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1、第23卷第4期2011年4月Vol. 23 No. 4Apr. 2011计算机辅助设计与图形学学报Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics嫦娥一号高能粒子分布数据的可视化毛凯欺J孙延il)张田J唐泽圣5"(清华大学计算机科学与技术系北京】00084)紆(澳门科技大学资iK科技学院澳门(maokm07gmai). com )播 襄，针对大规摸遠娥一号髙能粒子数据提出采用可视化分析其数据分布的一套方法利用各时刻获取的粒子 通址来图示高能粒子通绘随时间的变化悄况；并将一段时间内粒子通凤分成若干区间，利用直方图显示不同通
2、凰范 围内粒子数的况计分布；针对月农各点粒子通处所处的不同范围给出月表不同通绘区间内粒了分布的三维显示) 基于月表各投形网格对应的平均粒了通垠，给出月表卩均通址分布的三维显示：通过引入月地日夹角参数可视化 随月地日夹角变化的通量分布基于文中方法设计并实现一个高能粒子可視化辅助分析系统对不同月份、不同种 类的高能粒子效据进行快速浏览和分析，大大提髙了对高能粒子分布数据的分析效率.关键词：可视化；嫦娥一号；高能粒子中图法分类号：TP391.72Visualizing the Distribution of the Energetic Particle Data Acquired by Chang，
3、El ExplorationMao Kaiminn 9 Sun Yankuil>* Zhang Tian!> and Tang Zesheng1,2)(Department of Computer Science and Technology 9 Tsinghua University Beijing 100034)2y (.Faculty of Information Technology Macau University of Science and Technology MacaoAbstract: This paper introduces a set of visuali
4、zation techniques for analyzing the distribution of large- scale energetic particle datasets acquired by Chang'E-l explorer. Flux in data records is used to visualize time-based flux distribution The energetic particle data distribution in a time period is divided into different flux ranges, and
5、 is depicted with the histogram technique. Further, the energetic particle data distribution in different flux sections on the Moon is visualized as a texture map in a three- dimensional moon model. The average flux distribution on the Moon and the moon-carth-sun angle varying distribution are also
6、visualized Wc design and implement an effective visual analysis system to allow for effective browsing and analysis of datasets in different months* which significantly improves the analytical efficiency of the energetic particle data.Key words： visualization； ChangfE-l ； energetic particle近月空间存在着许多
7、能鼠各异的高能粒子，它 们主要来自于银河系宇宙线和太阳宇宙线，其成分 包括质子、电子和一些重离子.研究近月髙能粒子环 境对于人类探月活动具有十分重要的意义由于高 能粒子具有极高的辐射能斌其连续轰击可导致空 间探测器各种仪器运行异常对航天员造成不可恢 复的辐射损伤，严重危害人类的探月安全.此外，掌 握近月髙能粒子分布演化规律对于研究月表电势分收稿日期：2010 07 13$修回日期：2010 08 24.墓金项目：澳门科技发展幕金(003Z2008/A1)；国家自於科学基金(60971006).毛駅好 (1985-),9J,硕士研究生，主耍研究方向为计算机图形学科学计算可视化'孙延查(1
