（水声工程专业论文）基于电子海图的浅水多波束测量导航方法研究与软件开发.pdf

哈尔滨工程人学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i b e a ms w a t hb a t h y m e t e ri sas e a f l o o rm a p p i n gd e v i c ew i t l lh i g h e f f i c i e n t ，h i g ha c c u r a c ya n df i n er e s o l u t i o n i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no c e a n d e v e l o p m e n t m u l t i b e a ms o u n d i n gs y s t e mi su s e df o rm e a s u r i n gt h eb o t t o mo fs e a g e o g r a p h ya n dd i a g r a p h w h i l ew o r k i n g ，i ti ss t r i c tw i t ht h ep a t ho f t h es h i p t h i s d o u b t l e s s l yr e q u e s t sh i g h e rp r e c i s i o no fs h i ps a i l i n gm a dd e m a n d st of i n dak i n do f v e r ye f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m i fs h i ps a i l i n gi sb a s e do ne l e c t r o n i c s e ac h a r t ，h i g hr e s o l u t i o nw i l lb er e a l i z e d i nt h i sp a p e r , t h es o f t w a r eo fs h a l l o w w a t e rm u h i b e a ms o u n d i n gn a v i g a t i o nb a s e do ne l e c t r o n i cs e ac h a r tc a ni m p r o v e t h ep r e c i s i o ne f f e c t i v e l y m a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri n c l u d e s ：t h ed e s i g na n de d i t o ro fm e a s u r i n gl i n e b a s e do ne l e c t r o n i cs e ac h a r ti ns u r v e y i n ga r e a ，g p sd a t ag a t h e ra n dn a v i g a t i o n f u n c t i o ni n r e a lt i m e ，l e a d i n gs u r v e y i n gv e s s e le n t e rh o m e w o r ko fe x a m i n i n g a 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 n r e a lt i m e ， p l a y b a c kf u n c t i o n sa n ds i m u l a t i o nf i m c t i o no f n a v i g a t i n g 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 fs h a l l o ww a t e rm u l t i b e a m s o u n d i n gn a v i g a t i o nb a s e d o i le l e c t r o n i cs e ac h a r ti sd e v e l o p e d ，u s i n gm a p o b j e c t s c o n t r o l l i n gp a r to nt h ep l a t f o r mo fv i s u a lc + + 6 0 a n di tc a nr e a l i z et h en a v i g a t i o n f u n c t i o n sd u r i n gt h et o p o g r a p h i c a lm e a s u r e m e n to f t h es e af l o o r k e yw 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 ；e l e c t r o n i cs e ac h a r t ；g p sd a t a g a t h e r e di nr e a lt i m e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 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 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 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) ：盈左垒 日期：弘年；月 哈尔滨工程_ 人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 二十世纪六十年代，由美国首先开发出了多波束测深系统“条带测 深仪”，它是一种高效率的海底地形测量设备。