基于WebGIS的港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

廖國祥 熊德琪 杜長順 王兆煌

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (大連海事大學(xué)環(huán)境學(xué)院2) 大連 116026)(遼寧海事局3)大連 116001)

當(dāng)前海事部門的港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要來自船舶管理系統(tǒng)和船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)這2個(gè)管理信息系統(tǒng).船舶管理系統(tǒng)是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的信息系統(tǒng),船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如船舶進(jìn)出港預(yù)報(bào)和申報(bào)審批等)只以傳統(tǒng)的表格形式羅列查看,不夠直觀方便;船舶交通管理系統(tǒng)是基于客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)結(jié)構(gòu)的信息系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地在電子海圖上直觀顯示和監(jiān)控港口船舶,但只能在特定計(jì)算機(jī)上使用,船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(如船舶進(jìn)港計(jì)劃、靠泊的泊位、拋錨的錨位等)共享范圍有限.由于這2大系統(tǒng)相互獨(dú)立,業(yè)務(wù)部門需要通過電話、傳真等傳統(tǒng)人工方式傳送船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,不利于海事局各業(yè)務(wù)部門對(duì)船舶動(dòng)態(tài)的日常管理.因而,有必要基于建立一個(gè)中間服務(wù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)部門通過網(wǎng)絡(luò)即可直觀、方便、快捷地獲取港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù).

B/S結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)——WebGIS技術(shù)可以在Internet平臺(tái)上將電子地圖與相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫有機(jī)地結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)圖形與數(shù)據(jù)的有效連接,使各種信息的瀏覽和查詢變得更加直觀、方便、快捷.B/S結(jié)構(gòu)是建立在廣域網(wǎng)的基礎(chǔ)上,比C/S結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的適應(yīng)范圍,而且只需對(duì)服務(wù)器進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和管理,用戶不必額外安裝任何應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)庫接口等,通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以直接使用專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng),使得操作方便而簡捷.

目前國內(nèi)外應(yīng)用WebGIS來實(shí)現(xiàn)港口船舶動(dòng)態(tài)可視化顯示的研究逐漸增多[1],但仍以傳統(tǒng)的基于單機(jī)或者C/S結(jié)構(gòu)的船舶動(dòng)態(tài)管理應(yīng)用系統(tǒng)研究為主[2-4].本文主要結(jié)合海事管理業(yè)務(wù)需要,通過提取現(xiàn)有船舶動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù),應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)、動(dòng)態(tài)Web和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)和開發(fā)基于WebGIS的港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng),探討基于Web和電子海圖的港口船舶動(dòng)態(tài)分布的圖形化直觀顯示、查詢和信息共享的方法,實(shí)現(xiàn)海事管理人員通過Internet/Intranet圖形化瀏覽和查詢港口船舶動(dòng)態(tài)信息,從而提高海事部門業(yè)務(wù)管理的工作效率.

1 港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 體系結(jié)構(gòu)

基于WebGIS的港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)采用3層B/S體系結(jié)構(gòu),即由客戶端瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器(MapInfo MapXtreme)、GIS及船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)層(包括港口地理信息數(shù)據(jù)庫和船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫)組成,如圖1所示.

圖1 基于WebGIS的港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

其中,客戶端瀏覽器層是遠(yuǎn)程用戶的Web瀏覽器,它的任務(wù)是訪問網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器中的相關(guān)Web頁面,并請(qǐng)求GIS及港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器接收到瀏覽器端的請(qǐng)求后,利用WebGIS功能,進(jìn)行處理、分析、計(jì)算等,如果需要GIS數(shù)據(jù)或者船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),則向港口地理信息數(shù)據(jù)庫或者船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的所在服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求;GIS及船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)層定義存儲(chǔ)、檢索、完整性約束以及有關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理工作,它接收到網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求,并將處理結(jié)果交給網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器.

客戶端瀏覽器與網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器的交互是通過客戶端和服務(wù)器端應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn).用戶訪問Web頁面時(shí)會(huì)自動(dòng)下載客戶端應(yīng)用程序,用戶的訪問請(qǐng)求(如地圖縮放和漫游、船舶動(dòng)態(tài)顯示和查詢等)是通過服務(wù)器端應(yīng)用程序來處理.其中,船舶動(dòng)態(tài)可視化顯示和查詢模塊是服務(wù)器端應(yīng)用程序的重要組成部分,負(fù)責(zé)處理用戶對(duì)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的訪問請(qǐng)求.

1.2 功能設(shè)計(jì)

1.2.1 地理信息系統(tǒng)功能 系統(tǒng)提供電子海圖的放大、縮小、漫游、鷹眼、圖層控制、距離測量、面積測量、清除高亮、地圖下載和地圖打印等基本GIS功能,還提供對(duì)電子海圖中的靜態(tài)信息如水深、敏感資源、防污設(shè)備、碼頭泊位等查詢的功能.

