（水声工程专业论文）多波束测深系统导航软件的设计与实现.pdf

a b s t r a c t m u l t i b e a ms o u n d i n gs y s t e m ( m b s s ) i s a h i g h d e n s i t yi n t e g r a t i o n o f m o d e ms i g n a lp r o c e s s i n g ，c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ，h i g hp r e c i s i o n n a v i g a t i o n p o s i t i o n i n ga n do t h e rt e c h n o l o g i e s w h i l ew o r k i n go nt h e s e a ，t h em u l t i b e a m b a t h y m e t e ri sr e q u e s t e dm o r es t r i c t l yt ot h ep a t ho ft h es h i pa n dt h i s d o u b t l e s s r e q u e s tt h ep r e c i s i o no fs h i ps a i lp a t h b a s e do nt h e m u l t i b e a me c h os o u n d e r s u r v e yt e c h n o l o g i e s ，t h i st h e s i s s t u d i e dt h en a v i g a t i o nt e c h n i q u e sr e l a t e dt o m u l t i b e a ms u r v e y i n g t h i sn a v i g a t i o ns y s t e mi sac o m p l e xs y s t e mw h i c hu s e sg p s ，g i s ，d a t a b a s e a n dc o m p u t e rt e c h n i q u e s 。f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a n c eo ft h ep r o b l e ma n di n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gs t a t u so f d o m e s t i ca n d a b r o 甜t e c h n o l o g y t h e nt h ek e yt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e m i s d i s c u s s e d i ns u c c e s s i o n ，a f t e ra n a l y z i n gt h e f u n c t i o nc h a r a c t e r , t h es y s t e m d e s i g n st h e i n t e r f a c ea n dm o d u l ef u n c t i o no ft h es o f t w a r e a c c o r d i n gt o t h e m e a s t i r er e q u e 敷，i tc a nb eu s e dt od e s i g na n de d i tt h ep a r a l l e lo rf a n _ s h a p e dp l a n m e a s u r el i n e i nt h es u r v e y i n ga r e a , g p sd a t a i sc o l l e c t e dt h es y n c h r o n o u s l y , n a v i g a t i o nf u n c t i o nr e a l i z e d 。a n dt h eg e o d e s i cs h i pi s l e a d e di n t ot h em e a s u r e a r e aa c c u r a t e l y , s t o r i n gt h em e a s u r i n gp a t hd a t ao fs u r v e y i n gv e s s e li nr e a lt i m e t h e l lt h em e a 鞠f ed a t ar e p l a y e d 。