基于OpenGIS的海上信息分析發(fā)布系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

高潤(rùn)喜

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014060)

0 引 言

海上原油泄漏近年來(lái)頻頻發(fā)生，造成了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。為了避免此類(lèi)災(zāi)難事件影響范圍的持續(xù)擴(kuò)大，在事故發(fā)生之后，應(yīng)當(dāng)立即向有關(guān)個(gè)人和公眾告知此類(lèi)事件的嚴(yán)重程度和影響范圍，從而能夠及時(shí)采取相應(yīng)的防范措施，使得負(fù)面影響能夠降到最低程度。因此，及時(shí)監(jiān)視和發(fā)布此類(lèi)災(zāi)難事件的地理位置等信息十分重要。由于地理信息系統(tǒng)(GIS)在地理信息分析上具有較為強(qiáng)大的功能，因而GIS 被廣泛應(yīng)用于記錄和分析災(zāi)難事件的分布、區(qū)域等地理和特征信息，并在最近一些實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

自20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)以來(lái)，GIS 已經(jīng)被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。目前出現(xiàn)的一些商用GIS 軟件，具備強(qiáng)大功能和高昂價(jià)格，能夠滿足多種組織、公司、團(tuán)體等對(duì)于地理信息記錄和分析的需求。然而對(duì)于大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，此類(lèi)商用軟件的功能過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)擁有較為昂貴的使用成本［1－2］。

在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況僅僅需要GIS 的部分功能即可以滿足需求，然而采用商用GIS 軟件卻不得不為多數(shù)不需要的功能付出高昂的代價(jià)。因此，當(dāng)前業(yè)界的趨勢(shì)為采用開(kāi)源GIS (OpenGIS)系統(tǒng)為平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)實(shí)實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)適用的定制化GIS系統(tǒng)。

OpenGIS 的意義為開(kāi)源的地理信息系統(tǒng)，即開(kāi)發(fā)者能夠按照一定的協(xié)議獲得開(kāi)源軟件的源代碼，并根據(jù)自己的需要進(jìn)行下載、修改、應(yīng)用和發(fā)布。此類(lèi)地理信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)往往依靠于個(gè)人開(kāi)發(fā)者的不斷改進(jìn)，而非企業(yè)團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。其最顯著的特征在于免費(fèi)、自由，但同時(shí)開(kāi)源軟件的功能也受到了較大限制［3］。

常見(jiàn)的OpenGIS 系統(tǒng)有MapWinGIS、DotSpatial等，其本質(zhì)是一組開(kāi)源的. NET 開(kāi)發(fā)組件庫(kù)。本文采用DotSpatial 為平臺(tái)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種海上信息分析和發(fā)布系統(tǒng)，并采用海上原油泄漏監(jiān)視信息分析發(fā)布為應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)該系統(tǒng)中信息分析和發(fā)布的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)GIS 軟件存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案，并且通過(guò)實(shí)例證明本文提出方法具有較好的可行性和實(shí)用性。

1 應(yīng)用分析

本文應(yīng)用場(chǎng)景為海上原油泄漏信息的分析和發(fā)布，因而本文的目標(biāo)在于構(gòu)建一種有效的海上原油泄漏信息分析發(fā)布系統(tǒng)，采用DotSpatial 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并采用GDAL 作為DotSpatial 的補(bǔ)充。

1.1 開(kāi)發(fā)模式

MapWinGIS 是一組開(kāi)源的開(kāi)發(fā)工具，用于中等規(guī)模的 GIS 應(yīng)用開(kāi)發(fā)，其核心是一組稱(chēng)為MapWinGIS 的ActiveX 控件。通過(guò)這些工具，開(kāi)發(fā)者能夠向自己的系統(tǒng)中添加多種GIS 特性。作為MapWinGIS 的升級(jí)版本，DotSpatial 擁有更加強(qiáng)大的功能，同時(shí)能夠支持更多的開(kāi)發(fā)環(huán)境，因此，本文采用DotSpatial 作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(kù) (Geo Spatial Data Abstraction Library，GSDL)是一個(gè)開(kāi)源庫(kù)［4］，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于柵格化地理數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換和編輯。當(dāng)前有許多開(kāi)源軟件，甚至一些商用軟件均使用該庫(kù)。GSDL 擁有自己的數(shù)據(jù)模型和API，并且提供一系列命令行用來(lái)編譯和處理數(shù)據(jù)［5］。

