摘要：在電子海圖上疊加顯示船舶運動(dòng)軌跡對船舶航跡分析和海上事故回放具有重要意義。船舶AIS(Automatic Identification System)報文提供了一種新的船舶動(dòng)態(tài)和船舶運動(dòng)軌跡獲取方式。由于有關(guān)船舶動(dòng)態(tài)的AIS報文發(fā)送頻度較高，致使船舶運動(dòng)軌跡點(diǎn)較為密集，這種情況將會(huì )導致電子海圖系統在顯示較長(cháng)時(shí)間段船舶運動(dòng)軌跡時(shí)，速度下降，從而降低了系統的用戶(hù)友好性。利用垂距法對船舶動(dòng)態(tài)數據按照電子海圖顯示比例尺進(jìn)行分層。當電子海圖顯示比例尺較小時(shí)，僅顯示船舶運動(dòng)軌跡輪廓，而當顯示比例尺逐漸增大時(shí)，顯示海圖顯示地理范圍內更詳細的船舶運動(dòng)軌跡信息。實(shí)驗表明該方法能有效地提高船舶運動(dòng)軌跡的顯示速度。

關(guān)鍵詞：水路運輸；電子海圖；船舶運動(dòng)軌跡；自動(dòng)識別系統；矢量壓縮

在電子海圖上疊加顯示船舶運動(dòng)軌跡對船舶航跡分析和海上事故回放具有重要意義。船舶AIS(Automatic Identification System)報文提供了一種新的船舶動(dòng)態(tài)和船舶運動(dòng)軌跡獲取方式，已廣泛應用于基于電子海圖的船舶動(dòng)態(tài)管理系統中。由于有關(guān)船舶動(dòng)態(tài)的AIS，報文發(fā)送頻率較高(3s/次～6s/次)，致使船舶運動(dòng)軌跡點(diǎn)較為密集，這種情況將導致電子海圖系統在顯示較長(cháng)時(shí)間段船舶運動(dòng)軌跡時(shí)，耗時(shí)增加，從而降低了系統的用戶(hù)友好性。這種情況在一些基于C/S和B/S技術(shù)的船舶動(dòng)態(tài)管理系統尤其突出。

為了解決上述問(wèn)題，首先將電子海圖顯示比例尺自小至大劃分為若干個(gè)層次，針對每一個(gè)比例尺層次，利用矢量壓縮的方法對每一個(gè)船舶位置點(diǎn)進(jìn)行顯示判斷：如果某一船舶位置點(diǎn)在當前比例尺層次上進(jìn)行數據壓縮后仍然得以保留，則該點(diǎn)將在該比例尺層次上顯示出來(lái)。通過(guò)這一方法，當顯示比例尺較小時(shí)，顯示的地理范圍較大，僅顯示船舶運動(dòng)軌跡輪廓數據，而當比例尺層次逐漸放大時(shí)，顯示的地理范圍將越來(lái)越大，可顯示更詳細的船舶運動(dòng)軌跡數據。這樣，在不同的顯示層次上，顯示的船舶運動(dòng)軌跡數據都是適量的，因此，顯示速度可以得到有效提高。

1基于垂距法的船舶位置點(diǎn)顯示判斷方法

本文采用矢量數據壓縮方法來(lái)判斷某一船舶位置點(diǎn)在某一海圖比例尺上是否顯示。經(jīng)典的矢量數據壓縮主要有Douglas-Peucker方法、垂距法和光欄法。Douglas-Peucker方法整體壓縮效果較好，但必須在整個(gè)航跡完成后，才能進(jìn)行航跡壓縮，因此，該方法通常不能滿(mǎn)足船舶運動(dòng)軌跡壓縮的實(shí)時(shí)性要求；此外，該方法的計算量也很大。盡管垂距法的整體壓縮效果稍差，但可對航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮處理，并且計算量較小。本文采用垂距法進(jìn)行船舶運動(dòng)軌跡的壓縮處理。

設垂距法所用閾值為δ，已知3個(gè)相鄰船舶位置點(diǎn)A(λ1，φ1)，B(λ2，φ2)和C(λ3，φ3)，其中A點(diǎn)已被判明在當前閾值下，仍需顯示，則判斷B點(diǎn)在當前閾值下是否顯示的過(guò)程如下：

1.若A點(diǎn)和C點(diǎn)不重合，如圖1所示，則B點(diǎn)至AC的垂直距離d可以通過(guò)公式(1)求得。

(1)

式(1)中，

α=arcos[(λ3-λ2)(λ1-λ2)+(φ3-φ2)(φ1-φ2)/(d1×d2)]

2.若A、C兩點(diǎn)重合，如圖2所示，令：

(2)

