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摘 要：面向航海的地理信息系统的建立和发展相对于陆地而言具有更高的难度和紧迫性。本文针对目前国内外现状，讨论了面向航海应用的地理信息系统的特点、应用现状、关键技术及其未来的发展方向，希望能够对相关方面的研究有一定的参考作用。
关键词：航海；地理信息系统；关键技术
中图分类号：U644 文献标志码：A文章编号：1671-7953(2009)01-0010-03
Key Technology on Geographic Information System of Navigation
SHEN Yi-chao
（School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Unviersity，Wuhan 430072，China）
Abstract: The establishment of Geographic information system of navigation has a higher degree of difficulty and urgency in relation to land. In this paper，after introduction to the status quo at home and abroad，discussion on GIS offeatures，application status，the key technology and its development direction in the future，hope to offer some reference value to study the relevant aspects.
Key words: navigation；geographic information system；key technologies
1 地理信息系统的基本概念
1.1 地理信息系统的内涵
地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
1.2 地理信息系统的特征
地理信息系统具有以下三个方面的特征：
1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。
2）以地理研究和地理决策为日的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。
3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用的信息，完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持是GSI的重要特征，使GSI得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
1.3 地理信息系统的研究内容
l）输入：
地理数据如何有效地输入到GIS中足一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，大多数的地理数据是从低质地图输入GIS。常用的方法是数字化和扫描。数字化的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GSI数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式。就这一领域目前的研究进展而一言，全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能：因而，交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径。市场上已有多种交互式矢量化软件出售。
目前GSI的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形式。遥感数据已经成为GSI的重要数据来源。与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情；因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGSI中都具有功能齐全的图像处理子系统。
地理数据采集的另一项_L要进展是GPS技术。GPS可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，因而，除了作为原始地理信息的来源外，GPS在飞行器跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力。
2）存储：
GSI中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GSI的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬盘容量已达到GB级，但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的。GSI的数据存储却有其独特之处。大多数的GSI系统采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交换过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图。
地理数据存储是GSI中最低层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功能的实现效率。基于微机平台的MAPGIS能够快速、高效地处理多达上万幅的海量地图库，这不仅在国产GIS软件中处于领先地位，即使与国州司类产品相比仍是其中佼佼者，这与MAPGIS较好地解决了地理数据的存储问题密切相关。
3）地理数据的操作和分析：
GSI中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。对图形数据（点、线、面）和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术；有所不同的是GSI中图形数据与属性数据紧密结合在一起，形成对地物的描述，对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据，因而操作带来的数据一致性和操作效率问题是GSI数据操作的主要问题。
地理数据的分析功能，即空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。GSI的空间分析分为两大类：矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。矢量数据空间分析通常包括：空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边界消除与合并，点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。栅格数据空间分析功能通常包括：记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析。
