三維電子海圖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

沙宏杰 陸龍妹 邵宇

摘要：三維電子海圖具有更強(qiáng)的直觀性、真實(shí)性和可視化效果，其強(qiáng)大的空間分析能力能夠滿足不同用戶的航行需求。三維電子海圖除了具備二維電子海圖所有的要素和功能外，還集成了三維模型、海底地形、遙感影像、水面紋理等要素。本文以瓊州海峽為研究區(qū)，研究并開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的三維電子海圖系統(tǒng)，以期為廣大船員和海事管理者提供重要的空間參考信息。

關(guān)鍵詞：三維模型;MPT;三維電子海圖;三維可視化

航海是一個(gè)涉及多學(xué)科、多角度，應(yīng)用性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，電子海圖在實(shí)現(xiàn)船舶航行系統(tǒng)集成化、智能化的過程中有劃時(shí)代的意義。它深刻影響著艦船定位方式、航海資料形式，并實(shí)現(xiàn)對(duì)航線的規(guī)劃、監(jiān)視以及記錄等工作^[1]。

自20世紀(jì)80年代以來，電子海圖不斷完善、進(jìn)步，被廣泛應(yīng)用于船舶的導(dǎo)航以及協(xié)助港口船舶引航，有效的提高了船舶航行安全率^[2]。但不可否認(rèn)的是傳統(tǒng)的二維電子海圖僅僅依靠水深和等深線來描述水下的地形地貌，有表述不直觀、可視化程度低、重要信息缺失等不足，不利于海底地形分析。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的活動(dòng)范圍從陸地走向海洋，又從海面擴(kuò)展到海底，航海技術(shù)早已超出了海面航行的范疇，延展到了整個(gè)海洋三維一體化的空間范圍。隨著越來越多的潛艇、水下機(jī)器人等航海新設(shè)備的生產(chǎn)使用，人們對(duì)水下三維空間地形圖的需求也愈發(fā)迫切。得益于三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得建立三維電子海圖成為可能。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)三維地圖的研究主要集中在數(shù)據(jù)來源、建模方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面。許兆新等人利用加權(quán)平均法提取水深數(shù)據(jù)規(guī)則格網(wǎng)化，并采用四叉樹結(jié)構(gòu)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行組織實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)層次技術(shù)，最后采用Visual C++和Open GL來顯示渲染三維信息^[3]。李軍等研究了多類型數(shù)字海圖的三維可視化顯示、管理和應(yīng)用技術(shù)，并基于數(shù)字海洋基礎(chǔ)平臺(tái)，建立實(shí)用的數(shù)字海圖三維可視化應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)^[4]。張建春等采用VPB和OSG相結(jié)合的開源三維渲染引擎進(jìn)行長(zhǎng)江航道三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)^[5]。景西安等開發(fā)了一套三維地形修復(fù)工具，解決了不同數(shù)據(jù)源、不同時(shí)相數(shù)據(jù)在制作三維地圖時(shí)，道路扭曲變形的問題^[6]。Arianna Campiani等利用三維數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)土建筑空間分析和遺產(chǎn)保護(hù)^[7]。Mimi Zaleha Abdul Ghani等探討了三維可視化和地理信息系統(tǒng)作為馬來西亞規(guī)劃過程中決策工具的潛力，并通過定量分析衡量其有效性^[8]。縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者現(xiàn)階段的研究，主要集中在小區(qū)域范圍內(nèi)的三維可視化研究，且存在交互性弱、體驗(yàn)感差、可視化程度低等不足，不能滿足實(shí)際的導(dǎo)航需求，尤其是在航海領(lǐng)域的研究更是少之又少^[9-10]。因此本文針對(duì)目前三維電子海圖領(lǐng)域研究的空白，提出了一套從數(shù)據(jù)采集、處理、三維建模到應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化的三維電子海圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以期為廣大航海用戶和海事管理者提供航行依據(jù)。

1 研究區(qū)現(xiàn)狀

瓊州海峽位于廣東省雷州半島和海南省海南島之間^[11]，中國(guó)三大海峽之一，是海南島與大陸的交通咽喉，也是北部灣與南海北部的最佳通道，見圖1。東西總長(zhǎng)103.5 km，最寬處39.6 km，最窄處僅有19.4 km，海域面積約為2 370 km²，平均水深44 m，最大深度為114 m。

瓊州海峽處于雷瓊斷陷區(qū)南部，基底呈現(xiàn)凸凹相間的特征。海峽兩岸的北西向斷裂和北東向斷裂延伸到海峽內(nèi)，與近東向斷裂交匯，海底地形非常復(fù)雜。

2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2.1遙感影像數(shù)據(jù)

為了增強(qiáng)三維電子海圖系統(tǒng)的可視化效果，采用高分辨率的衛(wèi)星遙感影像作為陸地?cái)?shù)據(jù)源，并對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何精校正、影像增強(qiáng)和影像裁剪等預(yù)處理，幾何校正誤差小于0.5個(gè)像元。

2.2 水深數(shù)據(jù)

水深資料均來自本單位HPD數(shù)據(jù)庫中原始資料以及外購(gòu)電子海圖資料，以m為單位。

2.3 三維模型數(shù)據(jù)