t h eb a c k g r o u n dd a t a b a s ec a nc h a n g e d t oe x c e l d a t af o m a tf o rc o n v e n i e n to p e r a t i o n a n da tl a s t ，t h ee n t i r es o f t w a r ei sd e b u g g e d t om a k es u r ei tc a l lb ef u l f i l la l lt h er e q u i r e df u n c t i o n s o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h es o f t w a r eo fm u l t i b e a ms o u n d i n g n a v i g a t i o ni sd e v e l o p e du n d e rt h e e n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + ，u s i n gm a p x e 。n t r o l l i n gp a r ta n ds q l s e r v e ra sb a c k g r o u n dd a t a b a s e 。t e s t e db yt h eg p s d a t a o fy u 衄a nf u x i a nl a k e ，t h es y s t e mc a nr e a l i z et h en a v i g a t i o nf u n c t i o n sd u r i n gt h e m e a s ；u r e m e n to ft h es e af l o o n k e y w o r d s ：m u l t i b e a ms o u n d i n g ；n a v i g a t i o n ；p l a nm e a s u r el i n e ；m a p x ；g p s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：巍然 日期：) 以年弓月s 日 哈尔滨 二稗大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 海洋是全球生命系统的一个基本组成部分，也是人类实现可持续发展战 略的重要领域。随着人类海洋资源、环境开发研究活动的不断加强，特别是 联合国海洋法公约颁布以来，人们对海洋基础勘测的要求不断提高，传 统单波束回声测深技术由于其频率或精度上的缺陷，已无法满足当代海洋开 发、海洋研究与船舶导航的日益增长的各种新的需求。正是在这种背景下， 作为当代海洋基础勘测高技术产品的多波束测深系统应运而生，并已在人类 认识和开发海洋的进程中发挥越来越重要的作用。 多波束测深系统的诞生代表了海洋测深技术的革命性飞跃。与传统单波 束回声测深仪不同，多波束系统是一种多传感器的复杂组合系统，自7 0 年代 问世以来就一直以系统庞大、结构复杂和勘测技术要求高著称b 1 。2 0 多年来， 伴随高性能计算机技术、高分辨显示技术、高精度定位技术和各种数字化传 感器及其他相关高新技术的迅速发展，代表海洋地形地貌勘测最新水平的多 波束测深技术不断变革，获得了极大的发展。至8 0 年代术，商业实用型多波 束系统相继问世，各种新型的多波束系统不断研制出来，并向着小型化、多 性能、高精度、高集成和综合化的方向发展。 导航是海洋勘测、海洋调查、海洋科学研究、海洋工程和海洋开发具体 实施及成果表达的基础。海洋科学就其本质来说是一门研究海洋要素时空变 化特征的学科。海洋调查研究如果离开了与之相配套的海洋定位数据，那么 任何海洋要素的观测将失去其实际意义，海洋工程则更难以设计和施工。用 于海底地形测量的多波束系统，要实现其测量的高精度，除需考虑系统本身 的一些影响因素外，实时提供高精度的定位数据是实现这一目标的首要前提。 此外多波束系统全覆盖测量的作业方式需要有一个能引导船只按预定测线航 行，并能有效控制船只偏航的导航技术。否则将会导致多波束测点位置不准， 或船只偏航过大，造成不必要的测量重复和测量盲区，严重的将导致地形畸 变、盲区过多而资料报废，难以实现多波束系统的高精度、全覆盖测量的目 的。 哈尔滨：i i 稃大学硕+ 学何论文 1 2 论文目的及意义 我国是一个拥有3 0 0 万平方公里海洋国土的海洋大国，海洋测深任务非 常繁重。以前使用的单波束回声测深仪，其海洋测深的精度、质量及效率上 均无法与多波束测深仪相比。这种现状远远满足不了我国经济建设和国防建 设的需要。因此，迫切需要开发我国自己的多波束测深系统。“九五期间多 波束条带测深仪被列为国家重点科技攻关项目，某型条带测深仪自1 9 9 3 年开 始研制，历时6 年，现已经成功地装备了我国现代化的中远海测量船1 。它 填补了国家在该领域的空白，使我国成为世界上能独立开发研制多波束条带 测深仪的先进国家之一。但是该条带测深仪还存在着一些不尽如人意的地方， 其中较突出的不足是体积过大，在实际使用中不便于安装；另外，对于实际 的测量过程缺少辅助功能支持，如完善的导航系统等。 对于多波束测深的测线规划、测船导航，国外虽有相应的标准产品，但 价格相对昂贵。为了配合多波束系统的开发和应用，结合我国的实际情况， 有必要研究开发一套多波束测深的导航方法和专用的具有标准接口的导航软 件。 1 3 多波束测深仪工作原理 多波束勘测技术作为一项全新的高精度海底地形探测手段，其在7 0 年代 的诞生和8 0 年代的发展有着十分独特的历史背景和技术背景。 一方面，传统单波束测深仪要实现高精度海深测量，面临两大难题。一 是采用窄波束技术，但波束的变窄需以加大换能器为代价，从而增加了测深 仪的价格和安装的费用；二是加密测线，但又使测量成本大幅度地提高。