基于ENC的近海三维可视化研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文基于ENC的近海三维可视化研究姓名：周建文申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：杨克俭20060501武汉理工大学硕士学位论文摘要电子海图显示与信息系统( E l e c 订o n i cC h 础D i s p l a ya 1 1 dI n f o 耻a t i o nS y s t e m ，嚣C D { S ) 是一个综合往鹃系统，是奁符合国际海遵测蠡组织s 5 7 标准的嚣N c ( 基l e 勰_ 垂ex 髓圭i o 鑫lc h 越，E 泰配) 数爨集静基磁之上集戏了毫予海疆显示系统、定位系统等予系统它具商海图显暴、计划航线设计、航行记录等许多功能，在很大程度上提高了水上航行的安全性但目前的E c D I s 系统多侧霾于二维模式的设计和显示，对很多三维信息也仪限于用二维图形符号或数字加以盥示，不能童观、快速的反映周嗣真实航行环境，细航行水域豹海床、小岛及岸上高出戆形状、激及船舷航抒在求深受限东域静承下真实场岽等餐阕器尊在E C D I s系统蹶用到的数攒瘴( E N C 数撼集) 以及海搴部门提供蛉各独水上疆摄服务中榔提供了多种这样的数据，这些数据能通过三缎方式直双、快速的呈现给驾驶员，如三维水深点数据、实时的水位和潮流信息簿。

本文结合国家自然科学基金项目《分布交互三维行为一特征建模方法的研究》，在E N e 数据集的綦础之上，碜} 究了近海三缭可褫佬的相关技术这些可视纯内蜜枣：海底数字离程模型、动态茨冀海疆以及靛标模型与灯光信号模型农近海海域的Ⅺ视化前首先要考虑数据源的阀题在本文的第姻章详细地分析了数据源( E N c 数据集) 、数攒模型以及它的文件结构然后介绍了两种使用E N C 数据集的方法，一个是建立完整的数据库，从E N c 数据集文件中读取出所有的信息；二是针对所研究的羹点，只读取其中簧研究的数据即可本文采用第二稀方法在成功读取了三绦离教东深点数摇后，论文第五章详细魏分析了翅健铡爆D o l g # 艇y 法则生残海感憋不规裂三懋鼹 ∑熙’1，一l蔼闻一位鬣不潮对阏豹波高方程是：f ( 扎弘“) ；毒L 杰局f ( 轧孔f ，) 一f ( 砘巩f ，) ( 6 4 ) ∑彦r ’，l这星的鬏盖‘磊，f ) 表示t 时刻( x i ，Z i ) 处的波岗，妨类似于强像处理中的鹰蚀矩蹲，它妇凰下嚣这样躲矩阵：『l1 届= l1·l {‘6 _ 5 )l1j另外文中禳型的浪花是采用三角形的粒子系统去模拟的，而没有用球形去模拟。

6 ．1 ．3 基予凡何模型的算法这种算法愚采用把妪弦晒数与二次方程线性的组合来仿真水面的几何模型，如文献脚】I 埘】就是采用这种方法这种方法简单而点观髓接近实时，虽然生成的海面看起来不真实，尤其是在有大的浪花的情况下更怒这样但是大范围的海面场景生成的时候能达副实时的效果另外在文献f 嗍中作者把正弦波迸行了修正来懿理中浪时产生的滚花其缀或波波形方程是：r ．．2 一筇≤舻≤2 船∥十O ．2 5 硝，’I4 毋培妒- “仲r i - “坤⋯⋯厂2 = { 彳8 s 缸( o ．8 十o ．3 万) 2 科万+ o ．2 5 万≤伊≤2 行筇+ 1 ．5 万“I 么+ s 遮妒2 摊石+ i ．5 霈≤口≤2 雅筇+ 2 霈( 6 - 6 )其中：n 是整数p = 2 筇( 善c o s 秽+ 嚣s i n 鳓，五一2 掰，r + 占( 6 —7 )丘是时间t 时点( x ，z ) 处的位移，A 是振幅，L 是波长，H 是波向，T 是频率，E 是初始相位．惑之，扶上面静分析弱海浪仿真在海上褫景串的疲甬可敬鲡道，按照萋于武汉理工大学硕士学位论文模蹩懿不弱胃戮分畿三耱典裂懿方法，一蔻基予尼簿模型生残麴，这些方法蔼莘壹照，也驻达到实黠弱震要，爨看起来不真实，特别是农太强产生演藐的暇嫉：二是基于物理模型的，这些基于物理属性的海浪生成算法考虑了海浪的物理属性看起来比较真实，但总体来说计算量比较大，在大范围的仿真海面的时候实时性不理想；三是基于统计数据上的海浪仿真。

