上下文驅動的電子海圖數(shù)據(jù)調度與顯示方法研究

趙軍，曲雪光，宮麗瑋

（1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032； 2.青島市基礎地理信息與遙感中心，山東青島 266032）

上下文驅動的電子海圖數(shù)據(jù)調度與顯示方法研究

趙軍1，2?，曲雪光1，2，宮麗瑋1，2

（1.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032； 2.青島市基礎地理信息與遙感中心，山東青島 266032）

隨著移動技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質海圖開始走向移動平臺。然而，移動環(huán)境下使用環(huán)境的改變以及使用場景的多樣性給電子海圖的顯示帶來了新的挑戰(zhàn)：在盡量減少用戶交互的前提下自動調整地圖顯示，最大限度滿足用戶需求。論文基于上下文的地圖感知模型從上下文因素選取、模型建立以及觸發(fā)機制等方面對電子海圖的數(shù)據(jù)組織與顯示進行了研究，優(yōu)化了移動海圖的調度與顯示，為基于上下文的智能化電子海圖研究提供了理論和方法上的借鑒。

Android；上下文；電子海圖；顯示

1 引 言

電子海圖由于其數(shù)據(jù)多樣性，圖層復雜性，顯示模式多變性等原因，如何在屏幕更好地顯示電子海圖一直都是值得深入研究的問題。傳統(tǒng)桌面海圖系統(tǒng)由于運算能力強勁、輸入輸出設備豐富，本身可操作性比較強，且用戶更偏向于專業(yè)化。因此桌面電子海圖的顯示可以配合用戶比較多的人機交互而方便地進行配置。移動設備由于其運算能力有限、屏幕尺寸較小、輸入輸出形式較少，而且移動設備上的用戶更加偏向于普通用戶，因此如何在有限的資源下，盡量減少用戶交互負擔，更加智能地加載用戶需要的海圖就顯得尤為重要。

本文研究用到的海圖數(shù)據(jù)包括離線的000矢量、電子海圖瓦片、紙質海圖瓦片、影像瓦片以及在線服務，如何有效地組織、調度這些數(shù)據(jù)使用戶不會感覺繁瑣冗余是決定用戶體驗的基本層面。上下文，即描述對實體產(chǎn)生影響的所有環(huán)境條件［1］。不同用戶、位置、時間、通告、用戶目的等因素決定了用戶滿意度，上下文驅動模型可以很好滿足用戶需求；其對于移動端屏幕上自適應顯示電子海圖意義重大，能夠幫助系統(tǒng)更好地了解用戶所處的環(huán)境，將用戶的偏好與用戶所處的環(huán)境結合起來，為用戶提供更加準確的推薦服務，提高用戶的滿意度。

1.1 研究現(xiàn)狀

目前，基于上下文的地圖服務領域的研究已經(jīng)開始，基于上下文的建模和推理都已經(jīng)有了不少的研究成果。徐劍鋒等人提出了基于XML的面向對象和本體的上下文建模方法，該建模方法把面向對象的關聯(lián)性、本體的明確性和層次性以及XML語言的存儲性和維護性結合起來［2］。程時偉等提出了情境感知驅動的移動設備自適應用戶界面模型［3］。鄧毅博等人提出地圖服務正逐漸追求個性化，且已成為現(xiàn)代地圖學的發(fā)展趨勢和方向［4］。J.Raul Ramirez等人指出未來的地圖必須是高度自適應、可交互并且真實感強的，在地圖需要表達什么地理信息又如何表達這兩方面實現(xiàn)用戶控制或自適應［5］。

隨著地圖學的發(fā)展和完善，以用戶為中心的、個性化的地圖設計與服務理念越來越普及，提高用戶體驗是一個恒久不變的話題。

1.2 存在問題

現(xiàn)如今國內外不少研究人員和公司已經(jīng)對移動電子海圖做了深入研究，也暴露出來了不少問題，主要集中在以下幾點:

（1）主動性不夠。目前的移動端電子海圖系統(tǒng)普遍直接從桌面端軟件移植過來，并沒有考慮到移動端的設備特殊性，在用戶與系統(tǒng)之間還需要一系列繁雜的操作過程，給追求便捷性的用戶帶來了很大的操作負擔。

（2）個性化不足?，F(xiàn)有電子海圖系統(tǒng)并沒有充分考慮到用戶需求的差異性，在提供的信息中存在著與用戶需求關聯(lián)度很弱的信息，這對用戶來說其實是一種視覺干擾。

