CN103456041A - 一种基于s-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法，首先基于S-57电子海图数据结合GDEM数据生成基于电子海图的高程矢量图，作为统一数据源；其次，将高程矢量图经过转化、简化和纹理贴图生成视景三维地形模型；最后，在高程矢量图的基础上，通过对数据进行裁剪，根据需要以不同采样间隔分别完成雷达地形数据的生成和水深数据、导航物标数据的提取。本发明克服现有地形模型数据匹配不一致、精度不高、运行效率差的不足；融合三维地形数据生成技术、GPS定位技术、GIS地理信息技术，在保证三维视景运行效率和逼真度的同时，实现了视景三维地形数据、雷达地形、水深数据和导航物标数据与电子海图的精确匹配。

Description

一种基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法

技术领域

本发明涉及一种三维地形和雷达地形生成方法，尤其是适用于基于S-57电子海图数据的大范围高精度匹配的航海模拟器视景三维地形和雷达地形生成方法。

背景技术

近年来，随着虚拟现实技术应用的不断发展，在城市建设、教育、电子商务、军工等领域都有了成功的应用。其中，国内科研机构和院校自主研发了具有三维视景的船舶操纵模拟器，在船员操船培训、港航设计论证中发挥了重要作用。

在船舶操纵模拟器虚拟现实技术的开发应用中，三维视景地形、雷达地形、水深数据以及导航物标的数据提取是整个项目开发的基础。因此，如何以S-57电子海图为基准，构建统一数据源的视景三维地形、雷达地形、水深数据生成以及导航物标数据的提取成为关键的技术问题。

目前，国内在该领域通常采用基于电子海图等高线生成DEM高程数据，导入MultigenCreator进行转换，生成DED格式文件，同时进行地形纹理、坐标原点等设置，使地形逼真度和坐标与实际视景和电子海图相匹配，最后，将地形文件转换为OpenFlight数据格式供视景驱动使用。这种方法存在几个缺陷：

（1）该方法生成的地形模型精度依赖于电子海图的高程数据的质量。由于电子海图对于陆地地形高程信息的描述十分粗略，因而在仿真过程中所提供的数据与实际环境存在较大的差异。此外，这种方法无法提供等高线和等深线之间区域的连续、精确的数据。这些都影响了仿真数据的客观性和逼真性。

（2）利用这种方法生成的DEM高程数据，在满足精度需求的同时，造成了地形面数的大幅增加。对于大范围视景，该方法生成的地形模型必须分块导入，影响了视景绘制的效率，增加了对硬件的需求。

发明内容

为了克服现有方法的局限性，本发明融合三维地形数据生成技术、GPS定位技术、GIS地理信息技术，提出了基于电子海图数据统一数据源的视景三维地形数据生成、雷达地形生成、水深数据生成以及导航物标数据提取方法，在保证三维视景绘制效率和逼真度的同时，实现了地形数据、雷达地形、水深数据和导航物标数据与电子海图的精确匹配。

本发明所采用技术方案的总体思路是：基于电子海图统一数据源，生成简化三维地形模型用于视景显示，生成高精度地形模型用于雷达地形绘制和水深数据、导航物标数据提取。

本发明所述基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）生成基于电子海图的统一数据源：结合基于S-57电子海图数据提取的电子海图高程数据以及从GDEM（全称“Global Digital Elevation Model”，全球数字高程模型）数据提取的等高线和等深线，生成基于电子海图的高程矢量图；

（2）生成视景三维地形模型：将高程矢量图生成DWG格式文件，通过三维模型简化技术简化地形模型，并在Multigen Creator中进行纹理编辑，生成视景三维地形模型；

（3）生成高程数据文件：在高程矢量图的基础上，对矢量进行插值计算，提取高程信息，生成数据文件，分别完成雷达地形数据的生成和水深数据、导航物标数据的提取。

优选地，所述步骤（1）的具体步骤为：

（1.1）提取原始数据：基于电子海图源数据，采用GIS软件Global Mapper提取海图高程信息；将GDEM数据导入Global Mapper中，依据海图坐标设置和投影方式对GDEM数据进行校正；提取GDEM数据等高线和等深线；

