基于智能船廠的三維電子地圖開發技術

李楊梅， 張 濤， 張怡敏， 周 清， 侯 星

(1.上海船舶工藝研究所, 上海 200032; 2.上海申博信息系統工程有限公司, 上海200032)

0 引 言

目前我國較多船企和科研院所致力于多方面構建智能船廠，其中一方面就是構建廠區電子地圖，將車間中各種資源以三維立體的形式展示，能夠使資源的劃分、統計、規劃更直觀、有效[1-2]。然而，國內船廠廠區電子地圖以傳統的二維平面矢量地圖為主，尚無船廠生產資源的三維模型，不能直觀表達廠區的資源管理含義，已經越來越不能滿足船企的智能化需求。

開展地圖瓦片化、動態加載、位置校準、地圖緩存等三維電子地圖技術研究，創建興趣點交互，搭建智能船廠三維電子地圖服務，以滿足人員定位、6S管理、資源管理、車輛調度、視頻采集和能源監控等各類業務的操作需要。利用可視化技術和三維模擬仿真技術對數據實現可視化和多維表達，能夠較好地體現三維電子地圖的立體性、方位性和真實性，為管理者決策支持提供有力保障[3-4]。

1 總體方案

構建船廠三維電子地圖的步驟：首先通過一定的圖像處理技術，將局部廠區地圖拼接成不同尺寸的整廠區地圖；然后利用瓦片化技術，將廠區地圖分割成設定尺寸的地圖瓦片，并分層級存放；再應用互聯網信息服務(Internet Information Service， IIS)搭建Web服務器，并以地圖瓦片所在目錄作為Web服務目錄，根據視點位置和縮放比例實時加載地圖瓦片，經過位置校準實現坐標系轉換和統一；最后將地圖瓦片緩存在本地，減少服務器壓力，實現電子地圖服務。另外，建立興趣點交互功能，完成生產資源信息和實時狀況的快速查詢。總體方案設計及解決途徑[5]如圖1所示。

圖1 總體方案設計及解決途徑

2 具體技術

2.1 三維電子地圖圖像處理

以外高橋船廠某車間為例，利用3dmax軟件構建廠區三維模型，調整模型全景并通過圖像渲染功能輸出不同視角地圖圖片，如圖2所示。

圖2 完整廠區地圖

三維電子地圖圖像處理技術涉及如下方面：

(1) 渲染輸出超大型圖片。通過圖像處理技術，對廠區三維模型進行圖像分割，輸出局部視圖后再進行拼接，從而構建整個廠區地圖。

(2) 輸出不同縮放比例圖片。共有4層分辨率不同的電子地圖，縮放時先確定原點，以原點為中心進行縮放，根據縮放比例，調取能夠使用的地圖層。渲染每個視角最大縮放比例的圖片，然后利用Photoshop按指定比例縮放圖片并輸出，能夠縮短3dmax處理圖像的時間且能達到相同品質效果。

(3) 不同視角縮放比例一致。在3dmax渲染不同視角圖片時，選中模型某一位置，圍繞該位置查看不同視角下模型是否變形、是否處于初始的可視范圍框架內，若8個視角的模型均在可視范圍內，即可保證以該模型為中心點渲染輸出的不同視角縮放比例是一致的。

(4) 確認選擇圖片的中心點。在輸出的圖片上選擇接近圖片中心、所有視角都可視且容易定位的點(如兩線段交點)，然后利用Photoshop移動所有視角中的該點至圖片中心即可。

2.2 三維電子地圖瓦片化

互聯網地圖較常見的地圖瓦片是圖片格式的。首先將不同縮放比例的廠區地圖按約定尺寸瓦片化，并分層級存放在相應文件夾下；然后將所有地圖瓦片通過IIS發布Web服務，從而實現電子地圖瓦片資源服務。由于客戶端請求的地圖是預先生成的，因此不需要對請求的內容進行實時計算和繪制。瓦片化處理主要包括如下內容：

(1) 圖片瓦片化

從地圖的左上角開始，從左至右、從上到下切割為尺寸一致的正方形圖片，尺寸通常為256×256像素，如圖 3所示；然后將圖片分行和列以不同文件名存放在不同文件夾下。切片方案原點位于地圖之外，確保能夠覆蓋地圖區域。

圖3 瓦片化方案示例

推薦的存放路徑：MapTiles{Direction}{Level}{RowIndex}{ColIndex}.png。其中：{Direction}為視角，{Level}為縮放級別，{RowIndex}為行號，{ColIndex}為列號。

(2) 計算瓦片位置(在地圖中的行列號)

瓦片位置的計算結果取絕對值，其計算公式為

(1)