该类设备向海底发射接收一 次声波的过程中能同时获得船两侧一条带上许多采样点的深度数据，其测量 覆盖范围为水深的几倍甚至十几倍。经过几十年的发展，世界各主要海洋大 国在海底地形地貌测量设备的研究及生产上已经具备了相当的水平和规模。 进入九十年代以来，不同类型的多波束测深系统相继出现。如通用公司 的第三代多波束测深系统s e a b e a m 2 1 0 0 、德国的e i a cb o t t o m c h a r t 系统、挪 威s i m r a d 公司的e m 3 0 0 0 型系统、a t l a sf a n s w e e p 系统、美国r e s o n 公司的 s e a b a t 8 1 2 5 系列和o d o m 公司的e c h o s c a nm u l t i b e a m 系统，从而使海底地形 测深技术日臻完善，并向着高精度、宽覆盖、智能化、多功能的组合式侧身 系统方向发展。 我国是一个拥有3 0 0 万平方公里海洋国土的海洋大国，海洋测绘任务非 常繁重。以前我国使用的是效率低下单波束回声测深仪，其地形测绘的精度、 分辨率、质量及效率上均无法与多波束条带测深仪相比。这种现状远远满足 不了我国经济建设和国防建设的需要，同时与我国在世界上的地位也极不相 称。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，现己经成功地装备了我国现代化的中远海测量船。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。但是该型条带测深仪还存在着一些不尽如人意的地方，其 哈尔滨工程大学硕士学位论文 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，这样大型的 系统，由于研制成本较高，其昂贵的价格也不利于开发国内市场。由此可见 研制并推出我国更新换代多波束测深产品已成为当务之急。 近年来国外已经开发出一些便携式多波束测深仪，如丹麦m a r i m a t e c h 海洋仪器公司开发的es e as w a t h e5 0 1 五波束测深系统。我国近海大陆架、 沿江及湖泊等浅水区域是主要的经济活动区，需要一种使用灵活、低成本、 高精度的港口、航道、及近海海底地形测量仪器，因此进行小型化多波束条 带测深仪的研究是很有必要的。 近海测量包括领海和大陆架测量，它的地域广大，而且大部分地区是浅 海，如我国的东海和北海都是水深不足2 0 0 米的浅海。由于海洋开发和海洋 工程如港口建设以及海上采油等都集中在近海，浅水测深仪的用户最多。近 海地形由于河流和海浪的冲届变化比较快，经常需要测量，如国家规定：渤 海等海区每年都需要测量，由于回声测深仪的工作效率低，测量渤海湾往往 是今年的任务刚结束，来年的工作又要开始，作业量很大。我国近海测量部 门使用的大都是排水量几百吨的小型船艇，其装备至今仍然主要是回声测深 仪，与他们所面临的任务极不相称，所以近海测量部门对条带测深仪小型化 产品的需求最为迫切。 我国地域广大，江河湖泊众多，一些通航河道如甬江等每年都需要测量。 测量河道的标准作业方法是使用小船在河的两岸来回对开，用回声测深仪测 量水深，从河的上游一直测到下游，既费时又费力。如果使用条带测深仪就 可以顺流而下地测量，工作条件将得到极大的改善。1 9 9 7 年某型条带测深仪 东海试验期间，有关测量部门就希望我们能提供条带测深仪的小型化产品测 量甬江。此外还有数量十分庞大的大小水库，为了保障运行安全，需要经常 测量泥沙的淤积情况，尤其是面临水资源短缺，为了合理利用水资源，水库 哈尔滨工程大学硕士学位论文 库容的测量是一项急迫的任务。 1 2 课题目的以及意义 多波束测深仪是一种高效率、高精度、高分辨率的海底地形测量设备， 特别适合大面积的扫海测量作业。我国已经独立研制开发出一套多波束条带 测深仪系统，但该型条带测深仪由于当时开发研制的具体条件限制，只是具 有对声传感器数据进行处理，探测多波束测量深度的基本功能，并提供了与 其他定位、姿态、导航传感器的标准接口，对于实际的测量全过程缺少辅助 功能支持，如导航。 测深仪在近海测量、海洋采油、港口建设、水库与河道测量领域有着重 要的应用意义，具有广阔的市场前景。因此，为了达到浅水多波束测深仪的 市场化，必须在原有功能的基础上，完善系统设计，为用户提供全面、独立 的测量产品。 对于测量的航线规划，测船导航，国外都有相应的标准产品，但价格相 当昂贵。为了配合浅水多波束系统的开发和应用，结合我国的实际情况，有 必要研究测量的导航方法和专用的并具有标准接口的导航软件。 1 3 本论文主要研究内容 1 、航线规划功能： 根据测量要求，对测量区域进行计划测线的设计与编辑； 2 、导航功能： ( 1 ) 实现g p s 数据实时采集 ( 2 ) 利用g p s 数据进行导航，准确引导测量船进入测区作业，实时显 示测量船的各种现场参数，标记，并存储测量船的航迹； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 实现与电子海图的有机结合。 