论文专区▏水下碍航物信息三维可视化管理技术研究

【编者按:研究了水下碍航物信息的获取、处理、显示和管理等一整套技术方法，以水下碍航物数据库为支持，实现水下碍航物数据的获取、海图碍航物信息自动入库、水下碍航物可视化编辑、元数据信息查询和空间定位等功能，并实现以图片库和模型库为支持的海图碍航物要素的三维空间表达，建立水下碍航物三维可视化管理系统平台，为海洋测绘作业人员提供全方位、一体化的技术支持和信息保障。本文发表在《海洋测绘》2015年第4期上，现编发给朋友们阅读了解。李军，1971出生，女，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应用开发研究。】

文/李军 宁林春 叶秋果 滕惠忠 张靓 李海滨

一、引言

航行保证是海洋测绘的主要目的之一，而水下碍航物给船舶航行安全带来很大隐患，必须测量、标识或排除。水下碍航物包括天然的和人为的碍航物，例如:礁石、沉船、井架、鱼雷或水雷等有碍航行的物体^[1]。碍航物一般在海图上有明确图示或缩写标注，并由主管机关发布航行警告或航行通告。因此，水下碍航物信息的查询和管理在海洋测绘应用中非常重要，而现在的碍航物信息一般以纸质海图资料或二维电子海图方式提供，查询不便、理解困难。因此，采用以数据库为支持的三维可视化管理技术，可以满足丰富直观空间显示、全方位信息查询、快速准确定位等应用需求。

水下碍航物信息主要通过侧扫声纳、多波束、磁力仪等海洋探测设备获取^[2-3]。多波束测深精度高，适合于海底地形测量，但目标分辨力弱而不能识别较小障碍物；侧扫声纳测深精度较低，但海底地物分辨能力强，适于水下障碍物搜寻和定位。磁力仪主要用于金属等磁性物体的寻找，是侧扫声纳探测的有效补充^[4]。所以，一般水下碍航物信息可以由海洋测量多种探测方式获取的测量成果得到，也可以通过海洋测绘制图成果的矢量电子海图获取碍航物图层空间位置和属性信息。

二、水下碍航物信息数据库管理技术

水下碍航物三维可视化管理实现碍航物信息的编辑、更新、查询和定位等管理，这些功能的实现必须以数据库为基础，以可视化录入编辑、海图碍航物矢量图层数据自动入库、海图碍航物数据自动加载等多种方式，实现多源多类型水下碍航物信息的三维表达和管理。在三维空间进行碍航物可视化展示、详细信息查询和水下环境空间定位，是三维GIS管理海洋测绘信息的新技术应用。海洋测绘信息的空间可视化管理主要包括水下目标、水下碍航物、助航物等点、线和面矢量要素。其中水下目标和水下碍航物的属性信息通过数据库的支持进行可视化管理，水下碍航物的界线和区域以及助航物矢量要素以图片化或模型化进行显示。海洋测绘信息的管理方式详见表1。

水下碍航物信息管理的底层数据库采用SQL Server关系数据库管理系统。SQL Server可以将结构化、半结构化和非结构化的数据(如图像和数据)直接存储到数据库中^[5]。允许在应用Microsoft.NET和Visual Studio开发的应用程序中使用数据，在面向对象的构架(SOA)等业务流程中使用数据。在并发数据访问、数据完整性和可用性等方面满足业务需求和数据库建模[6]。SQL Server关系数据库引擎包括大量用于存储、操纵、分析和访问数据的组件，这些组件具有高度扩展性并经过完备的测试。因此，通过Visual Studio开发以及SQL Server组件的应用，实现水下碍航物空间信息和属性信息的综合管理和可视化应用。系统功能框图和流程图见图1、2。

