作者：沙宏杰 陆龙妹 邵宇
来源：《航海》2020年第06期
航海是一个涉及多学科、多角度，应用性很强的研究领域，电子海图在实现船舶航行系
统集成化、智能化的过程中有划时代的意义。它深刻影响着舰船定位方式、航海资料形式，并实现对航线的规划、监视以及记录等工作[1]。
自20世纪80年代以来，电子海图不断完善、进步，被广泛应用于船舶的导航以及协助港口船舶引航，有效的提高了船舶航行安全率[2]。但不可否认的是传统的二维电子海图仅仅依靠水深和等深线来描述水下的地形地貌，有表述不直观、可视化程度低、重要信息缺失等不足，不利于海底地形分析。
走向海洋 随着社会经济的发展，人类的活动范围从陆地走向海洋，又从海面扩展到海底，航海技术早已超出了海面航行的范畴，延展到了整个海洋三维一体化的空间范围。随着越来越多的潜艇、水下机器人等航海新设备的生产使用，人们对水下三维空间地形图的需求也愈发迫切。得益于三维可视化与虚拟现实技术的迅猛发展，使得建立三维电子海图成为可能。
目前国内外对三维地图的研究主要集中在数据来源、建模方法和技术实现等方面。许兆新等人利用加权平均法提取水深数据规则格网化，并采用四叉树结构对DEM数据进行组织实现细节层次技术，最后采用Visual C++和Open GL来显示渲染三维信息[3]。李军等研究了多
类型数字海图的三维可视化显示、管理和应用技术，并基于数字海洋基础平台，建立实用的数字海图三维可视化应用系统平台[4]。张建春等采用VPB和OSG相结合的开源三维渲染引擎进行长江航道三维可视化系统的设计[5]。景西安等开发了一套三维地形修复工具，解决了不同数据源、不同时相数据在制作三维地图时，道路扭曲变形的问题[6]。Arianna Campiani等利用三维数据和地理信息系统监测土建筑空间分析和遗产保护[7]。Mimi Zaleha Abdul Ghani等探讨了三维可视化和地理信息系统作为马来西亚规划过程中决策工具的潜力，并通过定量分析衡量其有效性[8]。纵观国内外学者现阶段的研究，主要集中在小区域范围内的三维可视化研究，且存在交互性弱、体验感差、可视化程度低等不足，不能满足实际的导航需求，尤其是在航海领域的研究更是少之又少[9-10]。因此本文针对目前三维电子海图领域研究的空白，提出了一套从数据采集、处理、三维建模到应用的标准化的三维电子海图系统设计方案，以期为广大航海用户和海事管理者提供航行依据。
1 研究区现状
琼州海峡位于广东省雷州半岛和海南省海南岛之间[11]，中国三大海峡之一，是海南岛与大陆的交通咽喉，也是北部湾与南海北部的最佳通道，见图1。东西总长103.5 km，最宽
处39.6 km，最窄处仅有19.4 km，海域面积约为2 370 km2，平均水深44 m，最大深度为114 m。
琼州海峡处于雷琼断陷区南部，基底呈现凸凹相间的特征。海峡两岸的北西向断裂和北东向断裂延伸到海峡内，与近东向断裂交汇，海底地形非常复杂。
2 数据来源与预处理
2.1遥感影像数据
为了增强三维电子海图系统的可视化效果，采用高分辨率的卫星遥感影像作为陆地数据源，并对影像数据进行了几何精校正、影像增强和影像裁剪等预处理，几何校正误差小于0.5个像元。
2.2 水深数据
水深资料均来自本单位HPD数据库中原始资料以及外购电子海图资料，以m为单位。
2.3 三维模型数据
虽然三维电子海图主要是针对海面要素进行三维化建模，但陆地要素尤其是港口码头同样是三维电子海图的重要组成部分，是不可忽视的。因此本文除了根据传统二维电子海图中所需的物标要素，进行三维化建模，设计并制作了一批航标、船舶等三维模型外，还对陆地要素，如吊桥、集装箱、建筑物等进行了精细化的三维建模。
2.4 矢量数据
矢量数据包括航道、障碍物、警戒区、倾废区等海图要素，数据来自本单位HPD数据库中原始测量资料。
3 关键技术
本文利用skyline软件进行三维场景构建和发布，利用3Dmax软件进行三維模型设计，利用ArcGIS软件进行数据预处理，系统总体设计路线见图2。
3.1海底地形制作
首先将水深点数据和等深线数据作为高程矢量数据，运用Delaunay 三角测量方法通过
将一系列折点（点）组成三角形来构建不规则三角网TIN。接着通过线性插值的方法将TIN三角形转换为栅格，它的原理是查落在2D空间中的三角形并计算像元中心相对于三角形平面的位置来为每个输出像元指定高度。输出得到的栅格数据即为我们需要的海底地形数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）。
3.2 MPT制作
MPT是skyline独有的三维地形数据格式，可以理解为是遥感影像加DEM得到的三维底图。在TerraBuilder工程内，所有的遥感影像和DEM图层都根据需要调整完成之后，可以合成一个独立的流优化文件MPT。系统坐标采用WGS84经纬度坐标。生成的MPT文件可以视为三维电子海图的底图直接加载浏览，也可发布到服务器上。
3.3 三维电子海图制作
制作完整的三维电子海图除了需要构建海底三维地形外，还需要加载航道、航标等辅助要素。这一技术流程大致可以分为两个部分，一是海图三维模型的加载，二是助航要素矢量图层的加载以及三维化显示。第一部分三维模型的加载主要是指海面船舶以及港口码头三维
模型的叠加，这些模型的制作的主要目的是为了增强三维电子海图整体的三维可视化效果。第二部分是矢量图层的加载和符号三维化，这部分对支持水运、渔业、海洋开发和国防建设等具有重要作用。以航标为例，在ArcGIS中对航标点进行预处理，并保存成shapefile矢量点图层，可以批量叠加到三维地形上，最后将航标点状符号进行三维化处理，得到与现实场景中相一致的航标效果，用于引导和辅助海上船只安全航行。其余助航要素如航道、锚地、障碍物等都可用相同方法进行处理。
4 三维电子海图实现
4.1 海底地形
海底三维地形是三维电子海图的基础，它将传统电子海图中的等深面、水深等信息以三维的形式进行构建，极大的增强了可视化效果，琼州海峡海底地形见图3。
4.2 海图要素
琼州海峡三维电子海图系统中涉及的海图要素可分为点、线、面三种类型，其中点要素包括左侧标、右侧标和专用标等;线要素包括海底电缆、导航线、推荐航线和分道通航制边界
等;面要素包括锚泊区、倾废区、航道、障碍物、引航员登船点、受限区域和通航分割带等。琼州海峡三维电子海图及各海图要素示意图见图4和5。
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