3 、回放功能： 已经测量的区域进行测量船航迹回放； 4 、仿真功能： 可用海上真实测量数据或模拟数据来模拟测量船的测量过程，对导航软 件进行检验； 5 、提供导航数据的标准化共享。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章浅水多波束测深仪工作原理 及导航软件设计 2 1 浅水多波束测深仪的测深原理 浅水多波束测深仪的接收和发射基阵采用收发合置的平面阵。发射基阵 向海底定向发射一定功率的信号，由接收基阵接收反向散射信号。当浅水多 波束测深仪开始工作t ，先以最边缘的波束角开始发射脉冲信号，并等待接 收基阵将其接收进行处理，海底反向散射信号被接收基阵接收后，经过接收 机的放大和归一化处理，经a d 转换为数字信号送到信号处理器；信号处理 器的输出信息经计算机专家系统处理后给出海底采样点的深度，这样一次测 量可以获得条带上一个采样点的深度。再以相邻的波束角的第二次发射信号 并等待接收进行信号处理，并重复上述过程，按照由外向内的波束角度顺序 实现海底地形的采样。由于在信号发射的同时，船体也是在不断行进当中的， 所以当所有角度的波束发射完一遍之后，海底形成一条以测船航迹为中心线 的带状地形采样。海底地形采样如图2 1 所示。测深过程中系统不断通过接 口采集d g p s 、罗经与涌浪数据，并将它们与深度数据一起处理及存储起来。 数据文件将在工作站进行后置处理与拼图，最终生成各种数字成果图。 条带的宽度浅海时为海深的四倍，深海时为两倍海深，从而大大提高了 海底地形测量作业的效率和质量。( 见图2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 海底采样示意图 图2 2 条带宽度与海深宽度关系示意图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 声基阵的选取及发射接收方案 以往的多波束测深仪采用的是米尔斯交叉阵，发射阵与接收阵是分置的。 在基阵的尺寸和发射功率方面不符合小型化的要求。因此我们在兼顾声源级、 阵尺寸和波束覆盖等多重因素的考虑下，选择收发合置的平面阵，并采用定 向发射，这样处理规模和成本都能显著下降。 传统的多波束测深仪多采用的是m i l l s 交叉布阵技术，测深的各个“足 迹”是依赖于发射和接收阵在海底照射区域的交叉来获得。要达到一定的覆 盖面，需要发射功率大，当要求覆盖面很宽时，波束展宽严重，测深精度降 低。而我们采用平面阵并且收发合置来代替这种m i l l s 交叉阵。因为根据乘 积定理可以把一个平面阵的指向性因数看成是两个线阵的乘积，这样就使得 平面阵同线阵比较起来具有较高的阵增益。发射时，使能量集中，而在接收 时，有利于抑制噪声，最终使接收信号噪声比大大提高。其结果，在与交叉 阵体积相同的条件下可用较小的发射电功率实现较大的深度探测。或换而言 之，在与交叉阵发射电功率相同的情况下，可用于较小的基阵尺寸达到相同 的探测深度和覆盖。 本系统采用“v ”型阵。发射基阵工作时在其声轴方向上辐射的能量最强， 采用“v ”型阵结构可以使发射与接收基阵的声轴外移，增加边缘波束信号的 强度，有利于增大测量覆盖宽度。 平面阵的声发射采用r d t ( r o t a t i n gd i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n ) ，即旋 转定向发射。即利用整个阵的有指向性定向向不同的方向连续发射。这种复 杂的发射方法比无指向性发射具有显著的优点，可以获得特别高的声源级。 这个相当高的声源级当然也就意味着系统的作用距离成比例增长。较高的工 作频率和较小的基阵尺寸有两个好处：高覆盖率和窄波束宽度。预成波束的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应用保证了相当好的旁瓣抑制比和极低的错误率。这对测量精度将产生一个 极大的影响，使系统比无指向发射和接收占优势。 2 3 浅水多波束测深仪的系统组成 浅水多波束测深仪系统由实时处理软件和后置处理与拼图系统两大部分 组成。 2 3 1 实时处理系统 测深仪的实时处理分系统主要由声基阵、发射机、接收机、信号处理器、 接口和计算机等组成，各部分功能如下： 1 发射机 发射机对脉冲信号进行功率放大，推动发射基阵，产生可相控束控的 声波束。 2 接收机 接收机由前端放大( 前放) 和后端放大( 接收机) 两部分组成。前放紧 靠接收基阵，接收信号放大后再送到接收机，可以减小环境噪声对输入信号 的干扰。接收信号经过接收机放大和归一化处理后被送到信号处理器。 3 信号处理器 信号处理器是由高速信号处理芯片d s p 组成，输入信号经过a d 转换后 进行实时波束形成，并应用先进的信号处理方法对波束序列数据进行处理和 检测，相关信息经接口送到计算机。 4 接口分机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 实现数据传送，计算机与系统各分机之间的所有数据和信息传送都是通 过接口完成的。数据采集，在工作过程中采集导航、定位和涌浪数据；通讯， 接口分机具有标准的r s 一2 3 2 接口实现串行通讯，采集到的原始深度数据是通 过u s b 接口传入计算机的。 