（计算机科学与技术专业论文）基于gis的ais内河船舶监控系统的开发研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在历史长河中，内河航运这种古老的运输方式，孕育了中华民族千年的文 明与富足。我国具有丰富的内河航运资源，流域总里程4 3 万多公里，大小湖泊 9 0 0 多个。内河航运是一种运能大、占地少、能耗小、污染轻的绿色运输方式。 但由于各种原因，相较于陆路、海运等交通运输方式，内河航运发展十分缓慢。 如今在国家大力提倡“资源节约、环境友好发展的契机下，内河航运的发展 迎来了它的黄金时代。 为了大力提高内河的运输效率和航运安全，众多研究者将智能交通的思想 应用到内河航运中，并将智能化的船舶监控系统的开发作为提高内河航运效率 的重要手段。由于内河船舶监控系统的研究才刚刚起步，如何利用信息技术、 计算机技术和船舶技术等高新技术研制一套能真正意义上促进航运管理、航运 船舶和环境的各大要素有机联系的智能交通运输系统是一个值得研究的课 题。本着这个目标，作者进行了基于g i s 的内河船舶监控系统的研究。 本文首先从g i s 、a i s 和开发工具三个方面对系统开发所使用的技术作了 简单地介绍。然后分别对s 5 7 和s h a p e 两种地图的格式和数据结构进行了分 析，并描述了从s 5 7 格式转换到s h a p e 格式的算法及实现过程。接下来，从 船位信息的接收、解析、存储和显示等几个方面，描述了船位信息在地图上 可视化的流程。最后是本文的系统设计和实现部分。它从系统的总体设计入 手，介绍了系统的工作原理、网络结构和功能组成，然后介绍了系统的数据 库的设计，最后对系统的主要功能模块进行了详细设计。 关键词：g i s ，a i s ，a r c g i s ，船舶监控，s - 5 7 ，s h 印e ，格式转换，船舶显示 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i ll l i s t o r y t 1 1 ei n l 锄ds l l i p p i n g 也i s 锄c i e n tm o d e o f 锨m s p o n ，g a v eb i r c l lt 0t l l e c 1 1 i n e s ey e a r so fc i v i l i z a t i o n 锄dw e a l m c l l i n ah 弱r i c h 豫的u r c 鼹o fr i v 萌s l l i p p i n 吕 t h et o t a ll 饥g lo f n 贼e 也觚4 3 0 0 0 0k m ，m o 坞t l l 趾9 0 0l a l ( 髂h l l a n ds h i p p i n gi sa g r e e i lm o d eo f 仃 m s p o r t 、) l ，_ h i c hh 雒al 鹕et r 锄s p o r tc 印a c i t y ，s m a l l 如o t p n t ，l o w e 嚼，c 0 姒姗p t i o na n dl i g h tp o l l 砸。董1 b u tf o rs o m e 溅略o l l c o m p a r e d 谢t l ll 觚d 雒d s 铭仃a n s p o r tm e a 邶，n l ed e v e l o p i i l e n to fi 1 1 l a l l dw a t e r 位l i 辫 o r ti sv e 巧s l o w t b d a x t l l e c o 啪仃y h a s s 仃0 i 堪y a d v o c a t e d ”r e s o u r c e s a 谪曝即啊r o 衄t - 衔胁d l y 竹 d e v e l o p m e n to p p o m l l l i t i 伪，w l l i c hh 嬲b r o u g h tt h e9 0 l d 饥a g et 0m ed e v e l o p m 胁to f i l l l a n dw a t e r 仃a n s p o r t h lo r d e rt o 黟e a t l yi i i l p r o v ct h ee 伍c i e i l c yo f 瑚觚d 吮l s p o r ta n dm 撕t i m es a f e 坝 am h n b c ro fr e s e 础e r sh a sa p p l i e di n t e l l i g e n t 位a i l s p o r t a t i o nt 0i i l l a n ds h j p p i n 舀赳l d t a k e i lt l l en e l l i g e n ts h i pc o n 缸o ls y s t 锄嬲觚i m p o r t 趾tm e a 璐t oi m p r 0 v ei n j 锄d w a t e r 仃a n s p o r te 伍c i e n c y a st l l ei i d a n dv e s s e lm o m t o r i