1.2.2 船舶動(dòng)態(tài)顯示與查詢 (1)在電子海圖上以不同顏色和形狀的圖標(biāo)顯示出港口中的不同類型的船舶.系統(tǒng)每10 min自動(dòng)更新一次船舶動(dòng)態(tài),也提供了手動(dòng)更新船舶動(dòng)態(tài)的功能;(2)在電子海圖上的直觀顯示所有在港船舶的實(shí)時(shí)位置和分布,點(diǎn)擊船舶標(biāo)志可獲得其屬性、錨泊狀態(tài)、進(jìn)出港計(jì)劃等動(dòng)態(tài)信息;(3)提供在港船舶狀態(tài)的查詢(如船舶是否外貿(mào)船舶,是否裝載或者卸載危險(xiǎn)品等).船舶狀態(tài)查詢結(jié)果除了以傳統(tǒng)列表的形式顯示出來,還可以用閃爍的圖標(biāo)在電子海圖上進(jìn)行定位顯示;(4)跟蹤該區(qū)域內(nèi)的指定船舶,并在電子海圖上動(dòng)態(tài)顯示其船位和航行軌跡.

1.2.3 海上搜救決策支持 系統(tǒng)提供簡單的海上搜救決策支持功能,以給定的難船位置(經(jīng)緯度)為中心,通過圓形、矩形等空間搜索方式尋找確認(rèn)遇險(xiǎn)目標(biāo)附近的船舶和搜救力量分布信息,為海上搜救指揮提供決策支持.

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 港口地理信息與船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立

2.1.1 港口地理信息數(shù)據(jù)庫 建立港口地理信息數(shù)據(jù)庫,首先利用專業(yè)的數(shù)字化掃描儀將圖紙海圖轉(zhuǎn)化為電子格式的電子海圖,之后再使用專業(yè)GIS軟件將電子海圖轉(zhuǎn)化為WebGIS所支持的數(shù)據(jù)格式,然后通過手動(dòng)添加、編輯、刪除等方式更新地理信息數(shù)據(jù)(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)).

根據(jù)實(shí)際需要,將港口地理信息數(shù)據(jù)分成以下三大類:(1)電子海圖數(shù)據(jù):包括陸地、海岸線、海島、等深線、水深測點(diǎn)、航道及其標(biāo)注等;(2)城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù):包括行政區(qū)劃、地名(市級(jí)、縣級(jí)和鎮(zhèn))、政府機(jī)關(guān)、主干道路等;(3)相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù):包括碼頭、水上加油站、敏感資源、防污設(shè)施、清污公司和機(jī)構(gòu)等.

2.1.2 港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫 當(dāng)前海事部門的船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)主要來源于兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫:一是船舶管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫;另一個(gè)是VTS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫.近年來,船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)也逐漸在船舶監(jiān)管中發(fā)揮重要作用,其數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用于本系統(tǒng)(圖2).其中,船舶管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包含船舶的詳細(xì)信息;VTS數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的是實(shí)時(shí)的船舶動(dòng)態(tài)空間信息;AIS系統(tǒng)是船舶定時(shí)將船舶信息發(fā)送到海岸基站,包含了船名、呼號(hào)、船長、貨物種類等船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)和航向、航速、位置、相對(duì)距離等船舶航行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù).

圖2 港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫組成示意圖

2.2 服務(wù)器與客戶端應(yīng)用程序的開發(fā)

2.2.1 服務(wù)器端應(yīng)用程序 服務(wù)器端應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)重要功能:(1)處理客戶端發(fā)送過來的各種空間分析處理請(qǐng)求,如地圖快速查詢、制作專題地圖、空間數(shù)據(jù)在線管理等;(2)處理客戶端對(duì)信息數(shù)據(jù)庫的訪問請(qǐng)求以及對(duì)信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)管理;(3)圖形化顯示港口船舶動(dòng)態(tài)以及處理客戶端對(duì)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的查詢.

本文采用Visual Basic(VB)開發(fā)服務(wù)器端應(yīng)用程序,VB開發(fā)速度快而且調(diào)試容易,大大提高了開發(fā)效率[5].調(diào)試好的程序代碼全都通過VB生成為動(dòng)態(tài)連接庫文件(DLL),然后在系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用程序中進(jìn)行調(diào)用.

2.2.2 客戶端應(yīng)用程序 客戶端應(yīng)用程序的開發(fā)主要包括頁面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁動(dòng)態(tài)功能(如在地圖上動(dòng)態(tài)拉框縮放海圖、測量距離和面積等)兩部分.頁面的設(shè)計(jì)使用網(wǎng)頁開發(fā)工具(如micromedia dreamweaver)來開發(fā)和設(shè)計(jì).網(wǎng)頁的動(dòng)態(tài)功能則可以利用標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器自帶的腳本語言(如VBScript,JavaScript)編程來實(shí)現(xiàn).

