面向航海應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：面向航海的地理信息系統(tǒng)的建立和發(fā)展相對(duì)于陸地而言具有更高的難度和緊迫性。本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，討論了面向航海應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及其未來(lái)的發(fā)展方向，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)方面的研究有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：航海；地理信息系統(tǒng)；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U644 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-7953(2009)01-0010-03

Key Technology on Geographic Information System of Navigation

SHEN Yi-chao

（School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Unviersity，Wuhan 430072，China）

Abstract: The establishment of Geographic information system of navigation has a higher degree of difficulty and urgency in relation to land. In this paper，after introduction to the status quo at home and abroad，discussion on GIS offeatures，application status，the key technology and its development direction in the future，hope to offer some reference value to study the relevant aspects.

Key words: navigation；geographic information system；key technologies

1 地理信息系統(tǒng)的基本概念

1.1 地理信息系統(tǒng)的內(nèi)涵

地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。

1.2 地理信息系統(tǒng)的特征

地理信息系統(tǒng)具有以下三個(gè)方面的特征：

1）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力，具有空間性和動(dòng)態(tài)性。

2）以地理研究和地理決策為日的，以地理模型方法為手段，具有區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，產(chǎn)生高層次的地理信息。

3）由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)管理，并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地理分析方法，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用的信息，完成人類難以完成的任務(wù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持是GSI的重要特征，使GSI得以快速、精確、綜合地對(duì)復(fù)雜的地理系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過(guò)程動(dòng)態(tài)分析。

1.3 地理信息系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容

l）輸入：

地理數(shù)據(jù)如何有效地輸入到GIS中足一項(xiàng)瑣碎、費(fèi)時(shí)、代價(jià)昂貴的任務(wù)，大多數(shù)的地理數(shù)據(jù)是從低質(zhì)地圖輸入GIS。常用的方法是數(shù)字化和掃描。數(shù)字化的主要問(wèn)題是低效率和高代價(jià)；掃描輸入則面臨另一個(gè)問(wèn)題，掃描得到的柵格數(shù)據(jù)如何變換成GSI數(shù)據(jù)庫(kù)通常要求的點(diǎn)、線、面、拓?fù)潢P(guān)系屬性等形式。就這一領(lǐng)域目前的研究進(jìn)展而一言，全自動(dòng)的智能地圖識(shí)別短期內(nèi)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的可能：因而，交互式的地圖識(shí)別是矢量化方法的一種較為現(xiàn)實(shí)的途徑。市場(chǎng)上已有多種交互式矢量化軟件出售。

目前GSI的輸入正在越來(lái)越多地借助非地圖形式，遙感就是其中的一種形式。遙感數(shù)據(jù)已經(jīng)成為GSI的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。與地圖數(shù)據(jù)不同的是，遙感數(shù)據(jù)輸入到GIS較為容易，但如果通過(guò)對(duì)遙感圖像的解釋來(lái)采集和編譯地理信息則是一件較為困難的事情；因此，GIS中開始大量融入圖像處理技術(shù)，許多成熟的GIS產(chǎn)品，如MAPGSI中都具有功能齊全的圖像處理子系統(tǒng)。

地理數(shù)據(jù)采集的另一項(xiàng)_L要進(jìn)展是GPS技術(shù)。GPS可以準(zhǔn)確、快速地定位在地球表面的任何地點(diǎn)，因而，除了作為原始地理信息的來(lái)源外，GPS在飛行器跟蹤、緊急事件處理、環(huán)境和資源監(jiān)測(cè)、管理等方面有著很大的潛力。

2）存儲(chǔ)：

GSI中的數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩大類，如何在計(jì)算機(jī)中有效存儲(chǔ)和管理這兩類數(shù)據(jù)是GSI的基本問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的今天，盡管微機(jī)的硬盤容量已達(dá)到GB級(jí)，但計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器對(duì)靈活、高效地處理地圖這類對(duì)象仍是不夠的。GSI的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卻有其獨(dú)特之處。大多數(shù)的GSI系統(tǒng)采用了分層技術(shù)，即根據(jù)地圖的某些特征，把它分成若干層，整張地圖是所有層疊加的結(jié)果。在與用戶的交換過(guò)程中只處理涉及到的層，而不是整幅地圖。