n gs y s t e mh 嬲j u s ts t a r t o 也 h o wt 0u s ei i l f o 肌a t i o nt e c ： l l l o l o g y c 0 棚p m e rt e c h n o l o g y 锄ds h i pt e d m o l o g yt 0 d e v e l o p eam o l l i t o r i n gs y s t 咖w “c hc 趾仃u l yp r o m o t et l l eo r g a i l i cl i i l l 【o f 廿l em 旬0 r e l 锄c l 】峪o ft 1 1 es 1 1 i p p i n gm a i l a g e m t ，s b j p p i n gv 锱s e l s 柚dm e 钮i r o 姗e n ti sa w o m l y 姗y w i t l lt l l i so b j e c t i v e ，m ea u t h o rm a d ear e s e a r c ho nag i s b 嬲e d m o i l i t o d n gs y s t 锄f o ri i l l a n dv i 暑s s e l s f i r s t l y ，舫mm e u e ea s p e c t so fg i s ，a i s 姐dd e v e l o p m e n tt i d o l s ，s y s t e i i l d e v e l o p m e n tt e c l l l l i q u e su s e da r es i m p l yi n 仃o d u c e d t h e nt 、) l ，ok i n d so fm a pf 0 锄a t ( s 一5 7a i l ds h a p e ) a r ed e s 耐b e d ，i n c l u d i n gt l l e6 l ef o 肌a ta 1 1 dd a t as 咖c t u r e t l l e f 0 肌a tc o n v e r s i o n 舶ms - 5 7t os h 印e ，硫l u d i n gm et 础s f 0 肌a t i o na l g o r i t h i n 锄d i m p l 锄e n t a t i o np r o c e s ，i si r n r o d u c e ds u b s e q u e i l t l y n e x t ，廿l ev i s u a l i z a t i o np r o c e s so f t h es h i p sp o s i t i o ni sd e s c 曲c d 舶ms 洲a s p e c t so ft h ea i si n f i o 肌a t i o nr e c 印t i o n ， a l l a l y s i s ，s t o r a g e 觚dd i s p l a y f i n a l l y ，t 1 1 es y s t e md e s i 伊a n di m p l e m e i l t a t i o no fm i s p a r ta r ei n 仃o d u c e d ，ht h i sp a r t ，t l l e 、v o r l ( i n gp r i n c i p l e ，t h en e t w o r ks 饥l c t u r ea l l d 血n c t i o no fc o m p o s i t i o na r ee x p l a i n e df i r s t l y ，a n dt h e l lm ed e s i 盟o fm ed a t a b a l s e f i n a l l yt 1 1 ed e s i g no fm em a i n c t i o na r es t a t e di nd 醣a i l i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o n v e r s i o n ，s h i pd i s p l a y a r c g i s ，v e s s e lm o n i t o r i i 强s 一5 7 ，s h a p e f 0 锄a t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：j 型擎日期：冽。s 廖 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：f 材翠导师( 签名) z 蟛日期沈f o f 话 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的与意义 第1 章绪论 我国的交通运输业在经济腾飞的带动下得到了迅猛发展，内河航运也日益 繁忙。我国有着丰富的水域资源，河流总数将近6 0 0 0 条，流域总长4 0 多万公里， 为发展内河航运提供了优越的自然条件。水路运输有着运量大、运费低、投资 省、占地少、能耗低、安全性高等优势，成为了现代工业化时代经济环保型运 输的首选。