图2 3 实时处理分系统框图 图2 3 中，由计算机发出控制信号，使发射机发射有足够的强度的声波 束，随后产生的海底反向散射信号被接收基阵接收后经过前置放大器放大， 再送到接收机进行归一化处理，然后由处理器进行a d 转换和波束形成，通 过接口将所获得的深度及定位、姿态信息送到计算机。计算机的作用有三个： 1 对海底地形进行采样并采集导航、定位与涌浪数据存入文件；2 解算海底 各采样点的深度，经修正与补偿后在屏幕上以各种方式显示；3 、对整个设备 进行控制与管理。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 后置数据处理与拼图系统 测量仪器总会有误差，因此条带测深仪采集的深度以及导航、定位与涌 浪数据都必须首先进行预处理，排除粗大误差。然后将这些数据进行融合， 最终形成测量点的三维地形参数( x ，y ，z ) 。数据融合的过程包括声线修正、 坐标变换、涌浪补偿和潮汐修正等，需要运用现代信号处理的手段进行各种 处理。然后进行地形拟合并建立数字地理模型，最终生成各种数据成果图。 该软件各模块的主要功能：涌浪检查、声线修正、深度数据手工剪辑、 地形数据空间处理、等深线图、水深透写图、三维图形。 2 3 3 辅助设备 浅水测深仪在工作中需要以下辅助设备协同工作，分别是 1 差分g p s提供地理坐标 2 涌浪滤波器提供测量船姿态与升沉数据 3 罗经提供测量船航向 4 声速度剖面仪提供测区的声速剖面 5 验潮仪提供测区的潮位 与系统的接口使用r s 一2 3 2 标准串行接口。另外可以接入数字磁带机、打 印机和绘图仪等设备。数字磁带机将能记录整个大系统的所有必要数据，以 供事后交给任何海底地形测绘工作站精确的绘制海底地形图用。打印机则主 要用于现场实时给出条带地形图和深度剖面图等使用。绘图仪则用于海底地 形图的输出。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 浅水多波束测深系统的导航软件设计思想 在浅水多波束测深系统中，对于测量的航线规划，测船导航是很重要的 组成部分，为了完成上述任务，我们希望导航软件可以实现以下功能： 根据测量要求，对测量区域进行计划测线的设计与编辑；实现g p s 数据 实时采集；利用g p s 数据进行导航，准确引导测量船进入测区作业，实时显 示测量船的各种现场参数，标记，并存储测量船的航迹；实现与电子海图的 有机结合；已经测量的区域进行测量船航迹回放；可对海上真实测量数据导 航仿真实验；提供导航数据的标准化共享。 2 5 本章小结 本章依次介绍了浅水多波束测深仪的工作原理、声基阵选取和发射方案、 系统软件组成及设计思想，给出了浅水多波束测深仪系统框架，为下一章软 件的详细论述打下基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章g l s 开发组件及数据存储方式的选择 3 1 系统开发模式与g l s 组件选择 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，已经或正在发生着革命性的变化，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 由用户自己再开发的方向上来。无疑组件式g i s 技术将缎带整个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，在软件开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 b g i s 的过程。传统6 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多年前的软件技术，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0 0 5 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。 组件式o i $ 的基本思想是把6 i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个 控件完成不同的功能。各个g i s 控件之间及g i s 控件与其他非g i s 控件之间， 可以方便地通过可视化的软件开发集成起来，形成最终的g i s 应用。形象地 说，控件如同堆各式各样的积木，它们分别实现不同的功能( 包括g i s 和非 6 i s 功能) ，人们需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成了g i s 应 用系统。 把g i s 的功能相当抽象，以组件形式供开发者使用，将会带来许多g i s 工具无法比拟的优点。 1 、小巧灵活、价格便宜 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于传统g i s 结构的特性，往往会使软件本身变得越来越庞大，不同系 统的交互性差，系统的开发难度大。在组件模型下，各组件都集中地实现与 自己最紧密相关的系统功能，用户可以根据实际需要选择所需的，这样最大 限度地降低了用户的经济负担。组件化的g i s 平台集中提供空间数据管理能 力，并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下，系统表 现得小巧灵活，而其价格仅是传统g i s 开发工具的十分之一，甚至更少，这 样，用户就能以较好的性价比获得或开发g i s 应用系统。 