基于WebGIS的港口船舶动态可视化系统的设计与实现*

廖国祥 熊德琪 杜长顺 王兆煌

(武汉理工大学航运学院1) 武汉 430063) (大连海事大学环境学院2) 大连 116026)(辽宁海事局3)大连 116001)

当前海事部门的港口船舶动态数据主要来自船舶管理系统和船舶交通管理系统(VTS)这2个管理信息系统.船舶管理系统是基于关系数据库的信息系统,船舶动态数据(如船舶进出港预报和申报审批等)只以传统的表格形式罗列查看,不够直观方便;船舶交通管理系统是基于客户端/服务器(Client/Server,C/S)结构的信息系统,可以实时地在电子海图上直观显示和监控港口船舶,但只能在特定计算机上使用,船舶动态数据(如船舶进港计划、靠泊的泊位、抛锚的锚位等)共享范围有限.由于这2大系统相互独立,业务部门需要通过电话、传真等传统人工方式传送船舶动态数据,费时费力,不利于海事局各业务部门对船舶动态的日常管理.因而,有必要基于建立一个中间服务系统,实现业务部门通过网络即可直观、方便、快捷地获取港口船舶动态数据.

B/S结构的地理信息系统——WebGIS技术可以在Internet平台上将电子地图与相应的数据库有机地结合起来,实现图形与数据的有效连接,使各种信息的浏览和查询变得更加直观、方便、快捷.B/S结构是建立在广域网的基础上,比C/S结构具有更强的适应范围,而且只需对服务器进行系统维护和管理,用户不必额外安装任何应用软件和数据库接口等,通过网络浏览器就可以直接使用专业应用系统,使得操作方便而简捷.

目前国内外应用WebGIS来实现港口船舶动态可视化显示的研究逐渐增多[1],但仍以传统的基于单机或者C/S结构的船舶动态管理应用系统研究为主[2-4].本文主要结合海事管理业务需要,通过提取现有船舶动态管理信息系统中的相关数据,应用地理信息系统(GIS)、动态Web和网络数据库技术设计和开发基于WebGIS的港口船舶动态可视化系统,探讨基于Web和电子海图的港口船舶动态分布的图形化直观显示、查询和信息共享的方法,实现海事管理人员通过Internet/Intranet图形化浏览和查询港口船舶动态信息,从而提高海事部门业务管理的工作效率.

1 港口船舶动态可视化系统的设计

1.1 体系结构

基于WebGIS的港口船舶动态可视化系统采用3层B/S体系结构,即由客户端浏览器、网络地图服务器(MapInfo MapXtreme)、GIS及船舶动态数据服务层(包括港口地理信息数据库和船舶动态数据库)组成,如图1所示.

图1 基于WebGIS的港口船舶动态可视化系统体系结构

其中,客户端浏览器层是远程用户的Web浏览器,它的任务是访问网络地图服务器中的相关Web页面,并请求GIS及港口船舶动态数据;网络地图服务器接收到浏览器端的请求后,利用WebGIS功能,进行处理、分析、计算等,如果需要GIS数据或者船舶动态数据,则向港口地理信息数据库或者船舶动态数据库的所在服务器发出请求;GIS及船舶动态数据服务层定义存储、检索、完整性约束以及有关的数据库管理工作,它接收到网络地图服务器的数据请求,并将处理结果交给网络地图服务器.

客户端浏览器与网络地图服务器的交互是通过客户端和服务器端应用程序来实现.用户访问Web页面时会自动下载客户端应用程序,用户的访问请求(如地图缩放和漫游、船舶动态显示和查询等)是通过服务器端应用程序来处理.其中,船舶动态可视化显示和查询模块是服务器端应用程序的重要组成部分,负责处理用户对船舶动态数据的访问请求.