但由于我国原材料和能源分布不平衡，内河航运相对陆路、海路运 输发展较为缓慢，它的优势没有得到充分的发挥。 目前，我国的内河航运还停留在以经验为主的阶段。面对目前船舶高速化、 大型化以及船舶运输密度大所带来的内河交通安全和环境的威胁和挑战，经验 航运的方式已经无法应付复杂的船舶管理和交通事故的分析。为了提高内河航 运的效率，加快国家交通运输的现代化进程，长航局等相关部门借鉴了海事运 输的现代化管理方法，在内河航运中引进了智能交通运输系统的概念。 智能交通运输系统( i t s ) 是一种面向交通运输的服务系统。它集成了先进 的通信技术等多种高新技术【l 】。它对交通运输的高效、安全起到了重大的作用。 智能交通运输系统是目前全球交通领域的一个研究热门。它采用各种新兴技术 对传统的运输系统进行深入的改造，从而提高系统资源的使用效率和安全性。 研究数据表明，内河运输货物的能量消耗仅相当于铁路的6 9 、公路的1 6 【z 】。 水运交通的低碳优势无疑给资源消耗的减少和环境污染的防护带来了福音。 船舶监控系统的意义主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 可以实时地监控船舶的航行。对违反航行规则的船只发出警报，避免 碰撞或触礁事故的发生，提高航运安全。 ( 2 ) 发生碰撞事故后，相关部门根据调看事故发生前的航行记录，锁定事 故发生区域，及时组织救援工作，从而减少人员伤亡和财产损失。并能通过调 用历史记录，锁定肇事船只，追究事故相关责任。 ( 3 ) 根据装置在航标上的智能设备记录的历史信息，相关部门可以锁定碰 撞航标的违规船只，为事故追踪提供有利证据【3 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 早于上世纪9 0 年代，美国总统签署了美国海洋行动计划。文件里涵盖 了美国内河航运的相关研究和建设计划。为了响应这一计划，美国很多学者开 始了内河智能化航运的研究。国内学者k e y s e r 和w i l e y 提出了自动识别系统的交 通仿真模型，是船舶自动识别系统( 灿s ) 的雏形【3 1 。然后德国m i c h a e ls e i f e r t 在其文章中提出了将g i s 应用到内河航运中的建设性意见。鉴于船舶监控系统的 日趋成熟，瑞典的s 心公司开发了基于灿s 的船舶监控系统，并在全球范围内 得到广泛认同【4 】。随后几年，西方各国都开展了对船舶信息化监控的研究，这意 味着船舶智能监控系统作为一个新学科在国际范围内已经开始走向成熟。 相对国外，我国内河航运的信息化程度还比较低。全国内河航运的主航道 尚有一半以上未达到规划标准。河道多以经验运输和传统管理的方式为主，水 系干道的信息化级别存在很大差距，难以实现大吨位船舶的直达运输。近年来， 我国智能交通运输系统迅速发展，在船舶航行、城市交通等方面都已经得到了 广泛的应用。 相对于公路和铁路，河道运输是一种低能耗、环保型的运输方式。在全球 环保行动的呼吁下，国内很多研究者从内河航运智能化的需求入里手，从内 河航运的作用、船舶的发展和管理、交通管理和内河运输体制改革等多个方 面对内河运输的经济、技术和管理等问题进行了分析和探讨。张鹭、唐安慧等 根据海运v t s ( 船舶交通服务) 技术水平的发展，提出了内河智能交通系统的 概念【5 】。论文中提出了研制内河智能运输系统的三个关键技术：无线通信、船 舶定位、电子河图显示与信息系统。这对我国发展智能化的内河航运系统提 出了较好的建议。廖杰祥、王宗彦两人结合重庆市内河航运存在的问题，从 河道运输的具体情况出发，开发水上监控系统，并投入使用【6 】。 虽然内河航运的智能化的思想已经被提出并有一定程度的应用，但至今 为止，国内外都还没有一套完整的能真正意义上促进航运管理、航运船舶和 环境的各大要素有机联系的智能交通系统。但从前面的研究知道，内河航运 的智能化有助于提高河道运输的安全性，更好地利用水域资源，降低环境的 污染。因此如何将现代高新技术充分有效地利用到内河航运中是一个值得研 究的课题。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文的主要研究内容和组织结构 1 3 1 论文的主要研究内容 本系统结合了g i s 、a i s 、计算机和通信技术，设计开发了内河航运船舶的 实时监控系统，也是内河智能交通思想的一个应用。 本文在g i s 平台上开发了基于a i s 的船舶监控系统，实现了船位信息的动态 实时显示，船舶航行的历史回放、船舶航行报警等功能。本文从如下几个方面 做了深入研究： a ) 深入地剖析了s 5 7 和s h a p e 两种地图的格式，并设计实现了从s 5 7 海 图向s h a p e 格式的转换。 b ) 详细地介绍了船位信息从接收到显示的全部流程。文章从a i s 信息的接 收、解析、存储到显示都做了较为详细的说明。 c ) 在前面两个研究点的基础上，设计并实现了船舶监控系统。 1 3 2 论文的组织结构 本文共分为6 章，每章的内容如下： 第l 章绪论。介绍了本课题的研究目的、意义及国内外研究的现状。