大洋海底数据可视化和成图设计与分析

大狼 · 发表于数据处理软件 2022-11-8 10:40:52

海洋观察已经在环球各个海疆，包罗极地地域的海域广泛开展，也已经从最初的近岸调查延伸到大洋深水区的调查。随着海洋探测技能的不停进步，从早期的大帆海期间到当代的大洋调查时代，海底数据积聚越来越多。探测技术的提拔以及数据存储介质的改变也导致了同种范例数据容量不断增大。此中最为常见的海底探测数据包括海底多波束数据、海洋重力与磁力数据以及海底地动数据等地球物理方面的观测和探测数据。别的，也包括全球大洋层析成像效果获取的地球大洋内部波速布局非常数据、地区海底沉积物柱状样数据、全球大洋钻探数据、表层沉积物数据、水体温盐数据等。

大量的海洋探测数据也要求利用专业的软件工具来表现全球大洋数据，以及使用数据举行二次开辟和建模，如Gplates工具利用全球地形水深数据、大洋地壳年事数据等与地球演化有关的关键数据进行地球板块重修和动力地形的科学研究。各种常见的图形显示工具的使用，如GoogleEarth舆图显示，以及使用ArcGIS、GlobalMap、Surfer、GMT等专业软件工具对地理和地图数据进行的成图显示，都是利用非常专业的软件，必要数据格式满意软件工具的需要，也仅仅显示单一的数据体。

另外，使用Py-thon语言、Java语言以及依赖Web编写的图形数据显示界面也被广泛开发和利用，数据生存在服务器上，需要借助网络，不断地传输和调用数据成图，用户不能控制画图参数的选择以及数据的综合利用。Matlab工具在地球科学数据可视化中已经开始应用，其中图形界面工具怎样创建和使用已被具体形貌。另外在地球科学数值模仿方面也大量使用Matlab工具进行模子的创建和盘算。

数据可视化一样寻常通太过析数据结构和格式，以图形和声音的情势显现出来，将存储介质中的数据，如图表、图像等信息以可视化的形式展现出来，可以是静态显示，也可以是动态及时显示。当分析复杂的数据信息时，需要多种数据的立体显示和综合分析，通过可视化将复杂的数据以更为直观的彩色图形来明白和展现数据暗含的科学意义。在美国海洋与大气管理局(NOAA)网站，利用Web创建的地图可以大概显示以往大洋科考航次探测的各类地球物理数据(https：//maps.ngdc.noaa.gov/viewers/geophysics/)，也可以通过网站提供的地图界面提取区域的大洋水深数据(https：//download.geb co.net/)，但是这些网站多数只能提供单一类型数据显示大概下载数据服务，用户不能在网页中调解绘图参数或者对图形色彩进行自由选择，只能使用网页提供的默认参数。全球大洋多源地球科学大数据可以从以下数据构建，包括利用全球海底地理数据库、构造与沉积数据库、地球物理数据库、地球化学数据库及物理海洋等数据库框架来进行计划，但是数据类型浩繁，用一种图形界面来显示和成图略显复杂，本文依据简朴快捷成图思绪，仅仅给用户提供简单易操纵的图形功能。

为相识决全球大洋海底数据的可视化显示和综合分析题目，本研究创建了OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面综合成图和分析工具，重要使用Matlab中的图形用户界面工具(GUI)创建和实现差别海底数据绘图功能模块以及综合数据分析(图1)。通过图形用户界面以及各类海底数据成图功能，实现了对全球海底水深数据、海洋重力异常数据、海洋磁异常数据、大洋地壳年龄数据、层析成像数据、海底地震波形数据等不同类型数据的科学成图和结果的开端分析。同时也能满足对科学航次收罗的海底数据进行初步的显示和综合分析本领要求，以往航次数据都是使用不同的工具进行数据显示成图。以下末节将详细叙述创建OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面的详细过程和不同海底数据绘图功能模块实现和成图结果的初步分析。

图1 大洋海底数据可视化和图形用户界面(OceanVis1.0)
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一、OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面设计