1.2 功能设计

1.2.1 地理信息系统功能 系统提供电子海图的放大、缩小、漫游、鹰眼、图层控制、距离测量、面积测量、清除高亮、地图下载和地图打印等基本GIS功能,还提供对电子海图中的静态信息如水深、敏感资源、防污设备、码头泊位等查询的功能.

1.2.2 船舶动态显示与查询 (1)在电子海图上以不同颜色和形状的图标显示出港口中的不同类型的船舶.系统每10 min自动更新一次船舶动态,也提供了手动更新船舶动态的功能;(2)在电子海图上的直观显示所有在港船舶的实时位置和分布,点击船舶标志可获得其属性、锚泊状态、进出港计划等动态信息;(3)提供在港船舶状态的查询(如船舶是否外贸船舶,是否装载或者卸载危险品等).船舶状态查询结果除了以传统列表的形式显示出来,还可以用闪烁的图标在电子海图上进行定位显示;(4)跟踪该区域内的指定船舶,并在电子海图上动态显示其船位和航行轨迹.

1.2.3 海上搜救决策支持 系统提供简单的海上搜救决策支持功能,以给定的难船位置(经纬度)为中心,通过圆形、矩形等空间搜索方式寻找确认遇险目标附近的船舶和搜救力量分布信息,为海上搜救指挥提供决策支持.

2 系统实现

2.1 港口地理信息与船舶动态数据库的建立

2.1.1 港口地理信息数据库 建立港口地理信息数据库,首先利用专业的数字化扫描仪将图纸海图转化为电子格式的电子海图,之后再使用专业GIS软件将电子海图转化为WebGIS所支持的数据格式,然后通过手动添加、编辑、删除等方式更新地理信息数据(包括空间数据和属性数据).

根据实际需要,将港口地理信息数据分成以下三大类:(1)电子海图数据:包括陆地、海岸线、海岛、等深线、水深测点、航道及其标注等;(2)城市基础地理数据:包括行政区划、地名(市级、县级和镇)、政府机关、主干道路等;(3)相关业务数据:包括码头、水上加油站、敏感资源、防污设施、清污公司和机构等.

2.1.2 港口船舶动态数据库 当前海事部门的船舶动态数据主要来源于两个系统的数据库:一是船舶管理系统数据库;另一个是VTS系统数据库.近年来,船舶自动识别系统(AIS)也逐渐在船舶监管中发挥重要作用,其数据也可以应用于本系统(图2).其中,船舶管理系统的数据主要包含船舶的详细信息;VTS数据库存储的是实时的船舶动态空间信息;AIS系统是船舶定时将船舶信息发送到海岸基站,包含了船名、呼号、船长、货物种类等船舶静态数据和航向、航速、位置、相对距离等船舶航行动态数据.

图2 港口船舶动态数据库组成示意图

2.2 服务器与客户端应用程序的开发

2.2.1 服务器端应用程序 服务器端应用程序主要实现三个重要功能:(1)处理客户端发送过来的各种空间分析处理请求,如地图快速查询、制作专题地图、空间数据在线管理等;(2)处理客户端对信息数据库的访问请求以及对信息数据库进行维护管理;(3)图形化显示港口船舶动态以及处理客户端对船舶动态数据的查询.

本文采用Visual Basic(VB)开发服务器端应用程序,VB开发速度快而且调试容易,大大提高了开发效率[5].调试好的程序代码全都通过VB生成为动态连接库文件(DLL),然后在系统的相关应用程序中进行调用.

2.2.2 客户端应用程序 客户端应用程序的开发主要包括页面设计和实现网页动态功能(如在地图上动态拉框缩放海图、测量距离和面积等)两部分.页面的设计使用网页开发工具(如micromedia dreamweaver)来开发和设计.网页的动态功能则可以利用标准浏览器自带的脚本语言(如VBScript,JavaScript)编程来实现.

