占真，劉克中，何正偉，金湖庭

(1.武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063;2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，杭州 311112)

0 引言

海事信息服務(wù)是海事管理有效便捷的管理方式之一，海事信息發(fā)布對(duì)保證水上交通安全、保護(hù)水域環(huán)境有著不可或缺的作用.隨著海事信息化建設(shè)的不斷進(jìn)步，各類海事信息發(fā)布系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究越發(fā)完善.［1］例如，目前國際上的 VTMIS(Vessel Traffic Management Information System)是由提供交通圖像的VTS(Vessel Traffic Service)和提供各種文字類信息的管理信息系統(tǒng)相互配合的聯(lián)合系統(tǒng)，還有應(yīng)用比較廣泛的ECDIS(Electric Chart Display and Information System)，都對(duì)海事管理起到重要作用［2］;但該類系統(tǒng)大多數(shù)都基于二維電子海圖，與人們認(rèn)識(shí)世界的多維和多視點(diǎn)特點(diǎn)不一致，因而缺乏海事專業(yè)知識(shí)就不易理解.因此，研究一種新的海事信息發(fā)布方法，實(shí)現(xiàn)海事信息的圖形影像更直觀化、操作界面更簡(jiǎn)單化、管理使用更大眾化的目標(biāo)，對(duì)提高海事管理的工作效率具有十分重要的意義.本文以Google Earth(GE)為平臺(tái)，通過建立一個(gè)面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)多源海事信息進(jìn)行有效的組織分類管理;對(duì)GE信息發(fā)布方法進(jìn)行深入研究，并結(jié)合KML語言技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)以接近真實(shí)視覺的三維可視化形式在GE上發(fā)布各類海事信息.

1 GE在海事信息發(fā)布中的優(yōu)勢(shì)

GE采用C/S架構(gòu)，以各種分辨率的衛(wèi)星影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，集成多達(dá)44種與生活密切相關(guān)的分類信息、企業(yè)名稱等重要地址信息數(shù)據(jù)庫，以虛擬地球?yàn)橐曈X目標(biāo)，整合Google的多項(xiàng)服務(wù)，提供免費(fèi)高清晰度遙感圖像和簡(jiǎn)捷清晰的空間信息表達(dá)方法.［3］本文所設(shè)計(jì)的基于GE的海事信息發(fā)布平臺(tái)具有許多其他海事信息發(fā)布平臺(tái)所沒有的優(yōu)勢(shì):

(1)具有處理海量海事信息數(shù)據(jù)的能力，可以精確無誤地顯示大到一個(gè)海域、小到一個(gè)航道泊位上的海事信息數(shù)據(jù).

(2)結(jié)合GE把海事信息發(fā)布在接近真實(shí)的三維虛擬地球上，使用戶瀏覽信息時(shí)能夠更直觀地獲取所需信息，節(jié)省用戶的時(shí)間，并且界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單，方便用戶和管理人員的使用.

(3)實(shí)現(xiàn)海事信息結(jié)合衛(wèi)星影像的三維動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)字化管理，為用戶提供海事信息瀏覽功能，具有直觀、易操作等優(yōu)點(diǎn)，為海事管理工作效率的提高和航運(yùn)企業(yè)及普通用戶的海事信息需求提供一個(gè)便捷有效的信息管理途徑.

2 基于GE的海事信息數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)框架

2.1 多源海事信息數(shù)據(jù)處理

2.1.1 多源海事信息融合

海事信息數(shù)據(jù)具有多源化的特點(diǎn)，比如各種文本、矢量、柵格和三維模型數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)形式來源.這種信息數(shù)據(jù)多源性的產(chǎn)生，為數(shù)據(jù)綜合利用和數(shù)據(jù)共享帶來不便.本文按照多源海事信息的表現(xiàn)特征，將海事信息數(shù)據(jù)大致分為4類:文本數(shù)據(jù)、矢量地圖數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù).通過對(duì)不同來源的海事信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，得到比任何由單個(gè)數(shù)據(jù)源獲得的數(shù)據(jù)更為全面、綜合的海事信息，具體流程見圖1.

圖1 多源海事信息融合處理流程

(1)文本數(shù)據(jù)處理.航海通告、地名、氣象信息、海事新聞等數(shù)據(jù)被統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成以UTF－16編碼、二維的形式進(jìn)行處理和顯示，或直接通過HTTP協(xié)議以超文本鏈接的方式通過網(wǎng)頁顯示.