4）输出：
将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是GSI问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的输出功能对GSI是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形整访、误差消除、坐标变换、出版印刷等。
2 面向航海应用的地理信息系统
2.1 面向航海应用的地理信息系统的特点
1）数据采集量的庞大性和复杂性
海域的宽广、水下地形的复杂分布、众多船只的航迹监测以及与气象、水文部门的信息交互等决定了面向航海应用的地理信息系统在数据采集方面的庞大性和复杂性。
2）数据勘测的高难度
与陆地相比，海域的数据勘测更具难度。由于水下地形的不可见性，采用卫星航拍是无法直接获取的，即使获取到浅水的地形数据，山于光线折射、水流影响等因素的影响，精度有限。因此获取水下地形必须采用总体航拍结合局部区域水下探测的方法。但大范围海域的水下地形探测，耗资巨大，历时漫长。因此至今海域地图的精度和时效性都相对较低。
3）定位精度相对较低
在陆地上，地物特征多样，这有利于进行定点测位；而且，通常每隔固定区域都会设立高精度定位后的特征物体用于定位校正，因此定位精度较高。但山于海上地形元素的相对匾乏，加之不能普遍建立固定的校准物，这使得海上的定位精度达不到陆地上的水平。而且大范围的、全天候的海域监测我们只能借助于卫星系统，对于短时的、局部的区域探测可以使用侦察机或无人机完成。显然定位手段与陆地定位相比呈现单一性。
4）监测目标的非人为流动性
由于海水的流动性，对于监测日标的趋向估计是比较困难的。我们必须综合考虑洋流、季风的影响，结合监测物的特性，才能对其位置进行合理的估计。并且，一旦目标遇险，我们必须在短时间内到达并迅速解决，否则由于漂流和下沉的影响，对目标的再定位会非常困难。长时间之后，即使知道目标的位置，由于其沉溺于海底，我们也无能无力。因此，这就要求航海地理信息系统具有准确估计、快速反应的特性。
2.2 航海交通地理信息系统应用现状
随着计算机技术、图形图像处理技术和航海技术的迅猛发展，产生了以数字形式表示的、描写海域地理信息和航海信息的电子海图以及电子海图应用系统。由于它形象、直观、灵活，有着纸质海图无法比拟的诸多优点，因而被广泛地应用于航海领域和测绘领域。截至目前，关于ECDIS的国际标准主要有：IHOS-52电于海图显示与信息系统的海图内容和显示方法规范和IHOS-57数字化海道测量数据传输标准（TheoreticalModelobjectCatalogueDX-90）。
我国国家技术监督局也于1995年9月发布了《GB1570295电子海图技术规范》。该规范基本上与国际标准一致，略存差异。未来电子海图系统的开发和研制都必须遵循这些国际标准和规范。
3 航海交通地理信息系统关键技术及发展方向
自1998年数字地球的概念被明确提出后，各国政府和学者都给予了极大的关注，并积极在其涉及的各个领域展开研究。数字交通与数字海洋是数字地球应用于国民经济建设的两个重要领域。航海智能交通系统，从宏观上讲，是数字交通与数字海洋交叉融合的一个应用示范，因此对航海智能交通系统的研究必须站在一个高的起点上，要有宏观的指导思想。它的研究成果与发展方向都将成为数字海洋与数字交通建设的理论基础和技术保障。以下，就航海交通地理信息系统的发展方向及关键技术进行探讨。
1）空间数据标准
空间数据标准用于定义、描述或处理空间数据。标准是数据共享的基础，标准与规范的制订是为了空间数据的统一表达，从而能方便的实现不同地点、单位的同类或异类数据的集成和应用。航海交通地理信息系统的空间数据标准的制订必须要以几个国际化的电子海图标准和规范为前提和基础，在充分考虑信息全球化的条件下，最大程度地兼容电子海图标准和规范，即最少地修改现有的电子海图标准、最大地适应数字地球的空间数据基础设施的系统标准。
2）地理信息系统的开放性（网络化）
未来的地理信息系统必须是基于网络的、面向用户的、资源共享的开放系统。ECDIS作为封闭的独立的系统在这方面的不足己经表现出来。其中，最突出的就是电子海图的自动改正.而基于网络的航海交通地理信息系统可以使用户在任何时间任何地点、以廉价的方式获得所需要的各种信息，其中包括最新更新的空间数据、交通信息等。其优点不言而喻。目前，由OGC技术委员会制定的open GIS规范作为一个综合性的软件体系规范，为开放系统地理处理奠定了基础。此外，还要在面向对象技术、分布计算技术、开放式数据库互连等方面进行更细致的研究。
3）真三维显示
任何一个空间物体需要用三维坐标值唯一确定。而目前的GIS和ECDIS都是用二维图形显示，高度或水深则作为属性数据存于数据库中。因此，这样的数据结果并不能从视觉上真正体现物标的空间位置。真三维显示技术（也称虚拟现实技术）则将高度或深度值作为空间的一维数据，而不是属性，通过真三维可视化数据分析软件就可以显示一个立体的客观反映真实世界的虚拟环境。
4）系统分析与决策
地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务。用于系统分析的模型按其空间特性分为两大类，即空间模型和非空间模型。非空间模型主要是对各种属性数据进行运算，通常都有比较成型的理论和方法。空间模型则要同时对图形和属性两种数据进行运算，方法涉及图形运算、空间检索、统计识别、网络分析即空间扩散计算等。面向航海领域，这类模型的研究和应用还很不充分，因而也是今后研究的重点和发展的主要方向之一。
参考文献
［1］叶 清，郁振伟.改进最短路径算法在最佳航线选择中的应用［J］.中国航海，2003，（5）.
［2］ 王世林，陈世才.航线标绘与航线［J］.世界海运.1998（6）.
［3］ L. LUCCHESE.S.K. MITRA，Correction of Geometric Lens Distortion through Image warping.2002.
［4］ D.A. FORSYTH. J. PONEE，Computer Vision-A Modern Approach，Prentice Hall， Upper Saddle River.2002.
［5］ 刘 烽，庞福文，李志华.利用恒向线算法计算船舶最短时间航线［J］.大连海事大学学报.1994，（1）.
［6］ 洪德本.解析法大圆航线的设计［J］.大连海事大学学报.1997，（4）.
［7］ 王志明.混合航线的快速计算法［J］.中国航海.2002，（1）.
［8］ F. DEVERNAY.O. FAUGEARS，Straight Lines Have to be Straight，Machine Vision and Applications，Srpinger-Verlag，Germany.2001，（13）1：14-24.