這些問題的解決，急需一種新的充分考慮到移動環(huán)境下的使用場景的電子海圖數(shù)據(jù)組織和顯示的方法。本文以基于上下文的電子地圖理論為基礎，研究了適合移動電子海圖調度顯示的數(shù)據(jù)組織與顯示方法，有利于提升個性化海圖服務，豐富海圖系統(tǒng)功能格局。

? 收稿日期:2015—12—20

作者簡介:趙軍（1990—），男，助理工程師，碩士，主要從事地理信息軟件開發(fā)、移動開發(fā)及相關研究。

2 研究方法

2.1 因素選取

上下文是能夠用來描述實體（如人、地點或物體）情形的任何信息，這些實體和用戶與應用程序（包括用戶和應用軟件本身）之間的互動是相關的［6］。

用戶信息:用戶信息決定著用戶對于地圖使用的偏好，比如用戶的年齡（兒童傾向于使用界面簡單、色彩鮮艷的地圖，成年人則偏向于功能齊全、色彩穩(wěn)重的地圖），性別（男性傾向于要素呈現(xiàn)更加抽象，女性傾向于要素呈現(xiàn)更加形象），專業(yè)水平（業(yè)余用戶使用更加簡單的功能，專業(yè)用戶使用更加復雜的功能），生理心理狀況（色盲患者需要專門的地圖配色系統(tǒng)）。

位置:用戶的位置信息對于地圖的自適應顯示來說是一項非常有價值的信息，而移動設備上獲取用戶的位置信息又非常簡單。通過獲取用戶的位置，可以推理出用戶需要加載的海圖的類型，海圖的范圍以及圖層。

時間:電子海圖的顯示模式中很重要的一個配置選項就是白天模式、黃昏模式和夜晚模式的選擇。這三個模式下，海圖的配色有很大的變化，用于適應不同時間下的海圖使用。

通告:通告信息是指海圖改正通告等信息，改正通告信息作為實時性比較強的信息?？梢栽陔娮雍D還沒有來得及更新的時候給用戶帶來更加實時的信息。因此在實際使用中，電子海圖系統(tǒng)根據(jù)當前的改正通告信息，自動調整海圖顯示的形式。比如改正通告中有在區(qū)域A劃定安全區(qū)的通告，則在圖上應該自動對該區(qū)域的顯示情況進行調整，以提示用戶對航行計劃做出調整。

目的:用圖目的代表著用戶最直接的需求，在海圖顯示中也是非常重要的信息，不同的用圖目的代表著用戶的感興趣信息種類以及感興趣的功能都會不同，這就要求海圖的顯示能夠智能適應用戶的需求。

2.2 模型建立

目前基于上下文的建模方法有很多，包括關鍵字—值模型法、標記語言模型法、圖模型法、本體模型法和面向對象模型法等等。然而，鑒于上下文本身是一個很抽象的概念，而上面列舉的上下文因素卻是實實在在的具體事物，因此這樣一種從具體事物中抽象出抽象概念的方法正好契合了面向對象思想中的類的抽象的概念。再加上面向對象的建模方法可以很好地考慮對象之間的聯(lián)系，而上下文信息本身就是基于用戶使用上下文的有用的信息的集合，其信息關聯(lián)度本身就很高，因此從這一方面考慮，面向對象的建模方法也是很合理的。

總的來說，本文建立的上下文的模型分為兩個層，并且這兩個層是從上至下的。上面的一層是高層上下文模型，下面的一層是底層上下文因素模型。上下文因素比較零碎和具象，它由上文中提到的各類信息集合而成，并且單個的信息并不能有什么決定性的作用，而上下文則是由這些零碎的上下文信息整合而成的一種抽象的上下文狀態(tài)，它是在上下文因素信息中推理得到的更深層次的上下文的描述，包含有當前上下文的綜合定義和用戶當前的潛在需求。

2.3 觸發(fā)機制

在建立了上述的雙層上下文模型之后，需要考慮的就是根據(jù)模型生成的高層上下文對象的操作，如何映射到具體的電子地圖的顯示當中，這一過程也就是上下文模型的觸發(fā)機制。

底層上下文因素分為不同的種類，其變化探測機制也不一樣，如用戶信息、目的等是需要用戶本身進行輸入的，這種稱為手動觸發(fā)因素，而時間、位置、通告等等都是自動進行更新的，這種稱為自動觸發(fā)因素。兩種因素的變化頻率還是有很大差別的，尤其是自動觸發(fā)因素更是幾乎無時不刻不在變化，這就要求這兩種因素尤其是自動觸發(fā)因素本身都具有一個觸發(fā)閾值，一旦因素的改變量超出這個閾值，才會將這種改變傳遞到高層上下文對象中，這一個過程稱之為因素變化條件判斷。