（1.2）数据处理：以电子海图为基本参照，针对海图高程数据缺失部分、通过编辑高程矢量线的方法将海图高程数据和GDEM提取的等高线和等深线数据进行合并处理；

优选地，所述（1.1）根据GDEM数据提取等高线和等深线的过程中，提取范围为海图高程信息缺少区域，提取间隔距离为2米。

优选地，所述步骤（1.2）中，数据处理过程，要确保海图的岸线、码头、导航物、航道建筑与原海图保持一致；对于有特殊精细要求地域的高程数据，采用人工测量，手工输入的方法。

优选地，所述步骤（2）的具体步骤为：

（2.1）数据预处理：对基于电子海图的统一数据源进行简化，只保留山体的等高线；对于岸线局部进行手工绘制；最后，将数据输出为矢量数据文件，保存为DWG格式；

（2.2）3D Max建模处理：将地形矢量数据文件导入到3D Max中，编辑等高线，并为其赋值，利用3D Max中的Terrain工具，生成沿岸陆地、岛屿和山体；最后，利用PloyTrans插件转换所有地形，保存为OpenFlight格式文件，供Multigen Creator使用；

（2.3）Creator纹理贴图：将包含真实地形表面细节的纹理贴图到生成的地形三维几何模型上。

优选地，所述步骤（2.3）中，所述包含真实地形表面细节的纹理为卫星影像；所述卫星影像必须经Photoshop图像软件进行以下两方面的处理：①对卫星影像进行处理，使其色彩与真实的环境色彩更加接近；②把大范围的卫星影像裁切成2n大小的小范围影像，其中1＜n≤20，并把裁切后图像以RGB或者RGBA格式存贮；根据所要处理的地形模型的地理范围，将纹理映射的起始位置设为地形三维几何模型的左下角，以三点映射的方法进行贴图。

优选地，所述步骤（3）中生成雷达地形数据的具体步骤为：

删除统一数据源中高程数值小于0的矢量线；依据电子海图坐标手工绘制航道上的高出水面的助航标志的等高线；利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的高程数据；对应雷达量程的变化，以量程越大采样间隔越大、量程越小采样间隔越小的原则，分别以不同采样间隔提取雷达地形数据，并将提取的雷达地形数据保存为Arc ASCII网格数据文件。

优选地，所述步骤（3）中生成水深数据的具体步骤为：

仅保留统一数据源中岸线航道范围内的所有等深线、水深点、岸线、码头的矢量数据，依据电子海图坐标手工绘制航道上的高出水面的助航标志、码头、桥梁的等高线；最后，利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的水深数据；根据需要分别以不同采样间隔提取水深数据，并将提取的水深数据保存为Arc ASCII网格数据文件。

优选地，所述步骤（3）中提取导航物标数据的具体步骤为：

（3.1）根据S-57电子海图的文件格式，建立包含导航相关物标的物标代码、物标属性、图元类型的物标对象类信息表格文件，需要提取的物标属性使用分号分开；

（3.2）从物标对象类信息表格文件中读取物标，遍历物标图元类型；

（3.3）遍历每一优先级下的图元；

（3.4）比较物标图元是否为需要导出图元，对于每一个物标图元，建立一个xml文本的物标节点；

（3.5）根据不同图元类型，读取图元数据建立图元数据xml节点；

（3.6）从物标对象类信息表格文件中读取物标的属性，并根据S-57电子海图所定义的数字含义，将其转换为有可读意义的本文，并在“()”中，注明其值。

优选地，所述（3.2）中所述物标图元类型分为Point、Line和Area；所述（3.5）中Point放入一个地理位置点节点，Line放入组成线的多个地理位置点节点，Area放入由闭合线组成的区域。

本发明，基于S-57电子海图数据，并利用GDEM弥补海图陆地高程信息的缺失，得到完整、详尽的高程矢量图作为基于电子海图的统一数据源，克服现有，数据提取方法获得的地形模型数据匹配不一致、精度不高、运行效率差等不足。本发明融合三维地形数据生成技术、GPS定位技术、GIS地理信息技术，提出了基于电子海图数据统一数据源的视景三维地形数据生成、雷达地形生成、水深数据生成以及导航物标数据提取方法，在保证三维视景运行效率和逼真度的同时，实现了视景三维地形数据、雷达地形、水深数据和导航物标数据与电子海图的精确匹配。

