海陸融合地圖及多種船位聚合模式的應用研究

于文武 陰惠義

【摘要】以提高船位監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行應用研究，提出可行的技術實現方案。通過本文的研究內容，可使船位監控軟件在漁業信息化方面有所提高，使之能更好地服務于漁業管理部門。

【關鍵詞】海陸融合 船位聚合 船位監控 漁業信息化

我國目前已經基本實現海上作業漁船的動態監控，近海漁船監控主要依靠船載防避碰系統，而中遠海漁船主要依靠北斗衛星導航系統。全國各主要沿海省市均建立了漁船船位監控系統，通過軟件可實時監控漁船動態，進行安全管理和緊急救助，并初步完成了漁船的多系統（定位、導航及通訊系統）數據整合。

在各省市當前使用的船位監控軟件中，一般使用IHO s-57數據標準和IHO s-52顯示標準進行海圖顯示，并在圖上疊加顯示船舶的實時位置，使用戶可以直觀的了解所管轄船舶的動態，便于進行進一步的指揮管理或數據統計。

但隨著信息化技術的進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，表現在以下幾個方面：

（1）隨著人、船、港三位一體監控體系的建立，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）多系統整合程度的加深及同海區漁船數據共享等因素導致監控船舶對象數量的增加，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、合理且具備高擴展性的總體顯示方案，船位疊加方式簡單，也未作相關優化。

為解決上述問題，本文從GIS引擎升級及聚合顯示方案設計兩方面入手，介紹了遼寧新一代船位監控軟件與船位顯示功能相關的應用情況，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狀，通過升級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。改變任何比例尺均顯示具體船位的做法，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。通過設計實現漁區聚合、動態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，對重要信息進行突出展示。

本文提出的GIS引擎升級和聚合顯示方案具有積極意義，適應了漁船監管需求的精細化，從顯示效果、系統承載能力、直觀性及擴展性等多個方面提高了船位監控軟件的信息化水平，為漁業管理工作提供了便利。

（二）實現目標

GIS引擎支持海陸圖融合顯示;支持按漁區漁船分布聚合顯示船位的模式;支持按漁船分布密度自動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控軟件上實現。

二、應用實現

（一）海陸圖融合顯示

船位監控軟件需要使用電子海圖顯示系統（在本文中也稱為GIS引擎），為保證數據準確，海圖數據選用了海軍航保部出版的IHO s-63/S-57標準電子海圖數據，符合s-52顯示規范。在支持標準海圖顯示的基礎上，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，可展現更豐富的港口及岸上地理信息數據，滿足漁船、漁港、觀測站、基站、岸上加工企業及其他涉漁單位的綜合監控需要。

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

下圖以海圖單獨顯示、街道圖與海圖無縫拼接顯示及衛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，可通過面積過濾機制，將面積較小的島嶼指定為海圖顯示。

（二）漁區聚合模式

當船位監控數量達到一定規模（如20000以上）時，如采用逐一顯示船位的方法，則在較小海圖比例尺下會出現船位圖標相互疊加和遮擋的現象，不但無法聚焦到具體船舶，也對GIS引擎的顯示效率帶來較大影響，嚴重時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，漁區聚合模式便是其中的一種。參照小漁區與標準漁區1：9的尺寸比例，可實現不同比例尺下的多級漁區聚合，通過計算可直接在漁區網格內標注當前漁區內的船位總數，并使用漸變背景代表船位密度。漁區聚合模式的使用，不但可以提高顯示效率，還具備統計信息的直觀表現能力，可令管理用戶非常直觀的看到各漁區內的船位數量，及時掌握海上漁船態勢。

（三）動態聚合模式

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

該聚合算法初始時沒有任何已知聚合點，然后對每個點進行迭代，計算一個點的外包正方形，若此點的外包正方形與現有的聚合點的外包正方形不相交，則新建聚合點（區別于前面基于直接距離的算法，這里不是計算點與點問的距離，而是計算一個點的外包正方形，正方形的變長由用戶指定或程序設置一個默認值），若相交，則把該點聚合到該聚合點中，若點與多個已知的聚合點的外包正方形相交，則計算該點到聚合點的距離，聚合到距離最近的聚合點中，如此循環，直到所有點都遍歷完畢。每個縮放級別都重新遍歷所有原始點要素。此方法可以算是基于方格與基于距離的算法的一個結合算法。

（四）熱力圖模式

熱力圖模式本質上也是船位聚合的一種方式，但與按區域進行聚合的方式不同，熱力圖更偏向表現宏觀態勢。船位熱力圖使用漸變顏色表現區域船舶分布的密度，結合時間因子，可在一段時間內展現船位分布的動態變化。

（五）詳細船位顯示模式

當海圖比例尺放大到一定程度，用戶的關注點已經完成從宏觀態勢信息到具體船舶的轉移，此時不再適宜繼續使用聚合顯示方式，而應該使用傳統的詳細船位顯示方式。此時，詳細船位信息包括船名號信息、航速航向特征信息及與用戶顯示設置相關聯的船舶篩選條件。用戶可聚焦到某具體船舶進行更多信息的查詢或進行指揮調度。

（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，以側重不同場景下的關注重點。另外根據海圖比例尺的變化，船位監控軟件可實現船位聚合顯示和船位詳細顯示的自動切換，為用戶使用提供了便利性。

海陸融合地圖結合船位聚合/詳細顯示為漁船動態監控提供了體系化解決方案，根據不同使用場景和關注點的不同，用戶可在海陸圖顯示模式和船位顯示模式兩大維度進行組合式選擇，相對于原有船位監控軟件提升了顯示效果、顯示效率和自由度。

三、結束語

本文從優化原有船位監控軟件的海圖及船位顯示效果出發，基于漁船監管工作的管理需求，提出了海陸融合地圖顯示和多種船位聚合模式的設計思路，并結合新一代遼寧船位監控軟件進行了應用研究。通過實踐驗證，海陸融合地圖的使用和多種船位聚合模式的建立，能有效提高船位監控的可視化水平，直觀表現漁船作業態勢，從而提高管理工作的效率，使遼寧船位監控軟件能更好地為漁業管理服務。