关键词：航海；地理信息系统；关键技术
中图分类号：U644 文献标志码：A文章编号：1671-7953(2009)01-0010-03
Key Technology on Geographic Information System of Navigation
SHEN Yi-chao
（School of Geodesy and Geomatics，Wuhan Unviersity，Wuhan 430072，China）
Abstract: The establishment of Geographic information system of navigation has a higher degree of difficulty and urgency in relation to land. In this paper，after introduction to the status quo at home and abroad，discussion on GIS offeatures，application status，the key technology and its development direction in the future，hope to offer some reference value to study the relevant aspects.
Key words: navigation；geographic information system；key technologies
1 地理信息系统的基本概念
1.1 地理信息系统的内涵
地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
1.2 地理信息系统的特征
地理信息系统具有以下三个方面的特征：
1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。
2）以地理研究和地理决策为日的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。
3）由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用的信息，完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持是GSI的重要特征，使GSI得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
1.3 地理信息系统的研究内容
l）输入：
地理数据如何有效地输入到GIS中足一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，大多数的地理数据是从低质地图输入GIS。常用的方法是数字化和扫描。数字化的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GSI数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式。就这一领域目前的研究进展而一言，全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能：因而，交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径。市场上已有多种交互式矢量化软件出售。
目前GSI的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形式。遥感数据已经成为GSI的重要数据来源。与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情；因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGSI中都具有功能齐全的图像处理子系统。
地理数据采集的另一项_L要进展是GPS技术。GPS可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，因而，除了作为原始地理信息的来源外，GPS在飞行器跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力。
2）存储：
GSI中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GSI的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬盘容量已达到GB级，但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的。GSI的数据存储却有其独特之处。大多数的GSI系统采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交换过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图。
地理数据存储是GSI中最低层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功能的实现效率。基于微机平台的MAPGIS能够快速、高效地处理多达上万幅的海量地图库，这不仅在国产GIS软件中处于领先地位，即使与国州司类产品相比仍是其中佼佼者，这与MAPGIS较好地解决了地理数据的存储问题密切相关。
3）地理数据的操作和分析：
GSI中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。对图形数据（点、线、面）和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术；有所不同的是GSI中图形数据与属性数据紧密结合在一起，形成对地物的描述，对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据，因而操作带来的数据一致性和操作效率问题是GSI数据操作的主要问题。
地理数据的分析功能，即空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。GSI的空间分析分为两大类：矢量数据空间分析和栅格数据空间分析。矢量数据空间分析通常包括：空间数据查询和属性分析，多边形的重新分类、边界消除与合并，点线、点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠加，缓冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。栅格数据空间分析功能通常包括：记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、统计分析。
4）输出：