最后 介绍了本文的主要研究工作和组织结构，提出了本文的研究重点。 第2 章介绍了系统研究的相关技术。首先介绍了g i s 的概念、开发模式、 开发软件等。然后介绍了a i s 的结构、原理等。最后介绍了系统开发工具 觚e n 西n e ，对觚e n 西n e 的主要概念、组成以及开发方法进行了简单的介绍。 第3 章介绍了s 一5 7 海图向s h a p e 格式的转换。首先介绍了s 一5 7 的模型、 数据的组织结构。然后介绍了待转换格式s h a p e 三种主要文件的结构。最后较 详细地描述了两种格式的转换算法，并实现了两种地图格式的转换。 第4 章介绍了船位信息在地图上的可视化的实现过程。首先介绍了a i s 信息的数据结构。然后对a i s 信息的接收、解析、存储和显示作了详细的介绍。 第5 章船舶监控系统的设计与实现。介绍了整个系统的框架设计、数据库 设计。然后对几个主要系统功能的实现进行了详细的描述。 第6 章总结和展望。总结了作者在设计和开发本系统过程中的经验和体 会。并对系统开发中出现的问题和继续要完成的工作作了说明。最后对进一步 的研究方向作了展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 1g i s 简介 2 1 1g i s 的概念 第2 章系统相关技术介绍 地理信息系统( g e o g 嘲虹ch l ：i o ns y s t e m ，简称g i s ) 这一术语在1 9 6 3 年 被提出后，从2 0 世纪6 0 年代开始，g i s 开始迅速发展起来。关于g i s 的定义，不 同的领域、专家、研究方向有各自不同的理解。综合地看，它是一门在计算机 软硬件系统的支持下，结合图形学和数据库技术来分析、存储和处理空间数据 的交叉学科【7 1 。 在g i s 中，具有相同或相似属性的地物一般放在一个图层中，而多个图层叠 加构成一个内容丰富的地图【引。 g i s 可以按照很多种方法来分类，按照研究对象可以分为全球性和区域性的； 按照功能可以分为工具型和应用型的；按照研究对象的内容和性质可以分为综 合性和专题性的；按照数据结构可以分为矢量型、栅格型和混合型的【8 1 。 2 1 2g i s 的组件开发模式 目前g i s 软件的开发分为三种模式：完全的自主开发、单纯的二次开发和组 件开发。 完全自主开发不依赖任何g i s 工具软件。从地理数据的收集、数据组织结构 的设计、存储和算法的设计，到选用一种专业程序设计语言开发应用程序都是 由开发人员独立完成【9 】。这种开发模式独立性强，成本低。但开发周期长，对系 统的设计和编程人员的专业水平要求比较高。而且这类软件的功能和稳定性往 往难以与现有的成熟的的g i s 系统相媲美。 单纯的二次开发是指使用很多g i s 平台软件都提供了可供二次开发的脚本 语言，如觚v i e w 提供的a v e i l u e 语言等。这类语言属于解释型的高级宏语言， 语法简单，不用编译，运行效率高【1 0 1 。但是因为脚本语言的规则差异很大，给 开发者增加了学习新语言的负担。而且，这种语言移植性差，受开发平台的影 响，不能脱离原有系统单独运行。 4 武汉理工大学硕士学位论文 目前使用较多的是g i s 组件开发技术。这种开发模式是指开发人员在传统可 视化软件平台上集成了g i s 软件( 如觚g i s 、m a p i n f 0 等) 提供的建立在o c x 基础上的g i s 组件进行的开尉1 0 1 。这种开发模式能大大降低开发成本，缩短周 期，提高系统性能。本文所研究的系统也是采用这种模式。 目前基于组件的g i s 开发工具很多，国外的有枷i s 、a r c h 南、删e w 、 s m a l l w o d d 、g e 0 m e d i a 等。国内的有g c 0 s t a f 、t o p m a p 、m a p g i s 等。本文 采用的是觚g i s 的觚o b j e c t 组件【1 1 】。 2 1 3g i s 的应用 地理信息系统在最近3 0 年内取得了惊人的发展，主要应用于：林业和农业 的资源管理、交通信息服务和管理、城市规划中的资源配置和规划、土地信息 系统和地籍管理、生态和环境领域的现状分析和数据模拟、洪水和地震等重大 事故时的应急响应等【1 2 】。目前，g i s 已经涉足到水利电力、市政工程、邮电通讯、 交通运输、军事公安、医疗保健等几乎所有领域。目前，g i s 应用研究正在不断 深入，从早期的制图和空间数据管理到现在现在的热门研究空间模拟，g i s 的 研究具有很强大的生命力【l 3 1 。 2 2 触s 简介 2 2 1a i s 的概念及基本组成结构 船舶自动识别系统( 加l t o m a t i ci d c l l t i 丘c a t i o ns y s t e m ，简称越s 系统) 是一 种船载自动应答系统【1 3 】。它是一种集网络技术、计算机技术和通讯技术为一体 的新型船舶导航设备。灿s 采用船舶全球唯一的船舶编码m m s i 编码来作为船舶 的唯一标识。 该系统是由船载设备和岸台设备组成【1 3 1 。船载设备和岸台设备主要由发送 设备和接收设备组成。