因 此在传统测深技术框架下要寻找精度和价格均佳的方案十分困难。 另一方面，在8 0 年代中后期，高精度的定位系统和运动传感器、高性能 的计算机技术、高分辨率的显示系统以及数字化的采集技术及其相关的信号 处理技术已得到迅速发展。定位已达到l o m 或更高的精度，高速的计算机能 够使大量复杂的运算能在瞬间完成，数字化采集技术与信号处理技术相互结 合、互相推动，从而使测深技术打破原有的技术框架，进而新的技术构思成 为可能4 1 。 哈尔滨啊早大学硕十学何论文 多波束勘测技术的诞生，突破了传统单波束测深技术的局限，形成了新 的海底地形探测技术框架，并在系统构成、波束发射接收方式、海底信号探 测技术、射线几何学、勘测方法和数据处理成图等方面形成了鲜明的特点。 多波束系统采用发射、接收指向性正交的两组换能器阵获得一系列垂直 航向分布的窄波束，如图1 1 所示。 图1 1 多波束测深仪工作原理示意图 为了便于说明，在此以波束数为1 6 ，波束角为2 。2 。的单平面换能器多 波束系统为例，分析多波束系统的测深方法。系统声信号的发射和接收由方 向垂直的发射阵和接收阵组成。发射阵平行船纵向( 龙骨) 排列，并呈两侧对 称向正下方发射2 。( 沿船纵r h - j ) x 4 4 。( 沿船横向) 的扇形脉冲声波。接收阵沿船 横向( 垂直龙骨) 排列，但在束控方向上接收方式与发射方式f 好相反，以2 0 。 ( 沿船纵n ) x 2 。( 沿船横向) 的1 6 个接收波束角接收来自海底照射面积为2 。( 沿 船纵n ) x 4 4 。( 沿船横向) 扇区的回波。接收指向性和发射指向性叠加后，形成 沿船横向，两侧对称的1 6 个2 。2 。波束。 从波束发射和接收的角度看，换能器阵在3 2 。扇区按2 。间隔定向发射1 6 个2 。x 2 。的波束，这些波束将以2 。x 2 。的立体角投射海底，在海底形成1 6 个矩 哈尔滨下程大学硕士学何论文 形投影区，并在这些矩形投影区内通过反射和散射，回波波束将按入射的路 径返回换能器，换能器接收阵接收并记录各波束回波的到达角和旅行时【”。 这种发射接收方法使多波束系统在完成一个完整发射接收过程后，形成 一条由一系列窄波束测点组成的、在船只正下方垂直航向排列的测深剖面。 多波束测量中各波束测点的空间位置归算需考虑波束的入射角0 ，在忽 略波束射线弯曲的一级近似条件下，各波束测点的换能器下水深d ，和距离中 心点的水平位置x 可简单表示为 d f ，= 圭o c 础( 1 - 1 ) x = 三o sin0(1-2) 其中，c 为平均声速：f 为双程旅行时间；臼为接收波束与垂线的夹角，即入 射角。 随着换能器结构的不断改进和声脉冲信号处理能力的不断加强，目前各 种多波束系统的脉冲发射扇区开角一般都达到或超过1 5 0 。，并且通过多阵列 接收电子可产生1 2 0 个以上的波束，从而使多波束勘测发展为由1 2 0 个以上 的密集测深数据组成的一个大于或等于1 5 0 。照射区域的条幅测量。通过适当 调整测线间距，使边缘波束有部分重叠，就可实现全区的全覆盖无遗漏精密 地形测量。由于测量区域中测点实现了全覆盖，因此无需像传统回声测深仪 那样进行数据内插，更不会损失测线间的水下小地形特征。 1 4 多波束测深及其导航技术概况 国外多波束测深系统白7 0 年代开始问世以来，在高性能计算机、高精度 定位和各种精密数字化传感器以及其他相关高新技术的介入和支撑下，代表 当代海洋地形地貌勘测最新研究成就的多波束测深技术不断变革，获得了极 大的发展p 1 。在国外，多波束测深系统的代表产品为s e a b e a m 多波束测深系 统、e l a cb o t t o m c h a r t 多波束测深系统、a t l a sf a n s w e e p 多波束测深系统、 s i m r a d 多波束测深系统、s e a b a t 多波束测深系统等。 ( 1 ) s e a b e a m 多波束测深系统 s e a b e a m 2 1 0 0 浅水多波束系统是s e a b e a m 公司多波束浅水测深系统的典 型产品。s e a b e a m 2 1 0 0 系列产品适用于换能器以下5 0 11 0 0 0 m 海域的水深 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 测量，包括1 2 k h z 和3 6 k h z 两个频率系统。工作波束宽度为2 。2 。，一次连 续扫海可获得1 5 1 个波束，作业速度最大为1 6 节。由于定向发射、接收窄带 波束和有效旁瓣抑制的性能，使系统具有高分辨率，海底特征清晰，并具备 从多波束数据中提供高质量侧扫图像的功能峥1 。 s e a b e a mi n s t r u m e n t s 公司对多波束测深数据和海洋学数据的采集、处理 和显示提供了各种软件服务。s e a b e a m 2 1 0 0 的数据后处理子系统由三个软件 组成，分别是数据采集软件、后处理软件和网格化成图软件。 s e a b e a m 210 0 的数据采集软件提供了导航和多波束测深数据采集的双重 功能，它既适合于导航质量要求不高的深海调查，也适用于近岸海道测量任 务。