面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理關(guān)鍵技術(shù)

李聰， 王勝正

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理關(guān)鍵技術(shù)

李聰， 王勝正

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

為克服目前船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提高監(jiān)控平臺(tái)的直觀性，提出使用3D可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶在3D海域空間的直觀管理.根據(jù)電子海圖數(shù)據(jù)自動(dòng)建立3D海域地理環(huán)境；利用基于OsgEarth的全球場(chǎng)景管理平臺(tái)無縫融合陸上地貌與3D海域地理環(huán)境；利用金字塔技術(shù)有效組織影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建全球3D船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).通過實(shí)驗(yàn)定量和定性分析了該方法的有效性，為面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理提供了新的思路.

船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控； 3D可視化； 場(chǎng)景管理； 數(shù)字地球

0 引 言

船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控是有效組織海上交通秩序，提供助航服務(wù)，保障海上交通安全的有效手段，因而船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)已成為海事主管部門和航運(yùn)企業(yè)的重要信息化平臺(tái).目前的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)都是利用2D電子海圖顯示船舶的通航地理環(huán)境的.[1-2]這些系統(tǒng)通過綜合運(yùn)用通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、高精度差分GPS定位技術(shù)、電子海圖顯示技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)在航船舶的動(dòng)態(tài)跟蹤、監(jiān)控和管理，但在界面上顯示的數(shù)據(jù)不夠生動(dòng)直觀，需要人們通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立大腦對(duì)事物的感知模型來理解其含義.如果理解有偏差，就有可能導(dǎo)致致命事故的發(fā)生.為此，F(xiàn)ORD[3]提出三維電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(3D Electronic Chart Display and Information System, 3D ECDIS)的構(gòu)想,并通過研究發(fā)現(xiàn)3D ECDIS能夠提高大腦建立感知模型的速度和理解其含義的速度.RAY等[4]通過參考三維地理信息系統(tǒng)(3D Geographic Information System, 3D GIS)[5]的構(gòu)想，提出實(shí)現(xiàn)3D ECDIS的基本框架，但還無法用數(shù)據(jù)表達(dá)全球整體空間概念.1998年，GORE[6]提出“數(shù)字地球”的概念.2005年，以Google Earth為代表的數(shù)字地球系統(tǒng)開始利用互聯(lián)網(wǎng)向全世界提供地球高分辨率的數(shù)字化圖像呈現(xiàn)服務(wù).十幾年來，眾多行業(yè)已經(jīng)開展了大量的基于數(shù)字地球平臺(tái)的應(yīng)用研究[7-10]，但將數(shù)字地球應(yīng)用于船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控方面的研究仍處于空白狀態(tài).

在構(gòu)建面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)的過程中，需解決以下3個(gè)突出問題：如何構(gòu)建海底地形；如何無縫融合陸上地貌與3D海域地理環(huán)境；如何高質(zhì)量、快速繪制與顯示地形表面的影像數(shù)據(jù).

本文結(jié)合3D數(shù)字地球的屬性特征與ECDIS水深點(diǎn)的特點(diǎn)，針對(duì)上述3個(gè)問題分別提出以下解決辦法：基于電子海圖數(shù)據(jù)自動(dòng)建立3D海域地理環(huán)境，即先利用最小二乘法對(duì)散亂水深點(diǎn)進(jìn)行曲面擬合，再利用高斯濾波法去除高程圖上的噪聲點(diǎn)，生成平滑的高程圖；利用基于OsgEarth的全球場(chǎng)景管理平臺(tái)無縫融合陸上地貌與3D海域地理環(huán)境，這里考慮到海底地形高程圖與陸地地形高程圖的數(shù)據(jù)源不同，提出根據(jù)兩者岸線信息的一致性,利用地理空間數(shù)據(jù)抽象庫(Geospatial Data Abstraction Library, GDAL)進(jìn)行兩者高程圖之間的無縫拼接；利用金字塔技術(shù)組織影像數(shù)據(jù)，在保持影像顯示效果的前提下，大量減少需加載的影像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)地形表面影像數(shù)據(jù)的快速顯示.

