基于GIS与虚拟现实技术的三维电子海图生成方法

摘要

本发明提供一种基于GIS与虚拟现实技术的三维电子海图生成方法，建立三维地形模型；建立专题数据库模型；建立水面模型及水流数值模拟模型；建立船舶模型数据库模块；将三维地形模型、专题数据库模型、水面模型及水流数值模拟模型、船舶模型数据库模块的模拟计算结果关联融合，对各类数据综合显示，构建虚拟现实场景；通过模型分析和空间计算，为船舶导航提供服务。本发明用于构建可应用于实船生产实践的三维电子海图，为驾驶员提供一个直观、逼真的决策环境，提高航运的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于船舶导航领域，尤其是一种基于GIS与虚拟现实技术的三维电子海图生成方 法。

背景技术

近年来，随着GPS/GIS/GSM技术、船舶自动识别系统(AIS)、电子海图显示与信息系 统(ECDIS)等技术的发展，我国涉海机构陆续开展了基于虚拟现实的三维电子海图的开发 工作，取得了一定成果。然而，我国目前在三维电子海图系统开发方面仍然存在着如下不足： ①水下地形、流场数值、航标配布等大多单独进行仿真，综合显示能力弱，且大多停留在演 示阶段；②重在仿真，未能有效集成GIS的模型分析与空间分析功能，因而缺乏科学的定量 分析；③大多数是在国外相关系统上进行二次开发，缺乏自主知识产权，系统的维护和升级 都存在一定问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于GIS与虚拟现实技术的三维电子海图生成方 法，为驾驶员提供一个直观、逼真的决策环境，提高航运的安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于GIS与虚拟现实技术的三维 电子海图生成方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、建立三维地形模型：

基于GIS与3dsMax，以高度真实感的三维地理场景为基础，利用不规则网格模型的方 法建立海/河床DEM，并完成海/河床DEM与陆地DEM的拼接；

S2、建立专题数据库模型：

根据调研数据对场景区域的视景建模，还原真实、逼真的地形地貌、航标及人工建筑物；

S3、建立水面模型及水流数值模拟模型：

用固定项与扰动项两部分来表示水面实时水位，其中固定项是深度基准面，扰动项包括 潮汐部分和非潮汐部分；采用基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型进行潮汐预报，进 而求得瞬时水面的深度信息；

水流数值模拟模型基于航道CAD图、实测流量、水位和比降信息，建立质量守恒连续方 程和动量守恒运动方程，对航道流场进行数值模拟；

S4、建立船舶模型数据库模块

以AIS的串口数据为输入，通过解析AIS原始报文中的船舶要素信息，对船舶模型数据 库的模型进行查询匹配；

S5、建立关联可视化模块

将三维地形模型、专题数据库模型、水面模型及水流数值模拟模型、船舶模型数据库模 块的模拟计算结果关联融合，对各类数据综合显示，构建虚拟现实场景；

S6、水面动态船舶信息显示

通过模型分析和空间计算，为船与海/河床、船与船之间的碰撞提供预警信息；

通过对AIS输入的原始报文进行解析，获取周围船舶的要素信息，对周围船舶的运动态 势在虚拟现实场景中予以显示，同时叠加上与安全决策相关的船舶动态和静态信息。

按上述方案，所述的S1采用分层构建实体模型的策略，构建完成各层次实体模型后再组 合集成；对水域范围内涉及到的实体模型仿真分为三个层次：①航标、代表船型，无论是几 何建模还是纹理贴图全部采用精细的方式制作；②桥梁、码头、船舶、沿岸标志性建筑物， 保持几何样式和纹理特征；③陆上其他地物，只表示其大致轮廓和几何形态。

按上述方案，所述的S3航道流场由水流连续性方程和水流运动方程组成：

水流连续性方程：

$\frac{\partial z}{\partial t}+\frac{\partial \left[u(z+h)\right]}{\partial x}+\frac{\partial \left[v(z+h)\right]}{\partial y}=0---\left(1\right)$

水流运动方程：

$\frac{\partial u}{\partial t}+u\frac{\partial u}{\partial x}+v\frac{\partial u}{\partial y}=fv-g\frac{\partial z}{\partial x}-g\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{c^2(z+h)}+{\xi }_x{▿}^{2}u+\frac{{\tau }_x}{(z+h)\rho }---\left(2\right)$

$\frac{\partial v}{\partial t}+u\frac{\partial v}{\partial x}+v\frac{\partial v}{\partial y}=-fu-g\frac{\partial z}{\partial y}-g\frac{v\sqrt{u^2+v^2}}{c^2(z+h)}+{\xi }_y{▿}^{2}v+\frac{{\tau }_y}{(z+h)\rho }---\left(3\right)$

其中：u,v(x,y,t)—x,y方向上的流速；z—水位；H—实际水深，H＝h+z，h为图示 水深；g—重力加速度；ξ_x,ξ_y—紊动粘性系数；f—柯氏力系数。