此软件可通过菜单来选择成图比例尺、等深距及色彩变化，船的航迹绘 于扫幅的中央，其上标明定时出现的固定标记如年、月、同、时间、位置、 航向、比例尺。s e a b e a m 2 1 0 0 的后处理软件可根据导航特征对航迹重新定位， 并调整航迹交点以保证测深的一致性，此外，该软件还可以重新绘出并显示 现场后处理导航航迹及其他沿航迹参数。网格化成图软件可以形成导航航迹 图。 ( 2 ) e l a cb o t t o m c h a r t 多波束测深系统 e l a c 公司的b o t t o m c h a r t l1 8 0 浅水多波束测量系统于1 9 9 1 年问世，工 作频率为1 8 0 k h z 。b o t t o m c h a r tm k 多波束系统波束宽度为1 5 。1 5 。，波束 数为1 2 6 个，最大扇区宽度为1 5 0 。 b o t t o m c h a r t 多波束测深系统的数据处理子程序由实时采集系统和后处 理系统构成，并配有三个处理软件：实时处理软件h y d r o s t a ro n l i n e ，数据编 辑软件h d p e d i t 和后处理软件h d p p o s t 。 ( 3 ) a t l a sf a n s w e e p 多波束测深系统 s t na t l a se l e k t r o n i k 公司的多波束测深系统有多种产品，其中 a t l a sf a n s w e e p2 0 是该公司二十世纪9 0 年代的新产品，为便携式浅水多波 束扫描测深系统。 该系统的处理软件包括实时处理软件包和后置处理软件包。实时数据处 理软件模块由数据采集模块、导航设计和控制模块、电子海图模块组成。每 个接收波束中包含深度信息的量有回波信号幅度、波束到达时i b j 矛1 1 波束角， 从而解算出对应的深度数据，在实时处理软件中有对应的处理模块。为了保 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 证数据的精确度，原始的深度数据必须在实时显示前经过船体姿态补偿，海 底某一点的地形信息由深度数据和大地地理坐标共同确定。在实时软件显示 区中有瀑布图、母船航迹图、伪彩编码海底图、实时参数显示。后处理软件 对保存的实时数据信息进行进一步的精确计算1 。 ( 4 ) s i m r a d 多波束测深系统 s i m r a d 公司推出了多个型号的多波束测深系统，以适应浅水、中水和深 水测量要求。在换能器阵上采用弧形阵或平面阵，两者各有优缺点。弧形换 能器阵的波束指向角是由硬件固定的，省却了很多计算上的麻烦，但它需要 很多的换能器。平面换能器阵只需要很少的换能器，但它的波束指向角是通 过主旁瓣接收水平的关系计算而来的，软件复杂；如s i m r a d 公司的e m 3 0 0 0 ， 系统频率高，换能器体积小，是一种便携式产品，采用了尺寸很小的平面换 能器阵( 直径3 3 2 m m ，高1 1 2 m m ) _ 1 。e m 系列多波束测深系统波束形成方法 采用了f f t 快速算法，水平扫描覆盖宽度大，如e m 9 5 0 和e m 3 0 0 0 最大扫 描宽度为7 4 倍水深。 工作站的软件都是用高级语言编写的，例如c 或c 抖。该系统的处理软 件包括实时处理软件和后置处理软件。实时处理软件不仅负责实时数据采集， 同时完成数据显示的功能。这其中包括显示在一个系统时钟周期内横向深度 剖面纵向深度剖面，波束数据强度和质量评估显示，瀑靠显示，以地理表示 方法对所获得实时深度数据进行显示一系列观察系统实时测量性能的图示。 另外，其它的一些可用数据，如船舶航迹、航行范围、海底反向散射都可以 加到显示区。该软件还分划出显示船舶姿态偏移量的区域，包括船体横摇、 纵摇、航向，以便于舵手更加准确地掌握船舶行进中的信息。实时数据处理 软件还设计有导航和控制模块、电子海图模块。 ( 5 ) s e a b a t 多波束测深系统 s e a b a t 8 1 0 0 系列产品多波束测深系统是美国r e s o n 公司在二十世纪9 0 年代多波束技术领域的新一代产品，s e a b a t 8 1 0 0 系列除保持了该公司前期多 波束产品传统的灵活性、便携性和易于使用的特性外，在测量范围、扫幅宽 度和更新率方面均有提高。s e a b a t 一般用于浅水区测量。目自u 有s e a b a t8 1 2 5 作为该系列的代表产品。工作频率4 5 5 k h z ，2 4 0 个波束，工作的最大扇区宽 度为1 2 0 。，波束角间隔0 5 。，纵向波束宽度1 。，最大工作深度1 2 0 米。 6 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 s e a b a t 的软件包括h y p a c kl i t e 导航模块、s e a b a t6 0 4 2 多波束控制、 显示和文档模块、h y s w e e p 多波束编辑软俐卅和p a t c h t e s t 多波束校正软 件。多波束实时采集系统的主要任务是为调查船沿测线测量提供导航信息， 同时接收与多波束测深和侧扫数据采集有关的所有数据，并对海底的实际 x y z 坐标进行实时计算，同时将己改正的数据输送到存储器，以备后处理系 统数据处理之用。 