基于移動GIS的矢量電子海圖可視化研究

趙軍，宮麗瑋，周圣川，胡振彪

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

隨著智能移動設(shè)備的飛速發(fā)展，電子海圖系統(tǒng)不再停滯于桌面系統(tǒng)，移動端電子海圖系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多。然而，相比傳統(tǒng)桌面電子海圖系統(tǒng)，移動設(shè)備由于其存儲空間小、運(yùn)算能力有限、屏幕尺寸較小、輸入輸出形式較少[1，2]，對于大量TPK海圖柵格瓦片的加載，“瘦小”的移動設(shè)備就顯得不切實際，對于數(shù)據(jù)的更新也是一個難題。其次，移動設(shè)備可視化范圍較小，對于海圖符號的精細(xì)化顯示要求更高，這些相對傳統(tǒng)桌面海圖系統(tǒng)可以忽略的問題，在移動設(shè)備上都是必須解決的難題。

本文將矢量電子海圖“移植”到移動端；同時，不同于傳統(tǒng)的純底層電子海圖讀取-解析-顯示-功能開發(fā)模式，本文依托ArcGIS for Android SDK作為技術(shù)框架，通過繼承圖層類DynamicLayer，自定義新View圖層類，采用MVC模式，不僅實現(xiàn)了矢量電子海圖的可視化，采用ArcGIS本身的可視化引擎，可視化速度和效果顯著，而且“借用”ArcGIS成熟的功能模塊，依托ArcGIS API進(jìn)行二次開發(fā)，系統(tǒng)穩(wěn)定，大大縮短后期的系統(tǒng)功能模塊開發(fā)時間，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和應(yīng)用效果。

2 電子海圖

本文采用S-57電子海圖數(shù)據(jù)，即符合IHO標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)字化海道測量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》的國際標(biāo)準(zhǔn)電子海圖。國際標(biāo)準(zhǔn)電子海圖是按S-57標(biāo)準(zhǔn)的要求組織的描寫海域地理信息和航海信息的數(shù)字產(chǎn)品，主要以描述海域要素為主，詳細(xì)表示水深、航行障礙物、助航標(biāo)志、港口設(shè)施、潮流、海流等要素的數(shù)字化信息。電子海圖數(shù)據(jù)文件的命名已經(jīng)嚴(yán)格規(guī)范設(shè)定，按照IHO要求和規(guī)定編制，000是標(biāo)準(zhǔn)電子海圖文件格式的后綴，其封裝結(jié)構(gòu)是一種高壓縮的數(shù)據(jù)交換格式。中國海事電子海圖的數(shù)據(jù)文件名表現(xiàn)形式為CN******.000，以CN331340.000為例，其中“CN”是中國海事的代碼(由IHO統(tǒng)一分配)、數(shù)字“3”是航海用途(表示沿海、Coastal)，31340表示圖幅編號；小改正更新數(shù)據(jù)文件表現(xiàn)形式是CN******.nnn，其含義與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件名的意義相同，但后綴根據(jù)小改正更新次數(shù)進(jìn)行編號，最大可達(dá)到999次，如第十次小改正更新，其文件名是CN******.010[3，4]。

電子海圖根據(jù)空間信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括兩大類：光柵式電子海圖和矢量式電子海圖。其各自特點如表1所示。

電子海圖分類 表1

從上表可以看出，矢量電子海圖數(shù)據(jù)占用空間更小，矢量繪制海圖符號顯示效果更佳，支持各種空間分析、數(shù)據(jù)更新。移動平臺內(nèi)存空間有限，考慮到需要海上作業(yè)、離線加載海圖數(shù)據(jù)等問題，矢量電子海圖的優(yōu)勢可以得到更好的發(fā)揮。

3 矢量電子海圖可視化

3.1 相關(guān)工具及技術(shù)

000海圖文件的解析用C++來實現(xiàn)，而Android主流應(yīng)用的開發(fā)使用Java語言，因此涉及C++與Android端Java代碼的對話問題，需要實現(xiàn)兩者之間的無障礙交流；為了解決這一問題，本文選擇采用NDK工具和JNI技術(shù)，也是目前Android開發(fā)解決此類相關(guān)問題的主流途徑。