2 、无须专门g i s 开发语言，直接嵌入m i s ( m a n a g ei n f o r m a t i o ns y s t e m ， 管理信息系统) 开发工具 传统g i s 往往需要独立的二次开发语言，对用户和应用开发者而言存在 学习上的负担。而且使用系统所提供的二次开发语言，开发往往受到限制， 难以处理复杂问题。而组件式g i s 建立在严格的标准之上，不需要额外的g i s 二次开发语言，只需实现g i s 的基本功能函数，按照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。这有得于减轻g i s 软件开发者的负担，而且增强了g i s 软件的可扩展性。g i s 应用开发者不必掌握额外的g i s 开发语言，只需熟悉 基于w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以及g i s 各个控件的属性、方法和 事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目前，可供选择的集成开发环境 很多，立口v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、c # 、v i s u a lf o r p r o 、b o r l a n dc + + 、 d e l p h i 、c + + b u i l d e r 以及p o w e rb u i i d e r 等都可直接成为g i s 或 g m i s ( g e o g r a p h i cm a n a g ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理管理信息系统) 的优秀 开发工具，它们各自的优点都能够得到充分发挥。这与传统g i s 专门性的开 发环境相比，是一种质的飞跃。 3 、强大的g i s 功能 新的g i s 组件都是基于3 2 位系统平台的，采用i n p r o e 直接调用形式 哈尔滨工程火学硕士学位论文 所以无论是管理大容量数据的能力还是处理速度方面均不比传统g i s 软件逊 色。小小的g i s 组件完全能提供拼接、裁剪、叠加、缓冲区等空间处理能力 和丰富的空间与分析能力。 4 、开发简捷 由于g i s 组件可以直接嵌入m i s 开发工具中，这样，广大开发人员就可 以自由选用他们熟悉的开发工具，而且，g i s 组件提供的a p i 形式非常m i s 工具的模式，开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理地图等空间，无 须进行特殊的培训。在g i s 或g m i s 的开发过程中，开发人员的素质与熟练程 度是十分重要的因素。这将使大量的m i s 开发人员能够较快地过渡到g i s 或 g m i s 的开发工作中，从而大大加速g i s 的发展。 5 、更加大众化 组件式技术已经成为了标准，用户可能像使用其他a c t i v e x 控件一样使 用g i s 控件，这样，专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，推动 了g i s 大众化进程。组件式g i s 的出现使g i s 不仅是专家们的专业分析工具， 同时也成为普通用户对地理相关数据管理的可视化工具。 综上所述，本系统将采用g i s 组件式开发模式，g i s 组件的代表作应首 推m a p o b j e c t s 及m a p x ，其中m a p o b j e c t s 由全球最大的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m a p l n f o 公司推出。另 外还有加拿大阿波罗科技集团的t i t a n 等。表3 1 给出了m a p o b j e c t s 和m a p x 的主要功能对比。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表3 1 m 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 8m a p x 显示的地图数据格式a r c v i e w 的s l i p 、a r c i n f o 的m a p i n f o 的数据格式 c o v e r a g e 、s d e 图层 叠加栅梧图像有有 对地图的常用操作放大、缩小、漫游等放大、缩小、漫游等 囤层控制增加、移走、设置当前层增加、移走、设置当前层 属性数据绑定有有 地图信息查询方式 1 、通过鼠标选取特征l 、通过鼠标选取特征 2 、通过s o l 查找特征2 、通过s o l 查找特征 3 、通过空间操作选取特征 3 、通过空间操作选取特征 专题地图较弱较弱 g p s 集成有有 用户绘图圈层无有 生成编辑地图对象 较弱 较强 地图标注无 无 地图符号化有有 分析功能无无 地理编码有有 可使用的开发语言 v c 、v b 、p o w e r b u i i d e r 、v c 、 v b 、p o w e r b u i l d e r 、 o + s u i l d e r 、d e l p h i 、a c c e s s 等c + + s u i l d e r 、d e l p h i 、a c c e s s 等 m a p o b j e c t s 组件是由美国环境系统研究所推出，而美国环境系统研究 所是g i s 软件技术的拓荒者，同时也是当今g i s 技术的领跑者，并且 m a p o b j e c t s 是美国环境系统研究所产品系列的有机组成部分，与其他产品 ( 例如a r c s d e ) 能很好地衔接。