三維GIS融入海事電子巡航的應(yīng)用研究

曾玲方

摘? 要：海事巡航工作是海事動態(tài)監(jiān)管的基礎(chǔ)，隨著上海港不斷建設(shè)和發(fā)展，傳統(tǒng)巡邏艇巡航已經(jīng)不能滿足航運(yùn)發(fā)展的新要求。該文利用城市級高精度三維地理信息數(shù)據(jù)以及新建的船舶部件等場景，將基礎(chǔ)地理信息、船舶數(shù)據(jù)等各類海海事監(jiān)管所需的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和AIS動態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，基于三維GIS構(gòu)建上海海事局三維AIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真三維電子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局轄區(qū)水域水上交通管理智能化水平。

關(guān)鍵詞：三維GIS? AIS? 電子巡航

中圖分類號：U692-39? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0011-02

海事巡航工作是海事動態(tài)監(jiān)管的基礎(chǔ)，對保障水上交通安全具有重要意義[1]。2015年，中國海事部門計(jì)劃全面推進(jìn)電子巡航加強(qiáng)對船舶的動態(tài)監(jiān)管，以減少水域安全事故發(fā)生并提高服務(wù)效率[2]。目前，GIS在電子巡航系統(tǒng)中的應(yīng)用主要以二維GIS為主，如電子江圖在中山海事局[3]、長江海事局[4]等海事部門電子巡航系統(tǒng)中的應(yīng)用。電子江圖能為電子巡航提供地理信息的可視化展示，并可作為其他系統(tǒng)的綜合顯示平臺。隨著三維可視化技術(shù)的發(fā)展，其在海事領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到普及和深入。占真等人[5]研究將Google Earth技術(shù)應(yīng)用于海事信息領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了以接近真實(shí)視覺的三維可視化形式在Google Earth上發(fā)布各類海事信息;李彩霞等人[6]提出了一種基于SOA并融合AIS的數(shù)字航道三維可視化框架，并基于OSG圖形渲染引擎驗(yàn)證了航道三維視景仿真和AIS數(shù)據(jù)驅(qū)動的物標(biāo)船三維運(yùn)動仿真的可行性。但鮮有研究將三維GIS融入電子巡航中。該文研究利用三維GIS技術(shù)為電子巡航提供三維真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)真三維電子巡航，將船舶航行的動態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示在海事監(jiān)管人員面前，同時(shí)能對其進(jìn)行三維空間分析，有效提升海事監(jiān)管和應(yīng)急救助能力。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概況

上海海事局三維AIS系統(tǒng)利用上海市地理信息公共服務(wù)平臺中的城市級高精度三維地理信息數(shù)據(jù)以及新建的船舶部件等場景，融合AIS、GIS、WEB等技術(shù)，將海量船舶的航行狀況在三維場景中動態(tài)模擬展示，實(shí)現(xiàn)真三維電子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局轄區(qū)水域水上交通管理智能化水平。

1.2 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)上分為四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用和客戶端。通過建立貫穿不同層次的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制度和安全保障體系，使這四層相互聯(lián)系，形成一個(gè)有機(jī)的整體。

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)：為系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，將2D GIS數(shù)據(jù)、3D GIS數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯處理，然后發(fā)布為系統(tǒng)可顯示、搜索和分析的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)建庫技術(shù)、四叉樹技術(shù)、瓦片金字塔技術(shù)等進(jìn)行性能優(yōu)化。

（2）系統(tǒng)服務(wù)：提供服務(wù)支撐，包括數(shù)據(jù)服務(wù)、搜索服務(wù)、分析服務(wù)、安全服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、矢量服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)三維場景的高效瀏覽及展示。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用：提供三維數(shù)據(jù)服務(wù)接口，支撐海事三維管理、海事三維監(jiān)督、數(shù)字海域管理等各種行業(yè)應(yīng)用。

（4）客戶端：為用戶提供不同的客戶端，通過客戶端瀏覽以二、三維聯(lián)動的展現(xiàn)方式來訪問各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等工作。

通過這四層架構(gòu)，系統(tǒng)在開放性、實(shí)用性、安全性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性、標(biāo)準(zhǔn)化和性能上達(dá)到了完美的融合。

1.3 系統(tǒng)功能說明

上海海事局三維AIS系統(tǒng)的主要功能包括了海事信息展示查詢、三維電子巡航兩個(gè)部分。

1.3.1 海事信息展示查詢

（1）場景視點(diǎn)。

系統(tǒng)可構(gòu)建三維海事相關(guān)模型，真實(shí)地還原有海事風(fēng)貌，可以根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，在三維場景中及時(shí)建立相關(guān)視點(diǎn)，能對已經(jīng)建立好的視點(diǎn)進(jìn)行快速定位。

（2）船舶查詢。

系統(tǒng)可以對海上的眾多船舶和事物進(jìn)行快速查詢，通過查詢結(jié)果可以快速顯示出當(dāng)前查詢船舶的主要信息，如船舶的名稱編號、所有者、管理部門、船舶類型等相關(guān)信息，以便后期的船舶信息統(tǒng)計(jì)，大大提高了船舶信息統(tǒng)計(jì)和整理的作業(yè)效率。

（3）空間量算。

量算功能在該系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，主要包括水平距離量算、垂直距離量算、空間距離量算。借助量算功能可以解決海上船舶與船舶之間危險(xiǎn)距離、船舶靠岸安全距離，以及海上行事航線的距離等問題。

