【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于海洋中尺度涡流识别，特别涉及一种三维海洋中尺度涡旋自动识别及可视化的方法。
技术介绍
1、中尺度涡作为一种重要的海洋中尺度现象，对海洋中物质及能量运输具有重要的影响，海上平台的安全航行及作业需要海洋中尺度涡信息可视化作为辅助保障。
2、目前在市场上已有一些集成于海洋环境数据可视化软件或系统中的中尺度涡可视化模块，这些模块利用中尺度涡数据集中中尺度涡的位置和强度信息，实现了中尺度涡的平面二维可视化，为科研和保障人员提供了基本的中尺度涡信息保障。
3、但是，中尺度涡是一种三维的海洋现象，现有的可视化模块通常为平面二维的表达，使用户不能得到中尺度涡的垂直结构信息，无法直观地表达中尺度涡的三维要素信息。
4、目前，集成三维中尺度涡自动识别和可视化是一个具有挑战性的瓶颈。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，可自动诊断海洋三维空间中的中尺度涡旋并进行可视化表达，可提高中尺度涡可视化的直观性和准确性。
2、本专利技术的上述目的通过以下技术方案来实现：
3、一种三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
4、步骤1、进行三维中尺度涡自动识别处理，三维中尺度涡自动识别处理包括地转流计算、中尺度探测识别、中尺度涡追踪和三维涡旋构建；
5、步骤2、进行三维中尺度涡可视化处理：所述三维中尺度涡可视化处理利用三维中尺度涡
6、而且，步骤1包括：
7、1.1利用aviso或其他海表面高度异常场数据计算地转流；在平均状态下，海面流场主要由地转流决定；海表压强梯度力驱动的地转流为：
8、
9、
10、其中，us为维向流速，vs为经向流速，δ为海表面高度，f为科式力，g为重力加速度，x、y为经纬度；利用海面高度计算得出的地转流数据可作为中尺度涡的识别的输入流场数据。
11、1.2进行中尺度涡探测识别，引入ow参数：
12、ow＝s2sh+s2st-ω2
13、其中，为剪切形变率，计算公式为：为拉伸形变率，计算公式为：ω为相对涡度，计算公式为：其中，u为纬向流速，v为经向流速，ow＜0表示旋转超过变形的椭圆区域，ow＞0表示变形超过旋转的双曲线区域，ow接近于0则为噪声，通常认为闭合ow等值线内部区域为涡旋；与之对应的中尺度涡旋的探测与识别步骤为：
14、1.2.1根据模式数据的流速u,v计算ow参数；
15、1.2.2确定阈值w0，通过w0来区分涡旋区域和背景流场，w0取ow场标准差的-0.2倍，即w0＝-0.2σw，其中，σw为ow场的标准差；
16、1.2.3确定涡旋中心、边界和半径：通过提取阈值等值线ow＝w0来识别中尺度涡旋，当ow<w0时为椭圆区域，涡旋半径定义为与w0等值线所形成的椭圆面积相等的正圆的半径，w0等值线是涡旋边界，椭圆的质心是中尺度涡的中心；随后根据相对涡度来判定涡旋的极性，即ω>0为气旋式涡，ω<0为反气旋式涡；
17、1.2.4涡旋形状的筛选：首先将涡旋形状误差定义为涡旋与标准圆面积偏差的综合与标准圆的面积之比，即其中sw为涡旋面积，sc为标准圆面积；若w0的闭合等值线是标准圆，则其涡旋形状误差是0；采用单连通区域法进行涡旋判定，即通过判断一条ow等值线内包含了几个单连通区域，来判断该等值线是否包含几个极性相反的涡旋，在此基础上将极性相反的涡旋进行分离；
18、1.3、进行中尺度涡追踪：具体的：在t+1时刻寻找与t时刻最相近、极性相同的中尺度涡；
19、1.4进行三维涡旋构建，包括：
20、1.4.1通过涡旋的表层信息，包括：涡旋中心点位置p1(x1,y1)，出现时间t，涡旋半径r1以及涡旋极性，查找下一层以涡旋中心点为圆心，0.25r1半径范围内相同时间是否存在相同极性的涡旋；
21、1.4.2、如果在下一层没有找到相应的涡旋，则认为该涡旋的最大深度小于下一层对应的深度值，向下搜索停止；而若果相同时间内，在搜索半径里找到相同极性的涡旋，则就把该涡旋在这层的中心点位置p2(x2,y2)，半径r2，出现时间以及其他参数信息都保存下来；
22、1.4.3利用上一步得到的下一层涡旋的中心点位置p2(x2,y2)、半径r2、出现时间、极性来查找更下一层处在相同时间是否存在有相同极性的涡旋；
23、1.4.4重复上述步骤直到最后一层，得到一个垂向分辨率为设定深度的离散的三维涡旋数据集。
24、而且，步骤1.3中，搜索范围取决于数据的空间、时间分辨率，以及平均背景流场的流速；用平均流速及数据的时间分辨率来估算搜索范围大小。
25、而且，步骤2包括：
26、2.1将经过中尺度涡识别流程后，得到中尺度涡的极性、位置、大小和强度特征信息处理为javascript编程语言下leaflet插件和echarts插件可识别数据；
27、2.2使用leaflet进行中尺度涡的绘制：
28、2.3使用echarts插件的折线图工具绘制中尺度涡强度信息；
29、2.4使用echarts插件的三维散点图工具绘制中尺度涡三维分布。
30、而且，步骤2.2包括：
31、2.2.1、首先创建一个新的地图实例，并设置视图的初始地理坐标和缩放级别；
32、2.2.2、然后使用l.tilelayer添加基础地图图层；
33、2.2.3、最后使用geojson插件填色、等值线和矢量箭头绘制工具在地图地图上绘制中尺度涡的极性、位置、大小。
34、而且，步骤2.3包括：
35、2.3.1首先创建一个新的图表实例；
36、2.3.2然后设置图表的类型(折线图)、数据系列、x轴/y轴等配置项；
37、2.3.3将处理好的中尺度涡强度数据提供给echarts，生成折线图；折线图数值代表中尺度涡振幅。
38、而且，步骤2.4中，图表类型采用三维散点图，用散点颜色深浅代表中尺度涡引起的海洋温度异常强度。
39、本专利技术具有的优点和积极效果为：
40、本专利技术包括三维中尺度涡自动识别处理和三维中尺度涡可视化处理两个步骤，通过三维中尺度涡自动识别处理，实现了中尺度涡位置、强度、结构等信息的自动提取，在三维中尺度涡自动识别处理得到的数据的基础上，进行三维中尺度涡可视化处理，实现了中尺度涡信息的三维表达。
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1.一种三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于：步骤1包括：
3.根据权利要求2所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于：步骤1.3中，搜索范围取决于数据的空间、时间分辨率，以及平均背景流场的流速；用平均流速及数据的时间分辨率来估算搜索范围大小。
4.根据权利要求2所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，步骤2包括：
5.根据权利要求4所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，步骤2.2包括：
6.根据权利要求4所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，步骤2.3包括：
7.根据权利要求4所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，步骤2.4中，图表类型采用三维散点图，用散点颜色深浅代表中尺度涡引起的海洋温度异常强度。
【技术特征摘要】
1.一种三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于：步骤1包括：
3.根据权利要求2所述的三维中尺度涡自动识别及可视化的方法，其特征在于：步骤1.3中，搜索范围取决于数据的空间、时间分辨率，以及平均背景流场的流速；用平均流速及数据的时间分辨率来估算搜索范围大小。
4.根据权利要求2所述的三维中尺度涡...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙凡，张敏，蔡俊华，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：
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