在8 0 年代以前，我国的海洋勘测事业主要使用单波束回声测深仪、双频 测深仪等，内容局限于水深测量和水下障碍物探测，直到8 0 年代末我国才出 现自行研制的多功能水深测量自动化系统，即由中国科学院声学研究所和天 津海洋测绘研究所联合研制的多功能测深系统。“八五”期间，多波束条带测 深技术被国家正式列为重点科研项目，哈尔滨工程大学研制出了我国第一台 条带测深仪，并于1 9 9 7 年1 0 月在我国东海进行了第一次讵式海上试验，获 得了成功p 1 。2 0 0 3 年，中科院声学研究所以朱维庆研究员为首的科研团队受 到国家海洋8 6 3 项目资助，经过多年潜心钻研，研制出了高分辨率测深侧扫 声纳实用样机，该系统把高分辨率波束形成技术应用于测深侧扫声纳，使声 纳能克服多途效应，解决了现有测深侧扫声纳在其正下方附近的测深精度差 以及不能检测从不同方向同时到达的回波，难以在复杂地形上工作的缺陷。 在多波束测深系统软件导航方面，哈尔滨工程大学研制的国内首台条带 测深仪的导航控制软件是在d o s 操作系统下运行的，采用b o r l a n dc + + 编制 的，操作界面不够友好，给大范围的推广使用带来了困难州。现在许多测绘 部门采用上海天测科技有限公司的a s hb c 实时导航定位软件”们，该软件可 以实现测点定位坐标、计算坐标转换参数；点、线导航、边槽报警、平行测 线、扇形测线设置等功能，但是系统不是基于电子海图设置，影响了系统的 可视性。 国内现有的导航软件还有北京亿海蓝科技有限公司的e l a n e n a v i g a t i o n 、上海意玛软件有限公司的意玛系列软件、e z h y d r o 水上测量软件 系统p 1 ，南方测绘仪器有限公司的水上测量导航2 0 0 4 1 等等。e l a n e n a v i g a t i o n 和意玛软件采用了电子海图显示控制，但导航方面功能相对较 弱；e z h y d r o 和水上测量导航2 0 0 4 都是采用的单波束进行测深，难以满足测 深高效率、高精度的需要。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 5 论文主要研究内容 国内针对多波束测量的专用导航软件很少2 1 。论文在研究国内外多波束 测深导航的需求上，采用了g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 开 发模式，充分利用电子海图的信息量，实现了多幅电子海图自由切换，随意 浏览功能；由于多波束测深系统数据量较大，系统采用了大型数据库s q l s e r v e r 技术，为大范围测量做了技术上的准备；利用m a p x 控件技术，实现 了海图上导航航迹的绘制；为了应用的方便性，系统采用了a d o ( a c t i v e x d a t ao b j e c t s ) 技术将数据库内存储数据转换为方便使用的e x c e l 格式数据； 并利用了多线程技术，提高了系统的并行处理能力。此外，系统还增强了界 面的友好性，细化了各个功能模块。 论文主要研究内容如下： 第一章既明了选题的研究背景、目的和意义，综述了多波束测深仪的发 展历史及国内外发展现状，简单介绍了多波束测深仪的工作原理，了解了国 内外几种相关的多波束测深系统和导航软件。 第二章介绍了导航软件开发工具的选择，研究了软件设计的关键技术， 包括g p s 导航定位技术、数据库的使用及o d b c 技术、m a p x 组件技术和 m a p l n f o 格式电子地图，多线程并行处理技术及其在导航系统中的具体应用， 并介绍了导航软件的地图投影和坐标转换算法。 第三章详细介绍了导航软件的设计思想与功能要求、组织结构、系统界 面总体设计，重点分析了系统主要功能模块的设计包括电子海图控制模块、 信息显示模块、串口模块、导航模块、算法模块、回放模块。并利用a d o 技术对数据库数据进行了后台处理。 第四章根据国际海道测量标准，提出了不同区域测线布设的要求、测线 布设方法和具体布线实施，并且对软件进行了导航仿真测试和具体湖试数据 回放，验证了系统性能。 论文最后总结了导航系统，对软件的发展方向进行了展望。 8 哈尔滨1 ：稗大学硕十学位论文 第2 章多波束测深系统导航软件开发技术研究 2 1 导航软件的开发工具选择 为了充分利用面向对象的特征来创建专业的w i n d o w s 应用程序，导航软 件采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 作为开发平台。v i s u a lc + + 是在w i n d o w s 平 台下构建3 2 位应用程序的强大而又复杂的开发工具”。m f c 是微软基础类 ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 的c + + 类库的英文缩写。m f c 提供面向对象框 架，程序开发人员可以使用这一框架创建w i n d o w s 应用程序。它向程序开发 人员提供一组服务，来协助开发。通常情况下，应用程序丌发框架被设计为 尽可能地使开发过程合理化以及简化困难或烦琐的编程任纠1 4 “1 5 1 。基于m f c 的类库对于程序的模块化开发有着良好的支持，便于充分发挥c + + 语言的优 越性，简化代码编写工作，进而提高程序丌发效率。 