在比较了m a p o b j e c t s 与m a p x 的主要功能之 后，我们决定m a p o b j e c t s 选择来开发本系统。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2gls 开发组件- - m a p o b j e c t s 32 1 什么是m a p o b j e c t s 地理信息系统必须与具体的应用紧密联系起来，只有与具体实际需求结 合，才能真正体现地理信息系统的价值和作用。然而要与具体的应用结合， 我们就不能直接向用户提供最终的应用软件来定制或扩展已有的应用，而应 该提供一种制图与g p s 功能组件，供用户进行具体应用开发时调用。 m a p o b j e c t s 是全球最大的g i s 软件供应商e s r l 公司在业界最早推出的 g i s 软件组件，它起点高、功能强、结构优雅。e s r l 在推出其每一个版本时， 都采取了非常严谨慎重的态度。从1 0 版本算起，m a p o b j e c t s 正式问世已经 5 年，才发展到2 - 3 版本，可见每个版本质量控制之严格。事实上，m a p o b j e c t s 是全球范围内使用最广的g i s 组件，也是潜在错误被最充分暴露并得以纠正 的软件组件，其稳定可靠性无以置疑。有经验的程序员都知道，在软件开发 过程中，稳定性压倒一切，而这正是m a p o b j e c t s 能被成功应用的重要前提和 保证。 m a p o b j e c t s 是e s r i 公司提供的一组供应用开发人员使用的制图与g i s 功能组件，它由一个o l e 控件和一系列可编程o l e 对象组成。利用 m a p o b j e c t s ，开发人员可以在应用程序中添加制图和g i s 功能。它不是为最 终用户而是专门为开发人员提供的。 m a p o b j e c t s 是一个o l e 控件，它可以用于大量开发框架中，包括流行 的像v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ，m i c r o s o f ta c c e s s ，v i s u a lf o x p r o 等 之类的程序设计环境，因此开发人员可以在自己熟悉的开发环境中利用 m a p o b j e c t s 开发g i s 应用。 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 2m a p o b j e c t s 的结构 m a p o b j e c t s 是建立在微软的对象链接和嵌入( o l e ) 2 0 基础之上的。 o l e 是当今得到最广泛支持的面向目标的软件集成技术。用户像用砖块盖房 子一样利用o l e 组件开发和集成w i n d o w s 应用。 一个o l e 控件是一个可重复使用的软件组件。o l e 控件可以将许多其 他o l e 对象包装在一个包中。这个包可以反映某些特定的功能，如统计图和 多媒体等，并可以直接嵌入支持o l e 的应用中。o l e 对象具有特征和方法， 可以通过对它们的编程来控制对象的外观、行为以及相互作用。 m a p o b j e c t s 是一个提供制图与g i s 功能的o l e 控件，它包含了超过4 5 个可编程o l e 对象。m a p o b j e c t s 地图控件可以直接插入到许多标准开发环 境的工具集中，可以通过属性页操纵地图。这些属性页是在诸如v c 之类的 开发环境中建立的，或者通过其他程序化相关对象来控制地图。这些对象为 应用开发人员提供了有力的制图与g i s 功能支持。在标准的w i n d o w s 编程环 境下，能够与其他图形、多媒体、数据库开发技术组成完全独立的综合性应 用软件，是基于前端应用业务的良好的地图开发环境。 3 2 3m a p o b j e c t s 的特点 m a p o b j e c t s 允许定制利用制图和g i s 组件的应用程序，它的特点包括： 1 、广泛的数据格式支持 支持a r c i n f oc o v e r a g e 、e s r is h a p ef i l e s 、a r c s d e 图层；支持 a u t o c a d l 3 、1 4 和a u t o c a d 2 0 0 0 的d x f 、d w g 格式数据；支持适量产品 格式( v p f ) 数据；支持大量的栅格图像格式，如b m p 、t i f 、j p e g 、a r e l n f o g r i d 、e r d a si m a g e 等；支持影像目录( i m a g ec a t a l o g ) 管理；i m a g e c a t a l o g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是许多带空间参考的影像文件组成的存储结构，我们要以把i m a g ec a t a l o g 当 做一个影像图层使用。