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基于Google Earth的多源海事信息三维发布方法

2012-05-09占真刘克中何正伟金湖庭

上海海事大学学报 2012年4期
关键词:海事时空船舶

占真,刘克中,何正伟,金湖庭

(1.武汉理工大学航运学院,武汉 430063;2.浙江交通职业技术学院机电学院,杭州 311112)

0 引言

海事信息服务是海事管理有效便捷的管理方式之一,海事信息发布对保证水上交通安全、保护水域环境有着不可或缺的作用.随着海事信息化建设的不断进步,各类海事信息发布系统的设计和研究越发完善.[1]例如,目前国际上的 VTMIS(Vessel Traffic Management Information System)是由提供交通图像的VTS(Vessel Traffic Service)和提供各种文字类信息的管理信息系统相互配合的联合系统,还有应用比较广泛的ECDIS(Electric Chart Display and Information System),都对海事管理起到重要作用[2];但该类系统大多数都基于二维电子海图,与人们认识世界的多维和多视点特点不一致,因而缺乏海事专业知识就不易理解.因此,研究一种新的海事信息发布方法,实现海事信息的图形影像更直观化、操作界面更简单化、管理使用更大众化的目标,对提高海事管理的工作效率具有十分重要的意义.本文以Google Earth(GE)为平台,通过建立一个面向对象的时空数据模型对多源海事信息进行有效的组织分类管理;对GE信息发布方法进行深入研究,并结合KML语言技术,最终实现以接近真实视觉的三维可视化形式在GE上发布各类海事信息.

1 GE在海事信息发布中的优势

GE采用C/S架构,以各种分辨率的卫星影像作为基础数据,集成多达44种与生活密切相关的分类信息、企业名称等重要地址信息数据库,以虚拟地球为视觉目标,整合Google的多项服务,提供免费高清晰度遥感图像和简捷清晰的空间信息表达方法.[3]本文所设计的基于GE的海事信息发布平台具有许多其他海事信息发布平台所没有的优势:

(1)具有处理海量海事信息数据的能力,可以精确无误地显示大到一个海域、小到一个航道泊位上的海事信息数据.

(2)结合GE把海事信息发布在接近真实的三维虚拟地球上,使用户浏览信息时能够更直观地获取所需信息,节省用户的时间,并且界面简洁、操作简单,方便用户和管理人员的使用.

(3)实现海事信息结合卫星影像的三维动态显示和数字化管理,为用户提供海事信息浏览功能,具有直观、易操作等优点,为海事管理工作效率的提高和航运企业及普通用户的海事信息需求提供一个便捷有效的信息管理途径.

2 基于GE的海事信息数据发布技术框架

2.1 多源海事信息数据处理

2.1.1 多源海事信息融合

海事信息数据具有多源化的特点,比如各种文本、矢量、栅格和三维模型数据等数据形式来源.这种信息数据多源性的产生,为数据综合利用和数据共享带来不便.本文按照多源海事信息的表现特征,将海事信息数据大致分为4类:文本数据、矢量地图数据、栅格影像数据和三维模型数据.通过对不同来源的海事信息数据进行融合处理,得到比任何由单个数据源获得的数据更为全面、综合的海事信息,具体流程见图1.

图1 多源海事信息融合处理流程

(1)文本数据处理.航海通告、地名、气象信息、海事新闻等数据被统一转化成以UTF-16编码、二维的形式进行处理和显示,或直接通过HTTP协议以超文本链接的方式通过网页显示.

(2)矢量地图数据处理.海岸线、航线以及岸上相关基础地理信息数据多是矢量,数据量比较大.采用矢量栅格化方法,按地理区域或航区分块的方法将矢量数据转化为栅格数据的方式,然后将其作为多层纹理在相应的地形或三维模型上进行融合.这样,数据量与图层数量相关,不同的图层还可以进行合并,数据量大大减少.

(3)栅格影像数据处理.为了电子航道图等栅格影像数据的三维可视化,采用金字塔法将栅格影像数据作为多分辨率和区分块处理,并且采用四叉树结构管理这类数据[4],见图2.

图2 栅格数据金字塔

(4)三维模型数据处理.对于在航道图中以点状符号或其他线划符号表达的航道地物(如航标、水尺、跨江桥等),可以利用Google SketchUp专业建模软件建立三维模型,生成skp格式的三维模型数据,直接导入GE中,可免除转换地理坐标系的过程.

以上数据预处理可以将不同来源的数据集规范化,以保证它们的一致性.结合数据特点,选用适当的融合方法(如分辨率融合可选用金字塔融合法或小波变换融合法,分量替换融合可选用his变换融合算法等),对数据进行关联性分析,实现数据和图像的配准、关联、合并等,最终得到信息更为全面的融合结果,存入相关数据库中.