开发平台采用了w i n d o w sx p 操作系统平台，后台数据库系统采用了s q l s e r v e r 数据库。 2 1 1 系统开发模式 随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型g i s 的丌发工作同显重要。 如何针对不同的应用目标，高效地开发出既合乎需要又具有方便美观丰富的 界面形式的地理信息系统，是g i s 开发者非常关心的问题。 应用型g i s 开发有3 种实现方式。 ( 1 ) 独立开发。不依赖于任何g i s 工具软件，从空问数据的采集、编辑 到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用 某种程序设计语言，如v i s u a lc + + 、d e l p h i 等，在一定的操作系统平台上编 程实现。( 2 ) 单纯的二次开发。完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进 行应用系统开发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言， 如e s r i 公司的a r c v i e w 提供了a v e n u r 语言，m a p i n f o 公司研制的m a p l n f o p r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出针对不同应用对象的应用程序。( 3 ) 集成二次 9 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 开发。集成二次开发是利用专业的g i s 工具软件，如a r c v i e w 、m a p l n f o 等， 实现g i s 的基本功能，以通用软件开发工具，尤其是可视化开发工具，如 d e p h i 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、p o w e rb u i l d e r 等为丌发平台，进行二者的 集成开发。 下面简单比较3 种实现方式。由于独立开发难度太大，单纯二次开发受 g i s 工具提供的编程语言的限制差强人意，因此结合g i s 工具软件与可视化 开发语言的集成二次开发方式就成为g i s 应用丌发的主流。它的优点是既可 以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其他 可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大 提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件丌发工具丌发出来的应用程 序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，可靠性好、易于移植、便于 维护。尤其是使用o c x ( 控件) 技术利用g i s 功能组件进行集成开发，更能表 现出这些优势 1 。 基于上述优点，系统采用集成二次开发方式。这种方法惟一的缺点是前 期投入比较大，需要同时购买g i s 工具软件和可视化编程软件，但“工欲善 其事，必先利其器”，这种投资是值得的。 2 1 2g i s 开发组件 组件式软件开发技术已经成为当今软件技术的潮流之一，为了适应这种 技术潮流，g i s 软件像其他软件一样，发生了革命性的变化，即由过去厂家 提供全部系统或具有二次开发功能的软件，过渡到厂家提供组件由用户自己 再丌发的方向上来。无疑，组件式g i s 技术将给整个g i s 技术体系和应用模 式带来巨大影响。 g i s 技术的发展，在软件丌发模式上经历了功能模块、包式软件、核心 式软件，到组件式g i s 和w e bg i s 的过程。传统的g i s 虽然在功能上已经比 较成熟，但是这些系统多是基于十年前的软件技术，属于独立封闭的系统。 同时，g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i s 的普 及和应用。组件式g i s 的出现为传统g i s 面临的多种问题提供了全新的解决 思路。 综上所述，系统将采用g i s 组件式开发模式。g i s 组件的代表作应首推 1 0 哈尔滨t 料大学硕+ 学俄论文 ；i i i i i i - i i i i i - 1 2 1 2j*,i-i(11111ii i i ； m a p o b j e c t s 及m a p x ，其中m a p o b j e e t s 豳全球最大豹g i s 厂商e s r i ( 美国环 境系统研究所) 推出；m a p x 由著名的桌面g i s 厂商美国m a p l n f o 公司推出。 表2 。l 绘磁了m a p o b j e c t s 和m a p x 鹪主要功能对院潞。 表2 1m a p o b j e c t s 和m a p x 的主要功能对比 功能 m a p o b j e c t sm a p x 显示豁地图数据格a r c v i e w 的s h p 、a r c i n f o 酶 m a p l n f o 的数耀格式 式 c o v e r a g e 、s d e 圈层 叠燕掇格圈像青春 对地图的常埔揉作放大、缩小、漫游等放火、缩小、漫游等 阁层控制增加、移走、设鬣当前层增加、移走、没置当前层 属性羲摄绑定密有 地图信息裔询方式 1 通过鼠标选取特征 l 。