(2)矢量地圖數(shù)據(jù)處理.海岸線、航線以及岸上相關(guān)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)多是矢量，數(shù)據(jù)量比較大.采用矢量柵格化方法，按地理區(qū)域或航區(qū)分塊的方法將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)的方式，然后將其作為多層紋理在相應(yīng)的地形或三維模型上進(jìn)行融合.這樣，數(shù)據(jù)量與圖層數(shù)量相關(guān)，不同的圖層還可以進(jìn)行合并，數(shù)據(jù)量大大減少.

(3)柵格影像數(shù)據(jù)處理.為了電子航道圖等柵格影像數(shù)據(jù)的三維可視化，采用金字塔法將柵格影像數(shù)據(jù)作為多分辨率和區(qū)分塊處理，并且采用四叉樹結(jié)構(gòu)管理這類數(shù)據(jù)［4］，見圖2.

圖2 柵格數(shù)據(jù)金字塔

(4)三維模型數(shù)據(jù)處理.對(duì)于在航道圖中以點(diǎn)狀符號(hào)或其他線劃符號(hào)表達(dá)的航道地物(如航標(biāo)、水尺、跨江橋等)，可以利用Google SketchUp專業(yè)建模軟件建立三維模型，生成skp格式的三維模型數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)入GE中，可免除轉(zhuǎn)換地理坐標(biāo)系的過程.

以上數(shù)據(jù)預(yù)處理可以將不同來源的數(shù)據(jù)集規(guī)范化，以保證它們的一致性.結(jié)合數(shù)據(jù)特點(diǎn)，選用適當(dāng)?shù)娜诤戏椒?如分辨率融合可選用金字塔融合法或小波變換融合法，分量替換融合可選用his變換融合算法等)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像的配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)、合并等，最終得到信息更為全面的融合結(jié)果，存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫中.

2.1.2 多源海事信息數(shù)據(jù)組織管理

針對(duì)多源海事信息數(shù)據(jù)的表現(xiàn)特征，通過建立一個(gè)面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)多源海事信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理.面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型在時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，以面向?qū)ο蟮幕舅枷虢M織地理時(shí)空.［5］根據(jù)面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)，將多源海事信息抽象為一個(gè)時(shí)空屬性類，其具有的3個(gè)基本特征(空間、時(shí)間和屬性)也可被抽象表達(dá)為3個(gè)基本的類:空間對(duì)象類、時(shí)態(tài)類和屬性類.其中，時(shí)態(tài)類不能單獨(dú)存在，這3個(gè)類聚合成時(shí)空屬性類.此外，為了便于表達(dá)空間隨時(shí)間的變化和屬性隨時(shí)間的變化，將時(shí)間與空間、屬性相聯(lián)，構(gòu)成時(shí)空對(duì)象類和時(shí)態(tài)屬性類.［6］面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型中各類對(duì)象之間的關(guān)系見圖3.

圖3 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型

(1)空間對(duì)象類是對(duì)多源海事信息空間對(duì)象空間組成部分的抽象，描述幾何對(duì)象及它們之間的關(guān)系.空間對(duì)象類還可以分解為點(diǎn)、線、面等3個(gè)子類，包含的空間數(shù)據(jù)主要是指各個(gè)分支海事局和地方海事局的地理管轄地圖數(shù)據(jù)，如通航環(huán)境信息(港口航道、航標(biāo)、岸線等基礎(chǔ)地圖信息數(shù)據(jù)).

(2)時(shí)態(tài)類是關(guān)于時(shí)間的建模，指各類海事信息(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))在現(xiàn)實(shí)客觀世界中存在的時(shí)間.

(3)屬性類用于解釋多源海事信息具體語義，解釋空間數(shù)據(jù)語義的屬性類有點(diǎn)屬性類、線屬性類和面屬性類等3個(gè)子類與其相對(duì)應(yīng).

(4)時(shí)空對(duì)象類是空間對(duì)象類和時(shí)態(tài)類的聚合，表達(dá)空間幾何對(duì)象隨時(shí)間的變化.例如，隨著時(shí)間的推移，船舶地理位置發(fā)生變化而產(chǎn)生的航跡(不包含船舶基本屬性信息).