i m a g ec a t a l o g 包括许多t i l e d 影像，主要用于显示较 大地理区域的影像信息。m a p o b j e c t s 本身也能够生成s h a p e 文件格式的g i s 数据，该格式已经成为g i s 业界事实上的基于桌面应用的标准。采用 m a p o b j e c t s ，能够最大限度地与主流g i s 技术融合，保护用户在数据生产、 功能开发、以及人员培训上所作的一切投资。 2 、支持o d b c 和a d o 访问数据库表格数据源 3 、支持扩展的图形数据及操作 4 、支持投影 当一个s h a p e 文件、a r c i n f oc o v e r a g e 或s d el a y e r 作为一个m a p l a y e r 被添加到m a p o b j e c t s 中的时候，一些有关它们如何被投影的详细信息也会被 保存下来，对于s h a p e 文件和a r c l n f oc o v e r a g e 来说，这个信息被保存在磁盘 上的一个投影文件( p r j ) 里。对于s d el a y e r s 来说，这个信息被保存在层定 义表里面。s h a p e f i l e s 使用的投影文件仅仅是可以被m a p o b j e c t s 进行写操作 的投影元数据的格式，而c o v e r a g e s 所使用的投影文件必须由a r c l n f o 产生。 5 、增强的g p s 功能 m a p o b j e c t s 2 0 支持对点、线和多边形目标对象的追踪。新的方法和属性 使得管理和追踪g p s 动态目标比以前容易得多 6 、空间分析功能 m a p o b j e c t s 中提供了一个功能丰富的、用于合并、交叉和缓冲区操作的 空间几何运算库。 7 、支持数据库版本管理 m a p o b j e c t s 支持a r c s d e 8 1 的版本管理，允许根据许可权限，连接到 a r c s d e 空间数据库版本中的任一指定版本。 1r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 4m a p o b j e c t s 的功能 m a p o b j e c t s 可以完成如下多种功能： 1 、能符号化显示一幅全要素地图，支持自定义符号 m a p o b j e c t s 自带了一些符号，同时为满足具体用户的需求，提供了自定 义符号的开发接口，这极大地拓展了开发人员的开发空间，也提升了 m a p o b j e c t s 的应用尺度。 2 、支持对图层的管理和操作 m a p o b j e c t s 为用户提供了较为齐全的图层管理功能。这些图层管理方法 包括图层的添加、删除以及图层压盖关系的调整等。尤其是它提供的图例控 件( m 0 2 0 l e g e n d 1 e g e n d ) 为用户提供了极为方便的图层管理方法，同时可以 实现设置符号的功能。 3 、支持各种图形操作 通过m a p o b j e c t s ，开发人员可以实现一些基本的图形操作，如放大、缩 小和漫游等。由于m a p o b j e c t s 对数据建立了索引机制，其地图显示速度非常 快，并且提供了无极缩放功能。 4 、可以添加游记 m a p o b j e c t s 为开发人员提供了多种添加地图游记的方法，通过这些方法 可以实现游记的标注，同时可以设置游记的颜色、大小、字体和位置。 5 、提供各种查询功能 m a p o b j e c t s 为开发人员提供了多种进行空间查询的方法，通过它们可以 实现几何参数查询、空间查询、空间关系查询和s q l 查询等多种形式查询。 6 、提供一定的空间分析功能 m a p o b j e e t s 提供了一定程序上的空间分析功能，通过它提供的空间分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 方法可以实现一些简单的空间分析功能，例如缓冲区分析。 7 、提供空间数据库访问功能 m a p o b j e c t s 可以向通过a r c s d e 访问存放在o r a c l e 8 i 9 i 、s q l 2 0 0 0 等数 据库中的空间数据，并且可以把库中的数据作为一个图层在客户端进行显示。 8 、提供地图打印及输出功能 在进行地图输出之前，通过m a p o b j e c t s 用户首选可以实现地图整饰，对 要输出的地图图面进行调整：同时可以对地图进行打印输出，并能把当前视 口中的地图按照b m p 、j p g 等图像格式导出。 9 、实现g p s 导航功能 m a p o b j e c t s 向用户提供了用于显示动态数据的动态数据操作对象，这组 对象包括c m o t r a c k i n g l a y e r 和c m o g e o e v e n t 两个对象。通过它们，再配合 几何图形操作对象，用户可以实现显示动态数据，能够实现g p s 导航、车辆 监控、物流分析等多种应用。 通过调用这些功能，m a p o b j e c t s 可执行许多基础制图功能。但它不能执 行某些高级功能。如，高质量地图输出，地图坐标系投影，表面模型或网络 分析等高级空间分析。以及拓扑编辑。你可利用e s r i 的其它产品如 a r c 1 n f o ，a r c v i e w 来实现高级功能。能够开发从简单的电子地图应用，至 复杂的基于g i s g p s r s 的3 s 应用。