基于海洋物联网的网格等值线绘制方法与流程

本发明属于海洋数据处理领域，涉及基于海洋物联网的网格等值线绘制方法。

背景技术

海洋环境监测系统的研究越来越受到人们的关注,各传感器通过物联网的信息交互在海洋环境探测系统中占有重要地位，为了保护和利用海洋资源，海洋信息的采集和处理刻不容缓。物联网主要是把传感器和网络连接起来，其目的是使对象和对象之间相互通信，达到更高的工作效率和节省运营成本。在现有的海洋环境监测区，通过多传感器搭建的物联网，传感器协作感知、收集和处理网络覆盖区域内的对象信息，并向观察者发送信息，可以实时获取和检测海洋环境。但现有的海洋环境监测技术并没有真正实现海洋环境监测的智能化，因此大数据的处理和可视化显示已经成为海洋工程的关键问题。

目前国内外对于海洋大数据的可视化处理还不够完善，在温度、压力等因素的等值线绘制算法和应用都有很大的提高空间，将等值线的绘制应用到海洋数据可视化显示中来已成为当前研究的热点和难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于海洋物联网的网格等值线绘制方法，在多传感器信息交互和分布式融合采集数据的基础上，对原始数据进行网格划分和细化三角划分，加入了三角重心插值算法，对海洋数据进行等值线的可视化绘制。技术方案如下：

基于海洋物联网的网格等值线绘制方法，包括下列步骤：

第一步：基于海洋互联网的多传感器之间的信息交互和采集，对包括温度、气压、深度在内的海洋信息进行传感器数据预处理和分布式融合操作；

第二步：在所有数据点的整个空间进行网格划分，依据当前数据量的大小和数据点的密集程度，将整个空间分为n*n的规则网格，再对细化之后的网格数据进行处理；

第三步：对每个网格中的数据点计算其标准差和均值的计算，并计算所有数据点和均值的差值，得到一个数据列表，比较列表中的每个数据值与三倍标准差的大小，若数据值大于三倍的标准差，则以该区域继续循环第二步和第三步的网格构建，直到满足要求；

第四步：将数据点按连接规则进行连接，将整个网格空间构造成三角网格，对数据稀疏的网格，采取进一步的三角网格划分，为三角网格的每一条棱边依次分配w1＝1、w2＝2、w3＝3三个比重数值，判断三角网格的棱边是否存在等值点，存在等值点时采用三角重心点插算法，对网格进行数据插值；

第五步：将包含边界的三角网格作为等值线搜索的起始网格，将该网格棱边上的点作为等值线起点，然后标记该点对应的传感器数据值作为目标值，在网格中找到所有等于该目标值的数据点，根据权重的分配进行等值线绘制，通过三角网格后会寻找下一个三角网格，直到遍历所有三角网格后表明等值线追踪结束；

第六步：在等值线追踪结束之后，网格中的点和线被分配完，利用三阶bezier曲线来进行数据平滑操作；

第七步：对等值线进行可视化图形显示和处理，加入利用哈希表存储的查找优化算法，其中每个数据点的值都对应唯一的键值，在查找时采用二分查找，即从中间的位置开始查找，分成两个区间，再对子区间进行二分查找。

本发明所提出的基于海洋物联网的网格等值线绘制方法充分考虑到数据的丰富和异构性，在结合数据融合和数据处理的基础上，对数据进行了网格划分和细化的三角网格划分，加入了三角重心点插值算法，提出了等值线绘制方法，并进行了数据的可视化显示，经过真实数据的验证得到的的等值线效果良好，计算速度较快，能应用到实际的海洋数据等值线绘制中去，对其他类型的数据的处理和等值线绘制方式有一定的参考价值。

附图说明

图1等值线绘制流程框图

图2网格划分示意图

图3细化三角网格划分示意图

图4单元搜索和等值线连接示意图

具体实施方式

本发明在多传感器信息交互和分布式融合采集数据的基础上，对原始数据进行网格划分和细化三角划分，加入了三角重心插值算法，对海洋数据进行等值线的可视化绘制。具体实施方案如下：

第一步：基于海洋互联网的多传感器之间的信息交互和采集，对温度、气压、深度等海洋信息进行数据预处理和分布式融合操作。

第二步：在所有数据点的整个空间进行网格划分，依据是当前数据量的大小和数据点的密集程度。将整个空间分为n*n的规则网格，再对细化之后的网格数据进行处理。

第三步：对每个网格中的数据点计算其标准差和均值的计算，并计算所有数据点和均值的差值，得到一个数据列表，比较列表中的每个值与三倍标准差的大小。若数据值大于三倍的标准差，则以该区域继续循环第二步和第三步的网格构建，直到满足要求。

第四步：将数据点按连接规则进行连接，将整个网格空间构造成三角网格。对数据稀疏的网格，采取进一步的三角网格划分，为每一条棱边依次分配w1＝1、w2＝2、w3＝3三个比重数值，判断单元棱边是否存在等值点，存在等值点时采用三角重心点插算法，对网格进行数据插值。具体地，

经过网格进行细划之后的形成三角网格，设网格中数据点依次为xi＝1,2,3,...,n，其对应的传感器数据值为z(xi)，对于每个三角网格，记棱边两端点i和j对应的传感器数据值分别为ii和ij，判断一条值为i0的等值线，其棱边是否存在等值点的条件是

(ii-i0)*(ij-i0)≤0

若ii-i0＝0,则表示该等值线经过端点i，但是等值线标记了端点为等值点，不利于下一个等值点的追踪，因此让等值线无限接近于该端点通过，因此取ii＝ii-ε，其中ε为一个充分小的正数，使得等值线靠近ii点通过，对其他两条棱边用同样的方式进行判断操作。

对于每个三角网格中存在等值点的情况，对等值点采取插值，进行插值的三角重心计算公式为：

其中，n为网格中数据点的数目，δi表示数据点的权重(其总和为1)，u表示与方差最小有关的拉格朗日系数，h是数据点点与插值点的距离，γ(h)是插值点的值。

第五步：在插值完成之后，网各种的点和线被分配完，为了使之前连接的折线更加平滑，利用三阶bezier曲线来进行数据平滑操作。具体地，

为了使连接的折线更加平滑，采用三阶bezier曲线来进行平滑操作，具体地，设首未相连的折线上的四个端点为p0、p1、p2、和p3，设特定值为e(0<t<1)，根据特定值所计算的控制点为p(e)，计算公式如下：

p(e)＝p0×(1-e)³+3×p1×e(1-e)²+2×p2×e²(1-e)+p3×e³

对所有的折线遍历进行三阶bezier曲线平滑操作，最终得到等值线的绘制。

第六步：将包含边界的三角单元作为等值线起点，根据该点的值作为目标值，在网格中找到所有等于该目标值的数据点，根据权重的分配进行等值线绘制。根据图4，通过一个三角单元后会自动寻找下一个三角网格单元，直到遍历所有单元后表明等值线追踪结束。

第七步：对等值线进行可视化图形显示和处理，加入了利用哈希表存储的查找优化算法，其中每个数据点的值都对应唯一的键值，在查找是采用二分查找，即从中间的位置开始查找，分成两个区间，再对子区间进行二分查找。