三维GIS融入海事电子巡航的应用研究
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摘 要：海事巡航工作是海事动态监管的基础，随着上海港不断建设和发展，传统巡逻艇巡航已经不能满足航运发展的新要求。该文利用城市级高精度三维地理信息数据以及新建的船舶部件等场景，将基础地理信息、船舶数据等各类海海事监管所需的业务数据和AIS动态实时数据进行整合，基于三维GIS构建上海海事局三维AIS系统，实现真三维电子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局辖区水域水上交通管理智能化水平。
关键词：三维GIS AIS 电子巡航
中图分类号：U692-39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）03（c）-0011-02
海事巡航工作是海事动态监管的基础，对保障水上交通安全具有重要意义[1]。2015年，中国海事部门计划全面推进电子巡航加强对船舶的动态监管，以减少水域安全事故发生并提高服务效率[2]。目前，GIS在电子巡航系统中的应用主要以二维GIS为主，如电子江图在中山海事局[3]、长江海事局[4]等海事部门电子巡航系统中的应用。电子江图能为电子巡航提供地理信息的可视化展示，并可作为其他系统的综合显示平台。随着三维可视化技术的发展，其在海事领域的应用逐渐得到普及和深入。占真等人[5]研究将Google Earth技术应用于海事信息领域，实现了以接近真实视觉的三维可视化形式在Google Earth上发布各类海事信息;李彩霞等人[6]提出了一种基于SOA并融合AIS的数字航道三维可视化框架，并基于OSG图形渲染引擎验证了航道三维视景仿真和AIS数据驱动的物标船三维运动仿真的可行性。但鲜有研究将三维GIS融入电子巡航中。该文研究利用三维GIS技术为电子巡航提供三维真实场景，实现真三维电子巡航，将船舶航行的动态信息实时显示在海事监管人员面前，同时能对其进行三维空间分析，有效提升海事监管和应急救助能力。
1 系统设计
1.1 系统概况
上海海事局三维AIS系统利用上海市地理信息公共服务平台中的城市级高精度三维地理信息数据以及新建的船舶部件等场景，融合AIS、GIS、WEB等技术，将海量船舶的航行状况在三维场景中动态模拟展示，实现真三维电子巡航，提高船艇巡航效率，提升上海海事局辖区水域水上交通管理智能化水平。
1.2 系统总体框架
系统在技术架构的设计上分为四层结构：系统数据、系统服务、业务应用和客户端。通过建立贯穿不同层次的标准规范制度和安全保障体系，使这四层相互联系，形成一个有机的整体。
（1）系统数据：为系统提供基本的数据服务，将2D GIS数据、3D GIS数据、地址数据、业务数据等多源数据进行编译处理，然后发布为系统可显示、搜索和分析的数据，采用数据建库技术、四叉树技术、瓦片金字塔技术等进行性能优化。
（2）系统服务：提供服务支撑，包括数据服务、搜索服务、分析服务、安全服务、数据库服务、矢量服务等，实现三维场景的高效浏览及展示。
（3）业务应用：提供三维数据服务接口，支撑海事三维管理、海事三维监督、数字海域管理等各种行业应用。
（4）客户端：为用户提供不同的客户端，通过客户端浏览以二、三维联动的展现方式来访问各种数据，进行查询、统计、分析等工作。
通过这四层架构，系统在开放性、实用性、安全性、可维护性、可扩展性、标准化和性能上达到了完美的融合。
1.3 系统功能说明
上海海事局三维AIS系统的主要功能包括了海事信息展示查询、三维电子巡航两个部分。
1.3.1 海事信息展示查询
（1）场景视点。
系统可构建三维海事相关模型，真实地还原有海事风貌，可以根据具体的业务需求，在三维场景中及时建立相关视点，能对已经建立好的视点进行快速定位。
（2）船舶查询。
系统可以对海上的众多船舶和事物进行快速查询，通过查询结果可以快速显示出当前查询船舶的主要信息，如船舶的名称编号、所有者、管理部门、船舶类型等相关信息，以便后期的船舶信息统计，大大提高了船舶信息统计和整理的作业效率。
（3）空间量算。
量算功能在该系统中起着至关重要的作用，主要包括水平距离量算、垂直距离量算、空间距离量算。借助量算功能可以解决海上船舶与船舶之间危险距离、船舶靠岸安全距离，以及海上行事航线的距离等问题。
（4）AIS船舶位置信息接入和实时展示。