本发明的有益效果为：在本发明中，三维地理场景模拟、数值流场仿真和船舶动态数据 是为驾驶员提供辅助决策信息、为海事部门提供水面交通管理信息、为航道部门提供航道分 析评价信息等应用的基础；通过利用先进的计算机模拟仿真技术对船舶航行水域的地理、水 文进行三维仿真和数值计算，直观形象地揭示航道的地理环境、水流、水位等与航行安全息 息相关的船舶驾驶参考信息；通过运用GIS的模型分析和空间分析功能以及通过对AIS报文 解析，为船舶前方、侧向、底部安全距离预警，为船舶驾驶员在航行水流条件复杂、航道尺 度不利情况下提供辅助决策，从而提高航运安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程框图。

图2为本发明一实施例的水下及沿岸地形一体化构建的流程。

图3为本发明一实施例的水面动态船舶三维仿真显示模块结构图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于GIS与虚拟现实技术的三维电子海图生成方法，如图1所示，它包 括以下步骤：

S1、建立三维地形模型：

基于GIS与3dsMax，以高度真实感的三维地理场景为基础，利用不规则网格模型的方 法建立海/河床DEM，并完成海/河床DEM与陆地DEM的拼接；

S2、建立专题数据库模型：

根据调研数据对场景区域的视景建模，还原真实、逼真的地形地貌、航标及人工建筑物；

S3、建立水面模型及水流数值模拟模型：

用固定项与扰动项两部分来表示水面实时水位，其中固定项是深度基准面，扰动项包括 潮汐部分和非潮汐部分；采用基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型进行潮汐预报，进 而求得瞬时水面的深度信息；

水流数值模拟模型基于航道CAD图、实测流量、水位和比降信息，建立质量守恒连续方 程和动量守恒运动方程，对航道流场进行数值模拟；

S4、建立船舶模型数据库模块

以AIS的串口数据为输入，通过解析AIS原始报文中的船舶要素信息，对船舶模型数据 库的模型进行查询匹配；

S5、建立关联可视化模块

将三维地形模型、专题数据库模型、水面模型及水流数值模拟模型、船舶模型数据库模 块的模拟计算结果关联融合，对各类数据综合显示，构建虚拟现实场景；

S6、水面动态船舶信息显示

通过模型分析和空间计算，为船与海/河床、船与船之间的碰撞提供预警信息；

通过对AIS输入的原始报文进行解析，获取周围船舶的要素信息，对周围船舶的运动态 势在虚拟现实场景中予以显示，同时叠加上与安全决策相关的船舶动态和静态信息。

如图1所示，三维地形模型模块通过对DEM数据源采集、电子海图水深数据提取、正 射影像和纹理处理，利用不规则网格模型的方法实现水下地形及其沿岸地形的一体化生成。 专题数据库模型模块通过有效地管理实现三维实体模型、组成模型的元件及其纹理的快速入 库、删除、查询、匹配等管理操作。水流数值模拟模块是基于航道CAD图、实测流量、水位、 比降等信息，建立质量守恒连续方程和动量守恒运动方程，对航道流场进行数值模拟。AIS 报文解析及船舶模型数据库模块以AIS的串口数据为输入，通过解析AIS原始报文中的船舶 要素信息，对船舶模型数据库的模型进行查询匹配。关联可视化模块将三维地形模型、专题 数据模型、数值流场模型、船舶模型等模拟计算结果关联融合，对各类数据综合显示，构建 虚拟现实场景。三维航道显示与查询平台模块对关联可视化的结果叠加相关属性、控制和决 策辅助信息，并予以显示和提供查询操作。场景漫游模块可设置手动漫游、自动漫游、鹰眼 导航三种模式。交互查询模块在实时浏览的基础上，可进行地形信息与专题属性查询。航道 分析模块具备船舶通航分析、浅点自动识别与报警等专题分析功能。

图2为本发明一实施例的水下及沿岸地形一体化构建的流程图，图3为本发明一实施例 的水面动态船舶三维仿真显示模块结构图。

1、GIS与3dsMax集成下的三维地理场景构建。

三维电子海图系统是以高度真实感的三维地理场景为基础的。本发明首先利用不规则网 格模型的方法建立海(河)床DEM，并完成海(河)床DEM与陆地DEM的拼接；其次根 据调研数据对场景区域的视景建模，还原真实、逼真的地形地貌、航标及人工建筑物。

水下地形及其沿岸地形的一体化生成的关键因素就是要首先统一水下地形及陆地地形数 据的坐标框架。在统一的框架下，模型的构建就和一般地形模型的构建一致，从而可以应用 一般地形模型的构建方法。水下及沿岸地形一体化构建的流程如图2所示。坐标转换模块为 了实现地形数据的统一性，将建模区域内可能存在的彼此不能兼容的各个坐标系统，统一转 换成全球坐标系统WGS84。基准统一模块将WGS84参考椭球面作为统一的垂直基准面，实 现数据的统一性。TIN三角网生成模块采用Bowyer-Watson算法构建基于不规则网格的DEM 模型。

