海陸融合地圖及多種船位聚合模式的應(yīng)用研究

于文武 陰惠義

【摘要】以提高船位監(jiān)控軟件的可視化效果和直觀性為目的，圍繞海陸融合地圖顯示和船位的多種聚合顯示模式進(jìn)行應(yīng)用研究，提出可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。通過本文的研究內(nèi)容，可使船位監(jiān)控軟件在漁業(yè)信息化方面有所提高，使之能更好地服務(wù)于漁業(yè)管理部門。

【關(guān)鍵詞】海陸融合 船位聚合 船位監(jiān)控 漁業(yè)信息化

我國目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)海上作業(yè)漁船的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，近海漁船監(jiān)控主要依靠船載防避碰系統(tǒng)，而中遠(yuǎn)海漁船主要依靠北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。全國各主要沿海省市均建立了漁船船位監(jiān)控系統(tǒng)，通過軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控漁船動(dòng)態(tài)，進(jìn)行安全管理和緊急救助，并初步完成了漁船的多系統(tǒng)（定位、導(dǎo)航及通訊系統(tǒng)）數(shù)據(jù)整合。

在各省市當(dāng)前使用的船位監(jiān)控軟件中，一般使用IHO s-57數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和IHO s-52顯示標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行海圖顯示，并在圖上疊加顯示船舶的實(shí)時(shí)位置，使用戶可以直觀的了解所管轄船舶的動(dòng)態(tài)，便于進(jìn)行進(jìn)一步的指揮管理或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

但隨著信息化技術(shù)的進(jìn)步和管理要求的提高，原有船位顯示方案存在以下不足，已不能很好滿足使用者的要求，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）隨著人、船、港三位一體監(jiān)控體系的建立，單純海圖暴露出陸地元素缺失，與主流陸圖難以兼容等弊端;

（2）多系統(tǒng)整合程度的加深及同海區(qū)漁船數(shù)據(jù)共享等因素導(dǎo)致監(jiān)控船舶對(duì)象數(shù)量的增加，原有方案采取的逐一船位疊加方式，無法滿足顯示性能、監(jiān)控層次等多方面的要求;

（3）原有方案未建立全面、合理且具備高擴(kuò)展性的總體顯示方案，船位疊加方式簡單，也未作相關(guān)優(yōu)化。

為解決上述問題，本文從GIS引擎升級(jí)及聚合顯示方案設(shè)計(jì)兩方面入手，介紹了遼寧新一代船位監(jiān)控軟件與船位顯示功能相關(guān)的應(yīng)用情況，提出了海陸圖融合顯示船位及多種船位聚合模式的研究思路。

一、研究概述

（一）必要性分析

（1）提高地圖顯示效果、豐富地圖顯示元素。改變海圖顯示陸上元素缺失的現(xiàn)狀，通過升級(jí)支持海陸融合地圖的GIS引擎，滿足海上和陸上元素兼顧的顯示需求。

（2）提高船位顯示效率。改變?nèi)魏伪壤呔@示具體船位的做法，采用小比例尺下船位聚合的顯示方案，優(yōu)化顯示效率，提高承載能力。

（3）建立多種船位聚合顯示模式，增加顯示的直觀性。通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)漁區(qū)聚合、動(dòng)態(tài)聚合及熱力圖顯示模式，完善船位顯示的整體策略，增加顯示的直觀性，對(duì)重要信息進(jìn)行突出展示。

本文提出的GIS引擎升級(jí)和聚合顯示方案具有積極意義，適應(yīng)了漁船監(jiān)管需求的精細(xì)化，從顯示效果、系統(tǒng)承載能力、直觀性及擴(kuò)展性等多個(gè)方面提高了船位監(jiān)控軟件的信息化水平，為漁業(yè)管理工作提供了便利。

（二）實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

GIS引擎支持海陸圖融合顯示;支持按漁區(qū)漁船分布聚合顯示船位的模式;支持按漁船分布密度自動(dòng)聚合顯示船位的模式;支持按漁船分布密度顯示船位熱力圖的模式。以上功能均在遼寧船位監(jiān)控軟件上實(shí)現(xiàn)。

二、應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

（一）海陸圖融合顯示

船位監(jiān)控軟件需要使用電子海圖顯示系統(tǒng)（在本文中也稱為GIS引擎），為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，海圖數(shù)據(jù)選用了海軍航保部出版的IHO s-63/S-57標(biāo)準(zhǔn)電子海圖數(shù)據(jù)，符合s-52顯示規(guī)范。在支持標(biāo)準(zhǔn)海圖顯示的基礎(chǔ)上，GIS引擎還支持海陸圖融合顯示功能，包括五種模式，可在界面上自由切換。通過海陸圖融合顯示，可展現(xiàn)更豐富的港口及岸上地理信息數(shù)據(jù)，滿足漁船、漁港、觀測(cè)站、基站、岸上加工企業(yè)及其他涉漁單位的綜合監(jiān)控需要。

五種海陸圖融合顯示模式包括：海圖單獨(dú)顯示;街道圖單獨(dú)顯示：衛(wèi)星圖單獨(dú)顯示;街道圖與海圖無縫拼接顯示;衛(wèi)星圖與海圖無縫拼接顯示。

下圖以海圖單獨(dú)顯示、街道圖與海圖無縫拼接顯示及衛(wèi)星圖與海圖無縫拼接顯示為例，展示了海圖融合地圖的顯示效果。

海圖與陸圖可做到無縫拼接，海圖與陸圖的交界處平滑過渡，文字顯示完整。對(duì)于面積較小的島嶼顯示街道圖效果不美觀的問題，可通過面積過濾機(jī)制，將面積較小的島嶼指定為海圖顯示。