水下碍航物信息主要来源于海洋测绘成果，主要以shp矢量数据存储和查询海图信息，因此水下碍航物数据库属性信息基本与水下碍航物shp图层数据的属性一致，数据库属性表按照《数字海图数据字典》的海图要素定义规则设计。考虑到可视化管理应用的显示、定位等需要，增加空间位置、路径等属性字段。采用ArcGIS软件读取矢量数据的属性信息，并进行属性表编辑，增加数据库管理需要的属性字段[7]。

在三维系统中，通过可视化界面，与后台数据库进行交互操作，对碍航物信息实时快速获取和更新。将矢量图层数据的dbf文件中的数据记录读取出来，存储到内存datatable中^[8]。连接数据库后，遍历datatable的每条记录，执行单条数据插入数据库，并进行循环。这样，将shp数据对应的属性数据全部导入到SQL Server数据库中，完成海图水下碍航物矢量数据的自动入库。

三、水下碍航物三维可视化显示技术

水下碍航物信息的空间可视化显示包括水下碍航物的可视化表达和属性信息的表示。水下碍航物的可视化表达主要是空间矢量点按照空间位置的符号化或模型化表达^[9]，实现上以属性表的空间位置、图片或模型保存的相对路径属性信息为基础，读取碍航物要素的编码，按照编码规则从图片库和模型库里选取相应的图片或模型数据。图片或模型文件名为6位编码，通过编码属性找到对应的图片或模型文件，命名规则与数字海图要素编码一致。模型库的三维模型展示见图3。

从水下碍航物数据库中读取所有的记录行信息，存储到内存datatable中^[10]。遍历每一条记录，得到记录的X、Y值，构建CoAnGeoCoord3D pos3D。此时，需要通过配置信息，读取碍航物数据的展示方式为矢量点或者模型。

(1)若以点形式进行展示，则通过AnGeo三维引擎创建三维坐标矢量点CoAnGeoVectorPointvp，将pos3D赋值给矢量点的坐标信息，将矢量点贴地。通过每条记录对应的编码，得到对应的图片信息，这样将矢量点的点样式与对应的编码图片对应，实现碍航物数据的点展示。

(2)若以三维模型进行展示，则通过三维引擎创建三维模型CoAnGeoModelmodel，将pos3D赋值给模型的坐标信息，模型样式也通过相应的编码信息进行控制，传给model.an_style.an_path。另外，针对矢量海图常用的shp数据格式，可以应用三维系统展示封装Shape类直接导入海图数据。

在三维系统中，也可以可视化手动添加水下碍航物信息，数据来源为海洋测绘的实测资料。在三维交互界面的场景中，点击鼠标选择需要添加的海洋空间概略位置，系统自动获取空间地理信息坐标，并弹出可视化的属性编辑界面，在碍航物信息框中录入属性信息，完成碍航物属性信息的补充，则实现了单个碍航物要素的添加。碍航物的准确空间位置可以经过编辑来修改。后台数据库自动增加记录，系统中显示了可视化的要素信息。水下碍航物信息三维可视化管理实现见图4。

四、水下碍航物信息查询和定位技术

一般情况下，水下碍航物分布稀疏和分散，包括了海洋测量成果和海图数据两方面的信息，对于航行安全和规划非常重要，因此在数字海洋空间真实、准确再现碍航物的空间地理信息和属性信息具有实际应用意义。有了数据库的支持和空间可视化的基础，信息查询和定位成为应用的关键。信息查询包括属性查询和空间查询两种方式。属性查询是按照名称、危险级、编码等要素的属性多条件组合查询；空间查询是按照空间地理范围的查询。查询结果列表显示为全部属性字段，以查看详细的信息。

通过水下碍航物查询结果可以自动定位到该点的空间位置，并且查看其空间信息和编辑属性信息。水下碍航物的自动定位技术主要基于三维空间场景的定位。在起始场景和目标场景之间通过时间控制的插值算法，获取每一飞行间隔的场景空间方位，进而自动、快速定位。