(5)時(shí)態(tài)屬性類是屬性類與時(shí)態(tài)類的聚合，描述屬性數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化.時(shí)態(tài)屬性類的屬性是面向應(yīng)用的，包括船舶基本信息、事故應(yīng)急信息和VTS業(yè)務(wù)信息等.

(6)時(shí)空對(duì)象類和時(shí)態(tài)屬性類聚合為時(shí)空屬性類.時(shí)空屬性類是對(duì)多源海事信息的一個(gè)完整的抽象描述，不僅可以描述海事信息空間對(duì)象中空間幾何部分隨時(shí)間的變化，而且能夠表達(dá)空間對(duì)象中屬性部分隨時(shí)間的變化.時(shí)空屬性類有3個(gè)子類:時(shí)空屬性點(diǎn)類、時(shí)空屬性線類和時(shí)空屬性面類.這些類的對(duì)象是對(duì)海事信息地理空間中點(diǎn)狀實(shí)體(航標(biāo)、燈塔)、線狀實(shí)體(航道、海岸線)和面狀實(shí)體(宗地、建筑物等)的抽象表達(dá).

2.2 GE基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法

海事信息數(shù)據(jù)數(shù)量繁多、種類各異［7］，但它們?cè)贕E中基本可表現(xiàn)為點(diǎn)、線/折線、多邊形/立體多邊形、地表貼圖、屏幕貼圖和三維模型等顯示方式.對(duì)GE客戶端而言，KML(Keyhole Markup Language)就是其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，因此第三方的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換目標(biāo)便是合適的、完善的KML數(shù)據(jù).格式轉(zhuǎn)換是把原格式數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)格式的文件并保存下來，將目標(biāo)格式的數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的直接數(shù)據(jù)源.［8］由于 GE只采用 KML數(shù)據(jù)格式，而KML本身具有很強(qiáng)的拓展性，高級(jí)用戶可以用文本編輯器創(chuàng)建包含各類海事信息的KML文件，很多第三方軟件也可以提供與GE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口(如Google SketchUp，GIS項(xiàng)目 MapWindow，GIS瀏覽軟件Global Mapper和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具FME等)，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成KML文件格式.圖4是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作流程，圖中箭頭指示數(shù)據(jù)處理的操作步驟，方框里表達(dá)的是各步驟后的數(shù)據(jù)結(jié)果.

圖4 GE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作框架

2.3 基于GE的海事信息發(fā)布方法

KML是一種基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言(eXtensible Markup Language，XML)語法和文件格式的數(shù)據(jù)文件，可用來描述和保存地理數(shù)據(jù)(包括點(diǎn)、線、面、多邊形和模型等).［9］GE采用基于開放式的KML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述地理要素相關(guān)信息，并顯示相應(yīng)的地理要素模型，即其數(shù)據(jù)都是以KML/KMZ(KMZ文件是KML文件的zip格式的壓縮文件)格式保存和交換的.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上發(fā)布海事信息，具體步驟如下.

(1)用GE客戶端建立一個(gè)基礎(chǔ)的海事信息KML文件.啟動(dòng)GE客戶端，根據(jù)海事信息數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的類別，在菜單欄中選擇“添加”/“地標(biāo)、路徑、多邊形”等相應(yīng)類型，得到最基礎(chǔ)的KML文件.以建立一個(gè)簡(jiǎn)單的KML地標(biāo)文件(包含文件名信息、船名信息、船舶經(jīng)緯度信息)為例，KML代碼如下:

(2)根據(jù)海事信息需求豐富KML內(nèi)容.上述代碼中，〈Placemark〉〈Point〉等均為 KML 標(biāo)簽，有其具體的含義，具體使用規(guī)則遵循KML Schema 2.2文檔.例如，可以使用〈Style〉標(biāo)簽定義海事信息在GE上的呈現(xiàn)樣式，如顏色、線條等，增強(qiáng)信息顯示視覺效果.運(yùn)用 KML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編寫包含海事信息的KML代碼，最終形成內(nèi)容多樣、滿足用戶需求的海事信息KML/KMZ文件.

(3)海事信息共享發(fā)布.將編寫好的海事信息KML/KMZ文件上傳到網(wǎng)絡(luò)上，供其他用戶下載，或者直接通過GE提供的信息共享功能實(shí)現(xiàn)海事信息共享.