(1)NDK介紹

眾所周知，Android相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)，都是以Java作為主流開發(fā)語言，這主要是因為Android SDK使用Java語言編寫。但在實際程序開發(fā)中，同樣支持C/C++，即所謂的原生編程。Android系統(tǒng)架構(gòu)下的核心庫是一個由C/C++編寫的庫的集合，因此，可以認(rèn)為，Android平臺實際是由C/C++搭建，由C/C++編程也成為現(xiàn)實[8]。

為了在系統(tǒng)底層支持“Java與C/C++”的交換開發(fā)，催生了NDK(Native Development Kit)。NDK是一個工具集，支持開發(fā)者使用本地代碼(C/C++)進(jìn)行程序部分功能的開發(fā)。NDK的出現(xiàn)，使得開發(fā)者可以重用一些成熟的C/C++本地庫來完成程序某些特定功能的開發(fā)，從而提高程序性能。

C/C++的嵌入，豐富了Android的開發(fā)；同時，C/C++語言本身的特性，也使NDK給Android開發(fā)帶來了一系列的天然優(yōu)勢：

①明顯提高代碼的安全性。應(yīng)用層主流語言Java被反編譯難度較低，而以C/C++編寫的動態(tài)庫的反編譯過程則要困難得多。

②對本地開源動態(tài)庫的利用更加方便。NDK的出現(xiàn)，可以大大提高這些開源庫的使用，不僅可以有效重用現(xiàn)有代碼，還可以有效提高程序開發(fā)的效率。

③明顯提高代碼的執(zhí)行效率。C/C++語言本省的高性能性，將其進(jìn)行較高性能的應(yīng)用邏輯層面的開發(fā)時，可以大大優(yōu)化代碼的執(zhí)行效率。

④提高代碼的可移植性。本地C/C++動態(tài)庫以 .so庫的形式獨立存在，可以方便地應(yīng)用于其他的嵌入式平臺，明顯提高代碼的重用性。

(2)JNI技術(shù)混編

JNI，即Java Native Interface，Java本地接口；用來實現(xiàn)Java代碼和本地C/C++代碼的交互。

NDK作為谷歌開發(fā)推出的開發(fā)和編譯工具集，主要用于Android的JNI開發(fā)，NDK提供Java和C/C++交互的環(huán)境，用來實現(xiàn)Java代碼與本地的C/C++的相互調(diào)用。比如，當(dāng)我們需要使用某個函數(shù)，基于效率等原因，函數(shù)用C/C++語言在NDK環(huán)境中一個類文件中實現(xiàn)，然后將該類文件打包成so動態(tài)庫；利用JNI技術(shù)，我們只需在Java層加載上述本地動態(tài)庫、定義一個JNI式的接口，便可以實現(xiàn)語言之間的交互，如圖1所示。

圖1 JNI應(yīng)用流程圖

通過Android中的應(yīng)用程序框架，可以簡單、直接地看出JNI給程序調(diào)用帶來的變化。正常情況下的Android框架：最上層是Android的應(yīng)用程序代碼，為Java語言，中間層是Framework框架層，為C/C++代碼，通過Framework層進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)用，調(diào)用系統(tǒng)的底層庫函數(shù)和Linux內(nèi)核，如圖2所示。

圖2 Android框架圖

圖3 使用JNI的Android框架圖

使用JNI時的Android框架：不再經(jīng)過Framework框架層，通過JNI直接調(diào)用本地開發(fā)者編寫的C/C++代碼，本地代碼最后通過NDK環(huán)境編譯成so動態(tài)庫，該動態(tài)庫通過JNI提供的一個Stable的ABI(二進(jìn)制程序接口application binary interface)調(diào)用Linux內(nèi)核，如圖3所示。

上述兩張圖2和3，可以看出JNI是連接Android框架層(Framework-C/C++)和應(yīng)用框架層(Application Framework-Java)的紐帶。

本文研究選擇ArcGIS Runtime SDK for Android作為系統(tǒng)開發(fā)框架，雖然ArcGIS的API技術(shù)已相對成熟，但ArcGIS SDK并不能解析和繪制S-57電子海圖矢量格式的000文件。通過對NDK的研究和JNI技術(shù)的了解，本文選擇用標(biāo)準(zhǔn)C++解析000文件讀進(jìn)內(nèi)存，利用JNI技術(shù)，然后用Java進(jìn)行繪制的模式進(jìn)行矢量海圖的繪制顯示，簡單的基本流程如下圖4所示。這么做的好處就是文件的解析部分是可以跨平臺運(yùn)行的，以后如果要在其他平臺上布設(shè)移動海圖系統(tǒng)就可以直接使用這里的解析模塊而不用重新解析從頭開始。繪制的部分由于要考慮到不同操作平臺的繪制環(huán)境，故沒有必要做成跨平臺的通用模塊，這樣還可以利用不同平臺對自有繪制引擎的加速功能，從而使繪制更加高效。