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

海上原油泄漏信息監(jiān)視、分析和發(fā)布系統(tǒng)包含地圖顯示、信息展示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)映射和輸出、公告發(fā)布等功能。其中核心功能為數(shù)據(jù)顯示、編譯、映射和輸出。

柵格化的地理數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的矢量數(shù)據(jù)具有較大不同，當(dāng)需要在DotSpatial 電子地圖中顯示此類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)，諸如重投影等數(shù)據(jù)處理過(guò)程應(yīng)當(dāng)事先執(zhí)行完畢，然后才能實(shí)現(xiàn)柵格化數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的分別顯示以及2 種數(shù)據(jù)的相互匹配。在本系統(tǒng)中，柵格化的原油泄漏點(diǎn)跡被轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)被數(shù)值化、顯示，之后每個(gè)點(diǎn)跡的長(zhǎng)軸和短軸均被確定，從而確定原油泄漏區(qū)域的范圍。這些處理能夠向用戶(hù)直觀地展示泄漏事件發(fā)生地點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)需要將原油泄漏地點(diǎn)及信息映射到電子地圖并輸出時(shí)，用戶(hù)使用鼠標(biāo)拖拽一個(gè)矩形，定義需要查看的區(qū)域，然后以HTML 格式發(fā)布相應(yīng)結(jié)果。圖1 為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)的功能總體包含5 個(gè)部分，其中地圖加載與顯示、數(shù)據(jù)編譯與分析、數(shù)據(jù)映射與輸出為系統(tǒng)的核心功能。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of system

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

在開(kāi)發(fā)海上信息分析發(fā)布系統(tǒng)過(guò)程中，仍然有若干問(wèn)題需要克服，包括地理空間數(shù)據(jù)的匹配、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、矢量數(shù)據(jù)顯示、映射和輸出，網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)和制作等。本文針對(duì)以上若干問(wèn)題進(jìn)行研究，并給出相應(yīng)的解決方案。

2.1 數(shù)據(jù)顯示與控制

DotSpatial 在處理和顯示矢量數(shù)據(jù)時(shí)具有較好的性能和功能，而在處理柵格化數(shù)據(jù)時(shí)功能較弱。例如，DotSpatial 只能處理大小在40 M 以下的數(shù)據(jù)，因此，較大的圖片無(wú)法被添加到地圖中去。同時(shí)，由于柵格化數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)有較大不同，DotSpatial也無(wú)法正常地讀取柵格化數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系信息。

除此之外，DotSpatial 在將圖片加入電子地圖時(shí)，無(wú)法對(duì)圖片進(jìn)行拉伸，因此當(dāng)電子地圖的網(wǎng)格數(shù)值不規(guī)則時(shí)，地圖圖片就無(wú)法正常反應(yīng)不同網(wǎng)格之間的差異。

本文采用的圖片為ENVISAT SAR 圖片，其大小超過(guò)100 M。因此，使用GDAL 進(jìn)行重采樣、重投影，并在圖片加入系統(tǒng)之前進(jìn)行拉伸。由于重采樣會(huì)降低圖片的分辨率，因此需要將圖片的大小減少到40 M 以下。重投影過(guò)程由GDALWARP 實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖片與地圖層次的匹配。通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)地圖圖片與電子地圖的匹配，之后系統(tǒng)采用合理的灰度進(jìn)一步強(qiáng)化地圖的視覺(jué)效果，在本系統(tǒng)中采用256 度灰度。

2.2 矢量數(shù)據(jù)提取與顯示

在對(duì)原油泄漏點(diǎn)跡進(jìn)行分析的過(guò)程中，有多種算法能夠提取點(diǎn)跡的地理空間信息并進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。其中對(duì)于原油泄漏點(diǎn)跡的處理步驟為:

