李佳芮　莫磊　宋曉波

摘 要：本文將可視化技術(shù)運(yùn)用到中國近海潮流預(yù)報(bào)中，建立了可視化平臺(tái)，基于開發(fā)語言Visual C#，通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國近海潮流預(yù)報(bào)結(jié)果靜態(tài)曲線圖的繪制以及整個(gè)計(jì)算區(qū)域上潮流場(chǎng)和潮位場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演示。潮流預(yù)報(bào)可視化平臺(tái)的建立，簡化了預(yù)報(bào)計(jì)算的操作過程，將離散的數(shù)據(jù)用圖像和動(dòng)畫的形式使預(yù)報(bào)結(jié)果更加直觀的呈現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：中國近海；潮流預(yù)報(bào)；可視化技術(shù)

中圖分類號(hào)：U612.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）09-0047-03

各類水運(yùn)工程的建設(shè)中往往產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些離散的數(shù)據(jù)若不加以處理和圖形化，則很難讓人得到直觀的理解和判斷。很多工程建設(shè)時(shí)都需要進(jìn)行潮流情況的分析和預(yù)測(cè)，從而需要對(duì)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和總結(jié)。比如潮流數(shù)值模型預(yù)報(bào)，其計(jì)算結(jié)果是大量離散數(shù)據(jù)，用傳統(tǒng)的處理方法往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。因此，將可視化技術(shù)運(yùn)用到中國近海潮流預(yù)報(bào)中，通過建立可視化的系統(tǒng)平臺(tái)，可以將預(yù)報(bào)結(jié)果方便、直觀的進(jìn)行展示，使得潮汐、潮流的運(yùn)動(dòng)變化過程一目了然，這是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析手段所不可比擬的。本文在中國近海區(qū)域的預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)上，討論了基于MSchart控件和Matlab工具箱對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化的方法。

1 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

潮流計(jì)算的可視化軟件主要由以下三部分組成： ①前處理系統(tǒng)——用于對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行輸入和處理；②核心計(jì)算部分——建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出計(jì)算區(qū)域內(nèi)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)的潮汐、潮流情況；③后處理部分——對(duì)核心程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，生成易于被工程技術(shù)人員理解的圖表或動(dòng)態(tài)文件。本系統(tǒng)的系統(tǒng)模型如圖1所示：

本系統(tǒng)首先建立了中國近海區(qū)域潮流預(yù)報(bào)模型，可以計(jì)算出區(qū)域內(nèi)潮汐、潮流連續(xù)五天的預(yù)報(bào)結(jié)果。在可視化系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)上，首先從空間的查詢方式上劃分為整個(gè)中國近海區(qū)域上場(chǎng)的演示和重要港口各站點(diǎn)的演示兩類，然后再進(jìn)一步從內(nèi)容上分為潮汐場(chǎng)、潮流場(chǎng)、站位潮位和站位潮流，最終通過靜態(tài)圖及動(dòng)畫的形式實(shí)現(xiàn)潮汐和潮流的可視化?？梢暬δ茉O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

2 可視化的實(shí)現(xiàn)

潮流預(yù)報(bào)可視化系統(tǒng)通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，結(jié)合開發(fā)摘 要：本文將可視化技術(shù)運(yùn)用到中國近海潮流預(yù)報(bào)中，建立了可視化平臺(tái)，基于開發(fā)語言Visual C#，通過MSChart控件及Matlab工具箱的使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國近海潮流預(yù)報(bào)結(jié)果靜態(tài)曲線圖的繪制以及整個(gè)計(jì)算區(qū)域上潮流場(chǎng)和潮位場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演示。潮流預(yù)報(bào)可視化平臺(tái)的建立，簡化了預(yù)報(bào)計(jì)算的操作過程，將離散的數(shù)據(jù)用圖像和動(dòng)畫的形式使預(yù)報(bào)結(jié)果更加直觀的呈現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：中國近海；潮流預(yù)報(bào)；可視化技術(shù)

中圖分類號(hào)：U612.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）09-0047-03語言Visual C#，在Visual Studio.NET開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的可視化。

2.1 基于MSchart控件的靜態(tài)可視化實(shí)現(xiàn)

ActiveX 控件（又稱OCX）基于COM技術(shù)，作為獨(dú)立的軟件模塊，它可以在任何程序設(shè)計(jì)語言中插入使用。MSChart控件正是這樣一個(gè)ActiveX控件。它是一個(gè)完全由程序控制的圖形控件，支持所有主要的圖表類型，在很多領(lǐng)域的可視化系統(tǒng)開發(fā)中都得到了應(yīng)用。