通过鼠标选取特征 2 通过s q l 查找特征2 通过s q l 裔找特征 3 。通过空嚣猱终选取特征3 。通过空闯操作选取祷瓣 专题地图较弱较弱 g p s 集成有有 用户绘圈懑屡无寄 生成编辑地幽图象较弱较强 地强标注无无 地图符号纯 有有 分析功能无 无 建璎编码有有 可使用的开发语言v c 什、v b 、p o w e r b u i l d e r 、e 十十 v c + 十、v b 、p o w e r b u i l d e r 、c + + b u i l d e r 、d e l p h i 、a c c e s s 等b u i l d e r 、d e l p h i 、a c c e s s 等 比较m a p o b j e c t s 与m a p x 的主要功麓，可以发现m a p x 在用户绘图图层、 生成编辑地图图象方面优于m a p o b j e c t s ，此外，目前阁内常用的电子海图多 为m a p l n f o 播式，焉璺m a p l n f o 鱼带了地图格式转换工其，可以将任意格式 的海图转换为m a p l n f o 格式，所以系统选择m a p x 来进行_ 丌发。 m a p x 是美国m a p l n f o 公霉麴产品，是基于w i 积o w s 操作系统的a c t i v e x ( o c x ) 控件，是m a p l n f o 公司的代表作。它不但使用了与m a p l n f op r o f e s s i o n a l 致的地图数据格式，而且还在这小小的控件中实现tm a p l n f op r o f e s s i o n a l 的大多数功能，铡如地图编辑和空间分析功能。m a p x 酌内部提供了蹬十多 个父类为m i c r o s o f t 基础类( m f c ) i 拘o l e 对承，这就使得应用程序员可以使 哈尔滨下程大学硕士学佬论文 用任何支持a c t i v e x 的程序开发环境，如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ， p o w e rb u i l d e r 等，来采用嵌入m a p x 控件的方式，方便快捷地开发g i s 应用 程序。现在最新版本为m a p x5 0 。目前，软件的构件化已成为软件技术发展 的潮流，基于d c o m 的a c t i v e x 构件已成为软件工业的一种标准。因此，包 括m a p x 在内的a c t i v e x 构件化g i s 软件系统必将对g i s 的体系结构和应用 带来深远的影响。 使用m a p x 不馋可以开发地理信患数据的地图化浏览，还可以以各种直 观的方式照示和查询地图数据，乃至对地图进行创建和编辑。m a p x 的主要 功能有( 1 ) m a p l n f o 格式地图的显示，m a p x 支持m a p l n f o 的地图数据格式， 可以显示该格式的地图数据以及内置的属性数据。( 2 ) 对地图的随意浏览功 能，m a p x 提供了方便的工具，使得用户可以对地图进行放大、缩小、漫游、 选择等操作。( 3 ) 数据绑定。( 4 ) 图层控制，通过m a p x 程序调整地图的最示 缩放比例，用户可以自由地设置图层的显示范围，还可以使用和创建无缝地 鍪图层，以及动态圈层、震户图层等。( 5 ) 生成和编辑地图对象，在利用m a p x 开发程序中，用户可以对地图图层、点、线、面图元，乃至样式、标注等进 行随意编辑，并可以创建用户定制的鬻元等数据珊。在m a p x 的这些功能的 基础上，利用二次开发工具，用户可以进一步拓展m a p x 的功能。 2 。2g p s 导航定位技术 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 且1 全球定位系统，是由美国建立的一个卫 星导航定缀系统，利用该系统，用户可以在全球范圈内实现全天候、连续、 实时的三维导航定位和测速唧1 。 g p s 卫星导航定位技术是一项高新技术，它利用g p s 接收机接收导航卫 星发射的信号，从而获取g p s 接收机当前位置的大地坐标、高程和时间等信 息，达到定位、导航或测量搿程的目的。卫星导航定位技术被广泛应用于海 洋勘测、海洋调查、海洋科学研究、海洋工程、海洋开发和军事作战中，它 的高精度、快捷方便、全天候等优良特性，使其越来越受到人们的青睐拉b 引。 实现计算机与g p s 接收机闻的遭信是实现导航定健的基础，但要实现导 航定位，对数据的解析也是很重要的一步弘。