圖4矢量海圖繪制流程

(3)ArcGIS Runtime SDK for Android介紹

ArcGIS Runtime SDK for Android為Android平臺上開發(fā)地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品提供了最基本的地理信息系統(tǒng)相關(guān)功能的開發(fā)框架，本文選擇ArcGIS Runtime SDK for Android作為系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)框架，可以充分利用其API在地圖應(yīng)用層面目前已具備的成熟的技術(shù)支持。其主要功能包括：數(shù)據(jù)加載、地圖查詢、數(shù)據(jù)展示、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)同步。

基于ArcGIS Runtime SDK for Android進(jìn)行二次開發(fā)，能夠大大改善之前海圖系統(tǒng)零起步自主研發(fā)導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，而且對于后期的系統(tǒng)可拓展性可以提供很好的支持。

3.2 矢量海圖繪制

ArcGIS for AndroidSDK提供各種類型的圖層類，各圖層類繼承關(guān)系如圖5所示。其中，DynamicLayer提供自定義矢量繪制接口，對于000矢量電子海圖的繪制，通過繼承DynamicLayer自定義圖層來實現(xiàn)，做到對ArcGIS for Android框架的無縫對接。

圖5 圖層類繼承關(guān)系圖

為了實現(xiàn)矢量電子海圖解析的跨平臺性，提高整個海圖系統(tǒng)在平臺間的可移植性，提高代碼的使用率，000矢量海圖的解析部分采用標(biāo)準(zhǔn)C++來完成，NDK環(huán)境和JNI技術(shù)的引入，使得Android開發(fā)環(huán)境對于標(biāo)準(zhǔn)C++具有比較良好的兼容性，不僅支持調(diào)用C++封裝的底層庫，而且支持Java和C++混編，最終將解析的部分打包成so動態(tài)庫供上層繪制模塊調(diào)用。解析模塊整體上分為兩個部分，對000海圖文件和符號庫進(jìn)行分離解析。

不同平臺具有各自不同的繪制引擎，同時不同的操作平臺對于自身繪制引擎的支持性也相對較好，并且調(diào)用起來也更加方便；本文000矢量海圖的具體繪制，采用Android自帶的繪制引擎Skia進(jìn)行。Skia Graphics Library(SGL)是一個由C++編寫的開放源代碼圖形庫，最初由Skia公司開發(fā)，后由Google收購，搭配OpenGL ES，成為Android的專屬繪制引擎庫[5]。Skia主要有以下幾個特點[9]：

①高度優(yōu)化的軟件rasteriser(module sgl/)；

②選擇性透過OpenGL ES，加速特定操作，如shader與textures(module gl/)；

③較強(qiáng)的動畫處理能力(module animator/)；

④內(nèi)建SVG支援(module svg/)；

⑤內(nèi)建若干image codec，如PNG，JPEG，GIF，BMP(modules images/)；

⑥具有一定的文字處理功能，但對于不太常見的文字的處理相對不足；

Android對Skia的調(diào)用是一個比較經(jīng)典JNI式的調(diào)用過程，這與下面矢量繪制的調(diào)用過程有異曲同工之處；JNI放在框架的JNI目錄下面的Graphic目錄；Skia以第三方組件的身份，放在external目錄下面。Android對Skia的調(diào)用流程如圖6所示。

圖6 Android調(diào)用Skia流程圖

海圖適量繪制的過程總體思想就是解析、繪制、顯示三過程上下層環(huán)境的分離、開發(fā)語言Java/C++的交互；最后形成獨立的視圖控件。實現(xiàn)解析過程的可移植性、跨平臺性；利用JNI實現(xiàn)上下層環(huán)境Java/C++語言的交互、海圖的繪制；通過自定義開發(fā)ArcGIS for Android View圖層類，實現(xiàn)海圖顯示圖層的模塊化、獨立性。整個調(diào)用繪制過程如圖7所示。