通過對(duì)控件各屬性的設(shè)置和調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)結(jié)果靜態(tài)曲線圖的繪制。由于潮位、流速和流向的顯示方式類似，因此以潮位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為例，其主要的數(shù)據(jù)顯示及圖表顯示樣式屬性設(shè)計(jì)代碼如下：

chart22.Series["潮位"].ChartType=SeriesChartType.Spline； //設(shè)置顯示類型為平滑曲線//綁定數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，T2為時(shí)間數(shù)組， W2為潮位數(shù)組

chart22.Series["潮位"].Points.DataBindXY（T2， W2） ；

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisX.Interval = 25； //設(shè)置X軸間隔

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisX.Title = "日期（y-m-d）"；//設(shè)置橫坐標(biāo)顯示標(biāo)題

chart22.ChartAreas["ChartArea1"].AxisY.Title = "潮位（m）"； //設(shè)置縱坐標(biāo)顯示標(biāo)題

圖3即為“海口”站的潮位預(yù)報(bào)結(jié)果和潮流的展示效果圖。

2.2 基于Matlab工具集的動(dòng)態(tài)可視化實(shí)現(xiàn)

基于MATLAB工具箱實(shí)現(xiàn)對(duì)潮位場(chǎng)和潮流場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果的動(dòng)態(tài)可視化。Matlab由美國MathWorks公司開發(fā)推出，是當(dāng)今國際科學(xué)界最具有影響力，也是最有活力的軟件之一。它提供了強(qiáng)大的圖形表達(dá)功能，可以用簡單的命令方便地繪制二維、三維圖形，尤其是在計(jì)算流體力學(xué)中，經(jīng)常涉及到等值線以及速度、壓力的分布，速度的矢量合成圖等，已經(jīng)廣泛的使用于各領(lǐng)域的可視化軟件開發(fā)中。

GUIDE即圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Graphical User Interface Development Environment），是一套MATLAB工具集，它主要由七部分組成：版面設(shè)計(jì)器、屬性編輯器、菜單編輯器、調(diào)整工具、對(duì)象瀏覽器、Tab順序編輯器、M文件編輯器。首先對(duì)版面進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)在M文件編輯器中進(jìn)行用戶操作命令的后臺(tái)程序編寫。在程序應(yīng)用中還用到matlab中的偏微分方程（PDE）工具箱，PDE工具箱集偏微分方程的求解及圖形可視化一體，其包括對(duì)有限差分網(wǎng)格及無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行處理的內(nèi)部函數(shù)。本系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果是采用三角形網(wǎng)格，因此主要應(yīng)用pdeplot對(duì)潮位場(chǎng)進(jìn)行繪圖，而潮流場(chǎng)繪制采用插值后的數(shù)據(jù)，由quiver命令實(shí)現(xiàn)，最后通過movie2avi制作成動(dòng)畫文件。

主要的M文件代碼如下：

quiver（p（1，：），p（2，：），v（1，：），v（2，：），2.5） //潮流場(chǎng)的繪制

pdeplot（p，[]，t，'xydata'，ele，'mesh'，'off'，'contour'，'on'，'colormap'，'jet'）； //潮位場(chǎng)的繪制

movie2avi（M，'mov2'，'compression'，'none'，'fps'，fps） //動(dòng)畫的制作

當(dāng)實(shí)現(xiàn)了圖像和動(dòng)畫的制作后，通過windows media player 控件調(diào)用動(dòng)畫文件并最終在界面上演示。潮位場(chǎng)的演示中通過不同的顏色表征潮位的大小。在潮流場(chǎng)的演示中，綠色表示大陸，流速大小和方向通過矢量箭頭的長短和方向表示，動(dòng)畫演示畫面如圖4、圖5所示：

3 小結(jié)

隨著海洋開發(fā)強(qiáng)度的增加和計(jì)算及技術(shù)的發(fā)展，可視化技術(shù)逐漸成為海洋工程發(fā)展的一個(gè)重要的現(xiàn)代化研究工具和手段。本文針對(duì)中國近海范圍為（13°～50°N ；105°～150°E）的潮流預(yù)報(bào)模型，建立了預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)可視化平臺(tái)，討論了基于MSchart控件和Matlab工具集對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)可視化的方法，并給出了實(shí)例展示。系統(tǒng)的建立，簡化了預(yù)報(bào)計(jì)算的操作過程，并使預(yù)報(bào)結(jié)果得到了直觀、生動(dòng)的展示。

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