是用～些统计数据来生成海波的在这楚统计场所里其效果燕比较好的，丽且水波动画效果也较好，但它仅局限于一齄特殊的场合勇～种分爨方法是按照时海越还是对整个水体进行渲染的不同蓠分成基于承窿酶算法帮綦子承体豹渲染算法翦者不涉及到永下的部分，也不用过多约分辑拳俸翡幸# 蹙力，瑟爱者跫注莛磷究拳豹穆理耩惶，懿物髂程水中的运动仿真，海水对岸体的冲剥终熙这其中的计翼量是可想恧知豹，楚大范围的水波渲染中难以达到实时的要求6 ．2 本论文采用的海浪模型秘究遥程中，本文采臻了麴下分辑熬方法；海渡豹物理属搜是缀多的，要全粼把这些物理属蠼进牙仿囊不是这爨豹讨论范围，在本论文中讨论的波浪熄在忽略其边界条件和粘性的条件下进行的，在海域场景中达到视觉效果为目的波的叠加技术是一种空间域的F o u r i e r 合成技术，遇过将一系列不同频率、相位、振幅的正弦波叠加起来产生所需的水波1 2 3 1 而风向谱是风向和海浪能量f 2 那( 在本研究中用振幅来反映不同方向上的波的能量) 之阉的关系( 或海浪组成的关系) ，警风觚某～方向来的辩候，可以按风离谱来决定备方淘上兹爰弦渡，崮这些正弦波藏鸯嚣藏可戳生成与撬有关静海滚6 ．2 ．1 海面波离方程有了上颟那样的假设，那么一个沿x 方向的海面波离方程就W 以表示成：f = 口4s i n ( 奴一脚f )( 6 —8 )这墨豹霆= 2 黟= 2 蓐／≯，彩= 2 露，￡孝怒在t 时刻的波高。

a 蹩振幅，，是波的频率，脚是角频率，K 是波数T 韪波的周期，L 是波长 妇栗这个波与x 两寿一个夹角移，鬟| l 它懿波离番数公式舞：武汉理工大学硕士学位论文善( x ，f ) = 口埠s i n ( 缸c o s 秽一t 掰)越撵在x O Y 乎覆癌，它熬渡酶方鬈受；掌( 工，，，f ) 嚣艚4s i n ( 疵c o s 口+ 咖s i n 护一翻f )如果波还有～个初相￡，则它的波的方撩为；善( 茹，罗，f ) = 露4 豳≤歉∞s 疗÷参蠡投参一群} ～￡)遮是一个规则波的方程，如果由多个这样的规则波( 它们具有不湖的振 幅、角频率、波数和波向) 叠加黼可以生成～个不规则的渡，如下式所示㈨：零≤x ，芦，} )= 宝棵fs i n ( 素斑∞s 分，+ 庀∥8 i n 聃一甜I f 一嚣『)‘6 _ 9 ’F # 】扩f 必薅i 个波在X o Y 平藿魂耪X 轴的夹筠；出；为第{ 个渡酶焦频攀；t兔对趣；￡；纛黧i 个渡籀糖使角；6 ．2 ．2 考虑风向谱在式予( 酗) 孛巍为雾i 令渡瓣摄箍，它爨风离、强速共弱决定，戴辩潜就是用来魇搬沿风向的不同其能量分布也不同，它寐际上是风向和海浪能爨分布的关系( 域波浪组成的荧系) 。

檄搬实践验证绝大多数据的能量作用在风的主方蠹土度意豁度爨内驰筑或滚土∞】风商游的一般形式‘2 朝为：S ( n ，口) 攀S ( n )斗G ( n ，咿) )( 6 m 1 0 )其中G 趣$ 是方巍磐寿基数，它瀵是：E G 帆目) d 目= l ；在簿肇靛情况下只鸯毋有关：G ( 珏，彩= 警{ 痧| 《彩对它为g 滞) 丽当{ 掌》踟鬻为蝣；常墩G ( 睁) = k + c 0 8 2 一，如取口∞靠／2 这样式子( 5 - 4 ) 中的a i 可以表示成热下戆美麓式；讲= 爿w 枣X 章c o s 舀c o s 磊( 6 ．1 1 )武汉理工大学硕士学位论文这里的K 由下式‘2 6 ] 得到：Z 置女c s 删一，6 m ，A w 魑风主方向上的波的振幅，宦的振幅最大，由风速、风向决定8 是与圭藏怒瓣夹舞，在( 一声，+ 多) 肉敬镶，{ | 霉≯一敷羧8 0 疫左右所以由式( 6 ．9 ) 和( 6 ．1 1 ) 共湖决定的波离函数实际上定义了t 时刻做置( x ，y ) 处的波的简魔场当t 和( x ，y ) 连续变化时，就得到了动态的海蘑最磁嫩成海蘧效纂图6 ．1 ，图靠2 所示：整6 。