基于上文中提到的上下文雙層模型，底層上下文因素的改變會導致由它抽象推理而來的高層上下文對象的變化，由于底層上下文因素的改變是零碎的，具有依賴性的，所以不能直接根據(jù)底層上下文因素的改變來觸發(fā)海圖的表達，因此我們采用的觸發(fā)機制是根據(jù)底層上下文因素的改變，綜合到高層上下文的改變，進而反映到海圖的表達上來，而這一綜合過程就稱之為上下文綜合，上下文綜合過程中會生成兩類信息，一類是全局性的整體信息，一類是局部的細節(jié)信息。

海圖的表達分為底圖表達和專題圖表達兩大塊，兩者都有對應的地圖顯示模板，這些模板對應著高層上下文對象中綜合得到的整體信息和細節(jié)信息。使用模板的一大好處就是可以用一套通用的顯示模式，一套規(guī)則化的顯示機制來解決各種上下文下的顯示問題，這樣可以大大減小顯示模式多樣化帶來的復雜性。

在電子海圖的顯示當中，底圖和在底圖上疊加的專題圖層是分開的兩類圖層，分別由底圖模板和專題圖模板進行具象化而來。底圖負責顯示基本的通用的信息，而專題層則顯示附加的更加具有用戶特殊性的信息，如圖1所示。

圖1　上下文觸發(fā)機制流程圖

3 實驗效果分析

在確定上下文因子的基礎上，本文通過開發(fā)Android移動海圖桌系統(tǒng)，以用戶信息和位置信息為例，實現(xiàn)上下文觸發(fā)機制，研究對S-57海圖顯示的影響，從而對上下文驅動下海圖的調度顯示進行研究、分析。

3.1 用戶信息觸發(fā)機制實現(xiàn)

用戶信息量十分龐大，對用戶信息量的充分利用和挖掘，對于移動海圖系統(tǒng)S-57海圖的調度顯示具有十分重要的研究意義，不僅可以提高系統(tǒng)的實用性，從用戶角度考慮，還可以明顯改善系統(tǒng)的用戶體驗。

圖2　用戶信息利用分配

如圖2所示，基于用戶信息量的復雜性，根據(jù)海圖顯示的規(guī)則和要求，本文選擇部分用戶信息；本文設定用戶信息為手動觸發(fā)因素，Android移動海圖桌系統(tǒng)通過用戶進行系統(tǒng)設置的形式，改變海圖相關的顯示方式。例如，根據(jù)不同用戶對符號顯示規(guī)則的不同要求，設置傳統(tǒng)符號和簡化符號；根據(jù)用戶對海圖顯示內容豐富量的不同，設置基礎物標顯示、標準物標顯示和其他物標顯示三類。還有其他一些如用戶對燈光、水深顯示的要求等等，本文不再展開。

圖3 符號與底圖比例效果對比

圖3可以明顯看出，對于相同比例下的海圖底圖，右圖的符號明顯要大一些，符號放大的過程本質上是C++底層繪制時設置的問題，可以映射到圖1所指的專題圖模板。符號比例的變化調整，對于年長者用戶視線下降可以起到一定的幫助，從而提高用戶體驗。

圖4 傳統(tǒng)符號與簡化符號的對比

圖4可以看出傳統(tǒng)符號和簡化符號的顯示差異，傳統(tǒng)符號指紙質海圖的標準符號配置，簡化符號指電子海圖的標準符號配置。兩類符號的色彩性和形象程度都有些許差距，本文設定為手動觸發(fā)因子，意在根據(jù)用戶的自己需求，選擇適合自己的符號顯示。

S-52標準對海圖的顯示做了基準規(guī)范，將航道圖顯示分類為以下三種:

（1）基礎顯示:指不能從顯示中刪除的，由那些在任何情況下都需要的信息所組成的SENC信息層?；A顯示作為標準顯示的一部分，并不能滿足安全航行的需要。

（2）標準顯示:指當航道圖默認情況下在電子海圖顯示與信息系統(tǒng)上顯示時所展示出的系統(tǒng)電子航海圖（SENC）信息。在實際航海應用時，相關工作人員可根據(jù)需要選擇性顯示系統(tǒng)航道圖的信息，同時可以進行相關修改。

（3）所有其他信息:指不包含在標準顯示中的航道圖信息、它僅在需要時才顯示［7］。

圖5可以看出基礎顯示、標準顯示、其他顯示的明顯區(qū)別，該信息機制的實現(xiàn)既是S-52標準海圖顯示的踐行，也是對用戶按需顯示的用戶體驗的實現(xiàn)。

圖5　航道圖的分類顯示對比

3.2 位置信息觸發(fā)機制實現(xiàn)