1 全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)概述

圖1為全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架，主要包括4個(gè)階段：(1)全球高程圖的構(gòu)建.先提取散亂水深點(diǎn)、等深線和岸線數(shù)據(jù)，利用最小二乘法和高斯濾波法生成平滑的海底地形高程圖，再根據(jù)岸線信息的一致性，利用GDAL將海底地形高程圖與陸地地形高程圖進(jìn)行拼接，最終生成具有海底地形和陸地地形的全球高程圖.(2)地形顯示速率的優(yōu)化.針對(duì)全球地形表面影像數(shù)據(jù)量過大的問題，利用金字塔技術(shù)提高影像數(shù)據(jù)的顯示速率.(3)全球地形的生成與渲染.先利用構(gòu)建出的全球高程圖通過OsgEarth 3D引擎生成陸地地形和海底地形，再將處理好的陸地地形影像和海底地形紋理映射到陸地地形和海底地形表面，并加載光照模型，對(duì)陸地地形和海底地形進(jìn)行渲染，提升陸地地形和海底地形的真實(shí)感.(4)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控.數(shù)字地球動(dòng)態(tài)顯示船舶在地球上的空間位置，通過拉近視點(diǎn)，以3D形式動(dòng)態(tài)顯示船舶周圍的3D海域情況，并集成各種船舶監(jiān)控功能，形成面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng).

a)全球高程圖的構(gòu)建

b)地形顯示速率的優(yōu)化

c)全球地形的生成與渲染

d)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控

2 全球高程圖的構(gòu)建

2.1 海底地形高程圖生成

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是描述地形表面的一個(gè)數(shù)字模型，通常用于3D地形建模，而基于三角形的建模方法[11-12]和基于格網(wǎng)的建模方法[13-15]是DEM建模最常用的方法.基于格網(wǎng)的建模方法一般適用于通過漸進(jìn)采樣方法和規(guī)則格網(wǎng)采樣方法(特別是正方形格網(wǎng)采樣方法)所獲得的數(shù)據(jù)的建模.

在海底地形渲染過程中，生成的高程圖的質(zhì)量直接決定最終海底地形幾何模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此海底地形高程圖的生成具有非常重要的作用，其計(jì)算的精度直接影響最終網(wǎng)格生成和繪制的效果.

a)初始

b)填充水深點(diǎn)后

c)剔除陸地上的點(diǎn)后

常用的曲面擬合和曲面插值算法有最小二乘法擬合、分形插值、Kriging插值和樣條插值等.利用最小二乘法擬合高次曲面方程[16]的方法如下:

已知一組水深點(diǎn)(xk,yk,zk),k=1,2,…,K,求作m次多項(xiàng)式

(1)

使總誤差

(2)

2.2 海底地形高程圖優(yōu)化

對(duì)因分塊圈定范圍過小從而矩形區(qū)域內(nèi)的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)過少所導(dǎo)致的高程圖中出現(xiàn)凸點(diǎn)的問題可用圖像平滑算法進(jìn)行改進(jìn).平滑需使用濾波器，線性濾波器具有不改變圖像相位信息的特點(diǎn)，其一般形式為

(3)

式中的h(s,t)為濾波器的核函數(shù).不同的核函數(shù)代表不同的濾波器.

本文利用高斯濾波器去除凸點(diǎn).高斯濾波器是最常用的濾波器，它將輸入數(shù)組的每個(gè)像素點(diǎn)與高斯內(nèi)核進(jìn)行卷積，將卷積和當(dāng)作輸出像素值.高斯內(nèi)核相當(dāng)于對(duì)輸出像素的鄰域賦予不同的權(quán)值，輸出像素點(diǎn)所在位置(對(duì)應(yīng)高斯函數(shù)的均值位置)的權(quán)值最大.二維高斯濾波器的權(quán)函數(shù)為

(4)

幅度傳輸特性為

(5)

其中,λxc和λyc分別為X和Y方向上的截止波長(zhǎng).

