基于HYPACK的矢量航跡線生成方法研究

劉賢三，閻　軍，陳長(zhǎng)安，欒振東

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基于HYPACK的矢量航跡線生成方法研究

劉賢三1，2，閻軍1，2，陳長(zhǎng)安1，2，欒振東1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071； 2.中國(guó)科學(xué)院 海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266071）

摘要：為了將HYPACK導(dǎo)航軟件記錄的導(dǎo)航數(shù)據(jù)用于地理制圖，探討了基于HYPACK原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)的矢量航跡線幾種生成方法，并給出了每種方法的具體思路。對(duì)這幾種方法進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)： 按照 Global Mapper中矢量文件的文本格式生成矢量航跡線文件最為簡(jiǎn)單，效率較高； 直接編碼生成法比較直觀、容易理解，但實(shí)現(xiàn)效率較低，實(shí)現(xiàn)過程較為復(fù)雜。在.Net環(huán)境下編制了統(tǒng)一框架下生成幾種格式的文本文件的小工具，經(jīng)過驗(yàn)證取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：HYPACK； 導(dǎo)航數(shù)據(jù)； 航跡線； 矢量

［Foundation： Special Fund for strategic pilot technology Chinese Academy of Sciences，No.XDA11040103-05； The Open Fund of Key Laboratory of Marine Geology and Environment，the Chinese Academy of Sciences，No.MGE2015KG06］

在海洋測(cè)量中，經(jīng)常需要利用導(dǎo)航軟件為船只進(jìn)行導(dǎo)航，同時(shí)記錄測(cè)量船只的航跡。HYPACK綜合導(dǎo)航系統(tǒng)是美國(guó) Coastal Oceanographic公司開發(fā)用于海洋調(diào)查和海道測(cè)量的商業(yè)軟件，可以與多種海洋測(cè)量設(shè)備連接、采集和處理海洋測(cè)量數(shù)據(jù)［1-6］。目前該軟件已經(jīng)升級(jí)到2014版本。利用該軟件的測(cè)量模塊可以很方便地獲取到船只測(cè)量時(shí)的原始航跡線數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有其固定的數(shù)據(jù)格式，但該數(shù)據(jù)格式往往不能直接為地圖制圖工具所用，給航跡圖生成帶來不便。因此，為了制作航跡線矢量圖件，需將原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)化為符合地圖制圖工具要求的通用數(shù)據(jù)文件格式，如 shapefile（簡(jiǎn)稱 shp）矢量等文件格式。本文針對(duì)在海洋測(cè)繪具體工作實(shí)踐中遇到的上述問題展開討論，較為全面地探討了幾種具體的實(shí)踐方法，并對(duì)幾種方法做了比較分析，給出了對(duì)比分析結(jié)果，最后介紹了自行編制的生成多種格式文本文件的小工具。

1　HYPACK導(dǎo)航原始記錄數(shù)據(jù)格式

將導(dǎo)航定位設(shè)備與HYPACK 系統(tǒng)連接后，導(dǎo)航軟件采集得到的原始數(shù)據(jù)為Raw文件格式。在軟件的設(shè)置中，可以設(shè)置該文件包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)［7］。在實(shí)際導(dǎo)航中，一般應(yīng)包含的具體數(shù)據(jù)項(xiàng)如下表1所示。RAW文件格式的文件頭以及其他數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容可以參見具體的軟件說明手冊(cè)［7］，這里不再贅述。

RAW文件為文本文件格式，可以直接按文本格式打開，讀取。每記錄一個(gè)點(diǎn)時(shí)，都包含這幾個(gè)具體數(shù)據(jù)項(xiàng)。圖1為導(dǎo)航時(shí)記錄的某個(gè)RAW文件部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容。

表1　RAW文件格式部分?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)Tab.1　Partial data fields of RAW file

