航道通航時空數據組織與可視化表達研究

畢金強，辛全波,許家帥，尚東方, 寇黎瑛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456)

隨著航道通航條件的逐步完善，航道內船舶密度、流量日益增大，對航道信息掌握不充分導致的船舶碰撞頻繁發生。同時，船舶日漸大型化、專業化、現代化，也對通航安全環境提出了更高的要求。船舶通航安全在保障交通運輸和生命財產安全等方面具有重要作用，已成為水運交通領域重點關注的問題。

影響船舶通航安全因素包括水文氣象、港口條件、航道條件、交通、水上水下施工作業等方面[1]，可以結合航道中的航標信息、船舶信息、氣象信息和港口設施信息等數據進行可視化方式展現。近年來，國內外學者在保障船舶通航安全方面做了大量卓有成效的研究工作。國外的Ternes等[2]建設了基于三維模型數據的航道可視化原型系統輔助船舶通航，Arsenault等[3]構建了連續的三維水深模型實現與航道信息和潮流信息的融合顯示，Kreuseler[4]提出了二、三維地圖場景下的多維度空間信息的繪制交互技術和可視化方法。國內的李邵喜等[5]提出一種基于三維的內河航道動態監控系統架構；江文萍等[6]采用三維可視化技術與GIS技術將基礎地理信息、水深專題等數據引入航道管理系統；李彩霞等[7]提出了一種基于SOA并融合AIS的數字航道可視化框架，提供了數字航道可視化方案。同時三維可視化軟件如Skyline、ArcGIS、WorldWind、SuperMap等和相關團隊自主研發的三維平臺在航道數據組織和可視化方面的應用，實現了航道數據管理與動態三維可視化的效果。相關領域的大量研究成果對船舶安全通航數據管理和可視化具有支撐作用。

通航安全的影響因素可通過不同層面的GIS數據進行分析并展示出來，但航道GIS數據資源之間存在語義獨立性和異構性，且存儲方式不同，給數據組織管理帶來一定的困難，如何高效地對航道通航數據進行統一組織存儲管理，并對航道要素的分布情況及變化規律進行可視化表達，是本文的重點研究內容。在分析航道時空數據特點與結構的基礎上，本文提出了采用基于XML的分布式數據存儲方法，實現空間和時間維度數據的可視化表達。

1 數據分析

航道通航數據具有多源現勢性的特點，通過實時監測等手段獲取的航道水深、岸線、水文(流速、流量、泥沙)等相關要素數據，從內容上歸納為基礎地形數據、航道設施數據、水深測量數據、水文觀測數據四大組成部分，如表1所示。

表1 航道數據要素分類表Table 1 Classification of data elements in channel

在分析航道要素分類的基礎上，表中數據可劃分為空間和時間兩個維度，在空間維度上按照水上、水面、水下層次結構來組織三維場景，在時間維度上按照要素的數據類型與分布情況進行插值運算并模擬其時態變化特征。GIS理論中的時空數據模型是一種有效組織和管理時態地理數據屬性、空間和時間語義的地理數據模型[8]，提供了航道通航時空數據組織思路，通過集成屬性信息實現多源異構數據的無縫集成，可將航道地理實體或現象抽象為對象和特征，進一步模擬數據的空間時序性。因此，構建航道信息時空一體化數據組織模型是本文數據存儲與可視化表達的基礎。

2 數據組織模型研究

航道通航GIS數據信息在時間維度、空間維度以及存儲方式各不相同，信息描述數據也不一樣，解決數據組織的關鍵是分析元數據的內容。元數據是關于數據的數據，可以用于描述航道GIS信息的內容、結構和訪問方式等。元數據的使用能夠在一定程度上消除數據資源之間的語義獨立性和異構性，幫助實現數據資源的整合和交換。本文使用的航道通航GIS數據的元數據采用核心元數據，即根據本文數據組織與可視化表達提取必要的元數據元素，包括數據的來源信息、標識信息、內容信息和空間參考信息等，每一項節點包含相應的信息。按照數據提供、管理和使用的層面將元數據統一進行管理，實現元數據信息的查詢和返回，流程如圖1所示。