发送设备可以自动连续播发船舶的各种信息，包括呼号、 船名、位置、航行速度等信息。接收设备可以对这些信息进行接收。此外， 岸台设备还能向船舶发送气象广播、危险报警等信息【。 2 2 2a i s 的工作原理 m s 采用自组织时分多址s o t d m a 技术实现岸与船、船与船之间的通信 5 武汉理工大学硕士学位论文 【1 4 1 。s o t d m a 是在t d m a 基础上发展起来的一套通信协议。它具有1 分钟的信 道帧长，并被划分为2 2 5 0 个固定的时间间隙。一帧包含一组时隙。s o t d m a 采 用的是预约时隙的方式【1 5 】。每个用户可以自己选择时隙发送电文。时隙的选择 可以由所有移动站台自主完成。 越s 数据链路上的每一帧与协调世界时u t c ( u 1 1 i v e r s a lt i m ec o o r d i i l a t e d ) 的每一分钟同步【1 5 1 。其主要时间来源是g p s 时间。越s 采用混合定时技术。它 使用4 种方法来产生对u t c 时间的估计。按使用的优先次序依次是直接与u t c 同步、间接与u 1 c 同步、与岸台同步、与一个移动台同步【1 6 】。 灿s 采用高级数据链路控制( h d l c ) 协议。协议采用数据包的形式进行发 送【1 6 】。数据包长度为2 5 6 比特，由加载时间、同步序列、开始标志、数据包等 七个部分组成。 灿s 采用自组织连续模式、指配模式和轮询模式三种工作模式。其中越s 的 默认模式是自组织连续模式。船舶使用这种模式能自动解决与其信号在发射时 间上的冲突，自行确定发送时间。指配模式是由各个国家交管监控中心指定信 息发送的时间的工作模式。轮询模式是指船舶自动响应来自于其它船舶或交管 部门的问询。它不与前两种模式相冲突旧。 s 系统工作的原理可以简单概括：在船与船、船和基站之间自动交换从船 舶传感器输入的动态、静态、安全以及与航行相关的数据。 2 2 3a i s 的主要功能 a i s 系统的主要功能包括： 1 系统可以在无人工控制的情况下，自动连续地向基站和其他船舶发送包含 船舶呼号、船名、船舶位置、船舶类型、航行速度等信息【1 7 】； 2 系统能接收来自基站和其它船舶发送的信息； 3 识别船只、检测和跟踪船舶； 4 与基站设备交换相关数据； 5 通过与基站和相关海事部门交流信息，避免碰撞发生。 2 2 4a i s 对航运的影响 ( 1 ) 对航行避碰的影响 系统可以根据船舶动态数据、专家分析等信息生成的避碰方案。驾驶员可 6 武汉理工大学硕士学位论文 以通过查询避碰方案，修改船舶的航行计划，实现安全行驶【1 8 1 。 ( 2 ) 对航标管理的影响 浮标、灯标等航标由于受水流的影响容易移位或漂浮【1 9 】。而航标一旦不在 原来的位置就会给船舶定位带来困难，并易引发船舶搁浅、触礁等事故。装有 a i s 设备的航标相当于一艘虚拟的船舶。即使在灯光熄灭的时候，也能使同样装 有m s 的船舶检测到它的存在并报警，从而使船舶提前做好绕行准备，避免碰 撞的发生【1 9 】。即使航标被碰撞，也可以通过调查其址s 系统中的记录，找到肇事 船舶，从而追究其责任。 ( 3 ) 发布气象等安全信息，提高航行安全 a i s 系统能向航行船舶发布包含风速、水位、风向、水流流速等气象信息， 对船舶出行和航行提供安全预警【2 0 】。 ( 4 ) 对海事管理的影响 当海上发生事故时，趾s 系统监控中心能根据出事船舶历史信息等一系列有 价值的数据排查确定船舶当前的可能位置，并组织搜救【2 们。这样避免了盲目打 捞，给搜救赢得了宝贵的时间。当船舶发生碰撞，海事部门可以调出船舶历史 信息，通过系统的历史回放功能，分析锁定肇事船舶，提高执法效率。 2 3 心c e n g i n e 2 3 1a r c o b j e c t s 目前使用较多的集成g i s 开发方法是g i s 组件开发技术。组件技术具有面向 对象、语言无关等特性。组件技术把g i s 的各个功能模块分成多个组件。每个 组件完成不同的功能，用户可以根据系统的需求安装不同的组件【2 。各个组件 之间可以通过可视化开发工具集成起来，组建成一个完整的系统。 觚o b e c t s ( 简称a o ) 是基于c o m 技术开发的一套组件对象剿2 。它提 供了几乎全部的底层g i s 功能，为地理信息系统的二次开发提供了全面、开放的 技术框架和开发标准，为开发者提供了一个灵活、扩展的开发平台。它是目前 使用最为广泛的一种g i s 组件技术。 到心c g i s9 0 发布之前，觚c i b j e c t s 都不能独立进行g i s 开发，而必须捆绑 在购买的觚g i s 的任何一款产品的开发包中。到了觚g i s9 o 开始，e s r i 公司 推出了觚e n 西n e 。它由一组核心的a o 组件包组成。其对象与语言平台无关， 7 武汉理工大学硕士学位论文 使得觚o b j e c t s 可以作为独立的产品进行发布和使用【捌。 a o 主要包括了1 1 个控件、2 0 多个组件库、1 5 0 0 多个类、1 6 0 0 多个接口， 3 0 0 0 多个对象【2 l 】。a o 对象有三种类：a b s t r a 砒d 鹤s ( 抽象类) 、d 嬲s ( 可实例化类) 和c o c l a 豁( 可创建类) 。