无缝多尺度电子海图数据组织及其应用研究

发布时间：2018-02-15 06:45

本文关键词： 空间信息多级网格无缝空间数据组织多尺度表达电子海图电子海图显示与信息系统　出处：《武汉大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着电子海图显示与信息系统(ECDIS)的强制安装、IMO e-Navigation战略的实施以及海洋和海事地理信息系统应用的深入发展,海道测量最主要的成果电子海图的应用显现了巨大的社会价值。但是,随着电子海图技术的广泛应用,现有标准的限制性也暴露无疑,难于满足未来以提供地理信息服务为目的的应用需求。为此,IHO于2010年颁布了S-100通用海道测量数据模型,以适应海事和海洋领域对地理信息服务的新需求,也满足下一代ECDIS的要求。针对这一即将到来的巨大变革,本文认为电子海图技术的研究与应用,应从以“海图”为中心向以“数据”为中心转变,从根本上解决目前基于S-57的电子海图技术对海事和海洋地理信息研究的束缚。本文从全球范围电子海图数据组织的角度,运用面向实体的思想方法,基于空间信息多级网格(SIMG)理论建立了统一的海事空间信息组织框架,对电子海图数据实现横向无缝与纵向多尺度的组织,以实现以空间数据库为基础的电子海图应用系统的友好的显示用户体验。具体研究内容包括： 1.深入研究了S-100通用海道测量数据模型和S-101电子海图产品规范。着重分析了几个与本文研究直接相关的内容：框架结构、通用要素模型、空间模式以及电子海图的应用模式、要素目录、要素对象标识、几何要素和数据以及显示比例尺等等。由于S-100是基于ISO19100地理信息系列标准的,可以使用传统GIS领域成熟的理论基础和技术方法,并且可以为海道测量领域引入更多的空间信息数据源。S-100/S-101的三个新特性为本文研究提供了重要的理论基础。其一是面向对象-关系的建模方法,S-100使用UML进行描述,定义了地理空间要素类以及类对象之间的关联、聚合和组成等关系,便于要素对象的数据库描述；其二是要素的依比例和不依比例分类,极大地方便了本文基于无比例尺概念的空间要素建模(要素实体在数据库中只存储一次,但可以多个尺度表达)；其三,使用显示比例尺的概念替代了原有的编辑比例尺概念,使得多尺度表达(比例尺区间)可以从应用需求出发进行划分,而不是从数据角度划分,并在此基础上提出了依比例和不依比例数据集的概念。但是,基于S-100的S-101电子海图并没有使用空间数据库技术进行描述,仍然是基于海图分幅的方法组织数据,本文的研究内容之一就是完成基于海图分幅的ENC数据组织向无缝多尺度空间数据库组织方式的转换。 2.电子海图分幅、分散和重叠的组织现状,为基础数据的采集、海图生产与管理带来诸多的问题,难于满足以“数据”为中心的地理信息服务的需求,本文把网格技术引入到海道测量领域的研究之中,基于我国学者李德仁院士提出的空间信息多级网络(SIMG)建立海洋空间数据统一组织框架,实现了电子海图数据的网格化管理,解决海图分散、重叠的无序组织方式,提高数据的管理效率,并有利于空间数据库的实现,解决电子海图数据的全球共享问题。本文从分析电子海图数据的特点入手,在充分理解SIMG的理论体系的基础上,解决了电子海图网格化的三个重要问题：网格的定义、空间要素的网格化和空间要素的拼合。实现了一种使用网格线作为切割线的复杂多边形的切割算法,高效地实现了空间几何要素的网格化和还原。 3.无缝电子海图数据组织是海事空间信息统一组织框架的重要内容之一。从电子海图的缝隙产生原因及其在显示用户体验上的不友好性入手,基于海事空间数据的无缝组织理论,使用空间数据库技术,对电子海图数据实现管理,实现全球范围的空间数据的组织与显示。鉴于电子海图数据来源都是分幅组织的,本文制定了电子海图的无缝编辑规范,以保证编辑的数据能够被很好地用于电子海图数据库的建库工作。最后,基于SIMG理论,建立了要素实体的网格化无缝数据组织方法,在物理上保证数据存储的高效性和快速的数据索引,同时保证在逻辑层面上网格化分割的透明性,即要素查询结果和显示是无缝的。 4.海事空间信息统一组织框架的另一个重要研究内容是电子海图的多尺度数据组织与表达。相比较传统GIS空间数据而言,电子海图数据差异性明显：其一,电子海图是自由分幅的、非全覆盖的,有别于地图的按方里网全覆盖组织；其二,现有电子海图数据尺度层次较少(6个航海用途,但是同一区域通常只有3到4个尺度的数据覆盖),难于满足自适应、智能缩放的需要。本文采用面向实体的建模方法对空间要素建模,与S-100数据模型相适应,利于对象-关系数据库的实现。本文实现了一种面向实体无比例尺思想的多尺度数据组织方法,把电子海图按用途分成6层骨架数据,海图要素统一存储表达(要素只存储一次),在实体存储要素的多尺度几何形状数据,依据行为多态表达其几何形态,并建立要素实体间的空间关系,以优化要素实体的图示表达。组织方法克服了一库多版本多尺度建模方法数据建库工作量大、数据冗余大和一致性维护困难的缺点,也解决了一库一版本多尺度建模方法受地图综合自动化技术的限制。 5.无缝多尺度电子海图数据的组织解决了电子海图应用系统全球数据管理与显示的横向和纵向连续问题,提供极佳的显示用户体验。本文针对构建这样一种电子海图应用系统探讨了一种通用的设计框架,并对其涉及的关键问题：网格数据的快速提取与输出、经度方向连续漫游和自适应多尺度表达提供了设计和实现方法。并在我们实施的多个工程项目中使用,获得极佳的显示用户体验。
[Abstract]:With the extensive application of the electronic chart technology , the research and application of the electronic chart technology in the world has shown great social value . However , with the wide application of the electronic chart technology , the research and application of the electronic chart technology in the world is difficult to meet the requirements of the next generation ECDIS . In order to meet the demands of the next generation of ECDIS , IHO has established the unified maritime space information organization framework from the angle of the electronic chart data organization in the world , and realizes the friendly display user experience of the electronic chart application system based on the spatial database . 1 . The data model of S - 100 and the specification of S - 101 electronic chart are studied in depth . The paper focuses on the analysis of several aspects directly related to this paper : frame structure , universal element model , space model and application mode of electronic chart , element catalogue , element object identification , geometric elements and data , and display scale . Based on the analysis of the characteristics of electronic chart data , this paper puts forward three important problems of electronic nautical chart data : the definition of grid , the meshing of spatial elements and the combination of space elements . 3 . The seamless electronic chart data organization is one of the important contents of the unified organization frame of maritime space information . Based on the seamless organization theory of maritime space data , the seamless editing specification of electronic chart is established based on the seamless organization theory of maritime space data . 4 . Another important research content of the framework of the unified organization of maritime space information is the multi - scale data organization and expression of the electronic chart . 5 . The organization of seamless multi - scale electronic chart data solves the horizontal and vertical continuous problems of electronic chart application system global data management and display , and provides an excellent display user experience . In this paper , a general design framework is provided for the construction of such an electronic chart application system , and the key problems related to it are provided : the rapid extraction and output of grid data , continuous roaming of longitude direction and adaptive multi - scale expression provide design and implementation methods .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P208

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