基于shape數(shù)據(jù)的全球電子矢量地圖在航跡監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究

何曉，楊維波

(成都西科微波通訊有限公司，四川成都，610000)

0 引言

近年來，隨著飛行器的大量快速增加，監(jiān)測空中目標(biāo)航跡對區(qū)域內(nèi)安全防衛(wèi)工作有重要意義，其監(jiān)測結(jié)果的態(tài)勢展示是重要研究方向。全球電子矢量地圖包含了各類地理信息，可以經(jīng)緯度為基準(zhǔn)展示目標(biāo)航跡監(jiān)測結(jié)果，其應(yīng)用也越來越廣泛[1]。

本文采用國內(nèi)地理數(shù)據(jù)平臺公布的shape數(shù)據(jù)，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)讀入開始通過OpenGL開放式圖形庫，繪制具備自主產(chǎn)權(quán)的全球電子矢量地圖，并在地圖上設(shè)計目標(biāo)航跡態(tài)勢展示。

1 利用shape數(shù)據(jù)繪制全球電子矢量地圖

1.1 shape數(shù)據(jù)

shape數(shù)據(jù)是由ESRI（Environmental Systems Research Institute）開發(fā)的一種空間數(shù)據(jù)開放格式[2]，一個shape數(shù)據(jù)包括主文件、索引文件和dBASE表。主文件（后綴為.shp）數(shù)據(jù)是制作矢量地圖的基礎(chǔ)。主文件由固定長度的文件頭和變長實(shí)體記錄組成。每個實(shí)體記錄都包含一條數(shù)據(jù)信息。后綴為.dbf的文件為屬性數(shù)據(jù)，存儲.shp文件中每條記錄的屬性數(shù)據(jù)，如名稱、所屬區(qū)域、首都等。

1.2 OpenGL繪制矢量地圖

本文shape數(shù)據(jù)為全球各國邊境線經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，每一條shape記錄為一個國家的國境線，記錄類型為環(huán)狀POLYGON（起點(diǎn)終點(diǎn)重合）。OpenGL讀入地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過glBegin(GL_LINE_STRIP)方式可繪制各國國境線。

為提高地圖的可視化效果，地圖背景設(shè)置為海洋色藍(lán)色，陸地面積需填充為其他顏色以示區(qū)分。利用glBegin(GL_POLYGON)進(jìn)行圖形填充時，發(fā)現(xiàn)在許多區(qū)域填充效果不及預(yù)期，如圖1所示。經(jīng)查證，OpenGL繪制時認(rèn)為凸多邊形才是合法多邊形，凹多邊形、交叉多邊形、帶孔多邊形等非凸多邊形在使用填充功能時可能會失效。

圖1 GL_POLYGON填充失敗

本文工程應(yīng)用中，各國國境線絕大多數(shù)為非凸多邊形。為保證填充的正確性，需使用GLU網(wǎng)格化對象的GLUtesselator（泰森）進(jìn)行填充。其原理是可以將任意多邊形（包括非凸多邊形）簡化為一系列三角形或凸多邊形的組合，從而達(dá)到正確填充的目的，如圖2所示。

圖2 泰森正確填充

利用泰森填充，各國國境線面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確填充，電子地圖具備圖形化雛形。同時通過統(tǒng)一格式解析屬性文件.dbf數(shù)據(jù)，得到地理信息各項屬性，如國名、首都等，在地圖上進(jìn)行標(biāo)繪。至此，全球電子矢量地圖底圖已完成。

1.3 地圖展示要素

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡態(tài)勢展示效果，除了全球電子矢量地圖外，還需要增加各項地圖展示要素，主要包括：（1）地圖放大縮小：鼠標(biāo)滾動可實(shí)現(xiàn)地圖放大縮小；（2）平移：鼠標(biāo)拖動可實(shí)現(xiàn)地圖平移；（3）全景地圖：鼠標(biāo)點(diǎn)擊可實(shí)現(xiàn)地圖比例至顯示全球地圖；（4）測距：鼠標(biāo)點(diǎn)擊任意地圖兩個位置可計算出兩點(diǎn)間的距離；（5）任意點(diǎn)經(jīng)緯度顯示：實(shí)時顯示鼠標(biāo)位置的經(jīng)緯度。