8、965；,男博七，別教授，CCF鬲级会员，论文通讯作者. 主燮研究方向为小波分析及其应用.科学计算可視化、图像处理等(sykmail. tsinghua. edu. cn)；张 田1983)，男硕士研究生主要研究 方向为计算机图形学科学计算町视化)廣泽圣(】932)男教授博士生导师主要研究方向为计算机图形学科学计算可视化.#计算机辅助设计与图形学学报第23卷布、元素构成以及月球的形成也有着广泛的科学意 义.近年来随若空间科学的不断发展，各国都W起 了航夭探月活动.H本的“月亮女神”号探月卫星 (Selenological and Engineering Explorer)、印度的 月船一号绕月
9、飞行器(Chandrayaan-1).国的月球 勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter)和 我国的嫦娥一号探月卫星(Chang'E-1)都往绕月探 测过程中发送回了大就高能粒子探测数据，为近月 高能粒子环境研究提供了良好的数据基础与此同 时许多学者对近月空间高能粒了做了大秋研究.文 献1-2通过建棋的方法佔计月表的辐射环境：文 献3研究太阳高能粒子对月辰电荷分布的影响；文 献L4-5探索了月球高能粒子与月球外大气层的关 系.在大规模数据的可视化方面，文献6提出了大 规模变化数据的待征提取处理方法；文献7提岀r 大规模时变流数据的可视化方法；文献8提出了
10、多 波段天体物理学数据的可视化方法；还有行星规模 地形数据的可视化方法闵.嫦娥-号高能粒子探测器获取的数据为质子、 电子、讽离子的方向通圮以及质子的能谱，采集的奇 能粒子数据种类如表1所示.所有数据都按照行星 科学数据系统标准(planetary data system)进行存 储每条数据记录包括获取该数据的时间、各类爲能 粒子数据的通lit、月心坐标(moon center coordinate MCC)、地心太阳黄道坐标(geocentric solar ecliptic system, GSE)等信息.応能粒子原始数据经过后期的加工校准可生 成多达2.59GB的岛能粒子数据.从如此大供的
11、数 据中分析、提取出近月空间高能粒子的分布和变化 规律是十分困堆的.目前，国内很少冇学者从可视化 角度对高能粒子进行分析，为此本文提出了几种有 效的町视化分析方法，并疔次设计实现了一个岛能 粒子数据的可视化分析系统.该系统可以直观地实 现对大规模髙能粒子数据的可视化分析，有效地辅 助空间科学家探索研究近月空间高能粒子的分布和 变化规律.« 1嫦娥一号获取的高能粒子数据种类电子质-f/MeV改离子/MeVEl:>00KcVE2：2.0MeVPl4-8P2：814P3：1426P4：2660P5：60150P6：150400Hr 13 105LiBcB：34 210>C：11
12、759O1 高能粒子数据的可视化分析方法与结果在嫦娥一号获取的各个月份的高能粒子数据 中，2007年12月.2008年1月和2008年6月的数 据都比较完整而在一个月时间内月球刚好绕地一 圈经过太阳风、磁輔、磁尾等不同的磁场位匱，获取 的高能粒子数据能充分反映高能粒子在不同地磁场 区域的分布变化基于以上原因，本文选择这3个月 份的高能粒子数据作为实验数据进行可视化分析， 整个可视化分析流程如图1所示.本文根据可视化 需求对高能粒子数据进行预处理获取待分析数据； 然后选择合理的可视化方法进行分析，最终获得可 视化结果.#计算机辅助设计与图形学学报第23卷#计算机辅助设计与图形学学报第23卷图1高
13、能粒了可视化分析流禅685计算机辅助设计与图形学学报第23卷1.1 数据预处理嫦娥一号奇能粒子数据采集的时间跨度为 2007-11-26-2008-08-10.高能粒子探测器在此期间 基本处于开机状态数据采集间隔为1 s.而嫦娥一 号绕月飞行一圈大概为2h,这意味短时间内卫星位 置不会发生太大变化，高能粒子数据的变化也不会 太剧烈.为了提高数据可视化速度，本文在进行可视 化之前对数据进行了重采样预处理，并根据待分析数据的时间分布和駅的大小采取不同粒度的平均采 样，适当加大采样的时间间隔，从而在达到可视化分 析目的情况下尽可能地减少数据可视化在时间和空 间上的开销.1.2数据可视化1. 2. 1
14、基于时间序列分布的可视化嫦娥一号卫星在绕月过程中，岛能粒子探测器 除了关机的时间间隔外，开机时数据采集的时间间 隔仅为Is左右，预处理車采样后时间间隔也很短. 基于时间序列的分布分析，可以直观地给出嫦娥一 号高能粒子探测器在绕月过程中获取的粒子数据在 一段时间序列内离能粒子通战的变化悄况，以帮助 快速定位感兴趣数据的采集时间.具体实现时，该方 法根据时间的选择悄况，以记录时间为横轴，该时间 点获取的粒子通愦为纵轴进行显示.图2a所示为重采样预处理前E1粒子在2007 年12月基于时间序列的分布图，可以看出，在12月 20日到12月25 口期间，E1粒子的通鼠明显增加； 而在其他时间内，E1粒子
