摘要：在電子海圖上疊加顯示船舶運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)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(bào)文提供了一種新的船舶動(dòng)態(tài)和船舶運(yùn)動(dòng)軌跡獲取方式。由于有關(guān)船舶動(dòng)態(tài)的AIS報(bào)文發(fā)送頻度較高，致使船舶運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)較為密集，這種情況將會(huì)導(dǎo)致電子海圖系統(tǒng)在顯示較長時(shí)間段船舶運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，速度下降，從而降低了系統(tǒng)的用戶友好性。利用垂距法對(duì)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按照電子海圖顯示比例尺進(jìn)行分層。當(dāng)電子海圖顯示比例尺較小時(shí)，僅顯示船舶運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓，而當(dāng)顯示比例尺逐漸增大時(shí)，顯示海圖顯示地理范圍內(nèi)更詳細(xì)的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡信息。實(shí)驗(yàn)表明該方法能有效地提高船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示速度。

關(guān)鍵詞：水路運(yùn)輸；電子海圖；船舶運(yùn)動(dòng)軌跡；自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)；矢量壓縮

在電子海圖上疊加顯示船舶運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)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(bào)文提供了一種新的船舶動(dòng)態(tài)和船舶運(yùn)動(dòng)軌跡獲取方式，已廣泛應(yīng)用于基于電子海圖的船舶動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)中。由于有關(guān)船舶動(dòng)態(tài)的AIS，報(bào)文發(fā)送頻率較高(3s/次～6s/次)，致使船舶運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)較為密集，這種情況將導(dǎo)致電子海圖系統(tǒng)在顯示較長時(shí)間段船舶運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，耗時(shí)增加，從而降低了系統(tǒng)的用戶友好性。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(tǒng)尤其突出。

為了解決上述問題，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(duì)每一個(gè)比例尺層次，利用矢量壓縮的方法對(duì)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(dāng)前比例尺層次上進(jìn)行數(shù)據(jù)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。通過這一方法，當(dāng)顯示比例尺較小時(shí)，顯示的地理范圍較大，僅顯示船舶運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓數(shù)據(jù)，而當(dāng)比例尺層次逐漸放大時(shí)，顯示的地理范圍將越來越大，可顯示更詳細(xì)的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)。這樣，在不同的顯示層次上，顯示的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)壓縮方法來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(shù)據(jù)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，該方法通常不能滿足船舶運(yùn)動(dòng)軌跡壓縮的實(shí)時(shí)性要求；此外，該方法的計(jì)算量也很大。盡管垂距法的整體壓縮效果稍差，但可對(duì)航跡進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮處理，并且計(jì)算量較小。本文采用垂距法進(jìn)行船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的壓縮處理。

設(shè)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(dāng)前閾值下，仍需顯示，則判斷B點(diǎn)在當(dāng)前閾值下是否顯示的過程如下：

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(dāng)前閾值下，不再顯示；若d≥δ，則B點(diǎn)需要顯示。

2船舶運(yùn)動(dòng)軌跡顯示算法

利用垂距法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，為每一個(gè)船舶位置點(diǎn)賦予一個(gè)顯示比例尺標(biāo)記。顯示比例尺越小，對(duì)應(yīng)的船舶位置點(diǎn)越少。當(dāng)電子海圖顯示比例尺較小時(shí)，僅疊加當(dāng)前海圖顯示地理范圍內(nèi)或適當(dāng)放大范圍內(nèi)的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡輪廓信息。當(dāng)用戶逐步增加電子海圖比例尺時(shí)，將疊加顯示更詳細(xì)的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡，反之亦然。由于在此方法中，每次用戶交互，僅顯示較少數(shù)量的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，保證了船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示處理速度，提高了在電子海圖顯示船舶運(yùn)動(dòng)軌跡的用戶友好性。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?qū)?yīng)一個(gè)顯示比例尺范圍。N值越小，對(duì)應(yīng)的顯示比例尺越小。

2.利用垂距法，對(duì)船舶運(yùn)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(biāo)記，以確定在某一顯示比例尺層次上該點(diǎn)是否構(gòu)成船舶運(yùn)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(shù)據(jù)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(biāo)記，起始點(diǎn)初始標(biāo)記為0(意味著在每一比例尺上，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(duì)應(yīng)的壓縮閾值，對(duì)每一個(gè)船舶運(yùn)動(dòng)位置點(diǎn)進(jìn)行顯示判斷和標(biāo)記。假定當(dāng)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(yùn)動(dòng)位置點(diǎn)在Ni所對(duì)應(yīng)的閾值下需要顯示，則給該點(diǎn)賦予一個(gè)新的顯示標(biāo)記，即當(dāng)前的比例尺層次Ni，否則，不改變?cè)擖c(diǎn)的顯示標(biāo)記。

3.當(dāng)電子海圖比例尺對(duì)應(yīng)的比例尺層次為Ni時(shí)，從船舶所有位置點(diǎn)中找出當(dāng)前顯示地理范圍內(nèi)或適當(dāng)放大的地理范圍內(nèi)且顯示標(biāo)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(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行連接，在電子海圖上繪制船舶運(yùn)動(dòng)軌跡。

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

3實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)應(yīng)的比例尺范圍和閾值如表1所示。

表1比例尺層次對(duì)應(yīng)閾值表

閾值的確定對(duì)提高船舶運(yùn)動(dòng)軌跡顯示的影響較大。一般來說，比例尺范圍越大，所對(duì)應(yīng)的閾值越小。在確定每一個(gè)比例尺層次所對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，應(yīng)確保在該比例尺層次上，船舶運(yùn)動(dòng)軌跡顯示較為平滑，而船舶運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)數(shù)量也較為適中，因此，每一格比例尺層次所對(duì)應(yīng)的閾值需通過反復(fù)試驗(yàn)進(jìn)行確定。

給定一條船舶的運(yùn)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(yùn)動(dòng)軌跡在不同比例尺層次上船位點(diǎn)個(gè)數(shù)及拓?fù)湫螤?。圖11和圖12分別給出該船運(yùn)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(jié)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(gòu)成航跡的船位點(diǎn)數(shù)量得到顯著減少。

2.隨著海圖比例尺的增加，顯示的船舶航跡越來越詳細(xì)，但由于海圖地理顯示范圍的減小，構(gòu)成航跡的船位點(diǎn)數(shù)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，顯著提高船舶航跡的顯示速度。

4結(jié)語

利用垂距法對(duì)密集的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)按照海圖顯示比例尺進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)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(xì)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(shù)量，從而可顯著提高在電子海圖上顯示較長時(shí)間段船舶動(dòng)軌跡的速度。該工作對(duì)實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)中基于AIS動(dòng)態(tài)報(bào)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  來源：中國航海