雖然三維電子海圖主要是針對(duì)海面要素進(jìn)行三維化建模，但陸地要素尤其是港口碼頭同樣是三維電子海圖的重要組成部分，是不可忽視的。因此本文除了根據(jù)傳統(tǒng)二維電子海圖中所需的物標(biāo)要素，進(jìn)行三維化建模，設(shè)計(jì)并制作了一批航標(biāo)、船舶等三維模型外，還對(duì)陸地要素，如吊橋、集裝箱、建筑物等進(jìn)行了精細(xì)化的三維建模。

2.4 矢量數(shù)據(jù)

矢量數(shù)據(jù)包括航道、障礙物、警戒區(qū)、傾廢區(qū)等海圖要素，數(shù)據(jù)來自本單位HPD數(shù)據(jù)庫中原始測(cè)量資料。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本文利用skyline軟件進(jìn)行三維場(chǎng)景構(gòu)建和發(fā)布，利用3Dmax軟件進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)路線見圖2。

3.1海底地形制作

首先將水深點(diǎn)數(shù)據(jù)和等深線數(shù)據(jù)作為高程矢量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Delaunay 三角測(cè)量方法通過將一系列折點(diǎn)（點(diǎn)）組成三角形來構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。接著通過線性插值的方法將TIN三角形轉(zhuǎn)換為柵格，它的原理是查找落在2D空間中的三角形并計(jì)算像元中心相對(duì)于三角形平面的位置來為每個(gè)輸出像元指定高度。輸出得到的柵格數(shù)據(jù)即為我們需要的海底地形數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）。

3.2 ?MPT制作

MPT是skyline獨(dú)有的三維地形數(shù)據(jù)格式，可以理解為是遙感影像加DEM得到的三維底圖。在TerraBuilder工程內(nèi)，所有的遙感影像和DEM圖層都根據(jù)需要調(diào)整完成之后，可以合成一個(gè)獨(dú)立的流優(yōu)化文件MPT。系統(tǒng)坐標(biāo)采用WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)。生成的MPT文件可以視為三維電子海圖的底圖直接加載瀏覽，也可發(fā)布到服務(wù)器上。

3.3 ?三維電子海圖制作

制作完整的三維電子海圖除了需要構(gòu)建海底三維地形外，還需要加載航道、航標(biāo)等輔助要素。這一技術(shù)流程大致可以分為兩個(gè)部分，一是海圖三維模型的加載，二是助航要素矢量圖層的加載以及三維化顯示。第一部分三維模型的加載主要是指海面船舶以及港口碼頭三維模型的疊加，這些模型的制作的主要目的是為了增強(qiáng)三維電子海圖整體的三維可視化效果。第二部分是矢量圖層的加載和符號(hào)三維化，這部分對(duì)支持水運(yùn)、漁業(yè)、海洋開發(fā)和國(guó)防建設(shè)等具有重要作用。以航標(biāo)為例，在ArcGIS中對(duì)航標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，并保存成shapefile矢量點(diǎn)圖層，可以批量疊加到三維地形上，最后將航標(biāo)點(diǎn)狀符號(hào)進(jìn)行三維化處理，得到與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中相一致的航標(biāo)效果，用于引導(dǎo)和輔助海上船只安全航行。其余助航要素如航道、錨地、障礙物等都可用相同方法進(jìn)行處理。

4 三維電子海圖實(shí)現(xiàn)

4.1 海底地形

海底三維地形是三維電子海圖的基礎(chǔ)，它將傳統(tǒng)電子海圖中的等深面、水深等信息以三維的形式進(jìn)行構(gòu)建，極大的增強(qiáng)了可視化效果，瓊州海峽海底地形見圖3。

4.2 海圖要素

瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)中涉及的海圖要素可分為點(diǎn)、線、面三種類型，其中點(diǎn)要素包括左側(cè)標(biāo)、右側(cè)標(biāo)和專用標(biāo)等;線要素包括海底電纜、導(dǎo)航線、推薦航線和分道通航制邊界等;面要素包括錨泊區(qū)、傾廢區(qū)、航道、障礙物、引航員登船點(diǎn)、受限區(qū)域和通航分割帶等。瓊州海峽三維電子海圖及各海圖要素示意圖見圖4和5。

4.3 港口碼頭

瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)中將該區(qū)域重要的港口碼頭進(jìn)行三維建模。三維空間數(shù)據(jù)模型在港口碼頭的建設(shè)中有重要的作用，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)建立使得其與實(shí)際的空間位置保持一致，最大程度的實(shí)現(xiàn)了港口碼頭的模擬。其中海口港是瓊州海峽區(qū)域重要的集裝箱碼頭，因此本研究在3Dmax軟件中對(duì)集裝箱、吊橋、集裝箱船、貨輪、貨車等港口碼頭重要要素進(jìn)行三維建模，并在三維電子海圖系統(tǒng)中進(jìn)行三維港口場(chǎng)景搭建，實(shí)現(xiàn)了海口港的三維可視化，見圖6。

