基于Google Earth的多源海事信息三維發布方法

占真，劉克中，何正偉，金湖庭

(1.武漢理工大學航運學院，武漢 430063;2.浙江交通職業技術學院機電學院，杭州 311112)

0 引言

海事信息服務是海事管理有效便捷的管理方式之一，海事信息發布對保證水上交通安全、保護水域環境有著不可或缺的作用.隨著海事信息化建設的不斷進步，各類海事信息發布系統的設計和研究越發完善.［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相互配合的聯合系統，還有應用比較廣泛的ECDIS(Electric Chart Display and Information System)，都對海事管理起到重要作用［2］;但該類系統大多數都基于二維電子海圖，與人們認識世界的多維和多視點特點不一致，因而缺乏海事專業知識就不易理解.因此，研究一種新的海事信息發布方法，實現海事信息的圖形影像更直觀化、操作界面更簡單化、管理使用更大眾化的目標，對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，通過建立一個面向對象的時空數據模型對多源海事信息進行有效的組織分類管理;對GE信息發布方法進行深入研究，并結合KML語言技術，最終實現以接近真實視覺的三維可視化形式在GE上發布各類海事信息.

1 GE在海事信息發布中的優勢

GE采用C/S架構，以各種分辨率的衛星影像作為基礎數據，集成多達44種與生活密切相關的分類信息、企業名稱等重要地址信息數據庫，以虛擬地球為視覺目標，整合Google的多項服務，提供免費高清晰度遙感圖像和簡捷清晰的空間信息表達方法.［3］本文所設計的基于GE的海事信息發布平臺具有許多其他海事信息發布平臺所沒有的優勢:

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

(2)結合GE把海事信息發布在接近真實的三維虛擬地球上，使用戶瀏覽信息時能夠更直觀地獲取所需信息，節省用戶的時間，并且界面簡潔、操作簡單，方便用戶和管理人員的使用.

(3)實現海事信息結合衛星影像的三維動態顯示和數字化管理，為用戶提供海事信息瀏覽功能，具有直觀、易操作等優點，為海事管理工作效率的提高和航運企業及普通用戶的海事信息需求提供一個便捷有效的信息管理途徑.

2 基于GE的海事信息數據發布技術框架

2.1 多源海事信息數據處理

2.1.1 多源海事信息融合

海事信息數據具有多源化的特點，比如各種文本、矢量、柵格和三維模型數據等數據形式來源.這種信息數據多源性的產生，為數據綜合利用和數據共享帶來不便.本文按照多源海事信息的表現特征，將海事信息數據大致分為4類:文本數據、矢量地圖數據、柵格影像數據和三維模型數據.通過對不同來源的海事信息數據進行融合處理，得到比任何由單個數據源獲得的數據更為全面、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)文本數據處理.航海通告、地名、氣象信息、海事新聞等數據被統一轉化成以UTF－16編碼、二維的形式進行處理和顯示，或直接通過HTTP協議以超文本鏈接的方式通過網頁顯示.

(2)矢量地圖數據處理.海岸線、航線以及岸上相關基礎地理信息數據多是矢量，數據量比較大.采用矢量柵格化方法，按地理區域或航區分塊的方法將矢量數據轉化為柵格數據的方式，然后將其作為多層紋理在相應的地形或三維模型上進行融合.這樣，數據量與圖層數量相關，不同的圖層還可以進行合并，數據量大大減少.

(3)柵格影像數據處理.為了電子航道圖等柵格影像數據的三維可視化，采用金字塔法將柵格影像數據作為多分辨率和區分塊處理，并且采用四叉樹結構管理這類數據［4］，見圖2.

圖2 柵格數據金字塔

(4)三維模型數據處理.對于在航道圖中以點狀符號或其他線劃符號表達的航道地物(如航標、水尺、跨江橋等)，可以利用Google SketchUp專業建模軟件建立三維模型，生成skp格式的三維模型數據，直接導入GE中，可免除轉換地理坐標系的過程.

以上數據預處理可以將不同來源的數據集規范化，以保證它們的一致性.結合數據特點，選用適當的融合方法(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)，對數據進行關聯性分析，實現數據和圖像的配準、關聯、合并等，最終得到信息更為全面的融合結果，存入相關數據庫中.

2.1.2 多源海事信息數據組織管理

針對多源海事信息數據的表現特征，通過建立一個面向對象的時空數據模型對多源海事信息數據進行組織管理.面向對象的時空數據模型在時空數據模型的基礎上，以面向對象的基本思想組織地理時空.［5］根據面向對象的觀點，將多源海事信息抽象為一個時空屬性類，其具有的3個基本特征(空間、時間和屬性)也可被抽象表達為3個基本的類:空間對象類、時態類和屬性類.其中，時態類不能單獨存在，這3個類聚合成時空屬性類.此外，為了便于表達空間隨時間的變化和屬性隨時間的變化，將時間與空間、屬性相聯，構成時空對象類和時態屬性類.［6］面向對象時空數據模型中各類對象之間的關系見圖3.

圖3 面向對象的時空數據模型

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

(2)時態類是關于時間的建模，指各類海事信息(包括空間數據和屬性數據)在現實客觀世界中存在的時間.

(3)屬性類用于解釋多源海事信息具體語義，解釋空間數據語義的屬性類有點屬性類、線屬性類和面屬性類等3個子類與其相對應.