15、的通量相对平稳.12月20 日到12月25日期间的E1粒子的通址变化可能和 此时卫星穿越地磁场的磁辭和磁尾区域有关.图2b所示为以5s为间隔进行平均重采样后， E1粒子在2007年12月基于时间序列的分布图.可 见经过重采样，数据依然保持和图2 a类似的通量 分布特性.本文后续实验都是在一定重采样后获取 的数据基础上展开，文中将不再重复叙述.#计算机辅助设计与图形学学报第23卷#计算机辅助设计与图形学学报第23卷日期a重采界预处理前250200100500101015口期丄202530#计算机辅助设计与图形学学报第23卷b靈采祥预处理忘图22007年12月E1通时间序列的分布图#计算机辅助设计
16、与图形学学报第23卷1. 2. 2基于粒子通量区间分布的可视化为了直观地给出嫦娥一号高能粒子探测器在绕 月过程中在一段时间内获取的粒子数据在不同通吊 范围的数量分布，本文提出了基于粒子通址区间分 布的可视化分析方法.首先根据该时间段的粒子数 据基于时间序列分布图，估计出感兴趣的粒子通锻 强度范围Mm, Maxjt然后把小于Min的数堀归 到一个区间，大于Max的数据归到另外一个区间， 对(Min, Ms:)区间再逬行平均分段得到中间分布 的N(分段个数，其大小根据可视化分析需要进行 确定)个不同区间通过数据统计，得到N + 2个区 间所对应的高能粒子数据个数以通量为横轴，数据 记录个数为纵轴，
17、对毎个区间统计得到粒子数进行 直方图显示则可得到基于粒子通虽区间的粒子统 计分布图.图3所示为E1粒子在2007年12月基于粒子 通址区间的分布图，可以看岀，E1粒子在2007年12 月的通量大小主要分布于0. 3,0. 6, C0. 6,0. 9和 0.9,1.2这几个区间内，并不是很大；这可能是因 为这段时间太阳处于宁静期，太阳活动不是很剧烈.第4期毛凯憨等：嫌娥一号商能粒子分布数据的可视化6873.02.50.30.60.91.21.51.82. 12.42.73.0EI通fit/个/cn?ss图32007年12月E1通址基于粒子通応区间的分布图1.2.3基于月表位置分层可视化高能粒子探
18、测器在接收高能粒子数据时相对月 球空间位置不断发生变化，为了体现这种位置上的 变化，本文提出了一种基于月表位置的分层可视化 方法.该方法可以显示嫦娥一号卫星在绕月飞行过 程中对应近月位賈高能粒子数据的变化，并显示不 同通量区间粒子的分布情况.采用3个坐标轴分别 表示经度（负值表示西经，止值表示东经），纬度（负 值表示南纬正值表示北纬）和高能通毎.每一个点 表示在一个时间点对应的经度、纬度和卫星探测器 收到的相应的粒子通屋.为了获得直观的视觉比对, 针对粒子通址所处的不同的通駁范围采取不同的 颜色标示.从图4可以看出，在2008年1月He 能粒子 在北纬15°75°,东经30
19、°60°之间存在一条绿线, 显示出卫星运行在该轨道上空接收到的He粒子通 最数据明显不同于其他位直.分层颜色的标示很好 地反映了上述特征.该绿线的分布带有很明显的地 域上的连续性，其产生原因还有待进一步探索.第4期毛凯憨等：嫌娥一号商能粒子分布数据的可视化#第4期毛凯憨等：嫌娥一号商能粒子分布数据的可视化#()、««4.54.0、b侧枕圏第4期毛凯憨等：嫌娥一号商能粒子分布数据的可视化#注： Heiflft介于（0.2. 5个/cm'.s.sr; He通鱼介T（2. 5,3.5个/cm'.s-sr； He通 61 介于（3.5,4. 5个
20、/ctn*s$r图42008耶1月He通址基于月表位證的分层分布图第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化6891.2.4基于全月平均分布的可视化基于月表位置分层可视化分析虽然能很好地表 现少量高能粒子在月球上的分布情况，但是当高能 粒子数据屣显示增多时，由于数值间显示的交叠，不 能很好地反映一个月内接收到的高能粒子数据在月 表的平均分布悄况.为此，本文提出了一种高能粒子 通暈全月平均分布分析方法.首先把月面投影处理 成180X360的网格，经度方向划分为360段，纬度 方向划分为180段；然后根据一个月份内每个非零 数据的经度和纬度位置，将其投影到相应的网格上 （由于零数据可能为探测
21、器的方向问题所致，所以此 处不予处理；毘后把每个网格上对应的数据求平 均，得到该网格对应的平均粒子通量.基于经度、纬 度和平均粒子通凰，即可进行三维显示.该可视化方法的优点是可以直观地看出卫星在 1个月内测得的高能粒子通量在月表的平均分布 值可估计出月表高能离子的分布情况以及地磁场 对高能粒子的影响.从图5可以看出，2007年12月 E1通量在区域分布上明显不同，其大小和经度分布 关系密切，在几个小经度范围内数据E1发生剧烈 变化.这可能是因为卫星在月球的这些经度上空绕 月飞行时，月球正经过磁鞘和磁尾区域.第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数