3 基于GE的海事信息發(fā)布實(shí)驗(yàn)

3.1 三維船舶模型顯示

三維建模的方式有很多種，其中最便捷的方式就是運(yùn)用SketchUp手動(dòng)繪制或直接在“3D Warehouse”中搜索選取合適的三維模型.得到三維船舶模型后，SketchUp能自動(dòng)加載GE使三維船舶模型以合適的比例顯示在所需要的地理位置上，見圖5.

由圖5可以看到，在GE客戶端界面左側(cè)“位置”面板中的“臨時(shí)位置”里自動(dòng)生成一個(gè)名為“SUPreview()”的KML文件.用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要對(duì)該KML文件進(jìn)行代碼修改，得到更加理想的船舶模型.

圖5 三維船舶模型在GE上的顯示

3.2 海事信息在GE上的顯示

通過第2.3節(jié)對(duì)基于GE的海事信息發(fā)布方法的詳細(xì)描述，結(jié)合第3.1節(jié)三維船舶模型顯示說明，分別實(shí)現(xiàn)在GE上發(fā)布船舶基本信息、航跡信息、航道信息及非空間海事信息等功能，見圖6.

圖6 基于GE的海事信息顯示

圖6中:圖A表示通過KML地標(biāo)文件顯示船舶基本信息(中英文船名、呼號(hào)、船舶登記號(hào)、國籍、船籍港、船舶種類、始發(fā)港、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間);圖B顯示船舶航跡信息(船舶到達(dá)某位置的時(shí)間及該位置的經(jīng)緯度)，這是結(jié)合KML路徑文件和地標(biāo)文件共同實(shí)現(xiàn)的.圖C和D均表示航道信息，前者采用添加圖像疊加層的方法建立KML文件(以渤海灣為例，其中不同灰度的實(shí)線表示附近港口的一些海岸信息和航路信息等)，后者是通過結(jié)合地標(biāo)文件、路徑文件和多邊形文件在GE上自行繪制航道信息的方法形成KML文件的(以天津港航道出入口處的船舶定線為例，包含通航分道、分隔線、建議交通流方向、會(huì)聚點(diǎn)處的警戒區(qū)等航道信息).

此外，可利用GE COM API接口編寫水文氣象信息、事故信息、VTS業(yè)務(wù)信息(航行通告、航行警告、引航信息)等非空間信息的代碼，當(dāng)雙擊文件夾中的某條信息數(shù)據(jù)時(shí)，程序調(diào)用TXT文檔或者Adobe Reader打開文件，以二維形式處理和顯示這類信息.在GE中“添加/網(wǎng)絡(luò)鏈接”功能，通過超文本鏈接的方式可以在網(wǎng)頁上顯示這類信息.

4 結(jié)束語

研究GE在海事信息領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過對(duì)多源海事信息數(shù)據(jù)管理和服務(wù)方法的研究，將多源海事信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后，建立一個(gè)面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型，將海事信息抽象為一個(gè)時(shí)空屬性類，實(shí)現(xiàn)對(duì)多源海事信息數(shù)據(jù)的有效管理;結(jié)合KML數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將多源海事信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為KML格式文件，實(shí)現(xiàn)在GE上瀏覽海事信息的功能;利用GE的優(yōu)點(diǎn)，以三維視覺形式顯示海事信息，使用戶對(duì)信息的獲取更為方便.這對(duì)增強(qiáng)和定制GE在海事中的功能和應(yīng)用具有很好的參考價(jià)值.

［1］沈愛弟，韓彥芳，許岳維，等.基于AIS船站的舟山港海事信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(3):10－13.

［2］黃健偉，陸悅銘，李義斌.AIS時(shí)代VTS面臨的新課題［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28(3):19－23.

［3］馬謙.智慧地圖:Google Earth/Maps/KML核心開發(fā)技術(shù)揭秘［M］.北京:電子工業(yè)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］宋瑋，王家耀，郭金華.面向?qū)ο髸r(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究［J］.測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，23(4):235－238.

［7］杜志秀，張壽桂，彭國均，等.航標(biāo)助航信息發(fā)布系統(tǒng)［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(1):35－39.

［8］楊湘燕，董槐林，吳清鋒.基于KML的GIS數(shù)據(jù)復(fù)用技術(shù)研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(3):334－337.

［9］馬立廣，曹彥榮.Google Earth COM API及KML技術(shù)在旅游管理信息系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2010(6):828－834.