电子海图的交互设计与水文气象数据的信息融合技术研究

摘要

随着经济全球化的高速发展，海洋经济也日益突飞猛进，伴随而来的是海上船舶运输行业的蓬勃发展。船舶航行在海上，航行安全对于船舶驾驶人员来说始终是放在首位的。电子海图显示与信息系统(ECDIS)在船舶航行中起着不可替代的作用。随着计算机和电子科技迅猛发展，ECDIS在提高和完善基本功能的基础上，不断叠加融合其他辅助导航信息。在满足高效准确性的要求下，电子海图的功能体系日趋完善和丰富。
　　海洋水文气象数据信息作为船舶航行安全的重要参考信息，其在电子海图上的表达方式，直接影响着船舶驾驶人员对于海洋水文气象环境的解读，并影响使用的准确性和难易程度。本文利用科学计算可视化的手段，将大规模的海洋水文气象数据信息可视化为图形图像，从而以直观的形式呈现出来，然后再将生成好的海洋水文气象信息图形图像融合到电子海图中。通过这种科学可视化图形图像的方式，使得海洋水文气象数据更加直观方便地服务于船舶航行导航中。
　　本文在7Cs公司研发的电子海图SDK基础上，利用Qt图形用户界面应用程序开发框架，基于MVC架构，从软件工程的角度，开发集成和实现电子海图基本功能模块。在此基础上，对多源异构海洋水文气象数据进行预处理，然后进行科学计算可视化生成图形图像，并最终融合到电子海图中。本论文将从以下三个方面进行探讨和论述:
　　1)电子海图系统总体交互的设计和实现
　　基于MVC架构和面向对象的设计理念，在电子海图显示与信息系统中，设计电子海图相关模型与用户视图界面之间的交互方法。通过设计中间控制器基类，将模型与视图连接起来，然后将电子海图系统中的所有功能进行合并和归类，并设计成不同的控制器子类。控制器的设计采用单件模式，通过不同功能类和操作状态的切换，完成电子海图相关模型与用户界面之间的交互响应，有效地解决了系统功能较多，操作相互重叠以及输入输出相对频繁的应用问题。
　　2)电子海图系统融合海洋水文气象数据信息可视化的技术研究与实现
　　电子海图系统基本功能的开发借助于第三方的电子海图SDK，海洋水文气象数据可视化图形图像是基于OpenGL渲染管线进行渲染绘制的。为了解决电子海图与数据可视化之间底层渲染绘制不兼容的问题，故借助软件工程中软件重用的思想，在应用层上，借助数字图像融合处理技术，通过位图图像在设备上下文之间的拷贝以及融合处理，从而将两者的渲染效果叠加到一块，电子海图与海洋水文气象数据信息可视化之间的融合问题最终得到解决。
　　3)电子海图与等值线、彩色剖面、矢量箭头以及卫星云图等可视化效果的融合
　　根据海洋水文气象数据的种类和要素的不同，针对标量数据采用等值线或者彩色剖面的算法，矢量数据采用矢量箭头的方法，分别进行可视化渲染绘制，并融合到电子海图系统中。此外对卫星云图数据进行可视化，且一并实现融合处理，从而丰富和扩展了电子海图系统的功能以及海洋水文气象数据信息在电子海图中的表现方式。
　　通过对电子海图系统从软件交互设计到基本功能开发，再到与海洋水文气象数据科学计算可视化图形图像的融合，使得电子海图系统的功能不断提高和完善，使得船舶驾驶人员对于海洋水文气象数据信息的利用更加容易、直观和准确。同时信息融合技术的研究和实现，为以后电子海图融合其他更加复杂的可视化效果提供了参考和借鉴。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 交互设计研究现状

1．2．2 电子海图与海洋水文气象数据可视化融合的研究现状

1．3 研究目的和意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究意义

1．4 论文组织结构

2．相关理论和技术

2．1 交互设计相关理论

2．1．1 MVC架构模式

2．1．2 Qt图形用户界面应用程序开发框架

2．2 电子海图相关理论和技术

2．2．1 电子海图分类、组成和基本功能

2．2．2 电子海图标准和规范

2．2．3 电子海图投影

2．3 水文气象数据可视化相关理论和技术

2．3．1 水文气象信息数据转换器(MD-Builder)

2．3．2 水文气象数据可视化方法介绍

3．电子海图的交互设计与实现

3．1 需求分析和功能列表

3．2 电子海图SDK简介

3．3 具体交互设计与实现

4．电子海图与水文气象数据的信息融合技术研究和实现

4．1 电子海图与传统水文气象信息可视化融合技术的研究和实现

4．2 电子海图与卫星云图可视化的融合技术研究与实现

4．3 电子海图与台风路径可视化的融合技术研究与实现

5．电子海图与水文气象数据融合效果展示

5．1 电子海图与传统海洋水文气象信息可视化的融合效果展示

5．1．1 海洋水文气象标量场数据可视化效果

5．1．2 海洋水文气象矢量场可视化效果

5．2 电子海图与卫星云图可视化的融合效果展示

5．3 电子海图与台风路径可视化的融合效果展示

6．总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果