畢金強(qiáng)，辛全波,許家?guī)?，尚東方, 寇黎瑛

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456)

隨著航道通航條件的逐步完善，航道內(nèi)船舶密度、流量日益增大，對航道信息掌握不充分導(dǎo)致的船舶碰撞頻繁發(fā)生。同時(shí)，船舶日漸大型化、專業(yè)化、現(xiàn)代化，也對通航安全環(huán)境提出了更高的要求。船舶通航安全在保障交通運(yùn)輸和生命財(cái)產(chǎn)安全等方面具有重要作用，已成為水運(yùn)交通領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題。

影響船舶通航安全因素包括水文氣象、港口條件、航道條件、交通、水上水下施工作業(yè)等方面[1]，可以結(jié)合航道中的航標(biāo)信息、船舶信息、氣象信息和港口設(shè)施信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化方式展現(xiàn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在保障船舶通航安全方面做了大量卓有成效的研究工作。國外的Ternes等[2]建設(shè)了基于三維模型數(shù)據(jù)的航道可視化原型系統(tǒng)輔助船舶通航，Arsenault等[3]構(gòu)建了連續(xù)的三維水深模型實(shí)現(xiàn)與航道信息和潮流信息的融合顯示，Kreuseler[4]提出了二、三維地圖場景下的多維度空間信息的繪制交互技術(shù)和可視化方法。國內(nèi)的李邵喜等[5]提出一種基于三維的內(nèi)河航道動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)；江文萍等[6]采用三維可視化技術(shù)與GIS技術(shù)將基礎(chǔ)地理信息、水深專題等數(shù)據(jù)引入航道管理系統(tǒng)；李彩霞等[7]提出了一種基于SOA并融合AIS的數(shù)字航道可視化框架，提供了數(shù)字航道可視化方案。同時(shí)三維可視化軟件如Skyline、ArcGIS、WorldWind、SuperMap等和相關(guān)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的三維平臺在航道數(shù)據(jù)組織和可視化方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了航道數(shù)據(jù)管理與動(dòng)態(tài)三維可視化的效果。相關(guān)領(lǐng)域的大量研究成果對船舶安全通航數(shù)據(jù)管理和可視化具有支撐作用。

通航安全的影響因素可通過不同層面的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并展示出來，但航道GIS數(shù)據(jù)資源之間存在語義獨(dú)立性和異構(gòu)性，且存儲方式不同，給數(shù)據(jù)組織管理帶來一定的困難，如何高效地對航道通航數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織存儲管理，并對航道要素的分布情況及變化規(guī)律進(jìn)行可視化表達(dá)，是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。在分析航道時(shí)空數(shù)據(jù)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文提出了采用基于XML的分布式數(shù)據(jù)存儲方法，實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間維度數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)。

1 數(shù)據(jù)分析

航道通航數(shù)據(jù)具有多源現(xiàn)勢性的特點(diǎn)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測等手段獲取的航道水深、岸線、水文(流速、流量、泥沙)等相關(guān)要素?cái)?shù)據(jù)，從內(nèi)容上歸納為基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、航道設(shè)施數(shù)據(jù)、水深測量數(shù)據(jù)、水文觀測數(shù)據(jù)四大組成部分，如表1所示。

表1 航道數(shù)據(jù)要素分類表Table 1 Classification of data elements in channel

在分析航道要素分類的基礎(chǔ)上，表中數(shù)據(jù)可劃分為空間和時(shí)間兩個(gè)維度，在空間維度上按照水上、水面、水下層次結(jié)構(gòu)來組織三維場景，在時(shí)間維度上按照要素的數(shù)據(jù)類型與分布情況進(jìn)行插值運(yùn)算并模擬其時(shí)態(tài)變化特征。GIS理論中的時(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)地理數(shù)據(jù)屬性、空間和時(shí)間語義的地理數(shù)據(jù)模型[8]，提供了航道通航時(shí)空數(shù)據(jù)組織思路，通過集成屬性信息實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的無縫集成，可將航道地理實(shí)體或現(xiàn)象抽象為對象和特征，進(jìn)一步模擬數(shù)據(jù)的空間時(shí)序性。因此，構(gòu)建航道信息時(shí)空一體化數(shù)據(jù)組織模型是本文數(shù)據(jù)存儲與可視化表達(dá)的基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)組織模型研究

