海陆融合地图及多种船位聚合模式的应用研究

于文武 阴惠义

【摘要】以提高船位监控软件的可视化效果和直观性为目的，围绕海陆融合地图显示和船位的多种聚合显示模式进行应用研究，提出可行的技术实现方案。通过本文的研究内容，可使船位监控软件在渔业信息化方面有所提高，使之能更好地服务于渔业管理部门。

【关键词】海陆融合 船位聚合 船位监控 渔业信息化

我国目前已经基本实现海上作业渔船的动态监控，近海渔船监控主要依靠船载防避碰系统，而中远海渔船主要依靠北斗卫星导航系统。全国各主要沿海省市均建立了渔船船位监控系统，通过软件可实时监控渔船动态，进行安全管理和紧急救助，并初步完成了渔船的多系统（定位、导航及通讯系统）数据整合。

在各省市当前使用的船位监控软件中，一般使用IHO s-57数据标准和IHO s-52显示标准进行海图显示，并在图上叠加显示船舶的实时位置，使用户可以直观的了解所管辖船舶的动态，便于进行进一步的指挥管理或数据统计。

但随着信息化技术的进步和管理要求的提高，原有船位显示方案存在以下不足，已不能很好满足使用者的要求，表现在以下几个方面：

（1）随着人、船、港三位一体监控体系的建立，单纯海图暴露出陆地元素缺失，与主流陆图难以兼容等弊端;

（2）多系统整合程度的加深及同海区渔船数据共享等因素导致监控船舶对象数量的增加，原有方案采取的逐一船位叠加方式，无法满足显示性能、监控层次等多方面的要求;

（3）原有方案未建立全面、合理且具备高扩展性的总体显示方案，船位叠加方式简单，也未作相关优化。

为解决上述问题，本文从GIS引擎升级及聚合显示方案设计两方面入手，介绍了辽宁新一代船位监控软件与船位显示功能相关的应用情况，提出了海陆图融合显示船位及多种船位聚合模式的研究思路。

一、研究概述

（一）必要性分析

（1）提高地图显示效果、丰富地图显示元素。改变海图显示陆上元素缺失的现状，通过升级支持海陆融合地图的GIS引擎，满足海上和陆上元素兼顾的显示需求。

（2）提高船位显示效率。改变任何比例尺均显示具体船位的做法，采用小比例尺下船位聚合的显示方案，优化显示效率，提高承载能力。

（3）建立多种船位聚合显示模式，增加显示的直观性。通过设计实现渔区聚合、动态聚合及热力图显示模式，完善船位显示的整体策略，增加显示的直观性，对重要信息进行突出展示。

本文提出的GIS引擎升级和聚合显示方案具有积极意义，适应了渔船监管需求的精细化，从显示效果、系统承载能力、直观性及扩展性等多个方面提高了船位监控软件的信息化水平，为渔业管理工作提供了便利。

（二）实现目标

GIS引擎支持海陆图融合显示;支持按渔区渔船分布聚合显示船位的模式;支持按渔船分布密度自动聚合显示船位的模式;支持按渔船分布密度显示船位热力图的模式。以上功能均在辽宁船位监控软件上实现。

二、应用实现

（一）海陆图融合显示

船位监控软件需要使用电子海图显示系统（在本文中也称为GIS引擎），为保证数据准确，海图数据选用了海军航保部出版的IHO s-63/S-57标准电子海图数据，符合s-52显示规范。在支持标准海图显示的基础上，GIS引擎还支持海陆图融合显示功能，包括五种模式，可在界面上自由切换。通过海陆图融合显示，可展现更丰富的港口及岸上地理信息数据，满足渔船、渔港、观测站、基站、岸上加工企业及其他涉渔单位的综合监控需要。