2.1.2 多源海事信息数据组织管理

针对多源海事信息数据的表现特征,通过建立一个面向对象的时空数据模型对多源海事信息数据进行组织管理.面向对象的时空数据模型在时空数据模型的基础上,以面向对象的基本思想组织地理时空.[5]根据面向对象的观点,将多源海事信息抽象为一个时空属性类,其具有的3个基本特征(空间、时间和属性)也可被抽象表达为3个基本的类:空间对象类、时态类和属性类.其中,时态类不能单独存在,这3个类聚合成时空属性类.此外,为了便于表达空间随时间的变化和属性随时间的变化,将时间与空间、属性相联,构成时空对象类和时态属性类.[6]面向对象时空数据模型中各类对象之间的关系见图3.

图3 面向对象的时空数据模型

(1)空间对象类是对多源海事信息空间对象空间组成部分的抽象,描述几何对象及它们之间的关系.空间对象类还可以分解为点、线、面等3个子类,包含的空间数据主要是指各个分支海事局和地方海事局的地理管辖地图数据,如通航环境信息(港口航道、航标、岸线等基础地图信息数据).

(2)时态类是关于时间的建模,指各类海事信息(包括空间数据和属性数据)在现实客观世界中存在的时间.

(3)属性类用于解释多源海事信息具体语义,解释空间数据语义的属性类有点属性类、线属性类和面属性类等3个子类与其相对应.

(4)时空对象类是空间对象类和时态类的聚合,表达空间几何对象随时间的变化.例如,随着时间的推移,船舶地理位置发生变化而产生的航迹(不包含船舶基本属性信息).

(5)时态属性类是属性类与时态类的聚合,描述属性数据随时间的变化.时态属性类的属性是面向应用的,包括船舶基本信息、事故应急信息和VTS业务信息等.

(6)时空对象类和时态属性类聚合为时空属性类.时空属性类是对多源海事信息的一个完整的抽象描述,不仅可以描述海事信息空间对象中空间几何部分随时间的变化,而且能够表达空间对象中属性部分随时间的变化.时空属性类有3个子类:时空属性点类、时空属性线类和时空属性面类.这些类的对象是对海事信息地理空间中点状实体(航标、灯塔)、线状实体(航道、海岸线)和面状实体(宗地、建筑物等)的抽象表达.

2.2 GE基础数据转换方法

海事信息数据数量繁多、种类各异[7],但它们在GE中基本可表现为点、线/折线、多边形/立体多边形、地表贴图、屏幕贴图和三维模型等显示方式.对GE客户端而言,KML(Keyhole Markup Language)就是其标准数据格式,因此第三方的数据转换目标便是合适的、完善的KML数据.格式转换是把原格式数据经过专门的数据转换程序转换成目标格式的文件并保存下来,将目标格式的数据作为系统的直接数据源.[8]由于 GE只采用 KML数据格式,而KML本身具有很强的拓展性,高级用户可以用文本编辑器创建包含各类海事信息的KML文件,很多第三方软件也可以提供与GE数据转换的接口(如Google SketchUp,GIS项目 MapWindow,GIS浏览软件Global Mapper和数据转换工具FME等),将矢量数据转换成KML文件格式.图4是一个完整的数据转换操作流程,图中箭头指示数据处理的操作步骤,方框里表达的是各步骤后的数据结果.

图4 GE数据转换操作框架

2.3 基于GE的海事信息发布方法

KML是一种基于可扩展标记语言(eXtensible Markup Language,XML)语法和文件格式的数据文件,可用来描述和保存地理数据(包括点、线、面、多边形和模型等).[9]GE采用基于开放式的KML数据标准描述地理要素相关信息,并显示相应的地理要素模型,即其数据都是以KML/KMZ(KMZ文件是KML文件的zip格式的压缩文件)格式保存和交换的.因此,本文采用建立含有多源海事信息的KML/KMZ文件的方法在GE上发布海事信息,具体步骤如下.

(1)用GE客户端建立一个基础的海事信息KML文件.启动GE客户端,根据海事信息数据表现形式的类别,在菜单栏中选择“添加”/“地标、路径、多边形”等相应类型,得到最基础的KML文件.以建立一个简单的KML地标文件(包含文件名信息、船名信息、船舶经纬度信息)为例,KML代码如下:

(2)根据海事信息需求丰富KML内容.上述代码中,〈Placemark〉〈Point〉等均为 KML 标签,有其具体的含义,具体使用规则遵循KML Schema 2.2文档.例如,可以使用〈Style〉标签定义海事信息在GE上的呈现样式,如颜色、线条等,增强信息显示视觉效果.运用 KML数据标准编写包含海事信息的KML代码,最终形成内容多样、满足用户需求的海事信息KML/KMZ文件.

