及一种基于边绑定的涡旋迁移通道提取及可视化方法。

背景技术

中尺度涡旋被称为海洋中的“风暴”，是海洋环流的重要组成部分，其空间尺度通常在几十至几百公里，时间尺度在几天至几百天。自上世纪70 年代中尺度涡首次被海洋学家发现以来，目前已经在世界大洋的各个区域被广泛观测到。鉴于中尺度涡对海洋物理、化学及生态环境等各方面都有着深刻而广泛的影响，因此成为海洋学家的研究热点之一。

近年来随着海洋观测技术的发展，中尺度涡在识别检测方面发展迅猛，其轨迹跟踪也是海洋科学研究的重点。准确预测中尺度涡传播轨迹不仅对研究涡旋的传播过程和演变特征具有重要的科学意义，而且对于海洋观测系统的设计、渔业规划、水声探测等具有重要的实际价值。海洋中尺度涡跟踪研究工作较于涡旋识别发展较晚，目前常见的中尺度涡轨迹跟踪方法有三种：“像素法”、“距离法”、“相似度法”。后来学者又在“相似度”算法基础上提出了“基于密度峰值聚类算法”。

风场、流场、海洋涡旋运动等物理现象在每一个区域的运动方向和速度不同，不能根据观测数值观察到其具体的运动特征，所以需要对这些数据进行特殊处理，将抽象的观测数据进行可视化，使其直观反映海洋矢量数据的内部运动规律和信息。矢量场可视化是科学计算可视化领域最具挑战的课题之一，现已广泛应用于航空动力学、大气物理、气象学以及海洋科学等领域。目前，矢量场可视化的方法有很多，主要可归纳为直接可视化、几何可视化、基于纹理可视化和特征可视化。

自20世纪90年代以来，涡旋运动特性成为研究热点之一。人们的普遍观念是：中尺度涡旋的运动是无序的，在海洋中无处不在。对于某些大区域处的涡旋，虽然视觉上可能有一个或多个突出的方向，但长时间序列的海洋涡旋运动轨迹在整个盆地内呈无序分布。事实上，涡旋的运动特征在运动方向上非常复杂，其发展演化过程受海底地形、风射流、背景流等多种因素的影响。并且对于海洋中尺度涡旋的运动轨迹，以往的研究主要集中在涡流传播方向和距离的统计分析上，缺少对大区域涡旋移动特征方面的研究。

发明内容

本发明旨在利用基于流场的可视化算法实现全球中尺度涡旋轨迹的提取以及动态可视化，以弥补现有技术的不足。

边缘捆绑技术将具有相似属性的边缘聚集在一起，以减少视觉混乱，目前边缘捆绑技术都基于这些属性隐式或显式地将单个边缘或部分边缘的组聚集在一起。本发明通过对比多种边缘捆绑技术可视化效果，根据海洋涡旋运动特点，通过设置边缘兼容性度量，提出了基于力的边绑定算法。

为达到上述目的，并基于上述原理，本发明采取的具体技术方案为：

一种基于边绑定的涡旋迁移通道提取及可视化方法，包括如下步骤：

S1：对全球涡旋运动轨迹数据利用粒子系统实现基于Cesium平台的动态可视化；

S2：在步骤S1的基础上选取进行边绑定的涡旋轨迹典型试验区，并得到特征涡旋轨迹数据；

S3：利用基于力的边绑定算法对所述特征涡旋轨迹数据进行绑定，实现涡旋通道的提取；

S4：对步骤S3提取得到的涡旋通道进行分类，提取出涡旋运动轨迹主通道和旁支通道。

进一步的，所述步骤S1具体为：