5 三維電子海圖系統(tǒng)應(yīng)用

5.1 GIS分析功能

該模塊是三維電子海圖系統(tǒng)基礎(chǔ)的分析功能，通過該模塊可以方便的進(jìn)行高程、距離和面積等屬性的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果可以動(dòng)態(tài)的顯示，也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行保存。

高程測(cè)量就是對(duì)海底三維地形高程值的查詢。

距離測(cè)量就是對(duì)兩個(gè)點(diǎn)或者多個(gè)點(diǎn)之間距離的計(jì)算。在三維電子海圖場(chǎng)景中使用測(cè)量距離工具，用鼠標(biāo)依次選取兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，就可得到它們之間的距離。運(yùn)用該工具除了可獲得每條線段的距離外，也可以得到所有線段疊加得到的整體距離。與傳統(tǒng)二維電子海圖只能測(cè)量平面距離不同的是，在三維電子海圖場(chǎng)景中除了測(cè)量平面距離還可以測(cè)量空間距離，平面距離和空間距離對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下：

平面距離：

空間距離：

面積測(cè)量可分為水平面積測(cè)量和三維面積測(cè)量，水平測(cè)量的面積是指用戶框選區(qū)域的水平投影面積，即使該區(qū)域內(nèi)有淺灘或者深溝。三維面積測(cè)量工具能測(cè)量任意平面的面積，多邊形的方向由最先繪制的三個(gè)點(diǎn)來決定的。

5.2 等深線分析功能

等深線地圖工具通過連接相等的高程點(diǎn)來繪制等深線，該模塊是三維電子海圖系統(tǒng)常用的地形分析功能，通過該模塊，用戶可以更具實(shí)際需要，自定義等深線間隔，自動(dòng)生成海底等深線地形圖。

5.3 視線分析功能

視線分析工具可以幫助用戶判斷從選定位置是否能看到三位電子海圖場(chǎng)景中的特定位置。此功能結(jié)合觀察點(diǎn)、視線方向和距離，標(biāo)繪出可被看到的位置。

5.4 應(yīng)用分析

綜合運(yùn)用三維技術(shù)、GIS空間分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等信息技術(shù)手段，以Skyline軟件作為基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了瓊州海峽區(qū)域三維電子海圖系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)對(duì)海面要素、海底地形以及港口碼頭等地面建筑模型進(jìn)行三維可視化建模，真正的實(shí)現(xiàn)了陸地海洋、海面海底的一體化展示，并為用戶提供了瀏覽、查詢、分析等功能，為船舶航行帶來了極大的便利。

瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全空間的三維可視化瀏覽，同時(shí)提供圖層的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等功能，以便用戶可以從不同角度、不同高度獲得自己需要的航線信息?；谌S空間的幾何對(duì)象和高程信息，實(shí)現(xiàn)了水深查詢、等深線分析、距離測(cè)量、面積測(cè)量和視線分析等功能，滿足不同用戶的航運(yùn)需求。

瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)填補(bǔ)了目前瓊州海峽區(qū)域三維地圖服務(wù)的空白， 在與傳統(tǒng)二維電子地圖服務(wù)模式一致的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了三維可視化效果，極大的提高了用戶體驗(yàn)效果， 拓展了瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)服務(wù)的深度和廣度。隨著瓊州海峽三維電子海圖系統(tǒng)的不斷發(fā)展及用戶需求的日益提高， 三維電子海圖的用戶體驗(yàn)和服務(wù)能力也將不斷完善和提高。

5 結(jié)論與展望

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)空間信息需求的不斷提升，尤其是航海領(lǐng)域，傳統(tǒng)的二維電子海圖信息已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的航行需求。當(dāng)前空間信息的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)是朝著多維度、多角度以及高可視化性的方向發(fā)展，因此三維電子海圖技術(shù)的研究與開發(fā)便有了重要的現(xiàn)實(shí)意義。

三維電子海圖應(yīng)用的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)電子海圖要素的三維化空間表達(dá)，在三維空間以可視化方式將水深點(diǎn)、等深線、等深面、礙航物、助航設(shè)備、禁漁區(qū)等要素表達(dá)出來，這些要素以線狀、面狀、三維模型等形式在三維空間形象、立體地表達(dá)，方便用戶對(duì)海圖要素的理解和應(yīng)用。專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的三維電子海圖系統(tǒng)可為船舶航行、港口引航、海上救援和海事管理等應(yīng)用提供重要的空間信息參考。

本文對(duì)三維電子海圖系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，對(duì)該系統(tǒng)建設(shè)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)與技術(shù)手段的研究不夠深入，因此仍有很大改進(jìn)空間。三維電子海圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是讓用戶能從不同角度、不同高度、動(dòng)態(tài)地瀏覽瓊州海峽區(qū)域三維場(chǎng)景，雖然實(shí)現(xiàn)了三維瀏覽、編輯查詢和分析統(tǒng)計(jì)，但未能在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、導(dǎo)航等功能。除此以外，潮流和天氣等因素對(duì)航行安全有很大影響，本系統(tǒng)暫未實(shí)現(xiàn)對(duì)潮流和天氣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新加載，將在后續(xù)的研究中加以開發(fā)應(yīng)用。

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