2.3 海底地形高程圖與陸地地形高程圖的無縫拼接

實(shí)現(xiàn)海底地形高程圖與陸地地形高程圖的無縫拼接的具體步驟如下：

首先，將陸地地形高程圖內(nèi)對(duì)應(yīng)海底地形岸線區(qū)域的經(jīng)緯度坐標(biāo)變?yōu)樾辛刑?hào)坐標(biāo).一般使用仿射變換和地面控制點(diǎn)(Ground Control Point, GCP)點(diǎn)對(duì)來表示柵格行列號(hào)坐標(biāo)與地理坐標(biāo)之間的關(guān)系.本文利用最常用的仿射變換來表示，其關(guān)系式為

(6)

(7)

式中：X,Y為圖像左上角的地理坐標(biāo)；R1和R2分別為圖像橫向(東西方向)和縱向(南北方向)的分辨率；ω1為旋轉(zhuǎn)系數(shù)(對(duì)于正北方向的圖像，ω1=0)；ω2為旋轉(zhuǎn)角度(對(duì)于正北方向的圖像，ω2=0).這6個(gè)參數(shù)構(gòu)建了圖像行列號(hào)坐標(biāo)(P,L)與投影坐標(biāo)(XP,YP)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系.然后，將海底地形高程圖進(jìn)行相應(yīng)的尺度變換，使海底地形高程圖里的岸線與陸地地形高程圖里對(duì)應(yīng)的岸線相匹配(圖3)，即匹配陸地地形高程圖對(duì)應(yīng)岸線位置的行列號(hào)坐標(biāo)(P,L).最后，利用GDAL將海底地形高程圖里的高程值填入陸地地形高程圖中對(duì)應(yīng)的位置[17]，形成具有陸地地形數(shù)據(jù)和海底地形數(shù)據(jù)的全球高程圖.該拼接過程的平均誤差在5 m左右.

由于本文使用的陸地地形高程圖(圖4)精度略低，為43 200×21 600像素，所以對(duì)應(yīng)海底地形區(qū)域的像素較少(如對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)江口區(qū)域僅154×81像素)，無法形成高精度的海底地形.本文提出使用VPB工具命令(OsgDEM)，先將海底地形高程圖和紋理圖生成海底地形塊，然后將其疊加到全球高程圖里對(duì)應(yīng)的海底地形區(qū)域，從而得到精度高且具有真實(shí)感的海底地形.

圖3 海底地形高程圖與陸地地形高程圖拼接示意圖

圖4 陸地地形高程圖

3 地形顯示速率的優(yōu)化

借鑒Google公司的Google Earth的實(shí)現(xiàn)思路，在數(shù)字地球上顯示陸上地貌和3D海域地理環(huán)境，將生成的具有海底地形和陸地地形的全球高程圖與影像信息集成到數(shù)字地球這一橢球面上.首先利用全球高程圖，基于OsgEarth編寫Earth文件，生成具有高程值的地球框架，然后將陸地地形衛(wèi)星影像和海底地形紋理圖映射到地球表面，再將其他相關(guān)數(shù)據(jù)集成到地球上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字地球.搭建數(shù)字地球最關(guān)鍵的技術(shù)是組織衛(wèi)星影像數(shù)據(jù).

當(dāng)對(duì)數(shù)字地球進(jìn)行漫游時(shí)，隨著將視點(diǎn)慢慢拉近地面，觀察到的地形逐漸清晰.為實(shí)現(xiàn)清晰效果，通常需要被映射到地球表面的影像數(shù)據(jù)達(dá)到幾百TB的量級(jí)，然而以如今的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和處理器的速度還無法實(shí)時(shí)渲染所有的數(shù)據(jù).為降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存的消耗，加快計(jì)算機(jī)處理速度，需要找到一種合理的影像數(shù)據(jù)調(diào)度方法.

由于相機(jī)的視距范圍總是有限的，借鑒3D數(shù)據(jù)檢索與顯示時(shí)用到的多層次細(xì)節(jié)(Levels Of Detail, LOD)技術(shù)，將衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分成不同的分辨率，拉近視點(diǎn)時(shí)加載高分辨率影像數(shù)據(jù)，拉遠(yuǎn)視點(diǎn)時(shí)加載低分辨率影像數(shù)據(jù).基于該方法對(duì)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)采樣并按其分辨率不同進(jìn)行分級(jí)存放，這被稱為金字塔技術(shù).

