航运大数据：多维多类航线可视化系统

1）研究思路

随着船舶的大型化，交通航行环境的复杂化，船上的导航方式正逐渐往电子化的方向发展。如今，部分中型或大型船舶上已经安装了电子海图系统，然而港区和内河存在着多弯道、水深多变、水道狭窄、航道拥挤、沿岸环境复杂等特点，传统的船舶导航应用平台基于电子海图/航道图数据，使用二维的可视化平台为船舶提供导航服务时，不能为船舶提供更加形象、自然的三维航行环境信息。

当前，硬件和软件技术发展迅速，三维GIS技术已经逐步成熟，特别是Google Earth等数字地球平台在社会经济的众多领域得到了成功应用。如何利用这些三维GIS技术为船舶提供更多的三维真实航行环境的空间信息，已经成为电子海图系统及船舶导航系统发展的重要方向。

利用数字地球平台研究开发一种基于多维多类空间信息融合的船舶导航应用基础平台，它能提供的空间信息不仅包含地形、码头设施和建筑物等三维航行环境，而且融合了标准的二维矢量的海图/航道图数据，使之能够兼顾二维和三维应用的优点，既能提供航行环境的真实形象的三维信息，又能符合船员的应用习惯。

当前，主流的电子海图系统多采用二维电子海图。随着时代的发展，二维电子海图自身局限性也日益显露，例如存在空间垂直方向上几何位置信息、空间拓扑信息和部分语义信息的损失，不能完整地表示客观世界。

作为一种三维地理信息系统，三维电子海图系统以其直观逼真的三维地形、水下环境、地物代替了抽象的二维电子海图符号，具有现实性、直观性和逼真性等优点，但这类系统也存在一些不足之处，例如在三维虚拟场景漫游时容易产生方向迷失感等。由于二维与三维电子海图系统都存在着各自的优缺点，可以研发一种二维与三维电子海图响应互动的系统。该类系统互动响应机制的基础是二维分系统和三维分系统对应物标之间坐标的唯一对应和名称的唯一对应。数字地球平台的相关应用的出现为融合二维电子海图和三维电子海图提供了一种全新的思路和基础平台。结合电子海图及船舶导航的特色，在数字地球平台上整合二维航道基础数据和三维航行环境，实现二维、三维数据的融合，可以构造出基于多维空间信息融合的船舶导航基础平台［3］。

基于多维空间信息的导航应用基础平台在需求方面主要表现在以下几点：

（1）二维海图数据与影像数据的融合显示。三维导航具有局部性和易迷失性，考虑在数字地球平台上开发水下三维环境对平台的巨大负担与时效性等问题，同时考虑船员的导航习惯，现阶段导航平台还不能完全脱离二维电子海图。平台以三维场景为基础，融合标准的二维电子海图数据，以传统的二维海图形式来描述水上信息，简化数据信息，节省了系统开销，同时也符合航海习惯。

（2）港区和内河两岸三维环境的重现。为了区别二维电子海图系统以提供更加全面真实的导航服务，需要真实地重现与船舶导航相关的码头、航标、航道岸边自然地形景观和人文景观等三维景观，实现三维场景多种形式的浏览。

（3）信息查询。实现场景的三维化后，在导航过程中还需要了解物标的详细信息与航行安全及航运相关的要素，如码头、航标、助航设施、岸上重要建筑物等，需要实现属性信息的查询，便于驾驶员利用导航平台方便地获取物标的相关属性信息。

（4）导航功能。实现导航功能是船舶导航平台的基本要求，平台需要具备解析GPS位置信息的能力，并以三维模型的方式在三维场景中显示导航船舶，初步实现GPS导航功能。

基于多维空间信息融合的导航应用基础平台能够对各种类型的数据进行有效的管理和应用，在应用模型的基础上对各种数据进行分析和应用，以提供决策和应用支持。

2）系统框架

基于多维空间信息导航平台的原型是GIS在船舶导航平台中的应用，它在数字地球平台上开发实现，并结合传统的二维海图技术。该平台相比传统的二维电子海图平台的突出优点是能在计算机中再现虚拟地接近真实的三维世界，再现真实的三维景观，同时能够对各种类型的数据进行有效的管理和应用，在应用模型的基础上对各种数据进行分析和应用，以提供决策和应用支持［4］。(www.xing528.com)

平台的构建可以分为基础数据采集与处理、平台数据组织与结构模型、基于数字地球的三维GIS综合应用系统和基于空间信息融合的导航应用基础平台，其组成与相互关系如图8-1所示。

（1）基础数据的采集与预处理。平台的运行依赖于大量的合乎规范要求的基础数据，包括影像数据、数字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）数据、三维模型数据及相应的属性数据等。影像数据是平台的基础底层数据；地形数据为平台提供了丰富的地形地貌，是构建三维场景的基础；导航应用基础平台的构建也离不开三维模型数据，码头、航标、岸上重要建筑物与地形地貌共同构成了平台的三维场景。

同时，为了整合二维与三维系统的优点，需要在标准的电子海图（Electronic Navigational Chart， ENC）文件中提取岸线、等深线等深区等特征物标，再经过瓦片切割，将这些二维电子海图数据与影像数据相融合，最终在显示三维场景的同时显示二维电子海图数据。

（2）平台数据组织与结构模式。平台数据由空间数据和属性数据两大部分组成。空间数据包括影像数据、地形数据、三维模型数据等影像数据和地形数据等。基础空间数据采用椭球四叉树瓦片结构来组织管理，数据经过切割处理生产瓦片矩阵后可以以文件方式存储在本地硬盘或者数据库中。三维模型创建后以文件方式存储在系统目录下。属性数据库则存储了社会经济数据、物标属性数据等各种静态和动态数据，为信息查询和GPS导航等功能提供原始的数据。通过对这些数据的有机组织和分布式管理，可以高效获得系统需要的数据信息。

图8-1　多维空间信息导航平台

（3）多维空间信息融合的航行环境基础平台。在数字地球基础之上，构建了多维空间信息融合的航行环境基础平台。多维空间信息融合的航行环境基础平台由三维空间数据处理子系统、三维空间数据调度子系统和三维可视化子系统三个部分组成。作为显示与交互的主要界面，该平台是整个系统面向用户的窗口，通过对空间数据的处理和可视化，即可实现三维航行环境场景的漫游和属性查询。

（4）基于多维空间信息融合的导航应用基础平台。多维空间信息融合的航行环境基础平台是整个系统的基础应用平台，并开发GPS、船舶自动识别系统（Automatic Identification System， AIS）、自动雷达标绘仪（Automatic Radar Plotting Aid， ARPA）导航功能，实现基于多维空间信息融合的导航应用基础平台的构建。

平台面向船舶用户、船公司、船舶监管部门等用户，通过三维场景和二维海图数据并结合GPS等导航应用功能，可以进行船舶导航与监控，并通过网络实现各用户之间的信息交互。

3）研究内容与关键技术

（1）开发基于支持混合云的分级数据存储与访问技术，提高数据的查询速度。

（2）开发支持4S技术［遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）和专家系统（ES）］的快速渲染与展示技术、提高动态展示效果。

（3）开发支持混合数学模型［层次分析法、季节性差分自回归滑动平均模型（Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average， SARIMA）、神经网络、最小二乘回归支持向量机（Least Square-Support Vector Regression， LS-SVR）］的安全风险分析评价技术、提高安全评估系数。

（4）开发基于应急预案和专家系统的智能辅助决策技术。