（4）AIS船舶位置信息接入和實(shí)時(shí)展示。

為了避免船舶之間發(fā)生碰撞，系統(tǒng)會對同一時(shí)間在線的多條船（1000條左右）實(shí)時(shí)地檢測助航設(shè)備狀態(tài)并跟蹤，實(shí)現(xiàn)AIS船舶位置信息的接入并實(shí)時(shí)展示，達(dá)到安全助航的效果（見圖1）。

1.3.2 三維電子巡航

由于上海的海域船舶眾多，且海域面積遼闊，船舶?？康姆秶鷱V，若是采用傳統(tǒng)的人為駕船行駛巡航會浪費(fèi)不必要人力和物力，采用該系統(tǒng)可以大大減少巡航時(shí)花費(fèi)的時(shí)間。

（1）模擬巡航。

通過預(yù)先設(shè)置好的巡航路線，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬巡邏艇視角江上巡航，定義任意船舶，能夠讓海事管理者在不出屋的情況下，以登船模式實(shí)現(xiàn)真實(shí)下海巡視的視覺效果，更具有真實(shí)效果和立體感（見圖2）。

（2）自由巡航。

通過添加巡航對象，實(shí)現(xiàn)自主人工控制行駛狀態(tài)，可通過鍵盤控制航行對象的行駛方向，模擬船只在水面的航行?？梢约皶r(shí)地掌握當(dāng)前海事三維情況，減少了傳統(tǒng)海事整體場景的檢查所帶來的諸多不便因素，節(jié)約了大量的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效率的場景查看和整體場景監(jiān)管。

2? 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)展示

2.1 海量船舶的快速查詢定位

上海所在海域船舶眾多，且海域面積遼闊，船舶?？康姆秶鷱V。黃浦江每年有43萬艘次船舶進(jìn)出港，其中包括200多艘次國內(nèi)外郵輪、游艇和客船，1000余艘次危險(xiǎn)品船。為了能對重點(diǎn)船舶進(jìn)行跟蹤定位，以及對發(fā)現(xiàn)的可疑船舶快速獲取其實(shí)時(shí)位置以便快速派出船艇進(jìn)行現(xiàn)場處置，保持指揮中心和現(xiàn)場的聯(lián)動，需要能對海上眾多船舶進(jìn)行快速查詢定位。

該系統(tǒng)利用時(shí)空大數(shù)據(jù)技術(shù)將基礎(chǔ)地理信息、船舶數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等各類海事監(jiān)管所需的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和AIS動態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)對同一時(shí)間在線的海量船舶（1000條左右）實(shí)時(shí)讀取其位置信息和相關(guān)信息，實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)中。該系統(tǒng)能對海上的眾多船舶進(jìn)行快速查詢，顯示出當(dāng)前查詢船舶的主要信息，如船舶的名稱編號、所有者、管理部門、船舶類型等相關(guān)信息，以便后期的船舶信息統(tǒng)計(jì)，也可以對目標(biāo)船舶和特定地物點(diǎn)進(jìn)行精確的坐標(biāo)查詢。

通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的對海量船舶的快速查詢定位，大大提高了船舶信息統(tǒng)計(jì)和整理的作業(yè)效率，方便海事管理部門對某些特殊船舶和地物點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行掌握和了解，以此能夠在第一時(shí)間確定事故船舶具體船位，大大提高海事管理部門海事監(jiān)管的效率。

2.2 真三維電子巡航

由于上海的海域船舶眾多，且海域面積遼闊，船舶?？康姆秶鷱V，若是采用傳統(tǒng)的人為駕船行駛巡航會浪費(fèi)不必要人力和物力。傳統(tǒng)的AIS系統(tǒng)只能展示船舶的位置與朝向，無法直觀動態(tài)地展示船舶當(dāng)前航行的路線與速度。

上海海事三維電子巡航系統(tǒng)利用城市級高精度三維地理信息數(shù)據(jù)以及新建的船舶部件、海上景物等場景，基于復(fù)雜三維場景高性能渲染技術(shù)，通過實(shí)時(shí)對接船舶的AIS信號，對同一時(shí)間在線的多條船（1000條左右）實(shí)時(shí)讀取船舶位置信息和相關(guān)信息，實(shí)時(shí)在三維場景中加載對應(yīng)大小與類型的船舶模型，實(shí)現(xiàn)了在三維場景中動態(tài)平滑地模擬出所有船舶航行線路。

通過真三維模擬巡航技術(shù)，僅2h就可以完成一次完整的黃浦江轄區(qū)智能巡航，大大提高了船艇巡航效率，提升了上海海事局轄區(qū)水域水上交通管理智能化水平。

3? 結(jié)語

上海海事局三維AIS系統(tǒng)為海事管理決策人員和相關(guān)人員提供了直觀、系統(tǒng)、逼真的三維海事場景，能查詢海事目標(biāo)的空間位置和屬性信息，可以對海事三維場景中的目標(biāo)距離等進(jìn)行量算，還可以模擬巡邏艦視角進(jìn)行江上巡航，有力地輔助了海事部門對眾多船舶的監(jiān)管。該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來運(yùn)行穩(wěn)定，在進(jìn)博會期間為黃浦江海事動態(tài)監(jiān)管提供了有力支撐，進(jìn)一步提高了上海港水上交通安全監(jiān)管、現(xiàn)場搜救協(xié)調(diào)和快速反應(yīng)能力，提升了上海海事局轄區(qū)水域水上交通管理智能化水平。

參考文獻(xiàn)

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