2　基于RAW文件的矢量航跡線生成方法

海洋測(cè)量項(xiàng)目中，通常布設(shè)了多條計(jì)劃測(cè)線，完成一次測(cè)量過程會(huì)記錄下多條測(cè)量航跡的 RAW文件格式的原始數(shù)據(jù)。為了利用地理信息系統(tǒng)制圖軟件快速制作出基于所有 RAW 文件的航跡線圖件，需要對(duì)這些RAW文件進(jìn)行批量處理，提取出相應(yīng)的位置信息和航跡線名屬性，生成滿足制圖軟件需要的格式的數(shù)據(jù)文件，通常需要制作生成shp文件。本文以生成shp格式文件為例介紹了幾種具體生成方法。

2.1直接編碼生成

該方法最為直觀，容易理解。但實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，整個(gè)過程都需要編碼完成。主要實(shí)現(xiàn)過程如下：（1）讀取 HYPACK的原始航跡記錄數(shù)據(jù)文件中 POS數(shù)據(jù)項(xiàng)中位置信息以及文件頭中測(cè)線名信息；（2）按照 shp文件結(jié)構(gòu)格式順序?qū)懭牒桔E點(diǎn)數(shù)據(jù)和測(cè)線名屬性信息。一個(gè) Shapefile文件包括三個(gè)文件： 一個(gè)主文件（*.shp）、一個(gè)索引文件（*.shx）和一個(gè) dBASE（*.dbf）表。坐標(biāo)文件（.shp）由固定長(zhǎng)度的文件頭和接著的變長(zhǎng)度空間數(shù)據(jù)記錄組成； 屬性文件（.dbf）是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 DBF文件，用于記錄屬性信息； 索引文件（.shx）主要包含坐標(biāo)文件的索引信息，每個(gè)記錄包含對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)文件記錄距離坐標(biāo)文件的文件頭的偏移量。其具體的文件結(jié)構(gòu)格式描述可參考文獻(xiàn)［8］。

2.2修改kml文件

為了能快速展示出實(shí)際測(cè)量航跡線，HYPACK的版本已經(jīng)支持直接輸出 kml文件格式，但該文件并非通用的制圖數(shù)據(jù)格式。因此，可以考慮將生成的kml文件轉(zhuǎn)換為shp格式。

筆者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種方法比較簡(jiǎn)單，但是每條測(cè)線的測(cè)線名屬性無法直接轉(zhuǎn)換過來，所有的航跡線線名在 kml文件中都將轉(zhuǎn)化為其默認(rèn)的屬性名“Track1”，如圖2所示兩條多波束的測(cè)線線名均為Track1。顯然，這種kml文件會(huì)導(dǎo)致生成shp文件后，無法準(zhǔn)確對(duì)每一條測(cè)線進(jìn)行標(biāo)注。因此，需要對(duì)HYPACK軟件導(dǎo)出的kml文件進(jìn)行統(tǒng)一編輯處理。筆者通過分析由RAW文件直接生成的kml文件后給出具體編輯思路： 順序讀取整個(gè)kml文件，將連續(xù)出現(xiàn)的兩組/標(biāo)簽行的后者中的“Track1”修改為前者中具體航跡線名，然后遍歷整個(gè)kml文件。通過Global Mapper（后文簡(jiǎn)稱GM 軟件）軟件將修改好的kml文件轉(zhuǎn)化為shp文件。從嚴(yán)格意義上說，該方法并非最直接的方法。

上述兩種方法比較直觀，容易理解，不需要借助其他軟件工具，但需要一定的編碼基礎(chǔ)。事實(shí)上，筆者發(fā)現(xiàn)借助現(xiàn)有的 GIS軟件平臺(tái)生成shp文件效率更高。下文將探討借助主流 GIS平臺(tái)的航跡線生成方法。

圖2　HYPACK導(dǎo)出的kml文件格式Fig.2　kml file exported from HYPACK

2.3基于ArcGIS的矢量圖形生成

該方法又可以包含兩種方法，方法一借助ArcGIS的工具包中的“create features from text file”功能生成shp線文件［9］。該方法生成的線文件中不包含測(cè)線名屬性，這也是本方法的缺陷所在。事實(shí)上，可以對(duì)生成的shp文件中的dbf文件進(jìn)行修改來包含所需要的測(cè)線名屬性。