航道通航GIS數(shù)據(jù)信息在時(shí)間維度、空間維度以及存儲方式各不相同，信息描述數(shù)據(jù)也不一樣，解決數(shù)據(jù)組織的關(guān)鍵是分析元數(shù)據(jù)的內(nèi)容。元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，可以用于描述航道GIS信息的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和訪問方式等。元數(shù)據(jù)的使用能夠在一定程度上消除數(shù)據(jù)資源之間的語義獨(dú)立性和異構(gòu)性，幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的整合和交換。本文使用的航道通航GIS數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)采用核心元數(shù)據(jù)，即根據(jù)本文數(shù)據(jù)組織與可視化表達(dá)提取必要的元數(shù)據(jù)元素，包括數(shù)據(jù)的來源信息、標(biāo)識信息、內(nèi)容信息和空間參考信息等，每一項(xiàng)節(jié)點(diǎn)包含相應(yīng)的信息。按照數(shù)據(jù)提供、管理和使用的層面將元數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)信息的查詢和返回，流程如圖1所示。

圖1 元數(shù)據(jù)管理流程圖Fig.1 Metadata management process

分析本文元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，歸納為一種是基于場景模型的數(shù)據(jù)，可按照規(guī)則化的函數(shù)展現(xiàn)航道空間分布特征，如基礎(chǔ)地形、航道設(shè)施數(shù)據(jù)；另一種是基于對象特征模型的數(shù)據(jù)，以有序點(diǎn)集的屬性信息來模擬展示航道要素信息，如水深測量、水文觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)組織的前提條件是建立標(biāo)準(zhǔn)格式的模型，場景模型數(shù)據(jù)需要大量的存儲空間，對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高數(shù)據(jù)的管理和檢索效率，減少數(shù)據(jù)查詢獲取的時(shí)間，本文在元數(shù)據(jù)提取的基礎(chǔ)上采用基于XML的分布式數(shù)據(jù)組織存儲方法。XML支持深層次嵌套表達(dá)和具有樹型存儲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，利用XML的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)，提取數(shù)據(jù)檢索語義特征，將元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型、信息內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和訪問方式等內(nèi)容進(jìn)行XML文檔組織，通過映射關(guān)系將 XML 文檔轉(zhuǎn)換為關(guān)系表存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，按照文件數(shù)據(jù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫分布式存儲場景模型和對象模型數(shù)據(jù)，如圖2所示。用戶發(fā)送檢索請求，傳遞到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解析匹配查詢，按照結(jié)構(gòu)特征將結(jié)果進(jìn)行處理并返回，該方法可保證隨時(shí)間的推移數(shù)據(jù)累積更新時(shí)模型的再利用。

圖2 數(shù)據(jù)組織分布圖Fig.2 Data organization distribution

按照數(shù)據(jù)組織模型實(shí)現(xiàn)航道通航時(shí)空GIS數(shù)據(jù)的管理，但數(shù)據(jù)的來源與采集方式不同，不同類型和比例尺多源數(shù)據(jù)的融合疊加顯示，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)系統(tǒng)和投影方式也各不相同，需要建立統(tǒng)一的空間參考坐標(biāo)系。文中航道DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、多波束水深測量數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，考慮與船舶AIS(automatic identification system)坐標(biāo)保持一致的因素，采用WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)來建立地理坐標(biāo)系?？臻g參考的因素包括坐標(biāo)系統(tǒng)、容限值和分辨率三個(gè)方面，容限值代表數(shù)據(jù)坐標(biāo)的存儲精度，分辨率代表坐標(biāo)值的最小單位長度。統(tǒng)一空間參考系統(tǒng)解決了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合顯示的問題，提高了數(shù)據(jù)的可視效果與精度。

3 數(shù)據(jù)可視化研究

航道通航GIS數(shù)據(jù)的可視化根據(jù)數(shù)據(jù)要素的不同，采用分層、分塊和LOD場景組織與調(diào)度技術(shù)[9-10]，三維建模技術(shù)以及水深場景構(gòu)建與表面分析技術(shù)，建立統(tǒng)一空間參考的航道水上、水面、水下地形場景數(shù)據(jù)組織模型；通過離散觀測數(shù)據(jù)插值和面向過程的數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航道水文要素的時(shí)態(tài)特征變化顯示；在此基礎(chǔ)上基于地理位置關(guān)聯(lián)性與屬性信息構(gòu)建時(shí)空一體化數(shù)據(jù)組織模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)與應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)可視化表達(dá)Fig.3 Data visualization

在數(shù)據(jù)可視化表達(dá)過程中需解決以下兩個(gè)問題：

(1)航道三維場景無縫集成的問題。同一場景中航道地形場景與設(shè)施實(shí)體三維模型場景是多尺度的，在幾何實(shí)體模型同時(shí)跨越不同尺度層次的情況下，與起伏的地形場景存在空間位置上的分離，如發(fā)生傾斜和偏離等。