地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是GSI中最低層和最基本的技術(shù)，它直接影響到其他高層功能的實(shí)現(xiàn)效率。基于微機(jī)平臺(tái)的MAPGIS能夠快速、高效地處理多達(dá)上萬(wàn)幅的海量地圖庫(kù)，這不僅在國(guó)產(chǎn)GIS軟件中處于領(lǐng)先地位，即使與國(guó)州司類產(chǎn)品相比仍是其中佼佼者，這與MAPGIS較好地解決了地理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題密切相關(guān)。

3）地理數(shù)據(jù)的操作和分析：

GSI中對(duì)數(shù)據(jù)的操作提供了對(duì)地理數(shù)據(jù)有效管理的手段。對(duì)圖形數(shù)據(jù)（點(diǎn)、線、面）和屬性數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改等基本操作大多可借鑒CAD和通用數(shù)據(jù)庫(kù)中的成熟技術(shù)；有所不同的是GSI中圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)緊密結(jié)合在一起，形成對(duì)地物的描述，對(duì)其中一類數(shù)據(jù)的操作勢(shì)必影響到與之相關(guān)的另一類數(shù)據(jù)，因而操作帶來(lái)的數(shù)據(jù)一致性和操作效率問(wèn)題是GSI數(shù)據(jù)操作的主要問(wèn)題。

地理數(shù)據(jù)的分析功能，即空間分析，是GIS得以廣泛應(yīng)用的重要原因之一。通過(guò)GIS提供的空間分析功能，用戶可以從已知的地理數(shù)據(jù)中得出隱含的重要結(jié)論，這對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域是至關(guān)重要的。GSI的空間分析分為兩大類：矢量數(shù)據(jù)空間分析和柵格數(shù)據(jù)空間分析。矢量數(shù)據(jù)空間分析通常包括：空間數(shù)據(jù)查詢和屬性分析，多邊形的重新分類、邊界消除與合并，點(diǎn)線、點(diǎn)與多邊形、線與多邊形、多邊形與多邊形的疊加，緩沖區(qū)分析，網(wǎng)絡(luò)分析，面運(yùn)算，目標(biāo)集統(tǒng)計(jì)分析。柵格數(shù)據(jù)空間分析功能通常包括：記錄分析、疊加分析、濾波分析、擴(kuò)展領(lǐng)域操作、區(qū)域操作、統(tǒng)計(jì)分析。

4）輸出：

將用戶查詢的結(jié)果或是數(shù)據(jù)分析的結(jié)果以合適的形式輸出是GSI問(wèn)題求解過(guò)程的最后一道工序。輸出形式通常有兩種：在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示或通過(guò)繪圖儀輸出。對(duì)于一些對(duì)輸出精度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，高質(zhì)量的輸出功能對(duì)GSI是必不可少的。這方面的技術(shù)主要包括：數(shù)據(jù)校正、編輯、圖形整訪、誤差消除、坐標(biāo)變換、出版印刷等。

2 面向航海應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)

2.1 面向航海應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）數(shù)據(jù)采集量的龐大性和復(fù)雜性

海域的寬廣、水下地形的復(fù)雜分布、眾多船只的航跡監(jiān)測(cè)以及與氣象、水文部門的信息交互等決定了面向航海應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面的龐大性和復(fù)雜性。