(3) 瓦片化超大型圖片

超大型圖片在瓦片化時容易導致內存不足等問題。在進行瓦片化前，先將圖片分割為n行m列(n>1，m>1)，然后循環瓦片化分割后的圖片。設置切片尺寸，選擇輸出路徑和完整圖片路徑，路徑使用標簽{Direction}代表不同視角，可以修改x和y方向的偏移值(默認圖片中心點在(0，0)點)，輸出地圖瓦片。

(4) 部署電子地圖瓦片資源服務

為避免地圖瓦片化管理混亂、存放受限及訪問速度緩慢等問題，利用IIS建立網站，將每個級別的瓦片化文件夾上傳至網站根目錄，提供位置索引服務。瓦片訪問鏈接如下：http://{ServerAddress}:{ServerPort}/MapTiles/{Direction}/{Level}/{RowIndex}/{ColIndex}.png。其中：{ServerAddress}為服務器地址，{ServerPort}為服務器端口。

2.3 三維電子地圖動態加載技術

根據視點位置和縮放比例按需動態加載地圖瓦片資源，可有效提高三維電子地圖服務質量。采用C#編程語言開發船舶智能管控系統，并采用C#編程語言中DevExpress(控件集合)中的MapControl(地圖控件)加載電子地圖，這樣與系統匹配度更高。MapControl允許提供自定義地圖數據。每個視角建立1個圖層，通過設置地圖資源鏈接加載對應視角地圖瓦片，切換視角時只需切換不同顯示圖層即可。

2.4 三維電子地圖位置校準技術

在船廠的車間管控中，不同的系統功能使用的地圖處于不同的坐標系中，因此需將所有坐標系轉換至同一坐標系，實現資源統一、全面的管控。以世界坐標系為統一的坐標系，方便后續系統的集成。坐標變換主要分為坐標轉換、坐標縮放和坐標平移[6]。

(1) 坐標轉換

北緯方向A與B兩點間距離為

(2)

式中：R為地球平均半徑，取6 371.004 km；E為A、B兩地經度差。

111 199.233 m為地面緯度每度對應的近似距離，而經度每度對應的近似距離隨緯度不同而不同，其計算值為111 199.233×cosLm(L為海拔高度)。但是，廠區地圖往往范圍較小，可忽略經度影響。

(2) 坐標縮放

測量同一對象在廠區地圖上的尺寸(經緯度)和二維平面圖上的尺寸(m)，經過多次測量，計算出平均縮放比例即可。

(3) 坐標平移

選取二維平面圖中定位點，計算坐標變換后的坐標值，然后從地圖上找到定位點的實際坐標值，從而計算出平移坐標值。

2.5 三維電子地圖緩存技術

三維電子地圖服務需通過超文本傳輸協議(Hyper Text Transfer Protocol, HTTP)傳輸數據，客戶端訪問量增大將給Web服務器帶來巨大的壓力。將地圖資源數據緩存至本地，并優先從本地讀取數據，從而大幅減少服務器壓力，有效提升地圖訪問性能。

3 應用實例

開展智能船廠三維電子地圖圖像處理、瓦片化、動態加載、位置校準、地圖緩存等開發技術研究，形成三維電子地圖組件。該技術已經應用在船舶智能管控系統中并得到有效的驗證。船舶智能管控系統如圖 4所示，圖中對廠區的車間廠房、門吊等靜態物體及人員、運輸車量等動態資源均進行定義，通過興趣點交互快速了解物體的詳細基礎信息和實時狀態。

圖4 船舶智能管控系統

興趣點以地圖標記形式表示，在興趣點右鍵菜單中選擇“詳情”和“局部視圖”菜單項，可獲取興趣點詳細信息或查看建筑物某樓層的三維電子地圖，如圖 5～圖 7所示。

圖5 地圖標記興趣點

圖6 興趣點右鍵菜單

圖7 興趣點局部視圖

三維電子地圖組件在船舶智能管控系統中的應用使用戶可以直觀地對生產和管理進行多維表達，為建設智能船廠打下良好的數字化基礎。目前船舶智能管控系統已成功應用于臨港人員定位試驗驗證平臺，并成功應用于廣船實際生產中，大幅提升車間的生產效率和數字化水平。

4 結 論

基于智能船廠的三維電子地圖開發技術可為解決智能船廠的資源管理可視化、直觀化提供良好的解決方案。引入三維電子地圖的圖像處理、瓦片化、動態加載、位置校準、地圖緩存技術方案，解決地圖在客戶端的展示性能和位置偏移問題，可對生產資源進行智能規劃，滿足船廠業務操作需求，形成適用于船廠的三維電子地圖組件，并在船舶智能管控系統中使用，以數字化方式展示廠區內資源的詳細信息和實時狀態，為管理者提供設備、人員和中間產品等信息檢索服務，為船舶企業走向智能化、數字化高質量發展奠定基礎。