pyParaOcean, Система визуального анализа океанических данных: Краткое содержание и введение

Таблица ссылок

• Аннотация и введение
• Данные об океане
• pyParaOcean: Архитектура
• pyParaOcean: функциональные возможности
• Практический пример: Бенгальский залив
• Заключение
• Благодарности и ссылки

Абстрактный

Визуальный анализ широко применяется в области океанографии для анализа модельного моделирования, обнаружения различных явлений и событий и отслеживания динамических процессов. С увеличением размеров данных и доступностью многомерных динамических данных растет потребность в масштабируемых и расширяемых инструментах для визуализации и интерактивного исследования. Мы описываем pyParaOcean, систему визуализации, которая поддерживает несколько задач, обычно используемых при визуальном анализе данных об океане. Система доступна в виде плагина для Paraview и, следовательно, может использовать возможности распределенных вычислений и богатый набор общих функций анализа и визуализации. pyParaOcean предоставляет модули для поддержки различных задач визуального анализа, специфичных для океанических данных, таких как идентификация вихрей и отслеживание движения солености. Эти модули доступны в виде фильтров Paraview, и в результате бесшовной интеграции получается система, которую легко установить и использовать. Практический пример Бенгальского залива иллюстрирует полезность системы для изучения океанических явлений и процессов.

1. Введение

Понимание данных об океане имеет первостепенное значение для прогнозирования экстремальных погодных явлений, таких как ураганы и цунами, лучшего понимания процессов планетарного масштаба, таких как глобальное потепление, а также для устойчивого управления и сохранения ресурсов океана и его морской жизни. Визуализация данных об океане является сложной задачей из-за наличия множества полей и параметров, которые меняются со временем. Океанские течения, несомненно, являются важнейшим фактором, поддерживающим тепловой баланс системы океан-атмосфера и влияющим на движение минералов и соли. Мезомасштабные вихри диаметром от десятков до сотен километров и продолжительностью жизни от нескольких дней до месяцев [RR10] распространены в океанах повсеместно. Они играют большую роль в переносе тепла и массы в океанах [McW08]. Они также оказывают большое влияние на экологию океана и биогеохимические процессы [MJD∗ 99, BNBD∗ 07].

Учитывая успехи в сборе и генерации океанических данных [FD06, Ros89], существует потребность в инструментах, которые поддерживают эффективную визуализацию данных и могут масштабироваться, чтобы идти в ногу с постоянно растущим разрешением и размерами наборов океанических данных.

1.1. Связанных с работой

Визуализация в океанографии является сложной областью исследований из-за быстро растущего размера данных, неоднородности и многомерного характера данных, а также присущей им сложности океанских явлений. В сообществе широко распространено использование программного обеспечения общего назначения для анализа и визуализации, такого как Matlab, Tecplot, AVS и Paraview. Однако океанографы часто используют инструменты, разработанные специально для океанических данных, такие как Ferret [Fer23], pyFerret [pyF23] и Copernicus MyOcean [myO23]. Эти специализированные инструменты предоставляют множество функций и создают двумерные представления данных.

Несколько программных платформ, разработанных сообществом специалистов по визуализации, предоставляют возможности визуализации 2D и 3D данных. COVE [GSK∗ 08] — это среда совместной визуализации океана, которая поддерживает интерактивный анализ моделей океана через Интернет. RedSeaAtlas [AGT∗ 19] поддерживает выбор регионов на 2D-карте и предоставляет исследовательские изображения ветров, волн, приливов, хлорофилла и т. д. над Красным морем. OceanPaths [NL15] — это инструмент многомерной визуализации данных, который вычисляет пути, отслеживающие океанские течения, и поддерживает построение различных многомерных данных вдоль этих путей. Это позволяет изучать корреляции между различными океанографическими особенностями.

Рабочий процесс анализа океанографа включает несколько общих задач [GSK∗ 08], таких как проверка распределения температуры и солености, а также вертикальных сечений, сравнение недавно измеренных данных о солености с данными модели, проверка и анализ текущих завихрений и циркуляции на основе данных о потоке, а также анализ экстремальные события. Изоповерхности и объемная визуализация являются естественным выбором для визуализации трехмерных распределений температуры и солености [DAN12, PBI04]. Однако визуализация динамически меняющихся распределений представляет собой сложную задачу. VAPOR [LJP∗ 19] — один из немногих инструментов, обеспечивающих эффективную 3D-визуализацию для океанографических и атмосферных исследований. Модель данных сбора данных VAPOR (VDC) поддерживает интерактивный визуальный анализ больших объемов данных на современных графических процессорах и обычном оборудовании.

Се и др. [XLWD19] и Afzal et al. В [AHG∗ 19] представлены обзоры методов и инструментов визуального анализа, разработанных для океанических данных. Се и др. классифицируйте задачи визуального анализа на четыре категории, а именно: изучение различных переменных окружающей среды, идентификация и отслеживание океанических явлений, обнаружение закономерностей и корреляций, а также визуализация ансамблей и неопределенностей. Кроме того, они определяют различные возможности и неизведанные области для будущей работы, включая эффективные и масштабируемые методы обработки данных и управления ими, идентификацию функций в различных масштабах и иммерсивные платформы. Хотя мы признаем наличие нескольких методов визуализации океанографии, мы отмечаем, что они часто являются автономными решениями. Мы стремимся использовать обширные достижения в области технологий визуализации, реализованные в Paraview, обеспечивая при этом функциональные возможности и представления, специфичные для данных об океане.

1.2. Взносы

Мы представляем pyParaOcean, систему для интерактивного исследования и визуального анализа океанических данных. Система использует возможности Paraview [AGL05] для обеспечения масштабируемой визуализации данных, доступных из моделей океана, одновременно поддерживая множество задач и функций, специализированных для океанографии. Возможности визуализации pyParaOcean доступны благодаря полной интеграции с Paraview с помощью плагинов. Ключевые особенности системы включают в себя

• 3D-визуализация поля для изучения распределения солености и температуры с поддержкой отображения и исследования динамически развивающихся изоволюмов.

• Визуализация океанских течений с поддержкой различных стратегий определения линий тока и траекторий.

• Вертикальные разрезы и графики с параллельными координатами, поддерживающие интерактивный выбор и нарезку данных.

• Идентификация и отслеживание движения солености посредством выделения поверхностных фронтов. • Визуализация и отслеживание вихревых элементов.

• Расширяемый дизайн, поддерживающий внедрение новых функций в виде фильтров в Paraview.

Мы представляем результаты исследования Бенгальского залива, выполненного в сотрудничестве с океанографом, в качестве примера, демонстрирующего полезность системы.