a b s 劬l c td a s s 只能做基类，不能直接创 建对象，但可以用来派生其它类。c l a s s 可在开发环境中直接定义并实例化。 c o d 弱s 不能直接创建新对象，但是可以作为其他对象的属性或其它类的方法来 创建【2 2 1 。三种类的关系如下图2 1 所示： 实例化 图2 1觚0 b j e c t s 中类之间的关系 a o 能支持栅格和矢量两种数据格式。支持的矢量数据格式包括：b m p 、 j p e g 、t f 等。支持的栅格数据包括：s h a p c f i l 骼、a r c s d el a y e r s 等【2 3 1 。a o 支持通过微软的o d b c 规范访问外部数据库。 简单地说，a o 组件可以实现的系统功能如下： ( 1 ) 空间数据的显示、查询、分析和修改。 ( 2 ) 专题图生成和分析。 ( 3 ) 空间数据库管理【2 3 1 。 g i s 中的数据是以图层的形式放入地图对象中的。多个图层的叠加就构成了 一幅内容丰富的地图。在a o 中，相同类型的地理数据一般可以放入地图的同一 个图层上。l a y 研对象是作为一个数据的“中介而非“容器 存在的。这是 因为它本身并没有装载数据，而仅仅只是获得了数据的引用而已。它是用来管 理数据源的连接【2 4 1 。在觚o b j e c t s 中，地理数据始终是存放在空间数据库 d a t a b a s e 或地理文件中的。由于地理数据格式的多样性，因而图层类拥有众 多的子类，它们使用相同的方法来操作各种不同类型的数据源。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 觚e n 西n e 的概念和组成 a r c e n 百n e 是一个可以将g i s 功能嵌入到应用程序中的完整的组建类库【2 5 】。 它包含了构建觚g i s 产品删i e w 、觚i n 如的所有核心组件。 觚e n 西n e 能支持多种语言，包括c o m 、c + + 、j a v a 和n e t 框架。并能在 w i n d o w s 、u i 血等多种系统平台上开发。觚e n 西n e 提供了2 1 个组件对象库， 其中有图形库、制图库、三维分析库等【2 5 1 。 觚e 姆n e 组件开发平台由两个部分组成：运行时觚e n 咖er l m t i m e 、软 件工具包a r c e 姆n ed e v e l o p e rk n ，分别用于程序的部署和开射2 6 】。 ( 1 ) 运行时： 为用户定制个性化的a r c g i s 应用程序提供运行环境，它包含了的a o 的核 心组件，提供所有a r c g i s 程序的所需的核心功制2 6 1 。 ( 2 ) 软件工具包： 软件工具包是一个基于组件的开发产品。它主要由三部分组成：控件、工 具条和对象库【2 7 1 。 控件：是觚g i s 用户界面的组成部分。开发人员可以将控件嵌入到应用程 序中使用。常用的控件有m 印c o i 蜘l 、t o c c o i n r o l 等。地图的导入和对地图的 基本操作等功能都可以使用这些控件完成。 工具条：觚e n g i i l e 提供了一组可以用来和地理数据进行交互的工具【2 5 】。常 用的工具有：地图浏览、选择、点击查询等。这些工具在程序界面上以可视化 的控件的形式显示。 对象库：是可编程的a o 组件的集合。它包括了图形库、符号库、g e o d a t a b 勰e 等一系列库。这些对象库支持开发g i s 软件的所有功能。 2 3 3a r c e n 西n e 的功能 觚e n 百n e 能实现的功能主要包括： ( 1 ) 显示多个图层叠加的地图。 ( 2 ) 地图浏览。 ( 3 ) 查找地图中的元素。 ( 4 ) 绘制几何元素。 ( 5 ) 点击地图的点、线、面要素选择地理元素。 ( 6 ) 渲染点、线、面元素。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 动态显示实时数据信息( 韧。 2 3 4 a r c e n g i 眦的二次开发方法 由于a 0 是基于c o m 技术开发出的组件式g i s 开发产品，因此可以选择自己 熟悉的支持c 0 m 标准的开发平台来进行g i s 应用开发，如：v i s u 以c + + 、 v i 蛐岫lb a s i c 、n e t 等，另外也可以在a r 娟l s 上使用v b a 环境进行二次开发删。 通常来说，觚e n g k c 的开发框架如下图2 - 2 所示： 应用软件开发环境i ，v b 、o h 、j - v “- “i z + 一 接口 l一 托g i s 陆g i 曲： 包音丈量 r o 嘶j t b 组件、k t i v 靠控件、 m e t 的宙件控件和j 盯a b 叫m m 支持 图2 2a r c e n 舯e 的开发框架 在系统安装了a r c e n g i 矾工具包后，开发者就可以开始g l s 的开发过程了 下面以v c + + 矗o 为例，简单介绍下a m e n 罂二次开发的过程。 ( 1 ) 添加地图控件： 日日l 口口口j 口口口日口e j z 啊 $ ”t ! t 口口e h _ b w “ 】_ 瓯i i 面! 五i 丽目i i i i j 1 | ， i p m c 脚 n r i 目h q 蛸r 脚e 岫d l 嘣 首先，在v c & 0 中新建一个h 佰c 项目，然后在项目对话框中右击属性，选 择h l s 酣a c t i v e x c 删。在接下来出现的对话框中选择e s r l m 印c o n 曲l ，对 一 妇一 一 竺霉 骂 爹 武汉理工大学硕士学位论文 话框中就会显示该控件。 ( 2 ) 载入地图数据： 然后查看并修改e s r l m 叩c o n 的l 的属性( 如下图) ，选择c 劬l 页，在 m a p d o 伽t 项中选择一个m x d 啦t ，p n l f 文件，即要载入的地图数据。 ，j 目口口e 黜：1 j ”一l q i l 1 o i 篇；， - i 印；菪1 r = z ：j z 日 f i # e 7 j l 。 ；_ z _ i i m 回 日i 一r = j i r 。1 也可以通过选择m a p 贞( 如下凹) 直接将地图图层的信息直接添加到控件 中。 地圈数据载入成功后，保存修改，编译程序。运行后可以看到一个简单显示 地图的程序了( 如下图) 。 鬟e 叠j趔到 2 4 本章小结 本章主要介绍了船舶监控系统开发中使用的技术。首先介绍了地理信息系统 一 武汉理工大学硕士学位论文 的定义、分类和目前使用最为流行的地理信息系统开发模式和工具，还对地理 信息系统在各个领域的应用作了简单的介绍。接下，本章又介绍了船舶自动识 别系统( m s ) 。文章首先介绍了趟s 的基本概念和组成结构，然后对工作原理 进行了较为详细地说明，最后对址s 的功能和对航运管理的影响做了说明。本章 最后一节介绍了本系统的开发软件觚e i 咖e 。首先对觚e n g i n e 中的基本组件 觚o b j 懿做了详细的说明，然后对觚e n 百n e 的概念、组成、功能都一一做了 介绍。最后用一个例子很详细地介绍了使用a r c e n g i n e 进行那个二次开发的方 法。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电子海图格式及海图格式转化 3 1 电子海图简介 在现代航运快速发展的今天，传统的纸质海图已经越来越不能满足现代航运 要求了。信息技术的发展给电子海图的发展带来了契机。电子地图有着传统纸 质地图所无法比拟的优点：它能实现船舶的实时位置、航迹、历史航程的显示， 还发出航行报警。 正是由于电子地图的这些优点，很多国家开始设计自己的海道传输标准， 如我国的c d c 标准。但随着经济、文化全球化发展程度的加深，各国对于海域 信息共享的需求也不断加大。1 9 9 7 年，m o ( 国际海道测量组织) 在其年会上 向世界各国推荐了数字海道测量数据传输标准( 简称s 5 7 标准) 【2 9 】。为了 促进海域资源的共享和海洋运输的全球化发展，m o 提出了将s 一5 7 作为生产统 一标准的电子海图的规范的建议，并得到广泛的认同【2 9 1 。事实证明，建立各国 数字化海道测量数据交换和传输标准是实现数据共享的必要手段。 本系统针对的是内河船舶的航行的监控，系统的地图自然就是电子版的江 图。但是由于内河监控发展仍然处于起步阶段，数据的各项规范还不完善，目 前并没有针对内河地图的数据交换和传输的标准。所以，现在相关部门大多都 是借鉴了s 5 7 数字海道测量数据传输标准。本系统也只考虑s 5 7 标准的地图。 3 2s 5 7 格式分析 本节将从s 5 7 的数据模型、数据结构和数据封装三个方面进行介绍。 3 2 1 数据模型 在s 一5 7 标准中，现实世界的实体是用空间描述和特征描述的混合体来表 示的【姗。空间描述和特征描述的集合分别称为空间物标和特征物标。物标是一 些可以标识的信息组。空间物标描述了实体的几何位置信息。通常用g p s 坐标 值来描述它。它可能包含物标的一些属性描述信息，但是一定包含了几何信息 ( 即不包含实体的任何位置和形状信息) 唧j 。空间物标必须参照一个特征物标。 特征物标描述的是实体的类别、特点和性质等信息。它只含有属性信息，而不 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 包含任何的几何信息。具有相同或相似性质的物标合称为一个物标类。例如， 船舶、建筑、灯标等这些实体类型在s 一5 7 标准中被称为特征物标类。而一个特 定的实例则被称为一个特征物标，例如一艘特定的船舶。特征物标的定位取决 于它与一个或多个空间物标的关系，也可以不参照任何空间物标而独立存在 【3 1 1 。特征物标之间也可以有参照关系。但是，图3 1 描述了空间物标和特征物标 之间的关系： 图3 1 空间物标和特征物标的关系图 ( 1 ) 空间物标 空间物标是用来描述实体的空间和位置信息的。它必须包含物标的几何位 置信息，却可以不包含任何的特征属性信息。空间物标脱离了特征物标是无法 单独存在的【3 1 1 。空间物标可以分为矢量、栅格和矩阵三种类型【3 2 1 。