本文主要利用Matlab中的图形用户界面设计工具guide，机动设计了OceanVis1.0图形用户界面，对不同的海底大洋数据，通过Matlab编写读取步伐，分别设计了绘图功能模块，能够实现数据的可视化。具体体系设计流程是对下载的全球海底大洋数据进行分类和整理，分别设计图形用户界面，依数据的结构类型，分别编写读写和绘图程序，末了对各模块成图进行测试，然后调整绘图参数和彩色色板设置，对全球大洋海底数据进行可视化成图(图2)。

图2 OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面设计流程
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OceanVis1.0图形用户界面可以实现图形的截取、放大和缩小，以及恣意测线的截取成图，方便使用者对具体大洋区域的多种数据快速成图和初步分析。以下通过具体的全球水深数据、海洋重磁数据、大洋洋壳年龄数据以及其他大洋数据，如层析成像数据和地震波形数据的成图和分析来展示OceanVis1.0图形用户界面功能。

⒈全球大洋水深

全球大洋水深数据是应用最为广泛的大洋海底数据，主要通过卫星重力反演和大洋局部区域的单波束、多波束水深调查结果集成。大洋水深数据已经成为大洋研究中的最根本的数据体，全球海洋水深图数据(GEBCO)是由国际航道丈量构造(IHO)与团结国教科文组织部属当局间海洋委员会(IOC)联合组织体例的一个全球水深数据，GEBCO自2003年公开了第一个1'网格精度的水深数据后，在之后的十多年内先后更新发布了30″和15″网格精度的全球水深数据，2020年已经更新最新分辨率的水深数据为GEBCO_2020Grid(https：//www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetrydata/)。

GEBCO_2020Grid水深网格数据主要是基于全球海陆地形数据(SRTM15+，V2.0)，并在此数据底子上增长了由数十家科研机构提供的单波束、多波束调查实测数据。GEBCO_2020Grid提供了覆盖全球的15″精度网格数据，数据包罗43200行和86400列，总计3732480000个数据点，现在支持3种格式的水深数据文件下载，分别为net CDF、Data Geo Tiff和Esri ASCIIraster(https：//www.gebco.net)。

本文利用创建的OceanVis1.0界面绘图工具，从全球数据中提取区域水深网格数据进行绘图分析，通过数据体的二维平面展示，以及三维数据体的旋转功能分析数据中展示的异常目的(图3)。依据网页只能提取要求范围内的水深数据(https：//download.gebco.net/)，但是不能对数据进行旋转和提取切面图，我们组建的OceanVis1.0界面水深绘图工具，可以实现数据的旋转、截取和切面图的操作功能，尤其通过数据三维旋转显示，可以进一步分析数据中的异常区空间走向展布(图3)。

图3 水深数据三维旋转可视化

⒉全球大洋重磁数据

本文在OceanVis1.0创建的海洋重磁分析的框架下，主要针对全球WGM2012和EGM2008全球海洋重力数据进行成图和分析。国际重力局(BGI)提供了全球重力异常数据(http：//bgi.omp.obs-mip.fr/)，该机构自2001年起负责向大地测量和地球物理界提供与重力场有关的数据、软件和信息。在BGI网站可以下载WGM2012和EGM2008两种模型的全球重力异常数据。

EGM2008是国家地理空特工报局(简称NGA)利用单次谐波开发的模型，该模型包括地面重力测量(来自陆地、海洋或空中测量)、卫星测高和卫星重力测量获取的数据。EGM2008模型提供自由氛围和布格重力异常数据，网格精度为2.5'×2.5'，数据格式是ASCII码三列数据构成。WGM2012在全球范围内用球面多少计算，是第一个具有高分辨率网格的地球重力异常，包括布格异常、自由空气重力异常、平衡异常3种重力异常。WGM2012重力异常利用已有的全球重力模型EGM2008和DTU10，同时参考ETOPO1地形模型做了1'×1'分辨率的地形改正，思量众多地表因素(大气、陆地、海洋、内海、湖泊、冰盖和冰架)的影响，终极重力异常数据通过球谐函数法计算得到。WGM2012模型提供的3种重力异常数据格式为ASCII码格式，网格精度为2'×2'，由经度、纬度、重力异常值3列数据组成。