（二）漁區(qū)聚合模式

當(dāng)船位監(jiān)控?cái)?shù)量達(dá)到一定規(guī)模（如20000以上）時(shí)，如采用逐一顯示船位的方法，則在較小海圖比例尺下會(huì)出現(xiàn)船位圖標(biāo)相互疊加和遮擋的現(xiàn)象，不但無法聚焦到具體船舶，也對(duì)GIS引擎的顯示效率帶來較大影響，嚴(yán)重時(shí)可造成軟件卡頓或崩潰。為解決這一問題，可采用船位聚合顯示的模式，漁區(qū)聚合模式便是其中的一種。參照小漁區(qū)與標(biāo)準(zhǔn)漁區(qū)1：9的尺寸比例，可實(shí)現(xiàn)不同比例尺下的多級(jí)漁區(qū)聚合，通過計(jì)算可直接在漁區(qū)網(wǎng)格內(nèi)標(biāo)注當(dāng)前漁區(qū)內(nèi)的船位總數(shù)，并使用漸變背景代表船位密度。漁區(qū)聚合模式的使用，不但可以提高顯示效率，還具備統(tǒng)計(jì)信息的直觀表現(xiàn)能力，可令管理用戶非常直觀的看到各漁區(qū)內(nèi)的船位數(shù)量，及時(shí)掌握海上漁船態(tài)勢(shì)。

（三）動(dòng)態(tài)聚合模式

除去漁區(qū)聚合，還可以基于空間船位密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)點(diǎn)聚合顯示。點(diǎn)聚合又稱點(diǎn)聚類，是地圖綜合的其中一種方法，主要解決地圖中點(diǎn)要素很多時(shí)候的表示困難的問題。點(diǎn)聚合可以用少量的點(diǎn)或圖標(biāo)來表示地圖中的所有點(diǎn)，讓地圖顯示更清晰明朗。本文提出的點(diǎn)聚合方案是基于K均值法的方格距離兼顧算法。

該聚合算法初始時(shí)沒有任何已知聚合點(diǎn)，然后對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行迭代，計(jì)算一個(gè)點(diǎn)的外包正方形，若此點(diǎn)的外包正方形與現(xiàn)有的聚合點(diǎn)的外包正方形不相交，則新建聚合點(diǎn)（區(qū)別于前面基于直接距離的算法，這里不是計(jì)算點(diǎn)與點(diǎn)問的距離，而是計(jì)算一個(gè)點(diǎn)的外包正方形，正方形的變長由用戶指定或程序設(shè)置一個(gè)默認(rèn)值），若相交，則把該點(diǎn)聚合到該聚合點(diǎn)中，若點(diǎn)與多個(gè)已知的聚合點(diǎn)的外包正方形相交，則計(jì)算該點(diǎn)到聚合點(diǎn)的距離，聚合到距離最近的聚合點(diǎn)中，如此循環(huán)，直到所有點(diǎn)都遍歷完畢。每個(gè)縮放級(jí)別都重新遍歷所有原始點(diǎn)要素。此方法可以算是基于方格與基于距離的算法的一個(gè)結(jié)合算法。

（四）熱力圖模式

熱力圖模式本質(zhì)上也是船位聚合的一種方式，但與按區(qū)域進(jìn)行聚合的方式不同，熱力圖更偏向表現(xiàn)宏觀態(tài)勢(shì)。船位熱力圖使用漸變顏色表現(xiàn)區(qū)域船舶分布的密度，結(jié)合時(shí)間因子，可在一段時(shí)間內(nèi)展現(xiàn)船位分布的動(dòng)態(tài)變化。

（五）詳細(xì)船位顯示模式

當(dāng)海圖比例尺放大到一定程度，用戶的關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)完成從宏觀態(tài)勢(shì)信息到具體船舶的轉(zhuǎn)移，此時(shí)不再適宜繼續(xù)使用聚合顯示方式，而應(yīng)該使用傳統(tǒng)的詳細(xì)船位顯示方式。此時(shí)，詳細(xì)船位信息包括船名號(hào)信息、航速航向特征信息及與用戶顯示設(shè)置相關(guān)聯(lián)的船舶篩選條件。用戶可聚焦到某具體船舶進(jìn)行更多信息的查詢或進(jìn)行指揮調(diào)度。

（六）船位顯示模式的切換

本文提到的各種船位聚合顯示模式可自由切換，以側(cè)重不同場(chǎng)景下的關(guān)注重點(diǎn)。另外根據(jù)海圖比例尺的變化，船位監(jiān)控軟件可實(shí)現(xiàn)船位聚合顯示和船位詳細(xì)顯示的自動(dòng)切換，為用戶使用提供了便利性。

海陸融合地圖結(jié)合船位聚合/詳細(xì)顯示為漁船動(dòng)態(tài)監(jiān)控提供了體系化解決方案，根據(jù)不同使用場(chǎng)景和關(guān)注點(diǎn)的不同，用戶可在海陸圖顯示模式和船位顯示模式兩大維度進(jìn)行組合式選擇，相對(duì)于原有船位監(jiān)控軟件提升了顯示效果、顯示效率和自由度。

三、結(jié)束語

本文從優(yōu)化原有船位監(jiān)控軟件的海圖及船位顯示效果出發(fā)，基于漁船監(jiān)管工作的管理需求，提出了海陸融合地圖顯示和多種船位聚合模式的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合新一代遼寧船位監(jiān)控軟件進(jìn)行了應(yīng)用研究。通過實(shí)踐驗(yàn)證，海陸融合地圖的使用和多種船位聚合模式的建立，能有效提高船位監(jiān)控的可視化水平，直觀表現(xiàn)漁船作業(yè)態(tài)勢(shì)，從而提高管理工作的效率，使遼寧船位監(jiān)控軟件能更好地為漁業(yè)管理服務(wù)。