金字塔技術(shù)是以多分辨率解釋影像的一種結(jié)構(gòu)，它通常使用典型的四叉樹法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、分塊組織(見圖5).通過使用許多連續(xù)的LOD層次，建立一個(gè)多分辨率圖像金字塔.第1層為原始影像圖，第2層影像是通過對(duì)原始影像圖采樣獲得的，其影像大小為原始影像圖的1/4.這樣逐層采樣下去可完成全球衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分級(jí)，它們之間是2的指數(shù)關(guān)系，所有的塊被組織進(jìn)一個(gè)四叉樹.本文將影像分為6層(見表1).

圖5 四叉樹結(jié)構(gòu)

表1 全球衛(wèi)星影像圖分層

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證方法的有效性，在Visual C++ 2012開發(fā)環(huán)境下運(yùn)用OsgEarth實(shí)現(xiàn)面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)的陸地地形與海底地形的渲染，同時(shí)對(duì)采用的算法進(jìn)行定量與定性分析.實(shí)驗(yàn)環(huán)境：Intel? CoreTMi7-4710HQ CPU @ 2.50 GHz四核的處理器，16 GB內(nèi)存，NVIDIA GeForce GTX 970M的顯卡，顯存1 GB.

4.1 海底地形高程圖生成及優(yōu)化

圖6a)為經(jīng)最小二乘法擬合某塊海圖數(shù)據(jù)所得的高程圖，圖6b)為經(jīng)高斯濾波優(yōu)化后所得的高程圖.從圖中可以看出，經(jīng)高斯濾波后噪聲點(diǎn)明顯減少，說明所采用的方法合理有效.

a)經(jīng)最小二乘法擬合所得高程圖b)經(jīng)高斯濾波優(yōu)化后所得高程圖

圖6 海底地形高程圖生成及優(yōu)化

4.2 將優(yōu)化后的海底地形高程圖與陸地地形高程圖進(jìn)行無縫拼接

圖7為海底地形高程圖與陸地地形高程圖進(jìn)行無縫拼接后的立體圖和平面圖展示.從圖中可以看出，根據(jù)兩者岸線信息的一致性，通過GDAL實(shí)現(xiàn)了兩者高程圖之間的無縫拼接.

a)立體圖

b)平面圖

4.3 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的組織

圖8為全球衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分層示意圖.從圖8a)到8d)(即依次為第6,5,2,1層影像數(shù)據(jù))，視點(diǎn)離地面的高度分別為5 000 km以上，5 000 km，50 km和20 km.由圖可以看出，當(dāng)拉近視點(diǎn)時(shí)，影像的網(wǎng)格逐漸變密，數(shù)據(jù)量逐漸增大，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分層組織.

a)第6層影像數(shù)據(jù)

b)第5層影像數(shù)據(jù)

c)第2層影像數(shù)據(jù)

d)第1層影像數(shù)據(jù)

用長(zhǎng)江口和舟山海域水深點(diǎn)和等深線數(shù)據(jù)繪制海底地形，表2為繪制海底地形的參數(shù)統(tǒng)計(jì).為驗(yàn)證所提方法的有效性，對(duì)繪制的海底地形的幾何精度誤差和幀速率進(jìn)行測(cè)試，并與文獻(xiàn)[12]的基于區(qū)域?qū)哟渭?xì)節(jié)(Area LOD,ALOD)繪制的海底地形進(jìn)行對(duì)比，見表3.從表2和3可以看出，隨著水深點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，矩形分塊擬合多項(xiàng)式的階數(shù)上升，幾何精度誤差減小.與文獻(xiàn)[12]的方法相比，本文所提方法在幾何精度和幀速率上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控具有非常重要的意義.