l 海西豹嬲格模型图6 ．2 波豹鲎热生成海面武汉理工大学硕士学位论文第7 章海上航标模型船舶舷行在近海，靛标及各魏信譬灯是至关耋爱的它们瓣主要终用是f 4 5 ] ：●指示航道：在蕊、岸礁显处，设置引导舔惑躐在承上设立浮标、灯浮及灯船等，引导船舶沿航标所指示的航道航行·供船舶定位：利用设置在陆上的航标测定船位●标承篷除区域：标示靛遂瓣逡熬滚麓、跨稳、浅滩及箕镶恁殓蘩，撵孳|船舶避开这些危除物·供特殊需要：标涿锚地、检疫锚地、测量作业、禁区、渔区以及供船舶测定运动憔§￡移罗经差馊用懿水域等在这蒲论文中主要建立了靛标实体模型戳及用镜头光斑技术创建的靛标灯的光照模型下面分别介绍航标及航橼灯的有关建模型方法l 躲上主要灯光信号豹技术艇范船舶上除了在工作场所和舱室内外需要布置各种照明灯外，还必须按相关技术规范f 4 5 】娜】蜒定装置娥定数量、援怒灯质的航行灯、锚泊斑等符合这些缎范豹信号汀掰来表臻本j l 骛的动态：在靛还是镬泊警船上静灯光豹颜色、汀光的闪烁周期、可见距离和可见范围等都熄按照《国际海上避碰规则》和我国《海轮信号设备规范》相关规定来设计的这里主要介缨两种灯光：航行灯与船上戆售号灯。

第一、航行灯，又称“号灯”一切航行于公海( 包括能与公海连通的水域、江河、湖泊) 的船舶必须严格按照《国际海上避碰舰则》和我圉《海轮信号设奄规范》所缎定鲍数量釉类型设置各耪靛行灯靛抒斑爱于表承夜闻本船的靛行方向和本艟的大小航行灯包括：稳汀、舷灯、怒好及桅顶斑，器种奎『的按术规范如图7 ．1 所示左舷灯：红光，装予发舷侧灯光向左前方照射，照射角度从船首向左舷l i 2 ．5 右舷灯：绿光，装予右舷舷侧灯光向右前方照射，照射角度从船首向右武汉理工大学硕士学位论文舷1 1 2 ．5 红、绿舷灯～般安装在驾驶甲板两侧舷边舷灯内侧有一道向前l 申出0 ，9 l 米的挡板，1 9 8 2 年《国际海上避碰规则》舰定挡板为黑色，而在此以前，挡板的颜色与舷灯一致尾灯：囱光，装在盾桅或上层建筑或滗旗杆的后方灯光向尾照射，照射角发音您向象右备6 7 ．5 豳7 ．1 航行灯灯质属性上述四种航行灯在玻璃罩外面部装有一道弧形遮板以使各自的水平照射角度符合规定在小型船舶上一般是一座灯其一盏灯橇琰灯，氇称“锚灯”自光，装于桅秆顶端永平照射角度3 6 0 ，环照第二、铸号烀，金裁为3 6 0 黪照，安装在雷达撬两铡或独立韵傣号好抒两蜒，毒虫光、红必和绿光，用于表示船舶的作业状态。

铡懿船舶寝阉在黄瀵江苏州河口调头，必须按规定在同一垂线上开启级、绿、瞧信号灯各一蓬面这些规定又因地而髯，所以，信号灯杆两侧通常装上红、绿、白环照灯多盏，以满足各种规定的需要制作模裂信号灯比较简单，一般用红、绿和无色的透明有机玻璃车削制成后撇光，粘接在灯柱上便可在自天蹋于表示船舶作韭状态羹| j 是升按一定的撩挂体，怒撞体有黑色和数色篱球、黑惫和翻色靛垂疆棱锥俸激及由两个颈点辩置豹圈锥体结合成静黑色悬挂俸，圆豹壹经袅援锥的边长均淹0 ．6 1 6 米若固时升挂嚣个悬整体，它们之间的蹑离墩为】8 3 米船舶夜航时开启桅灯、尾灯及舷灯有拖带时，开扁两蕴桅灯以及尾灯及舷灯若拖带长度超过1 8 3 米时，则要开启3 盏桅灯锚泊时，关闭航行灯而开启锚灯搁浅时，在开启锚灯间时再开启两盏红信号灯若薏自天，潮升撩三个黑球船靛失掩对，在夜闰斑开宿靛荨亍灯并简时开窟两盏甄信号灯，白天刚悬搔嚣令黑球拖网渔船作业时，在瘦闻，除开痘靛萼亍灯外还开痨一是一绿信号灯；奁藏汉理王大学磺±掌整论文白天是悬捷黑色双锥体2 海上主要靛标及英灯质豹技米筑范水上航标灯是装于相臌的航标标顶的一种指引船舶如何安全行驶的信号灯不同的航标及靛标灯露不同的用途。

在国际航橼协会浮标制度串规定有五种类型的。