2）數(shù)據(jù)勘測(cè)的高難度

與陸地相比，海域的數(shù)據(jù)勘測(cè)更具難度。由于水下地形的不可見性，采用衛(wèi)星航拍是無(wú)法直接獲取的，即使獲取到淺水的地形數(shù)據(jù)，山于光線折射、水流影響等因素的影響，精度有限。因此獲取水下地形必須采用總體航拍結(jié)合局部區(qū)域水下探測(cè)的方法。但大范圍海域的水下地形探測(cè)，耗資巨大，歷時(shí)漫長(zhǎng)。因此至今海域地圖的精度和時(shí)效性都相對(duì)較低。

3）定位精度相對(duì)較低

在陸地上，地物特征多樣，這有利于進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)位；而且，通常每隔固定區(qū)域都會(huì)設(shè)立高精度定位后的特征物體用于定位校正，因此定位精度較高。但山于海上地形元素的相對(duì)匾乏，加之不能普遍建立固定的校準(zhǔn)物，這使得海上的定位精度達(dá)不到陸地上的水平。而且大范圍的、全天候的海域監(jiān)測(cè)我們只能借助于衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)于短時(shí)的、局部的區(qū)域探測(cè)可以使用偵察機(jī)或無(wú)人機(jī)完成。顯然定位手段與陸地定位相比呈現(xiàn)單一性。

4）監(jiān)測(cè)目標(biāo)的非人為流動(dòng)性

由于海水的流動(dòng)性，對(duì)于監(jiān)測(cè)日標(biāo)的趨向估計(jì)是比較困難的。我們必須綜合考慮洋流、季風(fēng)的影響，結(jié)合監(jiān)測(cè)物的特性，才能對(duì)其位置進(jìn)行合理的估計(jì)。并且，一旦目標(biāo)遇險(xiǎn)，我們必須在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)并迅速解決，否則由于漂流和下沉的影響，對(duì)目標(biāo)的再定位會(huì)非常困難。長(zhǎng)時(shí)間之后，即使知道目標(biāo)的位置，由于其沉溺于海底，我們也無(wú)能無(wú)力。因此，這就要求航海地理信息系統(tǒng)具有準(zhǔn)確估計(jì)、快速反應(yīng)的特性。

2.2 航海交通地理信息系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)和航海技術(shù)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了以數(shù)字形式表示的、描寫海域地理信息和航海信息的電子海圖以及電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)。由于它形象、直觀、靈活，有著紙質(zhì)海圖無(wú)法比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于航海領(lǐng)域和測(cè)繪領(lǐng)域。截至目前，關(guān)于ECDIS的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要有：IHOS-52電于海圖顯示與信息系統(tǒng)的海圖內(nèi)容和顯示方法規(guī)范和IHOS-57數(shù)字化海道測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)（TheoreticalModelobjectCatalogueDX-90）。

我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局也于1995年9月發(fā)布了《GB1570295電子海圖技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范基本上與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致，略存差異。未來(lái)電子海圖系統(tǒng)的開發(fā)和研制都必須遵循這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3 航海交通地理信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向

自1998年數(shù)字地球的概念被明確提出后，各國(guó)政府和學(xué)者都給予了極大的關(guān)注，并積極在其涉及的各個(gè)領(lǐng)域展開研究。數(shù)字交通與數(shù)字海洋是數(shù)字地球應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的兩個(gè)重要領(lǐng)域。航海智能交通系統(tǒng)，從宏觀上講，是數(shù)字交通與數(shù)字海洋交叉融合的一個(gè)應(yīng)用示范，因此對(duì)航海智能交通系統(tǒng)的研究必須站在一個(gè)高的起點(diǎn)上，要有宏觀的指導(dǎo)思想。它的研究成果與發(fā)展方向都將成為數(shù)字海洋與數(shù)字交通建設(shè)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。以下，就航海交通地理信息系統(tǒng)的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1）空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用于定義、描述或處理空間數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的制訂是為了空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)，從而能方便的實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)、單位的同類或異類數(shù)據(jù)的集成和應(yīng)用。航海交通地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂必須要以幾個(gè)國(guó)際化的電子海圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為前提和基礎(chǔ)，在充分考慮信息全球化的條件下，最大程度地兼容電子海圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，即最少地修改現(xiàn)有的電子海圖標(biāo)準(zhǔn)、最大地適應(yīng)數(shù)字地球的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