(2)航道水文數(shù)值模擬點(diǎn)稀疏的問題。觀測數(shù)據(jù)點(diǎn)呈離散分布的特征，在水文矢量場數(shù)據(jù)組織和表達(dá)時(shí)需采用剖分和插值技術(shù)滿足數(shù)值模擬的精細(xì)化要求。

3.1 空間維度數(shù)據(jù)可視化

空間維度數(shù)據(jù)組織按照水上、水面、水下層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行場景組織數(shù)據(jù)。水上地形場景將遙感影像數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、融合和疊加等輸出為地形場景文件，水面場景利用三維建模軟件將航道設(shè)施數(shù)據(jù)生成模型文件，水下場景采用多波束水深測量數(shù)據(jù)構(gòu)建航道底部場景。

3.1.1 地形場景數(shù)據(jù)可視化

為解決地形場景幾何復(fù)雜度高、紋理數(shù)據(jù)龐大等可視化表達(dá)的難點(diǎn)，在不影響地形瀏覽真實(shí)感的前提下，基于GPU地形繪制算法和視點(diǎn)相關(guān)地形生成算法[11-12]，采用模型層次簡化技術(shù)，降低地形數(shù)據(jù)的幾何復(fù)雜度和紋理數(shù)據(jù)的大小，采用分層、分塊LOD技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織提高地形數(shù)據(jù)的繪制速度，實(shí)現(xiàn)多分辨率地形的自適應(yīng)無縫表達(dá)，構(gòu)建主要過程如下：

(1)基于視相關(guān)原理，采用二進(jìn)制小波變換和其逆變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，產(chǎn)生的結(jié)果數(shù)據(jù)集作為基本數(shù)據(jù)模型[13]，如圖4a所示；

(2)將影像、紋理數(shù)據(jù)疊加到重建的三角網(wǎng)上構(gòu)建地形，展現(xiàn)航道基礎(chǔ)地貌特征，如圖4b所示；

(3)采用分層、分塊LOD技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織，以重建的基本數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)通過重采樣生成不同比例尺的各層地形數(shù)據(jù)，以相同大小的多個(gè)切片文件進(jìn)行保存。

圖4 地形場景構(gòu)建Fig.4 Construction of the terrain scene

3.1.2 三維模型數(shù)據(jù)無縫集成

三維幾何實(shí)體模型包括航道構(gòu)筑物、礙航物、航標(biāo)設(shè)施模型等，建模方法包括兩種方式，一是通過3dMax三維建模軟件生成模型文件，通過坐標(biāo)賦值匹配到場景中；二是在地形模型場景中直接建模?？紤]模型的復(fù)用性和建模的工作量，采用第一種方法建設(shè)。航道地形場景與設(shè)施實(shí)體三維模型場景是多尺度的，在幾何實(shí)體模型同時(shí)跨越不同尺度層次的情況下，與起伏的地形場景存在空間位置上的分離。在模型中增加坐標(biāo)維屬性(X經(jīng)度，Y緯度，Z高程值，L層次)來表示模型數(shù)據(jù)的空間變化，使坐標(biāo)維定義層次與地形場景層次結(jié)構(gòu)相同，計(jì)算高程值并附加到模型屬性中，主要過程如下：

(1)將3D模型場景坐標(biāo)系與航道地形場景的三維坐標(biāo)系保持一致；

(2)按照地形的分層結(jié)構(gòu)擴(kuò)充模型坐標(biāo)維屬性；

(3)計(jì)算高程值，對于以點(diǎn)來存儲的模型，采用設(shè)施點(diǎn)的高程值代表模型的高程疊加在地形場景中；對于以線來存儲的模型，將線狀實(shí)體的各拐點(diǎn)與水平基準(zhǔn)面相交分析求出的高程值分別作為實(shí)體模型底端的高程值；對于以面來存儲的模型，與水平基準(zhǔn)面接觸的網(wǎng)格模型空間相交分析計(jì)算得出高程，使模型與地形保持水平。

按照上述步驟組織解決了三維模型數(shù)據(jù)與地形場景數(shù)據(jù)的無縫集成顯示的問題。

3.1.3 水深測量數(shù)據(jù)場景可視化

航道水深是指航道范圍內(nèi)從水面到底部的垂直距離，就局部區(qū)段而言，通常指航道內(nèi)最淺處從水面到底部的垂直距離[14]。文中采用航道多波束測深系統(tǒng)采集得到高精度的水深測量數(shù)據(jù)值，按照矢量數(shù)據(jù)點(diǎn)集的組織方式生成TIN(triangulated irregular network)表面模型，基于點(diǎn)的高程值轉(zhuǎn)換成DEM數(shù)據(jù)，構(gòu)建水下地形場景，如圖5所示。