五种海陆图融合显示模式包括：海图单独显示;街道图单独显示：卫星图单独显示;街道图与海图无缝拼接显示;卫星图与海图无缝拼接显示。

下图以海图单独显示、街道图与海图无缝拼接显示及卫星图与海图无缝拼接显示为例，展示了海图融合地图的显示效果。

海图与陆图可做到无缝拼接，海图与陆图的交界处平滑过渡，文字显示完整。对于面积较小的岛屿显示街道图效果不美观的问题，可通过面积过滤机制，将面积较小的岛屿指定为海图显示。

（二）渔区聚合模式

当船位监控数量达到一定规模（如20000以上）时，如采用逐一显示船位的方法，则在较小海图比例尺下会出现船位图标相互叠加和遮挡的现象，不但无法聚焦到具体船舶，也对GIS引擎的显示效率带来较大影响，严重时可造成软件卡顿或崩溃。为解决这一问题，可采用船位聚合显示的模式，渔区聚合模式便是其中的一种。参照小渔区与标准渔区1：9的尺寸比例，可实现不同比例尺下的多级渔区聚合，通过计算可直接在渔区网格内标注当前渔区内的船位总数，并使用渐变背景代表船位密度。渔区聚合模式的使用，不但可以提高显示效率，还具备统计信息的直观表现能力，可令管理用户非常直观的看到各渔区内的船位数量，及时掌握海上渔船态势。

（三）动态聚合模式

除去渔区聚合，还可以基于空间船位密度进行动态点聚合显示。点聚合又称点聚类，是地图综合的其中一种方法，主要解决地图中点要素很多时候的表示困难的问题。点聚合可以用少量的点或图标来表示地图中的所有点，让地图显示更清晰明朗。本文提出的点聚合方案是基于K均值法的方格距离兼顾算法。

该聚合算法初始时没有任何已知聚合点，然后对每个点进行迭代，计算一个点的外包正方形，若此点的外包正方形与现有的聚合点的外包正方形不相交，则新建聚合点（区别于前面基于直接距离的算法，这里不是计算点与点问的距离，而是计算一个点的外包正方形，正方形的变长由用户指定或程序设置一个默认值），若相交，则把该点聚合到该聚合点中，若点与多个已知的聚合点的外包正方形相交，则计算该点到聚合点的距离，聚合到距离最近的聚合点中，如此循环，直到所有点都遍历完毕。每个缩放级别都重新遍历所有原始点要素。此方法可以算是基于方格与基于距离的算法的一个结合算法。

（四）热力图模式

热力图模式本质上也是船位聚合的一种方式，但与按区域进行聚合的方式不同，热力图更偏向表现宏观态势。船位热力图使用渐变颜色表现区域船舶分布的密度，结合时间因子，可在一段时间内展现船位分布的动态变化。

（五）详细船位显示模式

当海图比例尺放大到一定程度，用户的关注点已经完成从宏观态势信息到具体船舶的转移，此时不再适宜继续使用聚合显示方式，而应该使用传统的详细船位显示方式。此时，详细船位信息包括船名号信息、航速航向特征信息及與用户显示设置相关联的船舶筛选条件。用户可聚焦到某具体船舶进行更多信息的查询或进行指挥调度。

（六）船位显示模式的切换

本文提到的各种船位聚合显示模式可自由切换，以侧重不同场景下的关注重点。另外根据海图比例尺的变化，船位监控软件可实现船位聚合显示和船位详细显示的自动切换，为用户使用提供了便利性。

海陆融合地图结合船位聚合/详细显示为渔船动态监控提供了体系化解决方案，根据不同使用场景和关注点的不同，用户可在海陆图显示模式和船位显示模式两大维度进行组合式选择，相对于原有船位监控软件提升了显示效果、显示效率和自由度。

三、结束语

本文从优化原有船位监控软件的海图及船位显示效果出发，基于渔船监管工作的管理需求，提出了海陆融合地图显示和多种船位聚合模式的设计思路，并结合新一代辽宁船位监控软件进行了应用研究。通过实践验证，海陆融合地图的使用和多种船位聚合模式的建立，能有效提高船位监控的可视化水平，直观表现渔船作业态势，从而提高管理工作的效率，使辽宁船位监控软件能更好地为渔业管理服务。