表2 繪制海底地形的參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 本文方法的幾何精度誤差和幀速率評(píng)估以及與文獻(xiàn)[12]的對(duì)比

地點(diǎn)本文方法的誤差/m文獻(xiàn)[12]方法的誤差/m本文方法的幀速率/(幀/s)文獻(xiàn)[12]方法的幀速率/(幀/s)長(zhǎng)江口海域0.650.814842舟山海域0.620.753931注:幾何精度誤差由均方根誤差得出

圖9為長(zhǎng)江口和舟山海域海底地形顯示的幀速率，圖10為某次系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)江口和舟山海域的渲染狀態(tài).從圖中可以看出隨著視點(diǎn)在長(zhǎng)江口和舟山海域漫游時(shí)，幀速率分別保持為40～60幀/s和30～60幀/s，渲染效率良好.

a)長(zhǎng)江口海域

b)舟山海域

a)長(zhǎng)江口海域

b)舟山海域

圖11 全球地形整體概覽圖

圖11為采用本文方法繪制的全球地形整體概覽圖.該圖不僅取得了良好的視覺效果，而且能集成全球所有海域的海底地形(即只要有水深點(diǎn)數(shù)據(jù)，就能生成海底地形并集成到該數(shù)字地球框架內(nèi)).圖12為長(zhǎng)江口海域海底地形繪制效果圖，其中圖12a)和12b)為文獻(xiàn)[12]繪制的效果圖，圖12c)和12d)為本文繪制的鋪上海水的效果圖.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文繪制的海底地形圖在視覺效果上取得了進(jìn)一步的提升.

a)文獻(xiàn)[12]的大范圍海域b)文獻(xiàn)[12]的航道局部海域c)本文的大范圍海域d)本文的航道局部海域

圖12 本文與文獻(xiàn)[12]的長(zhǎng)江口海域海底地形繪制效果對(duì)比

5 結(jié) 論

為有效解決目前面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中的一些關(guān)鍵問題，提出先利用最小二乘法生成海底地形高程圖，再利用高斯濾波器對(duì)高程圖進(jìn)行平滑處理，解決由于過擬合或欠擬合所產(chǎn)生的噪聲點(diǎn).再根據(jù)陸地地形高程圖與海底地形高程圖之間岸線信息的一致性對(duì)兩者進(jìn)行無縫拼接，生成全球高程圖.利用金字塔技術(shù)解決由于加載全球影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)量而使幀速率降低的問題.這些問題的解決為面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種具有可操作性的解決方案，同時(shí)也為全球3D場(chǎng)景中海底地形的幾何保持提供了保障，對(duì)面向船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控的全球3D場(chǎng)景管理關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的促進(jìn)作用.

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[17]WARMERDAM F. The geospatial data abstraction library[M]//Advances in Geographic Information Science. Berlin Heidelberg: Springer, 2008: 87-104.

(編輯 趙勉)

Key technique of global 3D scene management for ship dynamic surveillance

LI Cong, WANG Shengzheng

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

To overcome the disadvantages of current ship dynamic surveillance systems so as to improve the intuition of the surveillance flatform, the 3D visualization technology is employed to intuitively manage the ships in 3D sea space. The 3D sea geographic environment is automatically created based on electronic chart data. The land topography is seamlessly integrated with the 3D sea geographic environment by the OsgEarth-based global scene management platform. The pyramid technology is used to effectively organize image data so as to build the global 3D ship dynamic surveillance system. The effectiveness of the proposed method is analyzed quantitatively and qualitatively through experiments. The proposed method provides a new idea for the global 3D scene management of ship dynamic surveillance.

ship dynamic surveillance; 3D visualization; scene management; digital Earth

10.13340/j.jsmu.2017.01.001

1672-9498(2017)01-0001-06

2016-04-16

2016-07-13

國家自然科學(xué)基金(51379121,61304230)；上海市曙光計(jì)劃(15SG44);上海市船舶工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(K2015-12)

李聰(1991—)，男，重慶萬州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｉ辖煌ㄏ到y(tǒng)的優(yōu)化方法與智能化，(E-mail)162208241@qq.com； 王勝正(1976—)，男，湖南雙峰人，教授，博士，研究方向?yàn)楹胶７抡妗⒋爸悄芎叫泻痛髷?shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)，(E-mail)szwang@shmtu.edu.cn

U675.79

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