随着我国交通运输事业的发展和重大港航工程项目的建设,港口水域船舶密度迅速增加。多数港口拟建项目投资巨大,一旦发生重大事故,直接和间接损失不可估量。因此,对拟建港口与航道项目进行通航安全评估论证日趋重要。
在运用船舶操纵模拟器进行实时船舶通航模拟试验后,可对试验结果进行数据分析,这不仅增强船舶通航的安全性,预先估计航行风险,降低工程实验费用,还可以优化航道工程设计,提高港口的经济效益和竞争力,挖掘港口泊位的潜力,充分利用港口的实际靠泊能力。快速的通航模拟论证通常采用二维单机模拟系统进行,该系统由电子海图系统和船舶运动仿真控制系统两部分组成,操作人员面对二维图像,使用键盘进行车、舵控制,操作方法简单直观,可多机同时模拟不同工况下的船舶航行操作,缩短有关项目的研究周期。
要完成上述模拟试验,制作拟建工程的电子海图数据是非常重要的一步。本文就如何利用现有的各种海图数据源和工程设计数据,开发了一套结构合理且能快速生成电子海图数据的技术流程。
1港航设计论证对电子海图数据的要求
港航设计论证的内容主要包括:
1.论证航道的的船舶通航能力,即在一定的水文气象条件(风、流、浪)下设计航道的宽度、水深和航标布置等参数能否满足设计船型安全通航要求。这一步主要通过在船舶操纵模拟器上进行模拟试验获得通航船舶航迹带宽度和失控漂移轨迹等数据。
2.论证港口泊位的靠、离泊能力,即在一定的水文气象条件下设计码头前沿回旋水域的尺寸和水深,能否满足设计船型靠、离泊调头要求,通过模拟试验获得船舶靠、离泊和调头所需的水域尺度。
运用于港航论证的船舶操纵模拟系统应具有大比例尺的电子海图数据,而且要求海图数据结构合理,且高精度显示。根据港航安全论证的特点,要求电子海图数据必须包括下列内容:
1)陆地与岛屿;
2)已有和拟建的码头、船坞和桥梁等设施;
3)干出滩、水深点、等深线和底质;
4)航道、锚地、警戒区和海底管线;
5)碍航物;
6)助导航设备;
7)注记、海流和潮汐资料。
电子海图数据库要求具有良好的兼容性和多次开发性,能够转换标准的电子海图数据结构,方便转换工程设计图纸数据,这样既可以缩短电子海图数据制作周期、提高效率、降低成本,又可以保证数据的可靠性、可维护性、可移植性和可扩充性。同时,电子海图数据库要便于检索、逻辑清晰,算法优化、数据处理迅速,具有分层次结构。
2电子海图数据的来源分析
港航设计论证通常是对拟建的或在设计阶段的工程进行论证,这些水域没有现成的标注详细的海图。在论证中只能根据已有的只能提供该水域粗略概况的海图,并结合工程设计图纸,经过海图数据新增和改正重新编辑,绘制函论证水域的新海图。电子海图的来源途径主要包括现有的纸海图、S-57格式的电子海图、MVCF(MilitaryVectorChartFormat)格式的电子海图、CAD(ComputerAidedDesign)工程设计图以及该区域的卫星遥感图像等。对于已有的电子海图数据,需要进行相应的格式转换,把标准的电子海图数据转换为系统格式数据;而对于纸海图、卫星图像和CAD设计图等则需要进行数字化处理,由光栅图片转换成矢量海图数据。
2.1S-57数据格式S-57格式
是现今最流行的电子海图数据格式国际标准[6-8]。为了转换实地的测量信息,S-57数据格式采用分层逼近的方式,产生的模型被转换成被命名的结构。通常,参与模型交换的物标不止一个,因而采取由一个物标构成一个记录,一个交换集由多个记录构成的数据结构。为了方便,将数据记录组成文件,最后交换的信息集被称作交换集。
S-57中定义了一个能建成交换集的记录集合,这些记录能分成5种类型:数据集描述记录,目录记录,数据字典记录,特征记录和空间记录。
目前,中国海事电子海图数据中心已经制作完成二百多幅标准电子海图数据,覆盖全国大部分海域。
2.2MVCF数据格式
MVCF格式是中国出版的数字海图矢量数据交换标准,它是一种简单无拓扑关系的地理数据模型,支持快速显示和数据编辑能力;支持索引文件,数据结构简洁;支持点、线、面要素和文字注记操作,因而支持全要素海图数据的交换;属性支持,要素的属性存贮在dBASE格式文件中,每个属性记录与要素记录一一对应。
MVCF文件以图幅为单位组织,采用目录结构,目录名即为数字海图的编号,由标识符加图号组成。它由元数据文件、图形文件、索引文件和属性文件等4种文件组成。其中,图形文件为直接存取的可变长记录文件,记录了海图要素的坐标位置数据;索引文件记录描述了对应的图形文件记录相对于图形文件开始点的偏移量;属性文件为dBASE表文件结构,记录了海图要素的属性。图形文件记录与属性文件记录通过记录号一一对应。