Android移動設備的一大特點就是可以利用GPS定位輕松獲取用戶的位置，而用戶的位置信息對于海圖的自適應調度和顯示是非常重要的信息。本文選擇位置信息作為上下文因子之一，通過實時確定用戶的位置，來調度不同類型的海圖或不同區(qū)域的矢量海圖。

圖6　位置信息上下文實現(xiàn)流程圖

如圖6所示，在海圖底圖上將陸地區(qū)域和渤海區(qū)域映射為兩個多邊形，在Android設備實時移動過程中，GPS定位獲取的經(jīng)緯度也在實時變化，判斷當前定位點位于哪個多邊形內，如果在多邊形2里面，代表在海上區(qū)域，這時考慮到海上作業(yè)的需求，明顯需要調用顯示000海圖；遍歷包含所有000文件的數(shù)據(jù)庫.db文件，判斷當前定位點是否在000文件屬性的區(qū)域范圍內，將符合要求的000文件在底層繪制顯示。如果位于多邊形1里面，代表并未進行海上作業(yè)，000矢量海圖的顯示便會變得沒有意義，這時選擇調用代表陸地全景的中國區(qū)域影像圖tpk瓦片，影響海圖基于其單一的瀏覽性，整個中國打包成了一份tpk文件，不需要經(jīng)過數(shù)據(jù)庫文件的篩選操作。海圖的顯示結果如圖7所示。

圖7　位置信息上下文實現(xiàn)效果圖

移動端對于用戶位置信息的有效利用，目前已應用十分廣泛，但大多數(shù)的調圖都是手動觸發(fā)實現(xiàn)。本文設定自動觸發(fā)機制，在設備位置變化過程中，有效調度符合用戶需求的海圖數(shù)據(jù)，而不是盲目人為地進行一些無效操作。比如，對于Android移動海圖系統(tǒng)來說，就其海圖應用的定位而言，在陸地區(qū)域，調出S-57海圖基本沒有意義。位置信息自動觸發(fā)機制的實現(xiàn)，有效避免了一些人為的初級錯誤，大大提高了系統(tǒng)應用的用戶體驗。

4 總 結

本文利用開發(fā)的Android移動海圖桌系統(tǒng)，將當前研究熱點海圖數(shù)據(jù)自適應顯示和上下文有效結合，分析上下文因子對S-57海圖數(shù)據(jù)調度的影響，建立面向對象的上下文模型法；選取的用戶信息、位置、時間、通告、目的等上下文因子，明顯提高了海圖數(shù)據(jù)調度和顯示效果，改善了程序的用戶體驗。

［1］吳振東.移動云計算環(huán)境下上下文綜合的態(tài)勢感知研究與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科學技術大學，2011.

［2］徐劍峰.基于普適計算的上下文感知建模技術的研究及應用［D］.上海：上海交通大學，2013.

［3］程時偉，秦緒佳，劉肖健.上下文驅動的移動設備用戶界面設計方法［A］.第18屆全國多媒體學術會議（NCMT2009），第 5屆全國人機交互學術會議（CHCI2009），第5屆全國普適計算學術會議（PCC2009）論文集，2009.

［4］鄧毅博.個性化旅游地圖自主設計研究［D］.鄭州：解放軍信息工程大學，2013.

［5］Ramirez J R.Maps for the future：A discussion［C］.Proceedings 19th International Cartographic Conference.1999.

［6］孫鴻雁.GIS多源數(shù)據(jù)集成模式評述［J］.電力技術，2010，6（19）：8-10.

［7］邵哲平，孫騰達，潘家財?shù)?基于ECDIS和AIS的船舶綜合信息服務系統(tǒng)的開發(fā)［J］.中國航海，2007（2）：007.

Research on Context Driven Electronic Nautical Chart Scheduling and Display Method

Zhao Jun1，2，Qu Xueguang1，2，Gong Liwei1，2
（1.Qingdao Geotechnical Investigation And Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China；2.Qingdao Geomatics and Remote Sensing Center，Qingdao 266032，China）

With the rapid development of the technology in mobile environment，the traditional paper charts begin to move towards the mobile platform.However，the changes of use environment and the diversity of application scene of has brought new challenges to the electronic chart display:how to automatically adjust the map display under the premise of minimizing user interaction to maximize meet the current needs of the user.This paper explores the data organization and the display of electronic chart from the aspects of context、context model and the expression of the trigger mechanism based on context map perception model，improves scheduling and display of the electronic chart which provides a reference for theory and method for intelligent electronic chart based on context.

android；context；electronic nautical chart；display

1672-8262（2016）02-47-05中圖分類號：P208.1

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