论文专区▏数字海图三维可视化应用技术研究
【编者按：结合目前数字海图的三维可视化应用需求，对不同类型的数字海图从数据获取、处理、三维表达、可视化管理和应用等方面进行了分析。主要介绍了栅格海图的可视化显示，shp矢量海图图层的自动加载和三维符号化显示，基于海图控件的S-57的SENC海图的动态、多要素海图信息影像化三维表达和管理等方面的内容，为海洋测绘成果应用、测绘信息保障提供新的技术手段和应用平台。本文发表在《海洋测绘》2015年第1期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。李军，女，1971出生，辽宁鞍山人，高级工程师，硕士，主要从事遥感影像处理技术和三维GIS应用研究。】
文/李军 滕惠忠 陆毅 张靓 叶秋果 辛宪会
一、引言
数字海图是以数字形式存储在介质上的航海图，与纸质海图相比具有较好的存储性和阅读性。数字海图是海洋测绘的重要成果，也是遥感和GIS应用的重要基础数据，在实际应用中主要包括栅格和矢量两种类型。数字海图的内容、结构和格式经过标准化设计，具有成熟、完善的符号库，并有一定的编码规则和显示规则。虽然其显示快速、方便，但是存在不直观、不易懂等缺陷，三维可视化则弥补了这一不足。数字海图由二维地理信息结构组成，但在三维信息空间，数字海图要素如何引入和表示是研究的主要内容，包括海图要素可视化表达的方法、数据叠加、三维符号构建等。因此，数字海图三维可视化应用的关键技术之一是三维符号化的空间表达，在三维空间以可视化方式将海图要素展示出来，包括水深点、等深线、等深面、碍航物、助航设备、禁渔区等，这些要素通过模型、线状、面状、体状等图元符号在三维空间形象、立体地表达，方便海图要素的理解和应用。
二、栅格海图三维可视化技术
栅格海图是纸质海图扫描后的数字海图成果，是具有一定扫描分辨率的栅格图像，不带有空间地理坐标。海图投影一般为墨卡托投影，旧图坐标系为1954北京坐标系，新图为WGS-84或CGCS-2000。由于WGS-84和CGCS-2000经纬度坐标相差很小，一般在栅格海图三维应用中可以近似为一种坐标系。扫描的栅格海图必须经过几何纠正和配准而使海图像素具有地理坐标。这样，栅格海图就可以作为栅格影像经过数据处理建立金字塔数据模型，进而在三维数字地球空间按照地理位置与三维地形进行叠加显示，是一种栅格海图三维应用的技术实现方式。
在三维可视化空间，陆部DEM由航天、航空遥感测图获取，海部DEM则由海洋测深数据或海图水深信息建立，栅格海图作为影像纹理附贴在三维地形之上，具有形象直观的表达效果。同时，不同比例尺的栅格海图可以按照视点高低渐次显示，呈现出多比例尺海图渐变的三维效果，丰富了海图可视化应用的内容和使用价值。
栅格海图需要建立栅格金字塔数据模型，以实现多级数据快速索引和显示。基于金字塔技术建模的影像数据形成了一批海量数据包文件集，这种大文件的数据基于数据包的管理，便于快速查找文件与网络高速传输。在数据处理流程中，简单概括对应为原始栅格数据、中间成果数据、包成果数据三个阶段。
由原始数据生成中间数据的过程中，需要设置投影参数和处理级别，进行重采样和建立金字塔。在系统实现中，根据AnGeo平台空间数据引擎的内部分块规则（level，X，Y）进行数据按级别分块，其中，level表示数据级别，X和Y表示数据块号。可得到按级别组织的图片结构文件夹，其存储组织结构按如下规则：级别＼X块号除以16的取整值＼Y块号除以16的取整值。数据引擎默认0级数据为2块，之后按照4分原则，将上一级数据4等分。
中间数据存储为文件夹管理的图片数据，可直接用图片浏览器进行查看。但考虑在每一级的边缘块上的数据，边缘区域因为无数据而存在黑色的无效区域，因此需要设置底层数据对无效区域数据进程，即两块image文件，image1为当前数据，image2为背景影像。两块image的像素的宽、高相同。若image1某像素的rgb值为（0，0，0），则将其替换成image2当前同一像素的颜色值。
融合后的数据仍然为文件夹管理的图片数据。将融合后的中间数据，通过数据引擎的大文件包处理机制，打包生成大文件包。每个完整的包文件数据都包含layer.info文件，该文件存储了相关包数据信息，如级别、数据显示范围等。生成的大文件包中包含dat和pack包文件，并放置在各所属级别的内部文件夹内。研究成果见图1。