本文利用创建的OceanVis1.0界面海洋重力绘图模块工具(图1)，将从全球WGM2012重力异常数据中提取的区域自由空气和布格重力异常网格数据进行二维平面绘图(图4a，b)，同时在平面范围中可以任意截取测线。图4展示了马里亚纳海沟区域的重力异常特性，其中在马里亚纳海沟附近的自由空气重力异常值约为-250mGal，通过二维测线A1和A2对比，可以展示海沟范围内为负的重力异常值(图4a)。布格重力异常展示在大洋洋壳范围内为高值异常，在火山岛弧两侧为低值异常区(图4b)。

a—自由空气重力异常；b—布格重力异常

图4 海洋重力异常数据绘制与分析

全球磁异常数据(EMAG2v3)由美国海洋与大气管理局(NOAA)编撰(https：//www.ngdc.noaa.gov/geomag/emag2.html)，本文重点使用全球海洋磁异常数据。EMAG2v3是一个全球地磁异常网格数据，由卫星、船舶和航空磁测数据汇编而成，数据分辨率为2'×2'，在大地水准面以上4km的高度，该精度仍可得到保持。数据格式有ASCII码、GeoTIFF和KMZ格式，可以使用不同的绘图软件打开。数据体中包括两列网格标志、经度、纬度、4km高程上的地磁异常数据、海洋区域的海平面、异常源网格代码、每个单位格的偏差估计。在大洋中的磁异常条带主要由海底扩张和磁场极化方向改变形成，一般在古老的地壳显示猛烈的磁异常。

本文利用创建的OceanVis1.0界面海洋磁异常绘图模块工具(图1)，将从全球磁异常数据(EMAG2v3)异常数据中提取的区域磁力异常数据成图，主要利用数据中的经度、纬度、地磁异常3列数据。同时，可以对区域内提取任意二维测线，本文使用C1和C2测线进行初步的对比分析，区域内磁异常数值在-400～400nT范围变革(图5)，C1测线中最低磁异常约为-300nT，C2测线中总体在-50nT之上(图5)。在大洋范围内总体为条带状分布，这一异常特征与大洋海底扩张有关。

图5 海洋磁异常数据绘制与分析

⒊全球大洋地壳年龄和大洋钻探井位

全球大洋地壳年龄数据由悉尼大学Müller传授团队2008年组建，数据由早期编撰的6'×6'分辨率的age.3.6更新到目前2'×2'分辨率的age.3.2版本。地壳年龄有IMG、TIFF、netCDF和ASCII码几种数据格式，方便各绘图工具使用(https：//www.ngdc.noaa.gov/mgg/ocean_age/ocean_age_2008.html)。age.3.2版本数据将全球大洋盆地的年龄、年龄误差、扩张速率和扩张不对称性4种模型数据作为地理网格和墨卡托投影存储，每个网格节点的年龄、扩展速率和不对称性是由相邻海底各节点在扩展方向上的线性插值决定的，在最古老的磁异常和大陆地壳之间的年代是由被动大陆边沿段的地质估计插值得到的，网格单元的年龄不确定性是基于网格单元年龄与观测年龄之间的差别求解得出的，这些网格单元洋壳年龄与位于其共轭洋脊一侧或旋转的海底磁异常辨认雷同等。

基于创建的OceanVis1.0界面中其他绘图功能(图1)，使用大洋地壳年龄绘图模块工具将全球地壳年龄以彩色图展示出来，陆地部门为白色，大洋内部使用蓝红显示地壳年龄，其中赤色代表老的地壳，蓝色代表新生的地壳或者靠近大洋洋中脊(图6)。在大洋地壳年龄分布图中我们也将全球大洋钻探的井位数据绘制在图上，其中红色圆圈代表自负洋钻探从ODP、DSDP到IODP的1219个井位位置。可发现大西洋洋中脊钻探的位置较多，印度洋洋中脊相对少点。为了进一步理解，绘图界面也可对局部大洋地壳年龄成图以方便进一步分析。具体分析各大洋地壳年龄的组建参考Müller等的详细论述。