D3D定义了相机来代表观察者观察3D世界，相机定义了观察者在3D世界的位置和看到的场景。视点定位离不开相机6个参数:经度、纬度、高度、俯仰、水平角、偏转^[11]。六参数可以通过外部设置，也可以获取当前相机状态来作为目标点。经度、纬度和高度构建一个CoAnGeoCoord3D对象，俯仰、水平角、偏转构建一个CoAnGeoOrientation对象。相机定位可分为三种类型:飞行定位、直接定位、按时间定位，但都离不开相机参数。

(1)飞行定位:需提供定位六参数和飞行速度。此种方法会有一段飞行过程，需要设定飞行速度，定位目标点的三维坐标信息，以及定位目标点的相机状态。

(2)直接定位:需提供相机六参数。此种方法相机直接切换到目标位置，需要定位目标点的三维坐标信息，以及定位目标点的相机状态。

(3)按时间定位:需提供相机六参数和飞行所需时间。此种方法会有一段飞行过程，需要设定从起始点到目标点飞行所需时间(以毫秒计算)、定位目标点的三维坐标信息，以及定位目标点的相机状态。

五、结束语

结合海洋测绘作业部门在水下碍航物管理和应用中的实际问题，解决目前水下碍航物管理方式陈旧、查询效率低下、解译应用困难等难题，本文采用数字海洋技术在海洋测绘领域进行应用^[12]，开展多源水下碍航物信息的综合处理、水下碍航物三维可视化显示和管理等技术研究和软件平台构建，实现水下碍航物数据获取、处理、可视化显示和管理等应用的一整套技术方法，建立水下碍航物信息三维可视化管理系统，提高海洋测绘部门的水下碍航物管理技术水平。经过技术研究和系统研发得出:①应用关系数据库技术管理海洋测绘重要信息的属性数据，为数据可视化管理和应用提供基础；②应用空间矢量点三维可视化技术实现碍航物目标的显示，以图片库和模型库作为支持实现海图碍航物图层要素的自动入库和三维表达；③采用多条件组合模糊查询和空间自动定位技术，实现碍航物信息的快速查询和空间定位，提供全面、准确信息查询的高效技术手段；④研发水下碍航物信息三维可视化管理应用软件，应用数字海洋技术实现碍航物信息的可视化管理、查询、分析等应用，提升海洋测绘信息的应用价值。技术的快速发展，多源遥感和海洋测绘信息融合和可视化应用成为发展趋势。水下碍航物信息作为重要的航行保证信息，需要在实时、快速处理和应急保障方面继续深化研究，为海洋测绘信息化应用发挥更大作用。

参考文献:

[1]黄张裕，魏浩翰，刘学求.海洋测绘[M].2版.北京:国防工业出版社，2013.

[2]罗深荣，余海洪，张启国，等.障碍物探测方法探讨[J].海洋测绘，2013，33(1):38-42.

[3]赵建虎.现代海洋测绘[M].武汉:武汉大学出版社，2007.

[4]卢为选.海洋磁性物体探测研究[C]//第二十三届海洋测绘综合性学术研讨会论文集，2011:67-68.

[5]龚雄涛，胡昌杰.基于C#的SQLServer应用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2011.

[6](美)JeffreyR.Shapiro著，韩宏志译.Microsoft SQL Server2005完全参考手册[M].北京:清华大学出版社，2008.

[7]Maribeth Price著，李玉龙，张怀东，等译.ArcGIS地理信息系统教程[M].北京:电子工业出版社，2013.

[8]赵玉新，李刚.地理信息系统及海洋应用[M].北京:科学出版社，2012.

[9]李成名，王继周，马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京:科学出版社，2008.

[10]张新长，马林兵，张青年.地理信息系统数据库[M].北京:科学出版社，2010.

[11]周玲，高延铭，王海红，等.WorldWindJava三维地理信息系统开发技术指南[M].北京:机械工业出版社，2013.

[12]石绥祥，雷波.中国数字海洋—理论与实践[M].北京:海洋出版社，2011.

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