該方法的主要實(shí)現(xiàn)思路如下： 讀取HYPACK的RAW 文件中的航跡點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將其寫入到生成線要素的規(guī)定格式的文本文件中，如圖3所示。

圖3　ArcGIS 線要素文本格式Fig.3　Polyline feature text format in ArcGIS

圖3中，第一行表示要生成的是線要素，第二行第一個(gè)數(shù)字表示線要素編號(hào)，以0作為開始編號(hào)； 第二行第二個(gè)數(shù)字則是表示線要素中的線段編號(hào)，也是以0作為開始編號(hào)； 第三行以后是結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)，表示連接成線要素的結(jié)點(diǎn)編號(hào)、坐標(biāo)、Z值和M值，從0作為開始編號(hào)。后面的結(jié)構(gòu)依次類推。同一行的數(shù)字之間均已空格作為間隔。文本結(jié)尾以END作為結(jié)束標(biāo)志。

有關(guān)該文件格式的詳細(xì)描述可參考ArcGIS幫助文檔。

方法二利用 ArcGIS的二次開發(fā)工具包 ET GeoWizards中的點(diǎn)自動(dòng)生成線功能。該方法實(shí)現(xiàn)思路如下： 順序讀取 HYPACK文件中的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其寫入到要求格式的點(diǎn)文件數(shù)據(jù)表格中，表格格式如圖4所示。如果為了特別強(qiáng)調(diào)連接點(diǎn)的順序，還可以加入點(diǎn)的連接順序字段。利用ArcGIS中的添加點(diǎn)數(shù)據(jù)功能生成shp點(diǎn)文件，最后利用ArcGIS的二次開發(fā)工具包 ET GeoWizards中的相應(yīng)功能將點(diǎn)文件轉(zhuǎn)化為線文件。生成的線文件中將包含每條航跡線的測(cè)線名屬性信息。

圖4　ArcGIS 點(diǎn)文件表格格式Fig.4　Point file table format in ArcGIS

2.4基于MAPGIS的矢量圖形生成

該方法主要利用了MAPGIS中的投影功能生成線要素。具體的實(shí)現(xiàn)思路如下： 讀取HYPACK 軟件RAW 文件中的航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其寫入到生成線要素規(guī)定格式的文本文件中，具體格式如圖5所示。

圖5　Mapgis 線要素文本格式Fig.5　Polyline feature text format in Magis

然后利用 MAPGIS中的投影功能，生成MAPGIS中線要素格式的文件，從而利用 MAPGIS文件轉(zhuǎn)換功能可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為通用的 shp線矢量文件。事實(shí)上，為了作圖方便，生成MAPGIS線要素格式的文件后可以直接在MAPGIS軟件中完成航跡線制圖工作，無需進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為通用的shp格式。

2.5基于Global Mapper的矢量圖形生成

能夠?qū)?shù)據(jù)顯示為柵格地圖、高程地圖、矢量地圖。具有對(duì)地圖作編輯、轉(zhuǎn)換、打印、記錄GPS及利用數(shù)據(jù)的 GIS功能，能直接訪問 USGS衛(wèi)星照片、TerraServer數(shù)據(jù)庫和 GM 內(nèi)部的地形圖及以真實(shí)的3D方式查看高程地圖的功能。GM軟件能直接讀取相應(yīng)格式的文本文件來生成點(diǎn)、線、面等矢量圖形［10］。

Global Mapper（簡(jiǎn)稱 GM）是一款地圖繪制軟件，該方法的思路如下： 讀取HYPACK文件中航跡線的點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入到指定格式的文本文件中，如圖6所示。生成文本格式后，可以直接在GM軟件打開，選擇生成線要素的各種選項(xiàng)，然后導(dǎo)出生成shp航跡線矢量文件保存。

圖6　Global Mapper線要素文本格式Fig.6　Polyline feature text format in Global Mapper

事實(shí)上，利用HYPACK軟件本身的數(shù)據(jù)輸出功能也能生成AutoCAD格式矢量航跡線文件，但該成果圖件只是為了制圖而用，其包含的空間坐標(biāo)系并非測(cè)量意義上的坐標(biāo)系，在工程設(shè)計(jì)中使用較多。