为了提高场景浏览的实时性，同时不显著影响视景的逼真效果，采用分层构建实体模型 的策略，构建完成各层次实体模型后再组合集成。对试验水域范围内涉及到的实体模型仿真 分为三个层次：①航标、代表船型，无论是几何建模还是纹理贴图全部采用精细的方式制作； ②桥梁、码头、船舶、沿岸标志性建筑物，保持几何样式和纹理特征；③陆上其他地物，只 需粗略制作，表示其大致轮廓和几何形态，不需要非常精确的纹理细节。

2、水面建模。

海面因为受风浪、潮汐等影响，每时每刻都在变化。为计算海面实时水位，可用固定项 与扰动项两部分来表示。固定项是深度基准面，扰动项包括潮汐部分和非潮汐部分。

I(t)＝G(t)+r(t)

式中：I(t)表示瞬时海面；G(t)表示海面固定项；r(t)表示海面扰动项。

船舶在实际航行中，为了保证安全一般保守地采用深度基准面表示海面实时水位。而对 于一些水深限制区域内乘潮航行的船舶等情况，瞬时海面的深度信息有非常重要的实际意义。 获取瞬时海面深度主要有两种方法：一是利用GPS精密定位实时获取瞬时海面的大地高，然 后根据已知的海底地形大地高推算瞬时海面的深度信息；二是建立海洋潮汐预报模型，通过 计算得到瞬时海面的深度信息。本发明采用基于潮汐表数据同化的天文潮数值预报模型进行 潮汐预报，进而求得瞬时海面的深度信息。

3、水流数值模拟。

目前，工程河段局部水位、流速和流场形态变化主要采用平面二维数学模型进行较为细 致地计算，其基本方程由水流连续性方程和水流运动方程组成：

水流连续性方程：

$\frac{\partial z}{\partial t}+\frac{\partial \left[u(z+h)\right]}{\partial x}+\frac{\partial \left[v(z+h)\right]}{\partial y}=0---\left(1\right),$

水流运动方程：

$\frac{\partial u}{\partial t}+u\frac{\partial u}{\partial x}+v\frac{\partial u}{\partial y}=fv-g\frac{\partial z}{\partial x}-g\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{c^2(z+h)}+{\xi }_x{▿}^{2}u+\frac{{\tau }_x}{(z+h)\rho }---\left(2\right),$

$\frac{\partial v}{\partial t}+u\frac{\partial v}{\partial x}+v\frac{\partial v}{\partial y}=-fu-g\frac{\partial z}{\partial y}-g\frac{v\sqrt{u^2+v^2}}{c^2(z+h)}+{\xi }_y{▿}^{2}v+\frac{{\tau }_y}{(z+h)\rho }---\left(3\right),$

其中：u,v(x,y,t)—x,y方向上的流速；z—水位；H—实际水深(H＝h+z，h为图示 水深)；g—重力加速度；ξ_x,ξ_y—紊动粘性系数；f—柯氏力系数。

航道水流数值模拟是基于航道CAD图、实测流量、水位、比降等数据信息。其模拟计 算成果可以导入确定区域的三维航行仿真场景，支持实时交互查询，以便于船舶驾驶员准确 判断主流、缓流和回流，识别推压流、吸入流、漩水等船舶航行风险，及时制定安全航行方 针。

水流数值模型通过对苏通大桥上下游全长约4km的范围进行计算，以及与实测流速进行 比对，结果表明本水流数值模型具有较高的精度，完全满足系统应用的要求。

4、水面动态船舶信息显示。

水面动态船舶信息显示系统充分利用水下地貌、水面水文气象和水上运动船舶态势等各 类要素信息，通过模型分析和空间计算，为船与海(河)床、船与船之间的碰撞提供预警信 息，有效保障船舶的航行安全。

系统通过对AIS输入的原始报文进行解析，获取周围船舶的要素信息，对周围船舶的运 动态势在虚拟仿真三维航行环境中予以显示，同时叠加上与安全决策息息相关的船舶动态和 静态信息。水面动态船舶三维仿真显示模块结构如图3所示。

该三维电子海图系统围绕三维航行环境的虚拟仿真与可视化，在三维仿真航行环境下提 供一系列完整的功能服务，主要功能包括：助航标志、特征地物景观显示；航行船舶前方、 侧向、底部安全距离预警；不同场景模式(晴天、阴天、雨天、雪天)切换；根据需要显示、 分析船舶前方水下地形；船舶航行方向、速度显示；预定航线显示；船舶航行轨迹备份等。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能 够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发 明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。