对不同类型的g p s 接收机，其 数据格式不尽相同，导航系统采用的数据格式是最常臻的g p r m c 格式，具 1 2 哈尔溟一1 ：稗火学硕十学位论文 体解析如下： $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 木h h u t c 时间( 全球标准时间) ，h h m m s s ( 时分秒) 格式 定位状态，a = 有效定位，v = 无效定位 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) 经度d d d m m m m m m ( 度分) 格式( 前面的0 也将被传输) 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) 地面速率( 0 0 0 0 9 9 9 9 节，前面的o 也将被传输) 地面航n ( 0 0 0 0 3 5 9 9 度，以真北为参考基准，前面的0 也将被传 输) u t c 同期，d d m m y y ( 同月年) 格式 磁偏角( 0 0 0 0 1 8 0 0 度，前面的0 也将被传输) 磁偏角方向，e ( 东) 或w ( 西) 模式指示( 仅n m e a 0 1 8 33 0 0 版本输出，a = 自主定位，d = 差分， e = 估算，n = 数据无效) 2 3 数据库的使用 导航软件需要保存各种数据，如深度数据、g p s 数据、测线数据等，以 方便以后的数据调用。这种情况下就应该建立数据文件。这种数据文件可以 通过普通文件读写方式进行操作，但当数据类型较多并且要求随时调用数据 时，就要求编程时设置较大的动态数组，这将会占用较多的系统资源，甚至 导致系统崩溃。而利用数据库就可以较好的解决这个问题：将数据存放到数 据源文件中，通过编程接口对其进行访问。目前国内外常用的数据库系统有 m i c r o s o f ta c c e s s 、m i c r o s o f ts q ls e r v e r 、o r a c l e 。 m i c r o s o f ta c c e s s 从m i c r o s o f t 首次发布用于m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统 的第一个桌面关系型数据库管理系统a c c e s s 以来，m i c r o s o f ta c c e s s 已逐步成 为许多数据库管理用户的首选工具。a c c e s s 拥有众多简单易用的传统数据库 管理工具口5 1 。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r ( 简称s q ls e r v e r ) 由一系列相互协作的组件构成， 哈尔滨j i 科人学硕十学位论文 能满足最大的w e b 站点和企业数据处理系统存储和分析数据的需求。s q l s e r v e r 提供了在服务器系统上运行的服务器软件和在客户端运行的客户端软 件，连接客户和服务器计算机的网络软件则由w i n d o w sn t 2 0 0 0 提供。s q l s e r v e r 的数据库系统的服务器运行在w i n d o w sn t 2 0 0 0 系统上，负责创建和 维护表和索引等数据库对象，确保数据完整性和安全性，能够在出现各种错 误时恢复数据口4 “2 5 1 。 o r a c l e 数据库是专门为在互联网上进行数据管理而设计的数据库开发平 台。o r a c l e 将数据库技术和互联网技术融合在一起，满足了现代信息管理的 需求m 1 。 在数据库选择方面，各个数据库系统各有千秋。s q ls e r v e r 是单一进程 多线程的关系型数据库，它是依赖于同一个应用程序内的多线程工作的，而 不是为每一个任务运行不同的可执行程序或应用程序，它的优点是在一定的 性能水平上，其硬件要求很低，不像多进程，会消耗可观的系统资源。并且 s q ls e r v e r 支持分布式数据库结构。综合考虑系统的数据需求，系统采用了 s q ls e r v e r 数据库进行后台的数据存储、管理。 2 3 1 关系数据库概述 数据库是数据的有序集合。它将数据以一定的规律有序地组织起来，以 方便数据的管理、提供快速数据检索功能并保证数据的完整性和安全性口4 1 。 目前广泛使用的数据库为关系型数据库。其表格的纵向单元称为字段 ( f i e l d ) ，存放所有对象的同一类型属性的数据，表格的横向单元格称为记录 ( r e c o r d ) ，存放同一对象的所有属性。表格和表格之间通过关键字建立联系， 可以是一对一、一对多和多对多。 常见的数据库运行模式有c l i e n t s e r v e r 结构、b r o w s e r s e r v e r 结构、三层 或多层结构和文件型结构。s q ls e r v e r 是单一进程多线程的关系型数据库， 它与o r a c l e 不同之处在于o r a c l e 是多线程数据库，每一用户所打开的进程上 需要有一个协调机构，互相与其他进程上的协调机构做沟通，以协调多个用 户对资源的存取，s q ls e r v e r 是由执行核心来分配多个用户对数据库的存取， 减少多个进程对数据库存取的沟通、协调时间，进而提高执行效率。 与数据库的连接需要了解其数据文件的格式或访问方法，常用的数据库 1 4 哈尔滨t 挥大学硕+ 学位论文 文件格式是公丌的，可以根据格式说明直接读取数据文件。与数据库连接， 一般是采用客户端发s q l 语言到数据库服务器，服务器经过数据操作和数据 检索，而返回有效的数据。数据通过各种数据库引擎反映到具体的客户端。 最常用的数据库引擎有：d a o