2）地理信息系統(tǒng)的開放性（網(wǎng)絡(luò)化）

未來(lái)的地理信息系統(tǒng)必須是基于網(wǎng)絡(luò)的、面向用戶的、資源共享的開放系統(tǒng)。ECDIS作為封閉的獨(dú)立的系統(tǒng)在這方面的不足己經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)。其中，最突出的就是電子海圖的自動(dòng)改正.而基于網(wǎng)絡(luò)的航海交通地理信息系統(tǒng)可以使用戶在任何時(shí)間任何地點(diǎn)、以廉價(jià)的方式獲得所需要的各種信息，其中包括最新更新的空間數(shù)據(jù)、交通信息等。其優(yōu)點(diǎn)不言而喻。目前，由OGC技術(shù)委員會(huì)制定的open GIS規(guī)范作為一個(gè)綜合性的軟件體系規(guī)范，為開放系統(tǒng)地理處理奠定了基礎(chǔ)。此外，還要在面向?qū)ο蠹夹g(shù)、分布計(jì)算技術(shù)、開放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連等方面進(jìn)行更細(xì)致的研究。

3）真三維顯示

任何一個(gè)空間物體需要用三維坐標(biāo)值唯一確定。而目前的GIS和ECDIS都是用二維圖形顯示，高度或水深則作為屬性數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。因此，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果并不能從視覺(jué)上真正體現(xiàn)物標(biāo)的空間位置。真三維顯示技術(shù)（也稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）則將高度或深度值作為空間的一維數(shù)據(jù)，而不是屬性，通過(guò)真三維可視化數(shù)據(jù)分析軟件就可以顯示一個(gè)立體的客觀反映真實(shí)世界的虛擬環(huán)境。

4）系統(tǒng)分析與決策

地理信息系統(tǒng)以數(shù)字世界表示自然世界，具有完備的空間特性，不僅要完成管理大量復(fù)雜的地理數(shù)據(jù)的任務(wù)，更為重要的是完成地理分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和輔助決策的任務(wù)。用于系統(tǒng)分析的模型按其空間特性分為兩大類，即空間模型和非空間模型。非空間模型主要是對(duì)各種屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，通常都有比較成型的理論和方法。空間模型則要同時(shí)對(duì)圖形和屬性兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，方法涉及圖形運(yùn)算、空間檢索、統(tǒng)計(jì)識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)分析即空間擴(kuò)散計(jì)算等。面向航海領(lǐng)域，這類模型的研究和應(yīng)用還很不充分，因而也是今后研究的重點(diǎn)和發(fā)展的主要方向之一。

參考文獻(xiàn)

［1］葉 清，郁振偉.改進(jìn)最短路徑算法在最佳航線選擇中的應(yīng)用［J］.中國(guó)航海，2003，（5）.

［2］ 王世林，陳世才.航線標(biāo)繪與航線［J］.世界海運(yùn).1998（6）.

［3］ L. LUCCHESE.S.K. MITRA，Correction of Geometric Lens Distortion through Image warping.2002.

［4］ D.A. FORSYTH. J. PONEE，Computer Vision-A Modern Approach，Prentice Hall， Upper Saddle River.2002.

［5］ 劉 烽，龐福文，李志華.利用恒向線算法計(jì)算船舶最短時(shí)間航線［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào).1994，（1）.

［6］ 洪德本.解析法大圓航線的設(shè)計(jì)［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào).1997，（4）.

［7］ 王志明.混合航線的快速計(jì)算法［J］.中國(guó)航海.2002，（1）.

［8］ F. DEVERNAY.O. FAUGEARS，Straight Lines Have to be Straight，Machine Vision and Applications，Srpinger-Verlag，Germany.2001，（13）1：14-24.