22、据的可视化#图52007年12月E1通址平均分布图第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#1.2.5基于月地日夹角分布的可视化嫦娥一号在绕月过程中获得了多个月的高能粒 子数据.在采集数据时，太阳、地球、月球和卫星的位 览都在不断地发生变化，时间上和空间上的同时变 化使得比较不同月份的数据分布有较大难度由于 在一个月时间内戶球刚好绕地球一圏，比较不同月 份在月球轨道上同一位置的数据可以消除月地日位 置关系对粒子通量的影响，有利于探索其他因素（太 阳风强度，银河宇宙线变化等）对于粒子通就的影 响.基于该原理，本文提出了基于月地日夹角分布的 可视化分析方法，如图6所示，把地球-太阳连线逆
23、时针旋转到地球月球连线的夹角定义为月地日夹 角0，其变化范围为0, 360）.若不同月份数据的月 地日夹角0值相同，则它们所处的月地日相对位置 关系也是相同的.以0值为横轴，粒子通量为纵轴， 可比较不同月份、同一类型高能粒子通量的变化悄 况.该方法用一个角度值有效地表征了月地日的位置 关系，大大简化了粒子通虽比较时的空间定位问题.图7所示为2007年12月和2008年6月E1粒 子通显:基于月地位置的分布图.可以看出，这2个月图6月地日夹角示怠图E1粒子通量跳变发牛时，其月地日夹角&都在150° 200°之间，而该范围正是磁销和磁尾的分布区域 （如图6所示），这也刚
24、好验证在磁幫和磁尾区域 高能电子活动较激烈这一事实.比较图7a,7 b可以 发现，图7a中2个峰值点A和B的月地日夹角间 隔比图7b中的要窄得多，该现象的产生可能源于 图7a中太阳风更为剧烈，对地磁场的压缩作用更 大，最终导致磁鞘和磁尾所对应的月地日夹角间隔 变小.第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#月地日兴角/（）a 2007年12月月地日夹ft/C）b 2008年6月第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#图7 E1粒子通址基于月地H夹角的分布图第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#第4期毛凯憋等：塩娥一
25、号高能粒了分布数据的可视化#2高能粒子数据可视化辅助分析系统为有效地实现高能粒子数据的联合可视化分析 比较本文设计实现了一个髙能粒于可视化辅助分 析系统.该系统可以提供对不同月份、不同种类的高 能粒子数据进行快速分析、浏览和比较，其界面如 图8所示.第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化#图8髙能粒子数据可视化辅助分析系统界而第4期毛凯憋等：塩娥一号高能粒了分布数据的可视化691该系统各部分功能如下：1）放大、缩小和旋转按钮.用于对视图中的坐 标轴界面进行放大、缩小和旋转操作.2）月地关系示意图.显示GSE坐标下的月地 关系.根据文献
26、10-11,本文用2条蓝色的曲线表 示弓激波和磁层顶的大概位置，绿色实心圆表示地 球，红色实心關表示月球.当用门进行数据浏览时， 红色实心圆会实时运动，右效地显示出月球和地球 磁场的相对位置关系，辅助分析地磁场对高能粒子 分布的影响.3）卫月关系示意图工轴正向从月心指向太 阳Z轴为月球的自转轴.红色箭头表示太阳光方 向.红蓝相间扇形表示当怖卫星位置，照色球体表示 月球.该示意图能够协助分析太阳光方向和月球的 遮挡作用对高能粒子分布的影响.4）文件打开面板.可选择要分析的月份和日 期段.5）多粒子基于时间序列的比对显示面板.从上 到下-共有4个坐标轴显示界面，每个坐标界面中 数据以1个月为周期按
27、环形进行排布，横轴利纵轴 分别表示环形内侧点的GSE的x坐标和y坐标，环 形内的数字指示对应的日期.环形不同位置的厚度 指示该位置相应的通址大小.6) 当前时间高能粒子数据数值浏览显示面板. 其中的4个按钮和2个浏览速度输入文本框町用于 数据的快速浏览选择.高能粒子数据可视化辅助分析系统可快速地实 现对高能粒子数据的浏览和比较；査看该时间点时 月地位置关系、卫月位置关系、粒子数据的具体情 况；能够从微观到宏观分析高能粒子数据受地球、月 球，卫星位置的影响，可有效地应用于大规模的高能 粒子数据分析.3结 论本文提出的高能粒子数据可视化分析技术能够 快速提取高能粒子通楚的分布、演化特征，实现对大
28、规模高能粒子分布数据的可视化分析.在此基础上 设计实现的可视化辅助分析系统充分整合了高能粒 子浏览、比较和分析时所需要的多种信息，大大提高 了对大规模奇能粒子数据的分析效率.随着空间探 测活动的增多，本文的可视化技术和辅助分析系统 还可广泛用于其他空间探测器获得的高能粒子分布 数据的可视化分析.参考文ittReferences):1 De Angelis G> Badavi F F> Clem J M. et al. Modeling of the lunar radiation environment J Nuclear Physics B. 2007 166(Suppl)t 1
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