圖1 元數據管理流程圖Fig.1 Metadata management process

分析本文元數據結構，歸納為一種是基于場景模型的數據，可按照規則化的函數展現航道空間分布特征，如基礎地形、航道設施數據；另一種是基于對象特征模型的數據，以有序點集的屬性信息來模擬展示航道要素信息，如水深測量、水文觀測數據。數據組織的前提條件是建立標準格式的模型，場景模型數據需要大量的存儲空間，對象數據結構復雜，為了提高數據的管理和檢索效率，減少數據查詢獲取的時間，本文在元數據提取的基礎上采用基于XML的分布式數據組織存儲方法。XML支持深層次嵌套表達和具有樹型存儲結構的優點，利用XML的結構性特點，提取數據檢索語義特征，將元數據的數據來源、數據類型、信息內容、結構和訪問方式等內容進行XML文檔組織，通過映射關系將 XML 文檔轉換為關系表存儲在關系數據庫中，按照文件數據和關系型數據庫分布式存儲場景模型和對象模型數據，如圖2所示。用戶發送檢索請求，傳遞到數據庫進行解析匹配查詢，按照結構特征將結果進行處理并返回，該方法可保證隨時間的推移數據累積更新時模型的再利用。

圖2 數據組織分布圖Fig.2 Data organization distribution

按照數據組織模型實現航道通航時空GIS數據的管理，但數據的來源與采集方式不同，不同類型和比例尺多源數據的融合疊加顯示，多源異構數據空間坐標系統和投影方式也各不相同，需要建立統一的空間參考坐標系。文中航道DEM數據、遙感影像數據、多波束水深測量數據采用WGS84坐標系統，考慮與船舶AIS(automatic identification system)坐標保持一致的因素，采用WGS84坐標系統來建立地理坐標系。空間參考的因素包括坐標系統、容限值和分辨率三個方面，容限值代表數據坐標的存儲精度，分辨率代表坐標值的最小單位長度。統一空間參考系統解決了多源異構數據融合顯示的問題，提高了數據的可視效果與精度。

3 數據可視化研究

航道通航GIS數據的可視化根據數據要素的不同，采用分層、分塊和LOD場景組織與調度技術[9-10]，三維建模技術以及水深場景構建與表面分析技術，建立統一空間參考的航道水上、水面、水下地形場景數據組織模型；通過離散觀測數據插值和面向過程的數值模擬技術，實現航道水文要素的時態特征變化顯示；在此基礎上基于地理位置關聯性與屬性信息構建時空一體化數據組織模型，進行動態可視化表達與應用，如圖3所示。

圖3 數據可視化表達Fig.3 Data visualization

在數據可視化表達過程中需解決以下兩個問題：

(1)航道三維場景無縫集成的問題。同一場景中航道地形場景與設施實體三維模型場景是多尺度的，在幾何實體模型同時跨越不同尺度層次的情況下，與起伏的地形場景存在空間位置上的分離，如發生傾斜和偏離等。

(2)航道水文數值模擬點稀疏的問題。觀測數據點呈離散分布的特征，在水文矢量場數據組織和表達時需采用剖分和插值技術滿足數值模擬的精細化要求。

3.1 空間維度數據可視化

空間維度數據組織按照水上、水面、水下層次結構進行場景組織數據。水上地形場景將遙感影像數據、紋理數據與DEM數據進行集成、融合和疊加等輸出為地形場景文件，水面場景利用三維建模軟件將航道設施數據生成模型文件，水下場景采用多波束水深測量數據構建航道底部場景。

3.1.1 地形場景數據可視化

為解決地形場景幾何復雜度高、紋理數據龐大等可視化表達的難點，在不影響地形瀏覽真實感的前提下，基于GPU地形繪制算法和視點相關地形生成算法[11-12]，采用模型層次簡化技術，降低地形數據的幾何復雜度和紋理數據的大小，采用分層、分塊LOD技術進行數據組織提高地形數據的繪制速度，實現多分辨率地形的自適應無縫表達，構建主要過程如下：

(1)基于視相關原理，采用二進制小波變換和其逆變換對原始數據進行重建，產生的結果數據集作為基本數據模型[13]，如圖4a所示；

(2)將影像、紋理數據疊加到重建的三角網上構建地形，展現航道基礎地貌特征，如圖4b所示；

(3)采用分層、分塊LOD技術進行數據的組織，以重建的基本數據模型為基礎通過重采樣生成不同比例尺的各層地形數據，以相同大小的多個切片文件進行保存。

圖4 地形場景構建Fig.4 Construction of the terrain scene

3.1.2 三維模型數據無縫集成

三維幾何實體模型包括航道構筑物、礙航物、航標設施模型等，建模方法包括兩種方式，一是通過3dMax三維建模軟件生成模型文件，通過坐標賦值匹配到場景中；二是在地形模型場景中直接建模。考慮模型的復用性和建模的工作量，采用第一種方法建設。航道地形場景與設施實體三維模型場景是多尺度的，在幾何實體模型同時跨越不同尺度層次的情況下，與起伏的地形場景存在空間位置上的分離。在模型中增加坐標維屬性(X經度，Y緯度，Z高程值，L層次)來表示模型數據的空間變化，使坐標維定義層次與地形場景層次結構相同，計算高程值并附加到模型屬性中，主要過程如下：