2 目標(biāo)航跡態(tài)勢展示

目標(biāo)航跡設(shè)計是態(tài)勢展示的重要方向。航跡設(shè)計可以航跡編號為主鍵建立存儲容器Map，監(jiān)測設(shè)備上報的探測點(diǎn)分別歸類至不同的Map。目標(biāo)航跡繪制設(shè)計主要包括：（1）目標(biāo)點(diǎn)跡；（2）目標(biāo)點(diǎn)跡連線（顯示趨勢）；（3）目標(biāo)最新點(diǎn)跡設(shè)計為可顯示方向的圖標(biāo)；（4）目標(biāo)航跡選中；（5）目標(biāo)消失時間配置。另外，地圖繪制以200ms的頻率不斷刷新航跡，高效保證航跡更新的實(shí)時性。

目標(biāo)航跡監(jiān)測旨在通過多傳感器綜合判斷，區(qū)別所探測目標(biāo)的屬性和類型。項目可建立目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫。若所探測目標(biāo)屬性與告警屬性相符，則判定為重點(diǎn)關(guān)注目標(biāo)，航跡以紅色進(jìn)行告警；若所探測目標(biāo)不具備告警屬性，則暫判為非關(guān)注目標(biāo)，目標(biāo)航跡顯示藍(lán)色。紅藍(lán)強(qiáng)對比色可有效提高態(tài)勢顯示效果[3]。

3 地圖繪制在VS+QT開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)

VS跟隨Windows系統(tǒng)共同成長，具備系統(tǒng)底層支持力度大、API十分豐富、開發(fā)難度小、調(diào)試便利、開發(fā)文檔多等優(yōu)勢；QT可提供建立藝術(shù)級圖形界面所需的所有功能，具備強(qiáng)擴(kuò)展性、跨平臺性、面向?qū)ο蟆?D/3D圖形渲染（支持OpenGL）、API豐富等優(yōu)勢。VS+QT聯(lián)合開發(fā)環(huán)境可以集中兩款應(yīng)用程序框架的優(yōu)勢，已在工程實(shí)踐中得到越來越廣泛地應(yīng)用。

本文利用VS開發(fā)總體框架，QT開發(fā)交互式界面（包括OpenGL繪制矢量地圖）。所有功能均按模塊化設(shè)計，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信類、系統(tǒng)信息管理類、地圖數(shù)據(jù)類、地圖繪制類（繼承基類）、地圖要素展示類、目標(biāo)航跡管理類等。軟件界面如圖3、圖4所示。

圖3 全球電子矢量地圖

圖4 目標(biāo)航跡態(tài)勢展示

上述全球電子矢量地圖及目標(biāo)航跡繪制基本滿足區(qū)域內(nèi)監(jiān)測結(jié)果高效、便捷的展示需求。目前僅加載了全球行政區(qū)劃分shape數(shù)據(jù)，下一步將考慮加入其它地理信息shape數(shù)據(jù)，如全球濱海數(shù)據(jù)、河流數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、航管數(shù)據(jù)、山川數(shù)據(jù)等，可利用圖層的概念由用戶自由加載關(guān)注數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

監(jiān)測空中目標(biāo)航跡、可視化展示識別結(jié)果是加強(qiáng)區(qū)域安全防衛(wèi)工作的重要手段之一。全球電子矢量地圖的高效繪制、地圖展示要素的合理設(shè)置、目標(biāo)航跡的對比展示設(shè)計均是提高顯示效果的重要方式[4]。本文以shape數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了全球電子矢量地圖的繪制過程，就重要環(huán)節(jié)包括地圖數(shù)據(jù)更新、泰森填充、地圖要素設(shè)計、目標(biāo)航跡設(shè)計等方面提出可行方案，并在VS+QT聯(lián)合開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，具備實(shí)際可操作性。基于shape數(shù)據(jù)的全球電子矢量地圖可在航跡監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并可推廣至多點(diǎn)定位、ADS-B等系統(tǒng)中。