2.3CAD工程设计图
一般的工程设计都采用AutoCAD软件来设计图纸,设计图中包括水域和陆域的所有设计,特别是新建的工程如新造码头、船坞、桥梁、航道和航标等,同时它还包含岸上港区、船厂布置、岸线等设计数据,这些项目是港航论证的主要对象。然而,在码头或者航道、桥梁等论证项目中,与水域条件有关的数据才是论证所需要的,所以在绘制电子海图时不必直接对整个港口设计的CAD数据文件进行转换,这样就可以避免很多冗余的信息。
国内设计图的坐标一般都使用BJ-1954坐标系,它跟电子海图系统采用的WGS-84坐标的转换比较复杂[9]。将CAD设计图中的数据打印成JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)图片的方式,经过数字化处理方式,把需要的数据进行矢量化操作,只需提取新建的码头、船坞、回旋水域、航道和航标等,提高了数据生成速度。
2.4卫星遥感图像
卫星遥感技术是获取海岸带资源、环境和灾害等信息的高新技术手段,卫星遥感图像具有大尺度、快速、同步、高频度动态观测和节省资金的特点。随着遥感和计算机技术的快速发展,卫星遥感技术将在很大程度上取代人工勘测,成为数字海图数据采集和更新的重要数据来源。对于某些海图资料稀少的水域,利用高分辨率的卫星遥感图像,是一种非常经济实用制作电子海图的途径。通过数字化处理卫星图片,可以获取论证水域岸线、码头泊位、建筑等数据。
3系统电子海图数据结构的设计
在综合分析典型电子海图数据格式的基础上,为满足港航设计论证的要求,设计了一套合理的系统电子海图数据结构标准SENC(SystemElectronicNauticalChart),以便于海图信息的存储、转换、更新和维护,同时又有利于系统的快速显示。
SENC数据结构定义使用一个文件来表示一幅海图,每个文件包括图幅数据和图形数据。图幅数据位于每幅海图文件的头600个字节数据,记录每幅图的控制信息,由25个数据项组成,以二进制文件方式保存。图形数据为直接存取的可变长记录,记录了各个海图图层的数据,每层数据包含一个108字节的头数据和可变长度的记录,记录数和记录类型保存在头数据里。每个记录又有记录头和记录数据组成,根据记录类型的不同而不同。具体数据结构如图1所示。
图幅信息包括海图的名称、范围、比例尺、坐标系等信息,可以根据这些信息进行海图检索,实现海图自动漫游和无缝拼接。为方便数据筛选,以及后期数据整合、删除等维护工作,对图形数据进行分层处理显示。
4电子海图数据生成技术
4.1海图显示坐标及转换
纸质海图经过数字化处理显示在计算机屏幕上,需要将墨卡托投影坐标变换为计算机屏幕坐标,在电子海图上进行海图作业时需要将屏幕坐标转换为地理坐标,在电子海图实时显示及操作中,各类坐标的变换计算会影响系统性能。
为了便于快速显示,电子海图数据文件存储的点集合的经纬度坐标,经度用“分”表示,纬度用“纬度渐长率”表示。这样在计算机屏幕显示海图时,把各点地理坐标转换屏幕坐标时,就略去了大量的纬度渐长率计算过程,提高了显示速度。
在电子海图显示系统中,在北向上时以电子海图的左下角确定为坐标原点O,OY轴向上,OX轴向右,建立显示坐标系。定义一个地理坐标基准点和对应一个屏幕坐标基准点,假设地理坐标基准点记为M0(φ0,λ0),屏幕坐标基准点记为P0(y0,x0),再定义一个比例尺记为f,表示地理坐标纬度渐长率和屏幕像素的比例,那么任意一点地理坐标和屏幕坐标转换有下列式子:
反之,屏幕坐标转换成地理坐标也容易求出。
在电子海图进行海图放大、缩小、移动操作时,通过以上方法进行坐标之间的快速转换后,就可以在计算机屏幕上显示海图数据。同时,使用屏幕裁剪算法对海图数据进行筛选。将显示在屏幕中的海图数据先进行判断是否显示,如果在屏幕范围外,则不进行处理,这样大大提高了海图显示速度。
在电子海图系统中,地理位置是通过经纬度坐标确定的,即地理坐标用度、分、秒表示,其中纬度和纬度渐长率之间可以按相应的算法相互转换。
4.2海图数据转换流程
进行港航工程设计论证时,设计部门提供的只是工程的CAD设计图,那么对于附近岸形和航道等数据,就要通过另外途径获取。经上述分析可知,这些数据源包括:纸海图、S-57格式数据、MVCF格式数据、遥感卫星图像和CAD工程设计图等资料。它们主要分为数字海图和光栅图片两种,对于数字海图,即需要编写数据转换程序,来转换S-57格式数据和MVCF格式数据;而纸海图、遥感卫星图像和CAD工程设计图则需要进行数字化处理;最终把所有的数据整合在一幅电子海图文件中,作为模拟系统使用。本文设计了一套数据生成流程图(如图2所示)。