1)提取原油點(diǎn)跡的空間地理結(jié)構(gòu)。泄漏原油的擴(kuò)散范圍能夠通過(guò)點(diǎn)跡形狀信息反應(yīng)出來(lái)，如幾何形態(tài)等，但是每個(gè)原油點(diǎn)跡的形狀總是不規(guī)則的。為了能夠直觀地長(zhǎng)時(shí)間顯示每個(gè)原油點(diǎn)跡移動(dòng)的變化情況，必須通過(guò)一些數(shù)據(jù)來(lái)表示其空間形狀，如區(qū)域信息、中點(diǎn)坐標(biāo)、長(zhǎng)軸、短軸、斷點(diǎn)坐標(biāo)等。通過(guò)計(jì)算這些數(shù)據(jù)，能夠較為精確地反映出原油點(diǎn)跡的空間地理結(jié)構(gòu)和幾何學(xué)形態(tài)，從而為判斷其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和擴(kuò)散范圍提供依據(jù);

2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。原油點(diǎn)跡信息是由RS 圖像轉(zhuǎn)換和提取而來(lái)的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為柵格化數(shù)據(jù)，并不適合對(duì)空間結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分析。因此，將柵格化的地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，從而更加便于表示每個(gè)原油點(diǎn)跡的空間形態(tài)。由于DotSpatial 并不具備該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能，因此采用GDAL 將SAR 圖像中的原油點(diǎn)跡圖形轉(zhuǎn)換為多邊形類(lèi)型的幾何數(shù)據(jù)集。

3)計(jì)算泄漏原油區(qū)域的長(zhǎng)軸和短軸。通過(guò)步驟2，將泄漏原油的擴(kuò)散區(qū)域表示為一個(gè)多邊形。那么長(zhǎng)軸即為多邊形邊界上距離最遠(yuǎn)的2 個(gè)點(diǎn)跡之間的連線，而短軸則是垂直于長(zhǎng)軸，同時(shí)被多邊形截取的線段部分。長(zhǎng)軸和短軸共同定義了原油泄漏區(qū)域的輪廓，其中對(duì)于長(zhǎng)軸和短軸的表示方法分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 區(qū)域長(zhǎng)軸的表示方法Fig.2 The major axis of the area

圖3 區(qū)域短軸的表示方法Fig.3 The minor axis of the area

4)連接各個(gè)原油點(diǎn)跡。假設(shè)原油泄漏區(qū)域共有n 個(gè)點(diǎn)跡，分別為P(0)，P(1)，P(2)，…，P(n)。將每個(gè)點(diǎn)跡分別與其他點(diǎn)跡互聯(lián)，則可以得到以下線段:

5)表示出長(zhǎng)軸和短軸。通過(guò)步驟4 得到若干線段，通過(guò)比較線段的長(zhǎng)度，假設(shè)其中最長(zhǎng)的一條連接了P(i)和P(j)，那么L(i，j)即為區(qū)域的長(zhǎng)軸。將長(zhǎng)軸等分為200 份，在每一等份的邊界點(diǎn)處做長(zhǎng)軸的垂線，則垂線被多邊形區(qū)域截得若干條線段。由于多邊形的輪廓可能不規(guī)則，因此截得的線段可能存在多條，在這種情況下，將該垂線上被截得2 個(gè)最遠(yuǎn)的交點(diǎn)相連，獲得的線段作為最終線段。最后，比較截得的200 條線段，選取其中最長(zhǎng)的一條，作為區(qū)域的短軸。

6)多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)顯示。多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)反映了數(shù)據(jù)在一段時(shí)間序列中的變化情況。由于受到海洋中海浪、海風(fēng)、洋流等影響，泄漏原油的擴(kuò)散區(qū)域總是在不斷移動(dòng)和變化，因此，掌握該區(qū)域的移動(dòng)趨勢(shì)和變化軌跡，對(duì)于采取進(jìn)一步的處理和應(yīng)對(duì)措施至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，需要對(duì)多個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的區(qū)域變化軌跡進(jìn)行顯示。由于對(duì)于原油點(diǎn)跡和泄漏區(qū)域的數(shù)據(jù)，提取自RS 圖像，因而需要采集不同時(shí)間點(diǎn)的RS 圖像，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，從而得出一段時(shí)間序列下的數(shù)據(jù)變化情況。