3.若d<δ，則判斷B點(diǎn)在當前閾值下，不再顯示；若d≥δ，則B點(diǎn)需要顯示。

2船舶運動(dòng)軌跡顯示算法

利用垂距法對船舶運動(dòng)軌跡數據進(jìn)行預處理，為每一個(gè)船舶位置點(diǎn)賦予一個(gè)顯示比例尺標記。顯示比例尺越小，對應的船舶位置點(diǎn)越少。當電子海圖顯示比例尺較小時(shí)，僅疊加當前海圖顯示地理范圍內或適當放大范圍內的船舶運動(dòng)軌跡輪廓信息。當用戶(hù)逐步增加電子海圖比例尺時(shí)，將疊加顯示更詳細的船舶運動(dòng)軌跡，反之亦然。由于在此方法中，每次用戶(hù)交互，僅顯示較少數量的船舶運動(dòng)軌跡數據，保證了船舶運動(dòng)軌跡的顯示處理速度，提高了在電子海圖顯示船舶運動(dòng)軌跡的用戶(hù)友好性。具體的步驟為：

1.將電子海圖的顯示比例尺劃分為N個(gè)層次。每一個(gè)層次順序對應一個(gè)顯示比例尺范圍。N值越小，對應的顯示比例尺越小。

2.利用垂距法，對船舶運動(dòng)軌跡中每一個(gè)位置點(diǎn)按顯示比例尺層次進(jìn)行標記，以確定在某一顯示比例尺層次上該點(diǎn)是否構成船舶運動(dòng)軌跡。具體做法是：

1)為每一個(gè)顯示比例尺層次Ni賦予一個(gè)矢量數據壓縮閾值。Ni越小，該閾值越大；

2)為每一個(gè)船舶位置點(diǎn)賦予一個(gè)初始標記，起始點(diǎn)初始標記為0(意味著(zhù)在每一比例尺上，起始點(diǎn)都會(huì )顯示)，其它為N-1。

3)按照比例尺層次從大到小的順序，利用垂距法和每一顯示比例尺層次所對應的壓縮閾值，對每一個(gè)船舶運動(dòng)位置點(diǎn)進(jìn)行顯示判斷和標記。假定當前比例尺層次為Ni，利用“1.”所示的船舶位置點(diǎn)顯示判斷方法，如判定某一船舶運動(dòng)位置點(diǎn)在Ni所對應的閾值下需要顯示，則給該點(diǎn)賦予一個(gè)新的顯示標記，即當前的比例尺層次Ni，否則，不改變該點(diǎn)的顯示標記。

3.當電子海圖比例尺對應的比例尺層次為Ni時(shí)，從船舶所有位置點(diǎn)中找出當前顯示地理范圍內或適當放大的地理范圍內且顯示標記小于或等于Ni的船舶位置點(diǎn)信息。

4.將“3.”所得到船舶位置點(diǎn)數據按時(shí)間順序進(jìn)行連接，在電子海圖上繪制船舶運動(dòng)軌跡。

5.當電子海圖比例尺變化時(shí)，或當電子海圖顯示地理范圍變化時(shí)，重復“3.”和“4.”。

3實(shí)驗結果

將電子海圖比例尺劃分為17(0～16)個(gè)層次，并假定每個(gè)層次所對應的比例尺范圍和閾值如表1所示。

表1比例尺層次對應閾值表

閾值的確定對提高船舶運動(dòng)軌跡顯示的影響較大。一般來(lái)說(shuō)，比例尺范圍越大，所對應的閾值越小。在確定每一個(gè)比例尺層次所對應的閾值時(shí)，應確保在該比例尺層次上，船舶運動(dòng)軌跡顯示較為平滑，而船舶運動(dòng)軌跡點(diǎn)數量也較為適中，因此，每一格比例尺層次所對應的閾值需通過(guò)反復試驗進(jìn)行確定。

給定一條船舶的運動(dòng)軌跡，如圖3所示，共448個(gè)船位點(diǎn)。圖4～圖10分別給出該船運動(dòng)軌跡在不同比例尺層次上船位點(diǎn)個(gè)數及拓撲形狀。圖11和圖12分別給出該船運動(dòng)軌跡在第0層次和第15層次海圖比例尺上的實(shí)際顯示形狀。從這些圖中可以得出這樣的結論：

1.在小海圖比例尺上，可在保證船舶航跡形狀的情況下，使構成航跡的船位點(diǎn)數量得到顯著(zhù)減少。

2.隨著(zhù)海圖比例尺的增加，顯示的船舶航跡越來(lái)越詳細，但由于海圖地理顯示范圍的減小，構成航跡的船位點(diǎn)數量也較為有限。

因此，利用本文方法，可在保持船舶航跡形狀的前提下，顯著(zhù)提高船舶航跡的顯示速度。

4結語(yǔ)

利用垂距法對密集的船舶運動(dòng)軌跡數據按照海圖顯示比例尺進(jìn)行標記，實(shí)現了在較小海圖比例尺上瀏覽船舶航跡輪廓信息，而在較大比例尺上瀏覽更詳細船舶航跡信息的策略，有效減小了每次船舶航跡顯示所需處理的船舶位置點(diǎn)數量，從而可顯著(zhù)提高在電子海圖上顯示較長(cháng)時(shí)間段船舶動(dòng)軌跡的速度。該工作對實(shí)現船舶動(dòng)態(tài)管理系統中基于AIS動(dòng)態(tài)報文的船舶航跡分析或交通事故回放功能具有重要的價(jià)值。

作者：胡勤友，孟良  來(lái)源：中國航海