三、shp矢量海图三维可视化技术
数字海图主要包括shp和S-57两种数据源格式，都可以实现按照海图符号显示规则显示海图全部要素。
矢量海图中的shp数据是常用的基础海图数据，一般包括若干海图要素图层，例如水深和底质、助航设备、碍航物、近海设施等，数据类型包括点、线和面状要素。因此，矢量shp海图的可视化是多类型、多要素图层的综合符号化显示，须遵循《中国海图图式》的符号设计标准和《数字海图数据字典》的符号编码规则。
shp矢量海图三维可视化实现采用矢量数据可视化技术，针对点、线、面数据分别进行数据处理，建立海图矢量数据或者网格数据模型。可以在三维空间实现不同图层要素的属性设置，适合于水深点、等深线等水深要素的三维可视化应用。对于助航设备等主要的海图要素数据，三维符号化是三维空间表达的重点，技术上需要图片库和模型库的支持。图片库和模型库文件名按照海图要素编码规则命名，进而建立海图要素与图片库和模型库的自动链接关系，显示时根据矢量数据的编码属性选择库里相应的图片或模型。
图片库和模型库的设计是按照一定规格命名的图片文件和模型文件的集合，和海图的符号库有相似之处，是水下碍航物信息、助航物信息等海图主要要素在三维空间的可视化表达方式。图片数据可以选择背景为透明的png格式，便于空间叠加显示，可采用Photoshop等常用图像处理软件来处理和制作。模型数据是概略表示的三维模型，是一种三维符号的示意表示，需要3DMAX三维建模软件进行制作和格式输出。研究成果见图2、3，shp矢量海图三维可视化实现流程见图4。
四、S-57的SENC海图三维可视化管理技术
S-57是国际海道测量组织(IHO)颁布的电子海图数据的标准交换格式，已经成为全球海道测量部门进行海图信息化管理和交换的重要数据格式。电子航海图(ENC)是电子海图显示与信息系统(ECDIS)所必需的电子海图数据库数据，其数据标准格式为矢量电子海图S-57。因此，在实际应用中，对S-57数据进行三维可视化研究，以拓展和丰富海图信息的应用领域。
标准S-57的ENC数据结构不满足高效的系统管理要求，因此应用中需要高效的电子海图数据结构(SENC)。在应用系统研制中，采用EaSyS57CHart海图显示控件，通过该控件可实现S-57的SENC数据的调用和显示等二次开发。不仅按照海图符号标准显示海图要素，海图要素还能够随比例尺变化进行多尺度的空间表达。
将二维矢量海图转换成三维影像栅格格式是实现基于海图控件的数字海图三维可视化的技术基础。系统基于S-57的SENC海图显示控件接口，将二维海图数据通过三维数据处理和转换接口，按照不同比例尺数据进行处理，生成三维栅格影像数据，以影像数据包的方式加载至三维地球空间，实现了二维SENC海图数据的三维可视化表达。并且可根据视点的高度显示海图的要素内容，在三维空间实现多比例尺海图拼接显示、自动切换和流畅漫游，查看航行障碍物、底质、水深等海部要素信息，完整、准确表示海图的符号化、标准化显示结果。更加真实、直观反映了海域内船舶的航行状况及海图要素的空间信息，为航行保障、船舶监控、海上搜救和海事管理等应用提供重要的空间信息参考。成果见图5。
五、结束语
本文针对海洋测绘和遥感领域广泛应用的数字海图，解决二维数字海图可视化中要素信息不直观、解译困难、空间表达受限等问题，初步研究了多类型数字海图的三维可视化显示、管理和应用技术，并基于数字海洋基础平台，建立实用的数字海图三维可视化应用系统平台，实现数字海图三维可视化显示和管理，为促进海洋测绘信息化建设服务。研究结论如下所述：①采用栅格数据的金字塔数据模型构建技术，实现栅格海图的三维可视化；②基于图片库、模型库的规则命名和海图要素属性编码的链接关系，实现shp海图数据的空间导入和三维符号化表达；③对于S-57的SENC海图数据，采用海图控件获取海图栅格化影像数据，以构建影像金字塔数据结构，实现动态、多要素海图信息的可视化表达和管理。
本文就海洋测绘中常用的数字海图类型，研究三维可视化技术和实现技术途径，建立应用系统平台。在后续的研究中，需要进一步完善模型库的建立，shp矢量海图数据的多类型要素可视化还需要探讨，并对S-57的SENC海图要素图层更加灵活应用进行深入研究，以满足海洋测绘部门航行保障、港口建设、航行规划等多方面的需求。