(1)將3D模型場景坐標系與航道地形場景的三維坐標系保持一致；

(2)按照地形的分層結構擴充模型坐標維屬性；

(3)計算高程值，對于以點來存儲的模型，采用設施點的高程值代表模型的高程疊加在地形場景中；對于以線來存儲的模型，將線狀實體的各拐點與水平基準面相交分析求出的高程值分別作為實體模型底端的高程值；對于以面來存儲的模型，與水平基準面接觸的網格模型空間相交分析計算得出高程，使模型與地形保持水平。

按照上述步驟組織解決了三維模型數據與地形場景數據的無縫集成顯示的問題。

3.1.3 水深測量數據場景可視化

航道水深是指航道范圍內從水面到底部的垂直距離，就局部區段而言，通常指航道內最淺處從水面到底部的垂直距離[14]。文中采用航道多波束測深系統采集得到高精度的水深測量數據值，按照矢量數據點集的組織方式生成TIN(triangulated irregular network)表面模型，基于點的高程值轉換成DEM數據，構建水下地形場景，如圖5所示。

圖5 水下航道地形場景構建Fig.5 Construction of the underwater channel terrain scene

3.2 時間維度數據可視化

航道水文觀測資料作為水文預報的依據，水文要素中的水位、流向、流速、流量信息對船舶通航起關鍵作用，數據具有典型的時間序列特征。文中采用的水文觀測散點值數據按照時間序列組織，具有連續場空間分布的特征。顧及局部特性的自適應反距離權重插值法[15]和采用動態時間彎曲距離算法對水文數據進行聚類[16]等方法，解決了3D矢量場插值中參考數據不足和監測點稀疏的問題，要完整表達水文要素的屬性、分布和動態演化規律，首先基于觀測點沿航道面水平和垂直方向建立剖分面，使觀測的離散點數據能夠反映場空間特征，采用二次曲面擬合和克里金插值[17-18]相結合的方法生成規則連續的格網，進行屬性的賦值和顏色渲染，生成航道水文要素切片數據，從垂直方向顯示其特征，如圖6所示。

圖6 剖分切片效果圖Fig.6 The diagram of mesh grid

基于剖分與插值技術構建的水文三維場數據既具有地理空間位置特征，又具有時間序列的特征。應用粒子模型[19-20]展示航道水文要素隨時間的模擬變化規律，從水平方向顯示其特征，如圖7所示。

圖7 水文流速流向模擬圖Fig.7 The flow rate and direction diagram of hydrology

4 系統應用

本文選取長江上游航道段，基于表1數據運用XML數據模型[21]和PostgreSQL開源空間數據庫實現了數據的組織管理與存儲[22]，運用數據層、業務邏輯層和展現層三層技術架構，采用OpenGL[23]三維圖形庫對OSG[24]開源平臺中的三維可視化模塊進行拓展，開發三維航道船舶通航定位與監控模擬系統，建立了航段及周邊地貌仿真模型，生成了航道底部地形和具有水深屬性的水體信息，模擬了航道水文變化規律，實現了空間、時間、屬性一體化三維地形表達、三維動態漫游和多種水文要素的三維真實感模擬和動態可視化，主界面如圖8所示。

圖8 系統主界面Fig.8 The main interface of the system

系統成功應用于長江上游航道區段，滿足海事監管與航道安全應急方面的需求，結合船舶通航中船舶的位置信息，將AIS基站中的實時船舶數據接入到系統中，集成河段的水文信息、實測水下地形等數據，開發系統功能展示不同層次的三維數據場景，為船舶通航提供直觀可視的數據支撐。如圖9a展示航道水上空間維度數據的無縫集成，圖9b展示航道水下場景的數值模擬，圖9c展示船舶所在位置的航道剖面圖，實時掌握航道底部水深狀況。

圖9 系統應用效果圖Fig.9 The application effect of the system

5 結語

本文在分析元數據的基礎上采用XML分布式空間數據存儲方法構建了數據組織模型，實現元數據資源的整合，對多源異構性和時序性數據進行處理和優化存儲，通過可視化技術實現數據的展現，為航道通航時空數據提供了一種科學的數據組織方法，可以滿足航道數據類型的擴充存儲。通過系統的實際應用，驗證了方法的可行性和正確性，實現了航道區段時空數據的展示。下一步工作將針對航道海量數據的調度策略和場景渲染技術做進一步優化和研究。