将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是GSI问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域，高质量的输出功能对GSI是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形整访、误差消除、坐标变换、出版印刷等。
2 面向航海应用的地理信息系统
2.1 面向航海应用的地理信息系统的特点
1）数据采集量的庞大性和复杂性
海域的宽广、水下地形的复杂分布、众多船只的航迹监测以及与气象、水文部门的信息交互等决定了面向航海应用的地理信息系统在数据采集方面的庞大性和复杂性。
2）数据勘测的高难度
与陆地相比，海域的数据勘测更具难度。由于水下地形的不可见性，采用卫星航拍是无法直接获取的，即使获取到浅水的地形数据，山于光线折射、水流影响等因素的影响，精度有限。因此获取水下地形必须采用总体航拍结合局部区域水下探测的方法。但大范围海域的水下地形探测，耗资巨大，历时漫长。因此至今海域地图的精度和时效性都相对较低。
3）定位精度相对较低
在陆地上，地物特征多样，这有利于进行定点测位；而且，通常每隔固定区域都会设立高精度定位后的特征物体用于定位校正，因此定位精度较高。但山于海上地形元素的相对匾乏，加之不能普遍建立固定的校准物，这使得海上的定位精度达不到陆地上的水平。而且大范围的、全天候的海域监测我们只能借助于卫星系统，对于短时的、局部的区域探测可以使用侦察机或无人机完成。显然定位手段与陆地定位相比呈现单一性。
4）监测目标的非人为流动性
由于海水的流动性，对于监测日标的趋向估计是比较困难的。我们必须综合考虑洋流、季风的影响，结合监测物的特性，才能对其位置进行合理的估计。并且，一旦目标遇险，我们必须在短时间内到达并迅速解决，否则由于漂流和下沉的影响，对目标的再定位会非常困难。长时间之后，即使知道目标的位置，由于其沉溺于海底，我们也无能无力。因此，这就要求航海地理信息系统具有准确估计、快速反应的特性。
2.2 航海交通地理信息系统应用现状
随着计算机技术、图形图像处理技术和航海技术的迅猛发展，产生了以数字形式表示的、描写海域地理信息和航海信息的电子海图以及电子海图应用系统。由于它形象、直观、灵活，有着纸质海图无法比拟的诸多优点，因而被广泛地应用于航海领域和测绘领域。截至目前，关于ECDIS的国际标准主要有：IHOS-52电于海图显示与信息系统的海图内容和显示方法规范和IHOS-57数字化海道测量数据传输标准（TheoreticalModelobjectCatalogueDX-90）。
我国国家技术监督局也于1995年9月发布了《GB1570295电子海图技术规范》。该规范基本上与国际标准一致，略存差异。未来电子海图系统的开发和研制都必须遵循这些国际标准和规范。
3 航海交通地理信息系统关键技术及发展方向
自1998年数字地球的概念被明确提出后，各国政府和学者都给予了极大的关注，并积极在其涉及的各个领域展开研究。数字交通与数字海洋是数字地球应用于国民经济建设的两个重要领域。航海智能交通系统，从宏观上讲，是数字交通与数字海洋交叉融合的一个应用示范，因此对航海智能交通系统的研究必须站在一个高的起点上，要有宏观的指导思想。它的研究成果与发展方向都将成为数字海洋与数字交通建设的理论基础和技术保障。以下，就航海交通地理信息系统的发展方向及关键技术进行探讨。
1）空间数据标准
空间数据标准用于定义、描述或处理空间数据。标准是数据共享的基础，标准与规范的制订是为了空间数据的统一表达，从而能方便的实现不同地点、单位的同类或异类数据的集成和应用。航海交通地理信息系统的空间数据标准的制订必须要以几个国际化的电子海图标准和规范为前提和基础，在充分考虑信息全球化的条件下，最大程度地兼容电子海图标准和规范，即最少地修改现有的电子海图标准、最大地适应数字地球的空间数据基础设施的系统标准。
2）地理信息系统的开放性（网络化）
未来的地理信息系统必须是基于网络的、面向用户的、资源共享的开放系统。ECDIS作为封闭的独立的系统在这方面的不足己经表现出来。其中，最突出的就是电子海图的自动改正.而基于网络的航海交通地理信息系统可以使用户在任何时间任何地点、以廉价的方式获得所需要的各种信息，其中包括最新更新的空间数据、交通信息等。其优点不言而喻。目前，由OGC技术委员会制定的open GIS规范作为一个综合性的软件体系规范，为开放系统地理处理奠定了基础。此外，还要在面向对象技术、分布计算技术、开放式数据库互连等方面进行更细致的研究。
3）真三维显示
任何一个空间物体需要用三维坐标值唯一确定。而目前的GIS和ECDIS都是用二维图形显示，高度或水深则作为属性数据存于数据库中。因此，这样的数据结果并不能从视觉上真正体现物标的空间位置。真三维显示技术（也称虚拟现实技术）则将高度或深度值作为空间的一维数据，而不是属性，通过真三维可视化数据分析软件就可以显示一个立体的客观反映真实世界的虚拟环境。
4）系统分析与决策
地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是完成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务。用于系统分析的模型按其空间特性分为两大类，即空间模型和非空间模型。非空间模型主要是对各种属性数据进行运算，通常都有比较成型的理论和方法。空间模型则要同时对图形和属性两种数据进行运算，方法涉及图形运算、空间检索、统计识别、网络分析即空间扩散计算等。面向航海领域，这类模型的研究和应用还很不充分，因而也是今后研究的重点和发展的主要方向之一。
参考文献
［1］叶 清，郁振伟.改进最短路径算法在最佳航线选择中的应用［J］.中国航海，2003，（5）.
［2］ 王世林，陈世才.航线标绘与航线［J］.世界海运.1998（6）.
［3］ L. LUCCHESE.S.K. MITRA，Correction of Geometric Lens Distortion through Image warping.2002.
［4］ D.A. FORSYTH. J. PONEE，Computer Vision-A Modern Approach，Prentice Hall， Upper Saddle River.2002.
［5］ 刘 烽，庞福文，李志华.利用恒向线算法计算船舶最短时间航线［J］.大连海事大学学报.1994，（1）.
［6］ 洪德本.解析法大圆航线的设计［J］.大连海事大学学报.1997，（4）.
［7］ 王志明.混合航线的快速计算法［J］.中国航海.2002，（1）.
［8］ F. DEVERNAY.O. FAUGEARS，Straight Lines Have to be Straight，Machine Vision and Applications，Srpinger-Verlag，Germany.2001，（13）1：14-24.