7)數(shù)據(jù)可視化。由于DotSpatial 不能夠支持多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)顯示，因而本文給出了一種結(jié)合色彩填充和圖形填充的方法，來(lái)表示一段時(shí)間內(nèi)原油點(diǎn)跡的變化軌跡。同時(shí)，本文還給出了一種判斷數(shù)據(jù)可信性的方法，采用4 個(gè)級(jí)別(高、中、低、不可信)來(lái)判斷數(shù)據(jù)的可行性。最終，本文在數(shù)字地圖上，使用經(jīng)緯度、海拔、等高線和不同的點(diǎn)線表示出以上數(shù)據(jù)，如圖4 所示。

圖4 多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果Fig.4 The result of multi-temporal data rendering

8)匹配地圖。DotSpatial 中提供了一系列的控件和API，能夠滿足GIS 系統(tǒng)的地圖繪制和匹配需求。例如，其能夠自動(dòng)繪制出經(jīng)緯線，同時(shí)能夠使用鼠標(biāo)繪制出多邊形等。

9)輸出數(shù)據(jù)。通過(guò)步驟1 ～步驟8，能夠在開(kāi)源的GIS 系統(tǒng)DotSpatial 中，顯示海上原油泄漏區(qū)域的動(dòng)態(tài)信息，并能夠采用不同的圖示和色彩表示更加豐富的信息。在Windows GDI +的幫助下，通過(guò)鼠標(biāo)拖拽選中一部分區(qū)域，則DotSpatial 可以自動(dòng)地將該區(qū)域中的相關(guān)信息以HTML 格式進(jìn)行發(fā)布，通過(guò)構(gòu)建合適的后端Web 發(fā)布系統(tǒng)，則可以發(fā)布經(jīng)過(guò)DotSpatial 處理的直觀地理信息。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著人類(lèi)海上活動(dòng)的日益頻繁，越來(lái)越需要一種海上信息分析和發(fā)布系統(tǒng)。本文選取海上原油泄漏事件為應(yīng)用場(chǎng)景，討論了在該應(yīng)用中，對(duì)于信息監(jiān)視、收集、分析和發(fā)布的各種需求，并使用開(kāi)源GIS 平臺(tái)DotSpatial 構(gòu)建了海上原油泄漏信息分析與發(fā)布系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，如地理信息提取、編譯、多時(shí)態(tài)顯示、輸出等進(jìn)行研究，成功開(kāi)發(fā)了一種開(kāi)源的信息分析與發(fā)布平臺(tái)。同時(shí)本文的研究成果能夠應(yīng)用于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的通用性。

［1］LI Yin，LAN Guo-xin，LIU Bin-xin，et al．Dynamic analysis on oil spill in Mexico Bay based on remote sensing and GIS［J］．Marine Environmental Science，2012(1):80 －82．

［2］JIAO Jun-chao．Research on the prediction of oil spill based on GIS In Bohai Bay［J］．Marine Environmental Science，2011(5):96 －101．

［3］胡安康．船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)的主脈——CAE 信息鏈［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(1):66 －70．HU An-kang．The main vein of digital ship design——CAE information chain［J］．Ship Science and Technology，2008，30(1):66 －70．

［4］LIU Chang-ming，CHEN Luo．GDAL multi-source spatial data access middleware［J］．Geo-spatial Information，2011(5):58 －62．

［5］任席闖，左麗芬，李樹(shù)明，等．基于GIS 的超低頻通信服務(wù)區(qū)的預(yù)測(cè)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35(4):117 －119．REN Xi-chuang，ZUO Li-fen，LI Shu-ming，et al．The prediction of VLF communication service zone based on GIS［J］．Ship Science and Technology，2013，35(4):117 －119．