在导航雷达仿真应用中，根据所生成的陆岸地形高程数据，进行地物回波的绘制；在电子海图相关应用中，利用该数据源生成全航道水深数据。在此基础上，构建了江阴长江大桥至长江口（150海里）长江航道地理、水文三维数字化环境，实现了三维视景、电子海图与导航雷达三者之间数据精确匹配。经多次反复测试，三维视景与电子海图数据源误差精度基本控制在1米以内，大幅提高了船舶驾驶仿真训练中对陆标定位的精度和水下航道地形判断的准确性，为开展复杂条件下航行指挥演练和安全性、稳定性验证与评估提供了现实环境与规划论证的可视化平台，为决策支持、宏观管理提供更加有力的依据。

附图说明

图1是本发明所述基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法的流程图。

图2是生成视景地形模型的流程图。

图3是提取导航物标数据的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以提取长江航道江阴大桥至长江口航段地形模型数据为实例，本发明所述基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法的具体实施方式如下：

首先，在计算机上安装以下软件：

1）Global Mapper11；

2）3D Max7及PloyTrans插件；

3）Multigen Creator3.0。

1统一数据源生成

1.1原始数据提取

基于电子海图源数据，采用GIS软件Global Mapper提取海图高程信息，主要包括岸线、等高线、等深线、水深点等。将GDEM数据导入Global Mapper中，依据电子海图坐标设置和投影方式对GDEM数据进行校正，提取GDEM数据等高线和等深线。在提取等高线和等深线的过程中，可根据需要选择等高线和等深线的提取范围和间隔距离，本实施例中，所述提取范围主要针对海图高程信息缺少区域，提取间隔距离为2米。

1.2数据处理

数据处理主要任务是将海图高程数据和GDEM提取的等高线和等深线数据进行合并处理，处理结果直接影响生成的地形模型质量，是本发明实例方法的重要环节。整个数据处理过程主要通过编辑高程矢量线的方法来实现；在处理过程中，以电子海图为基本参照，主要针对海图高程数据缺失部分，例如桥梁、楼宇、码头、山丘等，利用GDEM高程数据进行补充；要确保海图的岸线、码头、导航物、航道建筑与原海图保持一致；对于有特殊精细要求地域的高程数据，也可以采用人工测量，手工输入的方法。

利用GDEM弥补海图陆地高程信息的缺失，由此得到基于电子海图的统一数据源，得到完整、详尽的高程矢量图，为后续的视景三维地形建立和高程数据的提取奠定基础。

2视景三维地形模型生成

由于视景系统对于岸线、桥梁、山体、重要导航物标等有特殊显示要求，对于高程的细微特征可以忽略，所以可以通过纹理贴图来实现地形模型简化。视景三维地形模型的生成流程见图2。

2.1数据预处理

对基于电子海图的统一数据源进行简化，只保留山体的等高线，将其余无关的等高线删除。对于其岸线局部要考虑岸线地形并进行手工绘制，例如，建有岸壁式码头的岸线和滩涂是有区别的。最后，将所有数据输出为矢量数据文件，保存为DWG格式。

2.23D Max建模处理

将地形矢量数据文件导入到3D Max中，此处应注意：

1）单位的设定要与实际保持一致；

2）不要将所有等高线作为一个物体，分开显示。

编辑等高线，并为其赋值，利用3D Max中的Terrain工具，生成沿岸陆地、岛屿和山体。最后，利用PloyTrans插件转换所有地形，保存为OpenFlight格式文件。由于PloyTrans插件在使用过程中设置参数较多，使用者需详细阅读帮助说明，此处不再累述。

2.3Creator纹理贴图

纹理是指映射到3维物体表面的二维图像。将包含真实地形表面细节的纹理应用到生成的地形三维几何模型上，能够使地形模型在视景实时仿真系统中呈现出更加逼真的视觉效果。在本实施例中选用卫星影像来进行纹理贴图。在把卫星影像作为纹理数据输入之前，必须使用Photoshop图像软件进行两方面的处理：一是对已有高分辨率卫星影像进行处理，使其色彩与真实的环境色彩更加接近；二是把大范围的高分辨率卫星影像裁切成2n大小的小范围影像，其中1＜n≤20，通过减少纹理数据量保证图形绘制速度与显示效果。将裁切后图像以RGB或者RGBA格式存贮。根据所要处理的地形模型的地理范围，将纹理映射的起始位置设为地形三维几何模型的左下角，以三点映射的方法进行贴图。