为了避免船舶之间发生碰撞，系统会对同一时间在线的多条船（1000条左右）实时地检测助航设备状态并跟踪，实現AIS船舶位置信息的接入并实时展示，达到安全助航的效果（见图1）。
1.3.2 三维电子巡航
由于上海的海域船舶众多，且海域面积辽阔，船舶停靠的范围广，若是采用传统的人为驾船行驶巡航会浪费不必要人力和物力，采用该系统可以大大减少巡航时花费的时间。
（1）模拟巡航。
通过预先设置好的巡航路线，系统可以实现模拟巡逻艇视角江上巡航，定义任意船舶，能够让海事管理者在不出屋的情况下，以登船模式实现真实下海巡视的视觉效果，更具有真实效果和立体感（见图2）。
（2）自由巡航。
通过添加巡航对象，实现自主人工控制行驶状态，可通过键盘控制航行对象的行驶方向，模拟船只在水面的航行。可以及时地掌握当前海事三维情况，减少了传统海事整体场景的检查所带来的诸多不便因素，节约了大量的时间，实现高效率的场景查看和整体场景监管。 2 系統创新点展示
2.1 海量船舶的快速查询定位
上海所在海域船舶众多，且海域面积辽阔，船舶停靠的范围广。黄浦江每年有43万艘次船舶进出港，其中包括200多艘次国内外邮轮、游艇和客船，1000余艘次危险品船。为了能对重点船舶进行跟踪定位，以及对发现的可疑船舶快速获取其实时位置以便快速派出船艇进行现场处置，保持指挥中心和现场的联动，需要能对海上众多船舶进行快速查询定位。
该系统利用时空大数据技术将基础地理信息、船舶数据、气象数据等各类海事监管所需的业务数据和AIS动态实时数据进行整合，实现对同一时间在线的海量船舶（1000条左右）实时读取其位置信息和相关信息，实时显示在系统中。该系统能对海上的众多船舶进行快速查询，显示出当前查询船舶的主要信息，如船舶的名称编号、所有者、管理部门、船舶类型等相关信息，以便后期的船舶信息统计，也可以对目标船舶和特定地物点进行精确的坐标查询。
通过系统实现的对海量船舶的快速查询定位，大大提高了船舶信息统计和整理的作业效率，方便海事管理部门对某些特殊船舶和地物点坐标信息进行掌握和了解，以此能够在第一时间确定事故船舶具体船位，大大提高海事管理部门海事监管的效率。
2.2 真三维电子巡航
由于上海的海域船舶众多，且海域面积辽阔，船舶停靠的范围广，若是采用传统的人为驾船行驶巡航会浪费不必要人力和物力。传统的AIS系统只能展示船舶的位置与朝向，无法直观动态地展示船舶当前航行的路线与速度。
上海海事三维电子巡航系统利用城市级高精度三维地理信息数据以及新建的船舶部件、海上景物等场景，基于复杂三维场景高性能渲染技术，通过实时对接船舶的AIS信号，对同一时间在线的多条船（1000条左右）实时读取船舶位置信息和相关信息，实时在三维场景中加载对应大小与类型的船舶模型，实现了在三维场景中动态平滑地模拟出所有船舶航行线路。
通过真三维模拟巡航技术，仅2h就可以完成一次完整的黄浦江辖区智能巡航，大大提高了船艇巡航效率，提升了上海海事局辖区水域水上交通管理智能化水平。
3 结语
上海海事局三维AIS系统为海事管理决策人员和相关人员提供了直观、系统、逼真的三维海事场景，能查询海事目标的空间位置和属性信息，可以对海事三维场景中的目标距离等进行量算，还可以模拟巡逻舰视角进行江上巡航，有力地辅助了海事部门对众多船舶的监管。该系统投入运行以来运行稳定，在进博会期间为黄浦江海事动态监管提供了有力支撑，进一步提高了上海港水上交通安全监管、现场搜救协调和快速反应能力，提升了上海海事局辖区水域水上交通管理智能化水平。
参考文献
[1] 楼永进.提高水上巡航的有效性[J].水运管理，2008（5）：29-32.
[2] 叶红玲.海事系统全面推行电子巡航[J].中国水运，2015（2）：80.
[3] 张晓莹.天津辖区海事电子巡航现状及改进对策研究[D].天津大学，2017.
[4] 李江，张帆.有痕管理无打扰服务——长江海事局开展电子巡航纪实[J].中国海事，2015（4）：26-29.
[5] 占真，刘克中，何正伟，等.基于Google Earth的多源海事信息三维发布方法[J].上海海事大学学报，2012，33（4）：11-14.
[6] 李彩霞，冯朝阳，宋元，等.融合AIS的数字航道三维可视化系统[J].中国航海，2015，38（1）：85-89.
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