(3)海事信息共享发布.将编写好的海事信息KML/KMZ文件上传到网络上,供其他用户下载,或者直接通过GE提供的信息共享功能实现海事信息共享.

3 基于GE的海事信息发布实验

3.1 三维船舶模型显示

三维建模的方式有很多种,其中最便捷的方式就是运用SketchUp手动绘制或直接在“3D Warehouse”中搜索选取合适的三维模型.得到三维船舶模型后,SketchUp能自动加载GE使三维船舶模型以合适的比例显示在所需要的地理位置上,见图5.

由图5可以看到,在GE客户端界面左侧“位置”面板中的“临时位置”里自动生成一个名为“SUPreview()”的KML文件.用户可以根据自己的实际需要对该KML文件进行代码修改,得到更加理想的船舶模型.

图5 三维船舶模型在GE上的显示

3.2 海事信息在GE上的显示

通过第2.3节对基于GE的海事信息发布方法的详细描述,结合第3.1节三维船舶模型显示说明,分别实现在GE上发布船舶基本信息、航迹信息、航道信息及非空间海事信息等功能,见图6.

图6 基于GE的海事信息显示

图6中:图A表示通过KML地标文件显示船舶基本信息(中英文船名、呼号、船舶登记号、国籍、船籍港、船舶种类、始发港、预计到达时间);图B显示船舶航迹信息(船舶到达某位置的时间及该位置的经纬度),这是结合KML路径文件和地标文件共同实现的.图C和D均表示航道信息,前者采用添加图像叠加层的方法建立KML文件(以渤海湾为例,其中不同灰度的实线表示附近港口的一些海岸信息和航路信息等),后者是通过结合地标文件、路径文件和多边形文件在GE上自行绘制航道信息的方法形成KML文件的(以天津港航道出入口处的船舶定线为例,包含通航分道、分隔线、建议交通流方向、会聚点处的警戒区等航道信息).

此外,可利用GE COM API接口编写水文气象信息、事故信息、VTS业务信息(航行通告、航行警告、引航信息)等非空间信息的代码,当双击文件夹中的某条信息数据时,程序调用TXT文档或者Adobe Reader打开文件,以二维形式处理和显示这类信息.在GE中“添加/网络链接”功能,通过超文本链接的方式可以在网页上显示这类信息.

4 结束语

研究GE在海事信息领域中的应用,通过对多源海事信息数据管理和服务方法的研究,将多源海事信息进行数据融合处理后,建立一个面向对象的时空数据模型,将海事信息抽象为一个时空属性类,实现对多源海事信息数据的有效管理;结合KML数据标准,将多源海事信息数据转换为KML格式文件,实现在GE上浏览海事信息的功能;利用GE的优点,以三维视觉形式显示海事信息,使用户对信息的获取更为方便.这对增强和定制GE在海事中的功能和应用具有很好的参考价值.

[1]沈爱弟,韩彦芳,许岳维,等.基于AIS船站的舟山港海事信息监测系统[J].上海海事大学学报,2008,29(3):10-13.

[2]黄健伟,陆悦铭,李义斌.AIS时代VTS面临的新课题[J].上海海事大学学报,2007,28(3):19-23.

[3]马谦.智慧地图:Google Earth/Maps/KML核心开发技术揭秘[M].北京:电子工业出版社,2010.

[4]HE Zhengwei,ZHAN Dongwen,LI Yingyang,et al.A virtual Earth-based maritime information publishing method[C]//Transportation Inform &Safety:Multimodal Approach to Sustained Transportation Syst Dev -Inform,Technol,Implementation(ICTIS).Wuhan,China:2011:2451-2458.

[5]LOHFINK A,CAMDUFF T,THOMAS N,et al.An object-oriented approach to the representation of spatiotemporal geographic features[C]//Int Symposium on Adv in Geographic Inform Systems.Seattle,US,2007:268-275.

[6]宋玮,王家耀,郭金华.面向对象时空数据模型的研究[J].测绘科学技术学报,2006,23(4):235-238.

[7]杜志秀,张寿桂,彭国均,等.航标助航信息发布系统[J].上海海事大学学报,2011,32(1):35-39.

[8]杨湘燕,董槐林,吴清锋.基于KML的GIS数据复用技术研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2009(3):334-337.

[9]马立广,曹彦荣.Google Earth COM API及KML技术在旅游管理信息系统开发中的应用[J].地球信息科学学报,2010(6):828-834.

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