三維GIS融入海事電子巡航的應用研究
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摘 要：海事巡航工作是海事動態監管的基礎，隨著上海港不斷建設和發展，傳統巡邏艇巡航已經不能滿足航運發展的新要求。該文利用城市級高精度三維地理信息數據以及新建的船舶部件等場景，將基礎地理信息、船舶數據等各類海海事監管所需的業務數據和AIS動態實時數據進行整合，基于三維GIS構建上海海事局三維AIS系統，實現真三維電子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局轄區水域水上交通管理智能化水平。
關鍵詞：三維GIS AIS 電子巡航
中圖分類號：U692-39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0011-02
海事巡航工作是海事動態監管的基礎，對保障水上交通安全具有重要意義[1]。2015年，中國海事部門計劃全面推進電子巡航加強對船舶的動態監管，以減少水域安全事故發生并提高服務效率[2]。目前，GIS在電子巡航系統中的應用主要以二維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中的應用。電子江圖能為電子巡航提供地理信息的可視化展示，并可作為其他系統的綜合顯示平臺。隨著三維可視化技術的發展，其在海事領域的應用逐漸得到普及和深入。占真等人[5]研究將Google Earth技術應用于海事信息領域，實現了以接近真實視覺的三維可視化形式在Google Earth上發布各類海事信息;李彩霞等人[6]提出了一種基于SOA并融合AIS的數字航道三維可視化框架，并基于OSG圖形渲染引擎驗證了航道三維視景仿真和AIS數據驅動的物標船三維運動仿真的可行性。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技術為電子巡航提供三維真實場景，實現真三維電子巡航，將船舶航行的動態信息實時顯示在海事監管人員面前，同時能對其進行三維空間分析，有效提升海事監管和應急救助能力。
1 系統設計
1.1 系統概況
上海海事局三維AIS系統利用上海市地理信息公共服務平臺中的城市級高精度三維地理信息數據以及新建的船舶部件等場景，融合AIS、GIS、WEB等技術，將海量船舶的航行狀況在三維場景中動態模擬展示，實現真三維電子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局轄區水域水上交通管理智能化水平。
1.2 系統總體框架
系統在技術架構的設計上分為四層結構：系統數據、系統服務、業務應用和客戶端。通過建立貫穿不同層次的標準規范制度和安全保障體系，使這四層相互聯系，形成一個有機的整體。
?。?）系統數據：為系統提供基本的數據服務，將2D GIS數據、3D GIS數據、地址數據、業務數據等多源數據進行編譯處理，然后發布為系統可顯示、搜索和分析的數據，采用數據建庫技術、四叉樹技術、瓦片金字塔技術等進行性能優化。
（2）系統服務：提供服務支撐，包括數據服務、搜索服務、分析服務、安全服務、數據庫服務、矢量服務等，實現三維場景的高效瀏覽及展示。
?。?）業務應用：提供三維數據服務接口，支撐海事三維管理、海事三維監督、數字海域管理等各種行業應用。
?。?）客戶端：為用戶提供不同的客戶端，通過客戶端瀏覽以二、三維聯動的展現方式來訪問各種數據，進行查詢、統計、分析等工作。
通過這四層架構，系統在開放性、實用性、安全性、可維護性、可擴展性、標準化和性能上達到了完美的融合。
1.3 系統功能說明
上海海事局三維AIS系統的主要功能包括了海事信息展示查詢、三維電子巡航兩個部分。
1.3.1 海事信息展示查詢
?。?）場景視點。
系統可構建三維海事相關模型，真實地還原有海事風貌，可以根據具體的業務需求，在三維場景中及時建立相關視點，能對已經建立好的視點進行快速定位。
（2）船舶查詢。
系統可以對海上的眾多船舶和事物進行快速查詢，通過查詢結果可以快速顯示出當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、船舶類型等相關信息，以便后期的船舶信息統計，大大提高了船舶信息統計和整理的作業效率。
?。?）空間量算。
量算功能在該系統中起著至關重要的作用，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距離、船舶靠岸安全距離，以及海上行事航線的距離等問題。
?。?）AIS船舶位置信息接入和實時展示。