2.3 船舶動(dòng)態(tài)可視化顯示和查詢模塊

2.3.1 船舶類型符號(hào)庫 為了更直觀地在電子海圖上表示船舶的類型(如客船、客滾船、冷藏船、散貨船等),需要對(duì)各類船舶進(jìn)行分類顯示,本文采用不同的符號(hào)和顏色在電子海圖上進(jìn)行顯示.由于柵格圖片符號(hào)具有色彩豐富、制作簡單的特點(diǎn),本文建立了一個(gè)基于柵格圖片的船舶類型符號(hào)庫,并提供了一個(gè)船舶類型圖例頁面,從而方便用戶對(duì)船舶類型的理解.

2.3.2 船舶位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 由于港口船舶所處位置一般是由雷達(dá)掃描獲得并以直角坐標(biāo)形式保存,因而需要將其轉(zhuǎn)換為經(jīng)緯度坐標(biāo)并實(shí)現(xiàn)在電子海圖上的顯示.實(shí)現(xiàn)船舶位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法是,以雷達(dá)位置的直角坐標(biāo)(x0,y0)為標(biāo)點(diǎn),根據(jù)船舶距離雷達(dá)的距離和方位角進(jìn)行計(jì)算出x和y方向的距離dx和dy,可知船舶位置坐標(biāo)是(x0+dx,y0+dy),然后通過求解墨卡托投影的反解公式算出船舶位置的經(jīng)緯度坐標(biāo).

2.3.3 船舶狀態(tài)顯示方法 在海事業(yè)務(wù)中,需要查詢船舶的狀態(tài)如是否裝載或卸載危險(xiǎn)品、是否外貿(mào)船舶等.港口中的船舶數(shù)量眾多,本文采用不同的閃爍圖標(biāo)來表示不同的船舶狀態(tài),這樣用戶比較容易找到目標(biāo)船舶.實(shí)現(xiàn)方法是,在網(wǎng)頁上動(dòng)態(tài)生成多個(gè)閃爍圖片符號(hào)對(duì)象,并采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁編程語言(如JavaScript)將閃爍圖標(biāo)疊加到電子海圖上,從而實(shí)現(xiàn)船舶狀態(tài)的閃爍顯示.

2.3.4 船舶動(dòng)態(tài)查詢方法 由上可知,港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(Sybase,MS SQLServer等)之中.因此,本文采用開放式數(shù)據(jù)庫互連(ODBC)技術(shù)來解決不同數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程和異構(gòu)存儲(chǔ)問題.利用ODBC,用戶可通過統(tǒng)一界面和各不相同的數(shù)據(jù)庫打交道[5].

3 應(yīng)用實(shí)例

圖3 大連港船舶動(dòng)態(tài)在電子海圖上的顯示和查詢

為實(shí)現(xiàn)大連海事管理部門能夠以直觀可視化方式獲取港口船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),從而滿足實(shí)際業(yè)務(wù)管理需要,基于前面介紹的技術(shù)和方法,作者設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于WebGIS的大連港船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)(圖3).該系統(tǒng)具有電子海圖縮放、漫游、查詢等GIS功能,以及船舶動(dòng)態(tài)顯示和詳細(xì)信息查詢、碼頭泊位信息查詢、船舶狀態(tài)查詢等業(yè)務(wù)功能.以往海事部門(如下屬海事處、危管防污處等)因業(yè)務(wù)(如安全檢查、溢油事故等)查詢船舶信息時(shí)需要通過查詢船舶動(dòng)態(tài)管理信息系統(tǒng)和交通管理中心的VTS系統(tǒng)獲取船舶詳細(xì)信息,此過程中可能還需經(jīng)電話或傳真甚至人工方式來傳送資料.建立基于WebGIS的船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)后,用戶只需通過Web瀏覽器訪問基于WebGIS的船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng),就可以快速獲得船舶動(dòng)態(tài)信息(船舶在電子海圖中的位置及其詳細(xì)信息).經(jīng)過大連海事部門業(yè)務(wù)管理人員的實(shí)際使用,表明該系統(tǒng)能夠有效地提高海事業(yè)務(wù)管理的工作效率.

4 結(jié) 束 語

結(jié)合海事部門業(yè)務(wù)管理需要,本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于WebGIS的港口船舶動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng).該系統(tǒng)采用三層B/S體系結(jié)構(gòu),除具有基本的GIS功能,還具有船舶動(dòng)態(tài)顯示與查詢、船舶狀態(tài)查詢、海上搜索決策支持等功能.實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)能有效提高海事管理業(yè)務(wù)的工作效率.

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