4.3光栅图片数字化方法
海图数据生成流程中的一个环节就是海图数字化技术,即把光栅图片通过相应的设备和软件进行数字化转换成矢量数据。使用数字化仪进行矢量化海图的方法是利用数字化仪设备,配套电子海图数据采集软件一起使用,将图形的连续模拟量转换为离散的数字量,也就是把海图光栅信息转换成矢量数据。这种方法依赖外接数字化仪,一张海图同时只能在一台机器上处理,生成方法复杂,数据后期修改不便,制作海图数据周期长,无法满足研究周期短的项目要求。
开发了基于PC机的电子海图编辑系统,使用鼠标和软件交互的方法数字化光栅图片。首先对于一张光栅海图,确定它的控制点经纬度,也就是左下(SW)和右上(NE)点坐标,这个坐标在纸张图上或卫星遥感图片上均可以直接获得。在控制点坐标确定的后,就可以把光栅图片显示在电子海图编辑系统中,再使用鼠标对海图上的点、线和面信息进行手工采集,系统自动转换鼠标的屏幕坐标为地理坐标,保存在数据文件中
由于采用海图信息分层保存和显示,所以可以同时在多台计算机上进行数字化编辑,最后把所有的数据整合在一起即可。这样可以大大提高海图的生成速度,缩短了开发周期。而且对于海图信息可以任意添加、删除和改正,数据维护方便。具体软件界面如图3所示。
对于CAD设计图,需要先打印成JPEG图片,再使用图像处理软件叠加到底图上,JPEG图片需要等比例缩放。首先要使图片与底图基本重合,然后在数字化系统中量取码头长度或者调头区尺寸,与CAD设计图上尺寸进行比较,算出差别比例。第二步重复叠加图片步骤,根据比例调整JPEG图片。直至两者尺寸一致,最终合成的图片就可以作为数字化底图使用。在数字化操作时,只需选取码头、船坞、新增岸线、回旋水域、航道线,以及锚地、航标、水深和注记等信息。
4.4水深数据生成方法
港航安全论证中,水深资料是非常重要的参数,航道或者回旋水域的设计水深应该能保证船舶拥有足够的富裕水深。设计方提供的CAD设计图上包含实测水深数据,当然水深也可以按上述的数字化方法获取,但对于大量的水深点,手工输入工作量较大。本文采用数据转换的方法获取,先把CAD设计图的＊.dwg格式文件输出为＊.dxf格式文本文件,再用指定的算法把其中的水深点提取出来,保存为一系列的点集合,把每个水深点用P(x,y,z)表示,其中x和y表示平面坐标,z表示水深值,最终经过一系列的坐标转换变成为电子海图水深数据。
对于没有进行实测的水域,其水深点可以从现有海图中获取。转换现有的S-57格式数据或者MVCF格式数据,S-57数据中水深点标示为SG3D数据集中,而MVCF中的专门有水深图层储存水深点数据。在电子海图编辑系统中,可使用鼠标进行增加、删除和修改水深数据。根据现有水深点数据,使用神经网络进行差值计算[10],可以在模拟试验时,实时检测船舶周围的水深,判断航道水深是否满足安全要求。
4.5不同数据融合及改正方法
为了保证电子海图数据的可维护性,在设计海图数据结构时采用分层处理,根据海图信息的不同性质,分为点物标、线物标和面物标。比如水深、航标、岸上标志等都归为点物标,岸线、等深线、等高线以及海底电缆等归为线物标,陆地、岛屿和码头等归为面物标。由于数据结构采用固定长度的图幅数据和可变长度的图层数据,所以可以任意整合多幅海图。本文提出两种方法:
1)把附加图的图层数据直接加在底图的图层数据后面,同时调整底图的图幅数据,这样附加图就会覆盖住底图,图层数量相加;
2)附加图的图层数据和底图的图层数据根据图层索引号对应合成,总的图层数量不变,图层显示顺序不变。
为了维护海图数据,开发了电子海图编辑系统,在编辑点、线、面物标时,采用鼠标就可以完成点集合的添加、改正、删除等操作以及属性的编辑。在进行海图数据制作时,多台计算机可以同步操作,生成的数据最后组合在一起,提高海图数据制作效率。
5结语
船舶操纵模拟器应用于港航设计论证已经是目前通航安全研究热点之一,而电子海图数据是模拟试验的基础,由上述方法生成的电子海图数据,可以应用于二维船舶操纵模拟系统中。电子海图数据也是大型船舶操纵模拟器系统中模拟雷达回波数据的来源,以及三维视景的岸形、码头建筑和地形等数据生成的基础。本文研究的方法可以使所有海图数据的精度完全一致,保证模拟试验结果具有可信度。本文提出的电子海图数据生成方法,具有生成周期快,数据精确度高的优点,已应用于“洋山深水港区进港航道船舶航行模拟试验”等一百多个工程模拟论证项目中,取得了较好的经济效益和应用效果。