為了避免船舶之間發生碰撞，系統會對同一時間在線的多條船（1000條左右）實時地檢測助航設備狀態并跟蹤，實現AIS船舶位置信息的接入并實時展示，達到安全助航的效果（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，若是采用傳統的人為駕船行駛巡航會浪費不必要人力和物力，采用該系統可以大大減少巡航時花費的時間。
?。?）模擬巡航。
通過預先設置好的巡航路線，系統可以實現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，以登船模式實現真實下海巡視的視覺效果，更具有真實效果和立體感（見圖2）。
（2）自由巡航。
通過添加巡航對象，實現自主人工控制行駛狀態，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地掌握當前海事三維情況，減少了傳統海事整體場景的檢查所帶來的諸多不便因素，節約了大量的時間，實現高效率的場景查看和整體場景監管。 2 系統創新點展示
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43萬艘次船舶進出港，其中包括200多艘次國內外郵輪、游艇和客船，1000余艘次危險品船。為了能對重點船舶進行跟蹤定位，以及對發現的可疑船舶快速獲取其實時位置以便快速派出船艇進行現場處置，保持指揮中心和現場的聯動，需要能對海上眾多船舶進行快速查詢定位。
該系統利用時空大數據技術將基礎地理信息、船舶數據、氣象數據等各類海事監管所需的業務數據和AIS動態實時數據進行整合，實現對同一時間在線的海量船舶（1000條左右）實時讀取其位置信息和相關信息，實時顯示在系統中。該系統能對海上的眾多船舶進行快速查詢，顯示出當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、船舶類型等相關信息，以便后期的船舶信息統計，也可以對目標船舶和特定地物點進行精確的坐標查詢。
通過系統實現的對海量船舶的快速查詢定位，大大提高了船舶信息統計和整理的作業效率，方便海事管理部門對某些特殊船舶和地物點坐標信息進行掌握和了解，以此能夠在第一時間確定事故船舶具體船位，大大提高海事管理部門海事監管的效率。
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，若是采用傳統的人為駕船行駛巡航會浪費不必要人力和物力。傳統的AIS系統只能展示船舶的位置與朝向，無法直觀動態地展示船舶當前航行的路線與速度。
上海海事三維電子巡航系統利用城市級高精度三維地理信息數據以及新建的船舶部件、海上景物等場景，基于復雜三維場景高性能渲染技術，通過實時對接船舶的AIS信號，對同一時間在線的多條船（1000條左右）實時讀取船舶位置信息和相關信息，實時在三維場景中加載對應大小與類型的船舶模型，實現了在三維場景中動態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，僅2h就可以完成一次完整的黃浦江轄區智能巡航，大大提高了船艇巡航效率，提升了上海海事局轄區水域水上交通管理智能化水平。
3 結語
上海海事局三維AIS系統為海事管理決策人員和相關人員提供了直觀、系統、逼真的三維海事場景，能查詢海事目標的空間位置和屬性信息，可以對海事三維場景中的目標距離等進行量算，還可以模擬巡邏艦視角進行江上巡航，有力地輔助了海事部門對眾多船舶的監管。該系統投入運行以來運行穩定，在進博會期間為黃浦江海事動態監管提供了有力支撐，進一步提高了上海港水上交通安全監管、現場搜救協調和快速反應能力，提升了上海海事局轄區水域水上交通管理智能化水平。
參考文獻
[1] 樓永進.提高水上巡航的有效性[J].水運管理，2008（5）：29-32.
[2] 葉紅玲.海事系統全面推行電子巡航[J].中國水運，2015（2）：80.
[3] 張曉瑩.天津轄區海事電子巡航現狀及改進對策研究[D].天津大學，2017.
[4] 李江，張帆.有痕管理無打擾服務——長江海事局開展電子巡航紀實[J].中國海事，2015（4）：26-29.
[5] 占真，劉克中，何正偉，等.基于Google Earth的多源海事信息三維發布方法[J].上海海事大學學報，2012，33（4）：11-14.
[6] 李彩霞，馮朝陽，宋元，等.融合AIS的數字航道三維可視化系統[J].中國航海，2015，38（1）：85-89.
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