图6 全球大洋地壳年龄和大洋钻探井位分布

⒋全球层析成像数据

全球层析成像结果模型数据也已经许多了，主要是利用远震地震体波和面波的地震波走时，以及正模数分析、分裂函数、简振振型频谱分析、综合地震图等组建全球体波和面波模型。针对地震层析成像模型，有学者使用Python语言组建了快速显示结果的图像显示工具。本文利用OceanVis1.0强盛的绘图界面功能，通过调用层析成像数据，快速显示和追踪地球内部波速异常目标体的空间展布。依据组建的全球P波层析成像结果数据(MIT-P08)，数据网格间距为0.75°×0.75°，可以提取任意区域某一深度的网格数据。本文以地下300和700km深度为例，通过OceanVis1.0界面绘图工具，对层析成像模型数据进行成图，同时叠加全球海岸线数据。对不同深度层析结果初步分析，发现华南以及海南岛地区在深300km体现为是巨大的低速负异常区(图7a)，在700km深度负异常区显着较少乃至局部消散(图7b)。具体详细的层析成像结果数据处置处罚和模型组建参考相干的地震层析成像文章和地震学方面的参考书，此文不做详细论述。

a—深度300km层析成像P波扰动；b—深度700km层析成像P波扰动

图7 不同深度P波地震层析成像

⒌其他大洋数据

在大洋板块界限和洋中脊经常发生地震，尤其在大洋俯冲带易发生大的粉碎性地震甚至引起海啸。对发生在大洋中的地震，全球地震台网台站能够记载到地震发生后的波形数据，一般地震变乱波形的数据记录接纳seed、miniseed或者SAC等尺度的地震互换文件格式，读取不同格式的地震波形数据一般使用专业的地震分析工具，如SAC，SEIS-SAN等。本文使用OceanVis1.0在Matlab的框架下也可以读取地震波形数据，绘制三分量地震波形时间序列图。

图8 东日本大地震(2011年3月11日,M=8.9)三分量地震波形数据绘制和分析

本文以2011年3月11日发生在日本海岸的东日本大地震(M=8.9)为例，起首通过全球地震台网进行地震的搜刮，下载德国地震台网(GEOFON，GE)台站LHMI记录的2011年3月11日日本大地震的宽频带三分量地震波形记录，地震记录长度是地震发生后约1h。其次通过Ocean-Vis1.0界面，调用读取地震波形程序绘制地震波形图，最后在三分量宽频带地震波形图中做简单的地震分析，从垂直分量BHZ中可以清楚识别P波、S波以及面波，从两个程度分量BHE和BHN中能够清晰识别面波出现的到时，可以标注在三分量图(图8)中，为后续的地震震源破碎和地震过程研究提供翔实的波形数据。

二、结论与预测

通过Matlab编写了OceanVis1.0图形用户界面，实现了全球大洋海底数据的可视化和成图，使用Matlab编程实现大洋海底数据的读写和交互式成图功能，能够对数据进行读写、截取，实现结果图件放大、缩小以及任意测线提取的功能。各个绘图功能模块使用OceanVis1.0图形用户界面，依据不同类型的全球大洋海底数据的结构类型，分别读取数据，通过修改绘图程序内部的参数对全球大洋海底数据进行可视化和成图并做简单的综合分析。

本文应用OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面，分别对全球大洋水深数据、海洋重磁数据、大洋地壳年龄数据、层析成像数据和地震波形数据做了详细的分析和应用。OceanVis1.0图形用户界面能够实现数据的快速可视化以及成图功能，大大方便了大洋数据的成果展示，提高了数据分析服从，完成利用直观的图形来理解数据的内容，为进一步具体的大洋科学研究提供一个数据可视化平台。

OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面貌前只能显示静态的大洋科学数据，将来需要进一步拓展数据成图模块，实现动态实时数据的回放功能，雷同于动态的地震监测、气候云图等动态数据成图和分析功能，满足海量大洋数据的实时显示和成图功能。未来需要在人工智能工具，包括神经网络、遗传算法、聚类分析等方面进行多源地学数据智能发掘，在全球深时数字地球科学筹划开展下，真正实现全球海底多源地球科学数据综合应用和成图，作为一个开放平台服务于大洋科学研究。

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