由于s 一5 7 标准未对栅格和矩阵两种类型进行详细定义，本文只对目前使用较多的矢量类 型作介绍。 s 一5 7 只采用二维平面观察法，将现实实体划分为点、边和面。具体描述如 下： 1 ) 点：分为独立节点和连接节点两种。独立节点通常用来表示一个单独 的空间对象【3 2 1 。而连接节点通常作为边的起始端点。 2 ) 边：由两个或两个以上坐标( 或两连接点) 和内插参数定义一维空间物标 组成【3 2 1 。 3 ) 面：由一条边所包围的封闭区域组成。面的边缘除了连接点外不可与其 本身之边相交，亦不可与其它面之边相型3 2 1 。 点、边和面有以下拓扑关系： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 面包含独立点，独立点包含于面。 以边为边界包围面，面以边为边界被包围。 连接点作为边的起始点，边由连接点作为起始点。 边和面是相接的【3 3 】。 目前，s 一5 7 标准采用链接点拓扑关系来描述点、边和面的关系。下图描述 了链接点拓扑结构的模型图： 匹嘲 咖物标捕述 分类一一对多 一多对多 图3 2 链节点拓扑结构图 从上可以看出，链节点拓扑将物标看做节点和边的集合。节点和边是由一 个或多个坐标序列来描述的。节点又分为孤立节点和连接节点。边必须是以连 接节点作为其起始的端点。图中，“点表示 是指孤立节点和连接节点都是以节 点来编码【3 4 1 。“线表示 用互相连接的一系列边界和连接节点来编码；“面表示 用边组成的封闭环来编码，而组成面的边的起始点是同一个节点。通过特征和 节点、边的对应关系知道，一个节点或一条边可以用一个或多个特征来表示。 一个特征可以同时用来表示多个节点或边。 ( 2 ) 特征物标 根据s 5 7 标准的规定，见图3 2 所示，特征物标按其属性可以被分为四种： 地理物标、元物标、制图物标、集合物标【蚓： 1 ) 地理物标：用来描述真实世界中的实体特征。 2 ) 元物标：包含其它物标信息的特征物标。 3 ) 制图物标：描述真实世界实体的制图。 4 ) 集合物标：描述物标和物标之间的关系【3 4 1 。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 s 一5 7 是定义海洋空间实体的模型3 2 1 。它并不关心地理信息如何在地图上显 示，只关注如何用编码清晰、合理、完整地定义海洋实体。海图是用物标来定 义地图上显示的每一个符号【3 l 】。s 一5 7 通过一个物标类和多个不同属性值的组合 来代表一个物标。s 一5 7 共规定了1 8 0 多个通用物标类别，2 0 多个航海人员物标 类别【3 l 】。它通过近2 0 0 种通用类别属性和2 9 种航海人员类别属性可定义至少 6 0 0 0 多种物标【3 l j 。 通常的地图格式都是将物标按照点、线和面三种形式分别进行存储和管理 的。而s 一5 7 则是通过特征记录中的指定字段的编码信息来区分点、线和面的类 型。 3 2 2 数据结构 ( 1 ) 模型到数据结构的转换 s 一5 7 标准规定了将理论数据模型转换成数据结构的方式。实现二者的转化 过程是要提炼数据组成和数据内容的中的规则和约束，对其进行定义，建立相 应的数据结构【3 5 1 。s 一5 7 规定了通过将数据模型转换成现代数据库中可以识别的 记录和字段的形式来建立真实世界的抽象模型，从而实现模型到结构的转换。 s 一5 7 标准数据模型和数据结构之间的关系如下图3 3 所示： 模型数据结构 特征物标物标记录 元特征对象元特征记录 制图特征物标制图特征记录 地理特征物标 地理特征记录 集合要素物标集合要素记录 空间物标空间记录 矢量物标矢量记录 孤立节点物标孤立节点记录 连接节点物标连接节点记录 边物标边矢量记录 面物标面矢量记录 属性特征或空间属性字段 特征物标之间的关系集合特征记录或指针字段 特征，空问物标之问的关系 指针字段 图3 3 理论数据模型和数据结构之间的对应关系 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 在s 一5 7 的模型中，物标对应相应的记录或字段。如：特征物标对应特征记 录，空间物标对应空间记录。s 一5 7 的数据结构是以二进制或a s c 码实现。但 在标准电子海图的制图中，通常只采用二进制的形式【3 5 1 。 ( 2 ) 数据的封装 计算机本身是无法识别数据结构的，但可以解读封装在物理传输标准中的 数据。s 一5 7 采用了i s o i e c8 2 1 l ( 信息交换数据技术要求) 标准来封装【3 5 】。 这种标准独立于数据交换的主机或硬件平台，为不同计算机的信息交换提供了 传输标准。 i s o i e c8 2 11 是一个基于文件的交换格式【3 6 】。它的基本组成成分是逻辑记 录。文件的第一个逻辑记录叫做“数据描述记录( d d r ) ，它存储的是实际数 据的逻辑结构以及相关的描述。文件中除了数据描述记录外所有其余的部分都 叫做“数据记录f d r ) ”，里面存储了文件的实际数据。每一个逻辑记录都是由3 个基本元素组成：头标区、目次区和字段区【3 6 1 。i s o m c8 2 1l 标准封装的文 件结构图如3 - 4 所示： 罗b 雠。湖 n 辩 “i p d r