圖5 水下航道地形場景構(gòu)建Fig.5 Construction of the underwater channel terrain scene

3.2 時(shí)間維度數(shù)據(jù)可視化

航道水文觀測資料作為水文預(yù)報(bào)的依據(jù)，水文要素中的水位、流向、流速、流量信息對船舶通航起關(guān)鍵作用，數(shù)據(jù)具有典型的時(shí)間序列特征。文中采用的水文觀測散點(diǎn)值數(shù)據(jù)按照時(shí)間序列組織，具有連續(xù)場空間分布的特征。顧及局部特性的自適應(yīng)反距離權(quán)重插值法[15]和采用動(dòng)態(tài)時(shí)間彎曲距離算法對水文數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類[16]等方法，解決了3D矢量場插值中參考數(shù)據(jù)不足和監(jiān)測點(diǎn)稀疏的問題，要完整表達(dá)水文要素的屬性、分布和動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，首先基于觀測點(diǎn)沿航道面水平和垂直方向建立剖分面，使觀測的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠反映場空間特征，采用二次曲面擬合和克里金插值[17-18]相結(jié)合的方法生成規(guī)則連續(xù)的格網(wǎng)，進(jìn)行屬性的賦值和顏色渲染，生成航道水文要素切片數(shù)據(jù)，從垂直方向顯示其特征，如圖6所示。

圖6 剖分切片效果圖Fig.6 The diagram of mesh grid

基于剖分與插值技術(shù)構(gòu)建的水文三維場數(shù)據(jù)既具有地理空間位置特征，又具有時(shí)間序列的特征。應(yīng)用粒子模型[19-20]展示航道水文要素隨時(shí)間的模擬變化規(guī)律，從水平方向顯示其特征，如圖7所示。

圖7 水文流速流向模擬圖Fig.7 The flow rate and direction diagram of hydrology

4 系統(tǒng)應(yīng)用

本文選取長江上游航道段，基于表1數(shù)據(jù)運(yùn)用XML數(shù)據(jù)模型[21]和PostgreSQL開源空間數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的組織管理與存儲[22]，運(yùn)用數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展現(xiàn)層三層技術(shù)架構(gòu)，采用OpenGL[23]三維圖形庫對OSG[24]開源平臺中的三維可視化模塊進(jìn)行拓展，開發(fā)三維航道船舶通航定位與監(jiān)控模擬系統(tǒng)，建立了航段及周邊地貌仿真模型，生成了航道底部地形和具有水深屬性的水體信息，模擬了航道水文變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了空間、時(shí)間、屬性一體化三維地形表達(dá)、三維動(dòng)態(tài)漫游和多種水文要素的三維真實(shí)感模擬和動(dòng)態(tài)可視化，主界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主界面Fig.8 The main interface of the system

系統(tǒng)成功應(yīng)用于長江上游航道區(qū)段，滿足海事監(jiān)管與航道安全應(yīng)急方面的需求，結(jié)合船舶通航中船舶的位置信息，將AIS基站中的實(shí)時(shí)船舶數(shù)據(jù)接入到系統(tǒng)中，集成河段的水文信息、實(shí)測水下地形等數(shù)據(jù)，開發(fā)系統(tǒng)功能展示不同層次的三維數(shù)據(jù)場景，為船舶通航提供直觀可視的數(shù)據(jù)支撐。如圖9a展示航道水上空間維度數(shù)據(jù)的無縫集成，圖9b展示航道水下場景的數(shù)值模擬，圖9c展示船舶所在位置的航道剖面圖，實(shí)時(shí)掌握航道底部水深狀況。

圖9 系統(tǒng)應(yīng)用效果圖Fig.9 The application effect of the system

5 結(jié)語

本文在分析元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用XML分布式空間數(shù)據(jù)存儲方法構(gòu)建了數(shù)據(jù)組織模型，實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)資源的整合，對多源異構(gòu)性和時(shí)序性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和優(yōu)化存儲，通過可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展現(xiàn)，為航道通航時(shí)空數(shù)據(jù)提供了一種科學(xué)的數(shù)據(jù)組織方法，可以滿足航道數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)充存儲。通過系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了方法的可行性和正確性，實(shí)現(xiàn)了航道區(qū)段時(shí)空數(shù)據(jù)的展示。下一步工作將針對航道海量數(shù)據(jù)的調(diào)度策略和場景渲染技術(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化和研究。