(4)時空對象類是空間對象類和時態類的聚合，表達空間幾何對象隨時間的變化.例如，隨著時間的推移，船舶地理位置發生變化而產生的航跡(不包含船舶基本屬性信息).

(5)時態屬性類是屬性類與時態類的聚合，描述屬性數據隨時間的變化.時態屬性類的屬性是面向應用的，包括船舶基本信息、事故應急信息和VTS業務信息等.

(6)時空對象類和時態屬性類聚合為時空屬性類.時空屬性類是對多源海事信息的一個完整的抽象描述，不僅可以描述海事信息空間對象中空間幾何部分隨時間的變化，而且能夠表達空間對象中屬性部分隨時間的變化.時空屬性類有3個子類:時空屬性點類、時空屬性線類和時空屬性面類.這些類的對象是對海事信息地理空間中點狀實體(航標、燈塔)、線狀實體(航道、海岸線)和面狀實體(宗地、建筑物等)的抽象表達.

2.2 GE基礎數據轉換方法

海事信息數據數量繁多、種類各異［7］，但它們在GE中基本可表現為點、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GE客戶端而言，KML(Keyhole Markup Language)就是其標準數據格式，因此第三方的數據轉換目標便是合適的、完善的KML數據.格式轉換是把原格式數據經過專門的數據轉換程序轉換成目標格式的文件并保存下來，將目標格式的數據作為系統的直接數據源.［8］由于 GE只采用 KML數據格式，而KML本身具有很強的拓展性，高級用戶可以用文本編輯器創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數據轉換的接口(如Google SketchUp，GIS項目 MapWindow，GIS瀏覽軟件Global Mapper和數據轉換工具FME等)，將矢量數據轉換成KML文件格式.圖4是一個完整的數據轉換操作流程，圖中箭頭指示數據處理的操作步驟，方框里表達的是各步驟后的數據結果.

圖4 GE數據轉換操作框架

2.3 基于GE的海事信息發布方法

KML是一種基于可擴展標記語言(eXtensible Markup Language，XML)語法和文件格式的數據文件，可用來描述和保存地理數據(包括點、線、面、多邊形和模型等).［9］GE采用基于開放式的KML數據標準描述地理要素相關信息，并顯示相應的地理要素模型，即其數據都是以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上發布海事信息，具體步驟如下.

(1)用GE客戶端建立一個基礎的海事信息KML文件.啟動GE客戶端，根據海事信息數據表現形式的類別，在菜單欄中選擇“添加”/“地標、路徑、多邊形”等相應類型，得到最基礎的KML文件.以建立一個簡單的KML地標文件(包含文件名信息、船名信息、船舶經緯度信息)為例，KML代碼如下:

(2)根據海事信息需求豐富KML內容.上述代碼中，〈Placemark〉〈Point〉等均為 KML 標簽，有其具體的含義，具體使用規則遵循KML Schema 2.2文檔.例如，可以使用〈Style〉標簽定義海事信息在GE上的呈現樣式，如顏色、線條等，增強信息顯示視覺效果.運用 KML數據標準編寫包含海事信息的KML代碼，最終形成內容多樣、滿足用戶需求的海事信息KML/KMZ文件.

(3)海事信息共享發布.將編寫好的海事信息KML/KMZ文件上傳到網絡上，供其他用戶下載，或者直接通過GE提供的信息共享功能實現海事信息共享.

3 基于GE的海事信息發布實驗

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用SketchUp手動繪制或直接在“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“位置”面板中的“臨時位置”里自動生成一個名為“SUPreview()”的KML文件.用戶可以根據自己的實際需要對該KML文件進行代碼修改，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節對基于GE的海事信息發布方法的詳細描述，結合第3.1節三維船舶模型顯示說明，分別實現在GE上發布船舶基本信息、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地標文件顯示船舶基本信息(中英文船名、呼號、船舶登記號、國籍、船籍港、船舶種類、始發港、預計到達時間);圖B顯示船舶航跡信息(船舶到達某位置的時間及該位置的經緯度)，這是結合KML路徑文件和地標文件共同實現的.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)，后者是通過結合地標文件、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、會聚點處的警戒區等航道信息).

此外，可利用GE COM API接口編寫水文氣象信息、事故信息、VTS業務信息(航行通告、航行警告、引航信息)等非空間信息的代碼，當雙擊文件夾中的某條信息數據時，程序調用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/網絡鏈接”功能，通過超文本鏈接的方式可以在網頁上顯示這類信息.

4 結束語

研究GE在海事信息領域中的應用，通過對多源海事信息數據管理和服務方法的研究，將多源海事信息進行數據融合處理后，建立一個面向對象的時空數據模型，將海事信息抽象為一個時空屬性類，實現對多源海事信息數據的有效管理;結合KML數據標準，將多源海事信息數據轉換為KML格式文件，實現在GE上瀏覽海事信息的功能;利用GE的優點，以三維視覺形式顯示海事信息，使用戶對信息的獲取更為方便.這對增強和定制GE在海事中的功能和應用具有很好的參考價值.

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［6］宋瑋，王家耀，郭金華.面向對象時空數據模型的研究［J］.測繪科學技術學報，2006，23(4):235－238.

［7］杜志秀，張壽桂，彭國均，等.航標助航信息發布系統［J］.上海海事大學學報，2011，32(1):35－39.

［8］楊湘燕，董槐林，吳清鋒.基于KML的GIS數據復用技術研究［J］.廈門大學學報:自然科學版，2009(3):334－337.

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