3　基于HYPACK的文本文件轉(zhuǎn)換工具編制

為了將上述方法中各種格式的文本文件的生成進(jìn)行統(tǒng)一，筆者在.net環(huán)境下自行編制了基于HYPACK生成各種格式的文本文件的小工具，利用該工具可以得到各種格式的航跡點(diǎn)文本文件，為進(jìn)一步生成矢量航跡線提供了前提。該工具并不需要大量的編碼，實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單、實(shí)用。該工具的具體界面如圖7所示。

在該工具中，用戶只需要選擇原始RAW文件所在路徑，然后選擇具體格式的文本文件按鈕，便可將生成的文本文件格式保存到指定目錄中。還可以有選擇地轉(zhuǎn)換部分RAW文件。

4　結(jié)語

本文主要討論了基于HYPACK的航跡線矢量文件幾種生成方法，并編制了幾種方法中需要的各種格式文本文件的生成工具。通過對(duì)幾種方法比較可以看出，從原始的導(dǎo)航記錄文件中提取航跡點(diǎn)的坐標(biāo)和航跡線線名是該過程中關(guān)鍵的一步。直接編碼方法最為直觀，簡(jiǎn)潔，編碼完成后，直接生成矢量航跡線 shp格式文件，但需要一定編碼基礎(chǔ)； 其他借助于現(xiàn)有軟件的生成方法均需要先按照各種軟件中文本生成矢量圖形的格式要求生成相應(yīng)的文本文件，然后借助軟件來完成。在這幾種間接法中，借助于 GM軟件的生成方法相對(duì)簡(jiǎn)單，且效率更高，無需復(fù)雜的程序編碼，借助于ArcGIS和MAPGIS的方法則還需要其他步驟。因此，筆者認(rèn)為基于GM的方法最為合適。

本文探討的航跡線矢量文件生成方法，與HYPACK單波束后處理模塊中自定義導(dǎo)出文本格式方法相比，前者操作更簡(jiǎn)單，更具通用性和靈活性；后者只能在一定范圍之內(nèi)進(jìn)行自定義，且導(dǎo)出文本還需經(jīng)過編輯處理后才能為其他GIS軟件所用。

本文探討的方法還存在一些不足之處，譬如僅讀取投影坐標(biāo)信息導(dǎo)致生成矢量時(shí)空間參考信息不能自動(dòng)匹配（需要手動(dòng)設(shè)置）、生成的矢量文件中僅包含唯一的航跡線線名屬性信息等，后續(xù)工作將進(jìn)一步改進(jìn)，以增強(qiáng)其實(shí)用性。

圖7　生成航跡線文本文件工具Fig.7　Tool for generating text files of track line

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（本文編輯： 劉珊珊）

Study of track line generation methods in vector format based on HYPACK

LIU Xian-san1，2，YAN Jun1，2，CHEN Chang-an1，2，LUAN Zheng-dong1，2
（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences ，Qingdao 266071，China； 2.Key Laboratory of Marine Geology and Environment，Chinese Academy of Sciences ，Qingdao 266071，China）

Received: Feb.14，2014

Key words:HYPACK； navigation data； track line； vector

Abstract:To use raw navigation data from HYPACK software records in geographic mapping tools，in this paper，we discuss and propose several track line generation methods in vector format based on HYPACK.We compare these methods and conclude that the vector-format track line generation method based on the text format is the simplest for creating vector features in Global Mapper with high efficiency.While direct coding is intuitive and easy to understand，it is also the most complicated method with the lowest efficiency.We developed a simple tool for generating text files from several formats in a uniform frame in the .Net coding environment，and verified the good results achieved.

中圖分類號(hào)：P229.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3096（2016）03-0153-06

doi：10.11759/hykx20140214002

收稿日期：2014-02-14； 修回日期： 2014-09-01

基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA11040103-05）； 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（MGE2015KG06）

作者簡(jiǎn)介：劉賢三（1982-），男，湖北荊州人，助理研究員，博士，電話： 0532-82898669，E-mail： liuxiansan@qdio.ac.cn