2.3 船舶动态可视化显示和查询模块

2.3.1 船舶类型符号库 为了更直观地在电子海图上表示船舶的类型(如客船、客滚船、冷藏船、散货船等),需要对各类船舶进行分类显示,本文采用不同的符号和颜色在电子海图上进行显示.由于栅格图片符号具有色彩丰富、制作简单的特点,本文建立了一个基于栅格图片的船舶类型符号库,并提供了一个船舶类型图例页面,从而方便用户对船舶类型的理解.

2.3.2 船舶位置坐标转换 由于港口船舶所处位置一般是由雷达扫描获得并以直角坐标形式保存,因而需要将其转换为经纬度坐标并实现在电子海图上的显示.实现船舶位置坐标转换的方法是,以雷达位置的直角坐标(x0,y0)为标点,根据船舶距离雷达的距离和方位角进行计算出x和y方向的距离dx和dy,可知船舶位置坐标是(x0+dx,y0+dy),然后通过求解墨卡托投影的反解公式算出船舶位置的经纬度坐标.

2.3.3 船舶状态显示方法 在海事业务中,需要查询船舶的状态如是否装载或卸载危险品、是否外贸船舶等.港口中的船舶数量众多,本文采用不同的闪烁图标来表示不同的船舶状态,这样用户比较容易找到目标船舶.实现方法是,在网页上动态生成多个闪烁图片符号对象,并采用动态网页编程语言(如JavaScript)将闪烁图标叠加到电子海图上,从而实现船舶状态的闪烁显示.

2.3.4 船舶动态查询方法 由上可知,港口船舶动态数据存储在不同的数据库服务器(Sybase,MS SQLServer等)之中.因此,本文采用开放式数据库互连(ODBC)技术来解决不同数据的远程和异构存储问题.利用ODBC,用户可通过统一界面和各不相同的数据库打交道[5].

3 应用实例

图3 大连港船舶动态在电子海图上的显示和查询

为实现大连海事管理部门能够以直观可视化方式获取港口船舶动态数据,从而满足实际业务管理需要,基于前面介绍的技术和方法,作者设计并开发了基于WebGIS的大连港船舶动态可视化系统(图3).该系统具有电子海图缩放、漫游、查询等GIS功能,以及船舶动态显示和详细信息查询、码头泊位信息查询、船舶状态查询等业务功能.以往海事部门(如下属海事处、危管防污处等)因业务(如安全检查、溢油事故等)查询船舶信息时需要通过查询船舶动态管理信息系统和交通管理中心的VTS系统获取船舶详细信息,此过程中可能还需经电话或传真甚至人工方式来传送资料.建立基于WebGIS的船舶动态可视化系统后,用户只需通过Web浏览器访问基于WebGIS的船舶动态可视化系统,就可以快速获得船舶动态信息(船舶在电子海图中的位置及其详细信息).经过大连海事部门业务管理人员的实际使用,表明该系统能够有效地提高海事业务管理的工作效率.

4 结 束 语

结合海事部门业务管理需要,本文设计和实现了基于WebGIS的港口船舶动态可视化系统.该系统采用三层B/S体系结构,除具有基本的GIS功能,还具有船舶动态显示与查询、船舶状态查询、海上搜索决策支持等功能.实际应用表明,该系统能有效提高海事管理业务的工作效率.

[1]Peng G J,Chi T H,Zhang X G,et al.Research on WebGIS real-time distribution system of port navigation-supporting information[J].Geoscience and Remote Sensing Symposium,2005(2):803-805.

[2]贾传荧,史国友,贾银山,等.基于电子海图的船舶动态监控系统设计与实现[J].大连海事大学学报,2002,28(3):20-22.

[3]史国友,贾传荧,贾银山,等.基于GPRS和电子海图的船舶导航与监控系统[J].中国航海,2003,57(4):62-65.

[4]孙慧婷.港口船舶动态智能监控与管理[J].港口装卸,2004(5):20-22.

[5]廖国祥,熊德琪,翟伟康,等.基于WebGIS的海上溢油应急信息系统的构建[J].计算机工程,2007,33(12):272-274.