圖7 海圖矢量繪制圖

海圖矢量繪制具體步驟如下：

(1)首先是海圖000文件和符號庫文件的解析。該過程發(fā)生在C++底層，這是一個可移植的過程，桌面版、IOS平臺均可適用；

(2)將解析結(jié)果內(nèi)存塊轉(zhuǎn)化為bitmap。解析結(jié)果內(nèi)存對象ENCProject到海圖bitmap圖像的過程發(fā)生在Android NDK環(huán)境下的C++底層，利用Android的Skia圖形庫方法DrawMap方法將內(nèi)存塊ENCProject繪制出bitmap；

(3)利用JNI將C++底層bitmap上傳到Android應(yīng)用層java類。該過程符合Android對Skia JNI式的調(diào)用過程，將結(jié)果返回到上層Java層。

(4)自定義新的View圖層類TeleSeaMapServiceLayer。通過覆寫繼承自DynamicLayer的TeleSeaMapServiceLayer的getImage方法，接收底層傳出的bitmap。

(5)采用ArcGISAPI類MapView加載地圖場景方法addLayer，實現(xiàn)S-57海圖圖層的顯示。

4 可視化效果展示

(1)開發(fā)環(huán)境

海圖系統(tǒng)采用AndroidStudio作為開發(fā)平臺，開發(fā)語言使用Java和標(biāo)準(zhǔn)C++，采用ArcGIS for Android作為開發(fā)接口，數(shù)據(jù)庫使用Sqlite。

測試環(huán)境

主要測試設(shè)備包括Galaxy Note Ⅱ和Galaxy Tab Pro T320。各項參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

測試參數(shù) 表2

(2)效果展示

S-52標(biāo)準(zhǔn)對海圖的顯示做了基準(zhǔn)規(guī)范，將航道圖顯示分類為以下三種：

①基礎(chǔ)顯示：指不能從顯示中刪除的，由那些在任何情況下都需要的信息所組成的SENC信息層。基礎(chǔ)顯示作為標(biāo)準(zhǔn)顯示的一部分，并不能滿足安全航行的需要。

②標(biāo)準(zhǔn)顯示：指當(dāng)航道圖默認(rèn)情況下在電子海圖顯示與信息系統(tǒng)上顯示時所展示出的系統(tǒng)電子航海圖(SENC)信息。在實際航海應(yīng)用時，相關(guān)工作人員可根據(jù)需要選擇性顯示系統(tǒng)航道圖的信息，同時可以進(jìn)行相關(guān)修改。

③所有其他信息：指不包含在標(biāo)準(zhǔn)顯示中的航道圖信息、它僅在需要時才顯示[10]。

實驗結(jié)果表明，矢量電子海圖的顯示達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，尤其是對精細(xì)化海圖符號的顯示非常成功，如圖8所示。

圖8矢量海圖顯示效果圖

相比傳統(tǒng)tpk瓦片柵格海圖，矢量電子海圖所占存儲空間更小，大大提高了移動端海圖顯示的應(yīng)用范圍。矢量電子海圖的顯示質(zhì)量更好，海圖縮放不失真；同時，從圖8可以看出，矢量電子海圖實現(xiàn)了對海圖符號顯示精度和顯示質(zhì)量的雙重保障，解決了瓦片柵格海圖符號標(biāo)識模糊、位置不明確的問題；并且，本文實現(xiàn)可以隨意切換實時渲染顯示不同專題的海圖符號，相比柵格海圖“一個專題符號海圖就需要重新打包一份對應(yīng)的GB級別的柵格瓦片”，這完全是跨越式的進(jìn)步。

5 總 結(jié)

海洋地理空間的發(fā)展是這個時代的主旋律。電子海圖作為海上作業(yè)的必備工具，智能移動設(shè)備的發(fā)展推動，對矢量電子海圖的需求越來越大。本文提出通過繼承ArcGIS DynamicLayer，自定義海圖圖層TeleSeaMapServiceLayer，實現(xiàn)了ArcGIS for Android下的矢量電子海圖的可視化，可視化效果顯著。同時，基于ArcGIS for Android的二次開發(fā)，有助于后期可視化系統(tǒng)的維護(hù)和可拓展性。對于系統(tǒng)的優(yōu)化和相關(guān)功能的開發(fā)，有待于后期進(jìn)一步開發(fā)。

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