利用空间分析算子，甚至可以构造出具 有一定复杂度的空间分析模型。由于提供了数据更新接口，用户能够扩展出 自己的编辑工具，富融公司便基于m a p o b j e c t s2 0 2 0 a 2 1 扩展了近5 0 种的 编辑工具，使之能够满足更为广泛的应用要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 5 电子地图数据 使用m a p o b j e c t s 组件进行二次开发，由m a p o b j e e t s 本身来管理电子地 图数据。m a p o b j e c t s 可以使用s h a p e 文件、图像文件、属性文件或通过e s r i 的专用数据库引擎连接的专用数据库。s h a p e 文件是地图数据的矢量形式， 图像文件是栅格图像或尤指航空或卫量的畸变图像的纠j e 照片，属性表是可 用o d b c 装入的任意格式。专用数据库是网络上通过e s r i 专用数据库引擎连 接的u n i x 服务器。s h a p e 文件适用于中小型地图数据。而大型数据( 如省， 国家道路网) ，就需使用专用数据库。用m a p o b j e c t s 编写的软件是可伸缩的。 最初可用s h a p e 文件。当用户需要与大型数据库连接时，几乎所有代码都可 被移到与专用数据库连接后的工作中，仅需修改打开数据源的几行代码。 1 、s h a p e 文件 s h a p e 文件是e s r i 提供的存储地理数据的矢量格式。这就意味着地图元 素以x ，y 形式出现。其坐标系是笛卡尔坐标。注意，笛卡尔坐标与屏幕坐 标有所不同。 每一元素的几何形状以包括一组矢量坐标的s h a p e 的形式存储。其属性 存放在与s h a p e 文件相连的d b a s e 的记录中。 以下是得到s h a p e 文件的不同方法。 - 购买商业地图数据。 - m a p o b j e c t s 提供的光盘。 a r c v i e w ，a r c i n f o 等e s r i 产品的数据。 - 编写程序从其它格式中转换。 一个s h a p e 文件由三种文件组成，主文件( * s h p ) 包含几何形状，是一个 直接存取、变长记录的文件。索引文件( + s h x ) 包含数据的索引值，文件中每 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个记录对应主文件记录距离主文件头的偏移。数据库文件( m d b f ) 包含几何图 形的属性，可以修改属性的定义。 每一个s h a p e 文件包含一种图形类型( 点弧多边形) 点有一个( x ，y ) 坐标和一个属性。 - 弧段包含一条或一组( 可连，可不连) 的多义线。一条多义线是一组有序结 点。每一弧段有一个属性记录。 一 多边形包括一个或多个边界，一个边界是一个无交叉点的闭合环，一个 边界可嵌于一多边形中而形成环形。边界的方向决定它是否代表区域内 的面积。每一多边形有一属性记录。 s h a p e 文件通过o d b c 读入，o d b c 在装m a p o b j e c t s 的同时被装入并注 册。 a r c i n f o 用户应注意s h a p e 文件中弧，多边形的定义不同于a r c i n f o c o v e r a g e 中的定义。s h a p e 文件无拓扑，因此，s h a p e 文件允许集合简单元素 来合成元素。如，把几条p o l y o l i n e 会成a r c 。通过s h a p e 文件，你可快速显 示图形并具有一简单数据模型；以简单数据模型换取快速显示，这使得对 s h a p e 文件进行拓扑编辑或高级分析变得十分困难。 2 、图像( i m a g e ) 文件 可通过m a p o b j e c t s 编写应用程序来显示多种图像文件。在地图中图像多 来自航空照片和卫星图像。 图像文件依靠带有灰度值或色标的一组像元来表示图片，这些像元无属 性连接，其坐标系统与s h a p e 文件不同。 可把图像文件精确重叠于大地坐标的s h a p e 文件。m a p o b j e c t sf 或其它 e s r i 软件1 用w o r l df i l e s 来配准图像。 一个w o r l d 文件是一个简单的文本文件，它包括数学参数来定义转换关 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系，其公式为： x 2 a x + b y + c y = d x + e y + f x 像元在地图上的计算坐标值x 。 y 1 像元在地图上的计算坐标值y 。 x 像元列数。 y 像元行数。 ax 轴上像元的尺寸。 b ，d 旋转关系项。 e 负的y 轴上像元的尺寸。 c ，f 左上角像元中心的x y 地图坐标。 注意e 为”负”值，因为，s h a p e 文件坐标与图像坐标y 方向正向反。 w o r l d 文件是包含a ，b ，c ，d ，e ，f 值的连续行文本文件。 注意m a p o b j e c t s 不支持图像旋转。这样b ，d 的值在w o r l d 文件中是 被忽略的。如果需要旋转，可用e s i u 的a r cg r i d 。 以下是m a p o b j e c t s 支持的图像文件格式。 名称描述扩展名 w o r l df i l e 扩展名 b