3高程数据文件生成

基于电子海图的统一数据源生成雷达地形和水深数据。

3.1雷达地形数据文件生成

删除基于电子海图的统一数据源中高程数值小于0的矢量线。对于航道上的灯桩、灯浮等高出水面的助航标志，依据电子海图坐标进行手工绘制其等高线。利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的高程数据。在生成过程中，应设定生成范围，从而减少数据量，提高工作效率。

对应雷达量程的变化，分别以不同采样间隔提取雷达地形数据。量程越大，采样间隔越大；量程越小，采样间隔越小。将提取的雷达地形数据保存为Arc ASCII网格数据文件，其内容如下：

ncols        1716

nrows        1120

xllcorner    13376355.556

yllcorner    3721866.317

cellsize     30

nodata_value -9999

5 5 5.819 6.506 6.783 6.515 6 5.941 5.093 5……

5 5 5.747 5.91 5.935 5.96 5.985 5.916 5.068 5……

5 5 5.032 5.062 5.087 5.111 5.136 5.144 5.008……

5 5 5 5 5 5 4.797 4.404 4.988 5 5 5.309 5.726……

……

根据Arc ASCII网格数据文件所给出的坐标范围、行列数和高程数据，利用雷达公式进行计算，进而生成雷达回波。

3.2水深数据生成

水深数据的生成与雷达地形生成原理相同。

保留基于电子海图的统一数据源中岸线航道范围内的所有等深线、水深点等矢量数据，包括岸线、码头矢量线，其他全部删除。对于航道上的灯桩、灯浮等高出水面的助航标志，依据电子海图坐标进行手工绘制其等高线。对于码头、桥梁应依据电子海图坐标进行手工绘制其等高线。最后，利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的水深数据。

根据需要分别以不同采样间隔提取水深数据。例如，离靠码头时，使用采样间隔小的水深数据；航行时，采用采样间隔大的水深数据。将提取的水深数据保存为Arc ASCII网格数据文件，其内容与雷达地形数据文件相似。

3.3导航物标数据提取

本实例基于S-57的统一海图数据，提取包括方位立标、侧面立标、孤立威胁物立标、安全水域立标的各种立标（Beacon），包括方位浮标、作业浮标、孤立威胁物浮标、侧面浮标、安全水域浮标、专用/通用浮标的各种浮标（Buoy），陆标，灯标，灯浮，灯船等导航物标对象数据标，提取的物标属性包括物标的经纬度位置、颜色、是否雷达可见、是否视觉可见、高度、形状、类别、彩色图案、信号周期、信号组、灯质等，最终生成xml数据文件，供视景、雷达等仿真系统构建导航物标视景和物标回波仿真使用。

导航物标数据的基本提取过程如图3所示，包括以下步骤：

1）根据S-57电子海图文件格式，建立包含导航相关物标的物标代码、物标属性、图元类型等内容的物标对象类信息表格文件，需要提取的物标属性使用分号分开。

2）从物标对象类信息表格文件中读取物标，遍历物标图元类型，对物标的每一种图元类型进行提取，图元可以分为点（Point）、线（Line）和面（Area）。

3）遍历每一优先级下的图元。由于S-57电子海图使用分优先级存储的方式存储数据，因此对于每一种图元，还需要提取不同优先级下的图元。

4）比较物标图元是否为需要导出图元，对于每一个物标图元，建立一个xml文本的物标节点。

5）根据不同图元类型，读取图元数据建立图元数据xml节点。Point放入一个地理位置点节点，Line放入组成线的多个地理位置点节点，Area放入由闭合线组成的区域。

6）从物标对象类信息表格文件中读取物标的属性，并根据S-57电子海图所定义的数字含义，将其转换为有可读意义的本文，并在“()”中，注明其值。

导出的灯标xml数据文件内容如下。

以上实施例为本发明的个别实施方式，并非穷举，所有由本领域技术人员在本发明的基础上所做出的任何显而易见的改进、替换或变形，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）生成基于电子海图的统一数据源：结合基于S-57电子海图数据提取的电子海图高程数据以及从GDEM数据提取的等高线和等深线，生成基于电子海图的高程矢量图；

（2）生成视景三维地形模型：将高程矢量图生成DWG格式文件，通过三维模型简化技术简化地形模型，并在Multigen Creator中进行纹理编辑，生成视景三维地形模型；

