基于shape數(shù)據(jù)的全球電子矢量地圖在航跡監(jiān)測領域的應用研究

何曉，楊維波

(成都西科微波通訊有限公司，四川成都，610000)

0 引言

近年來，隨著飛行器的大量快速增加，監(jiān)測空中目標航跡對區(qū)域內安全防衛(wèi)工作有重要意義，其監(jiān)測結果的態(tài)勢展示是重要研究方向。全球電子矢量地圖包含了各類地理信息，可以經(jīng)緯度為基準展示目標航跡監(jiān)測結果，其應用也越來越廣泛[1]。

本文采用國內地理數(shù)據(jù)平臺公布的shape數(shù)據(jù)，從基礎數(shù)據(jù)讀入開始通過OpenGL開放式圖形庫，繪制具備自主產權的全球電子矢量地圖，并在地圖上設計目標航跡態(tài)勢展示。

1 利用shape數(shù)據(jù)繪制全球電子矢量地圖

1.1 shape數(shù)據(jù)

shape數(shù)據(jù)是由ESRI（Environmental Systems Research Institute）開發(fā)的一種空間數(shù)據(jù)開放格式[2]，一個shape數(shù)據(jù)包括主文件、索引文件和dBASE表。主文件（后綴為.shp）數(shù)據(jù)是制作矢量地圖的基礎。主文件由固定長度的文件頭和變長實體記錄組成。每個實體記錄都包含一條數(shù)據(jù)信息。后綴為.dbf的文件為屬性數(shù)據(jù)，存儲.shp文件中每條記錄的屬性數(shù)據(jù)，如名稱、所屬區(qū)域、首都等。

1.2 OpenGL繪制矢量地圖

本文shape數(shù)據(jù)為全球各國邊境線經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，每一條shape記錄為一個國家的國境線，記錄類型為環(huán)狀POLYGON（起點終點重合）。OpenGL讀入地圖基礎數(shù)據(jù)通過glBegin(GL_LINE_STRIP)方式可繪制各國國境線。

為提高地圖的可視化效果，地圖背景設置為海洋色藍色，陸地面積需填充為其他顏色以示區(qū)分。利用glBegin(GL_POLYGON)進行圖形填充時，發(fā)現(xiàn)在許多區(qū)域填充效果不及預期，如圖1所示。經(jīng)查證，OpenGL繪制時認為凸多邊形才是合法多邊形，凹多邊形、交叉多邊形、帶孔多邊形等非凸多邊形在使用填充功能時可能會失效。

圖1 GL_POLYGON填充失敗

本文工程應用中，各國國境線絕大多數(shù)為非凸多邊形。為保證填充的正確性，需使用GLU網(wǎng)格化對象的GLUtesselator（泰森）進行填充。其原理是可以將任意多邊形（包括非凸多邊形）簡化為一系列三角形或凸多邊形的組合，從而達到正確填充的目的，如圖2所示。

圖2 泰森正確填充

利用泰森填充，各國國境線面積內實現(xiàn)準確填充，電子地圖具備圖形化雛形。同時通過統(tǒng)一格式解析屬性文件.dbf數(shù)據(jù)，得到地理信息各項屬性，如國名、首都等，在地圖上進行標繪。至此，全球電子矢量地圖底圖已完成。

1.3 地圖展示要素

為實現(xiàn)目標航跡態(tài)勢展示效果，除了全球電子矢量地圖外，還需要增加各項地圖展示要素，主要包括：（1）地圖放大縮小：鼠標滾動可實現(xiàn)地圖放大縮小；（2）平移：鼠標拖動可實現(xiàn)地圖平移；（3）全景地圖：鼠標點擊可實現(xiàn)地圖比例至顯示全球地圖；（4）測距：鼠標點擊任意地圖兩個位置可計算出兩點間的距離；（5）任意點經(jīng)緯度顯示：實時顯示鼠標位置的經(jīng)緯度。

2 目標航跡態(tài)勢展示

目標航跡設計是態(tài)勢展示的重要方向。航跡設計可以航跡編號為主鍵建立存儲容器Map，監(jiān)測設備上報的探測點分別歸類至不同的Map。目標航跡繪制設計主要包括：（1）目標點跡；（2）目標點跡連線（顯示趨勢）；（3）目標最新點跡設計為可顯示方向的圖標；（4）目標航跡選中；（5）目標消失時間配置。另外，地圖繪制以200ms的頻率不斷刷新航跡，高效保證航跡更新的實時性。

目標航跡監(jiān)測旨在通過多傳感器綜合判斷，區(qū)別所探測目標的屬性和類型。項目可建立目標屬性數(shù)據(jù)庫。若所探測目標屬性與告警屬性相符，則判定為重點關注目標，航跡以紅色進行告警；若所探測目標不具備告警屬性，則暫判為非關注目標，目標航跡顯示藍色。紅藍強對比色可有效提高態(tài)勢顯示效果[3]。

3 地圖繪制在VS+QT開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)

VS跟隨Windows系統(tǒng)共同成長，具備系統(tǒng)底層支持力度大、API十分豐富、開發(fā)難度小、調試便利、開發(fā)文檔多等優(yōu)勢；QT可提供建立藝術級圖形界面所需的所有功能，具備強擴展性、跨平臺性、面向對象、2D/3D圖形渲染（支持OpenGL）、API豐富等優(yōu)勢。VS+QT聯(lián)合開發(fā)環(huán)境可以集中兩款應用程序框架的優(yōu)勢，已在工程實踐中得到越來越廣泛地應用。

本文利用VS開發(fā)總體框架，QT開發(fā)交互式界面（包括OpenGL繪制矢量地圖）。所有功能均按模塊化設計，主要包括網(wǎng)絡通信類、系統(tǒng)信息管理類、地圖數(shù)據(jù)類、地圖繪制類（繼承基類）、地圖要素展示類、目標航跡管理類等。軟件界面如圖3、圖4所示。

圖3 全球電子矢量地圖

圖4 目標航跡態(tài)勢展示

上述全球電子矢量地圖及目標航跡繪制基本滿足區(qū)域內監(jiān)測結果高效、便捷的展示需求。目前僅加載了全球行政區(qū)劃分shape數(shù)據(jù)，下一步將考慮加入其它地理信息shape數(shù)據(jù)，如全球濱海數(shù)據(jù)、河流數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、航管數(shù)據(jù)、山川數(shù)據(jù)等，可利用圖層的概念由用戶自由加載關注數(shù)據(jù)。

4 結論

監(jiān)測空中目標航跡、可視化展示識別結果是加強區(qū)域安全防衛(wèi)工作的重要手段之一。全球電子矢量地圖的高效繪制、地圖展示要素的合理設置、目標航跡的對比展示設計均是提高顯示效果的重要方式[4]。本文以shape數(shù)據(jù)為基礎，詳細闡述了全球電子矢量地圖的繪制過程，就重要環(huán)節(jié)包括地圖數(shù)據(jù)更新、泰森填充、地圖要素設計、目標航跡設計等方面提出可行方案，并在VS+QT聯(lián)合開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)，具備實際可操作性。基于shape數(shù)據(jù)的全球電子矢量地圖可在航跡監(jiān)測領域廣泛應用，并可推廣至多點定位、ADS-B等系統(tǒng)中。