（3）生成高程数据文件：在高程矢量图的基础上，对矢量进行插值计算，提取高程信息，生成数据文件，分别完成雷达地形数据的生成和水深数据、导航物标数据的提取。

2.根据权利要求1所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体步骤为：

（1.1）提取原始数据：基于电子海图源数据，采用GIS软件Global Mapper提取海图高程信息；将GDEM数据导入Global Mapper中，依据海图坐标设置和投影方式对GDEM数据进行校正；提取GDEM数据等高线和等深线；

（1.2）数据处理：以电子海图为基本参照，针对海图高程数据缺失部分、通过编辑高程矢量线的方法将海图高程数据和GDEM提取的等高线和等深线数据进行合并处理。

3.根据权利要求2所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述（1.1）根据GDEM数据提取等高线和等深线的过程中，提取范围为海图高程信息缺少区域，提取间隔距离为2米。

4.根据权利要求2所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（1.2）中，数据处理过程，要确保海图的岸线、码头、导航物、航道建筑与原海图保持一致；对于有特殊精细要求地域的高程数据，采用人工测量，手工输入的方法。

5.根据权利要求1所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体步骤为：

（2.1）数据预处理：对基于电子海图的统一数据源进行简化，只保留山体的等高线；对于岸线局部进行手工绘制；最后，将所有数据输出为矢量数据文件，保存为DWG格式；

（2.2）3D Max建模处理：将地形矢量数据文件导入到3D Max中，编辑等高线，并为其赋值，利用3D Max中的Terrain工具，生成沿岸陆地、岛屿和山体；最后，利用PloyTrans插件转换所有地形，保存为OpenFlight格式文件，供Multigen Creator使用；

（2.3）Creator纹理贴图：将包含真实地形表面细节的纹理贴图到生成的地形三维几何模型上。

6.根据权利要求5所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（2.3）中，所述包含真实地形表面细节的纹理为卫星影像；所述卫星影像必须经Photoshop图像软件进行以下两方面的处理：①对卫星影像进行处理，使其色彩与真实的环境色彩更加接近；②把大范围的卫星影像裁切成2n大小的小范围影像，其中1＜n≤20，并把裁切后图像以RGB或者RGBA格式存贮；根据所要处理的地形模型的地理范围，将纹理映射的起始位置设为地形三维几何模型的左下角，以三点映射的方法进行贴图。

7.根据权利要求1所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（3）中生成雷达地形数据的具体步骤为：删除统一数据源中高程数值小于0的矢量线；依据电子海图坐标手工绘制航道上的高出水面的助航标志的等高线；利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的高程数据；对应雷达量程的变化，以量程越大采样间隔越大、量程越小采样间隔越小的原则，分别以不同采样间隔提取雷达地形数据，并将提取的雷达地形数据保存为Arc ASCII网格数据文件。

8.根据权利要求1所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（3）中生成水深数据的具体步骤为：仅保留统一数据源中岸线航道范围内的所有等深线、水深点、岸线、码头的矢量数据，依据电子海图坐标手工绘制航道上的高出水面的助航标志、码头、桥梁的等高线；最后，利用Glabal Mapper自带的3D矢量生成高程网格功能，通过插值计算，生成高程网格模型，得到连续、逼真的水深数据；根据需要分别以不同采样间隔提取水深数据，并将提取的水深数据保存为Arc ASCII网格数据文件。

9.根据权利要求1所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述步骤（3）中提取导航物标数据的具体步骤为：

（3.1）根据S-57电子海图的文件格式，建立包含导航相关物标的物标代码、物标属性、图元类型的物标对象类信息表格文件，需要提取的物标属性使用分号分开；

（3.2）从物标对象类信息表格文件中读取物标，遍历物标图元类型；

（3.3）遍历每一优先级下的图元；

（3.4）比较物标图元是否为需要导出图元，对于每一个物标图元，建立一个xml文本的物标节点；

（3.5）根据不同图元类型，读取图元数据建立图元数据xml节点；

（3.6）从物标对象类信息表格文件中读取物标的属性，并根据S-57电子海图所定义的数字含义，将其转换为有可读意义的本文，并在“()”中，注明其值。

10.根据权利要求9所述的三维地形和雷达地形生成方法，其特征在于，所述（3.2）中所述物标图元类型分为Point、Line和Area；所述（3.5）中Point放入一个地理位置点节点，Line放入组成线的多个地理位置点节点，Area放入由闭合线组成的区域。

Images