（信息与通信工程专业论文）海天港监测一体化信息系统的研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 随着全球经济一体化进程的加快，现代港口作为国际贸易的枢纽和多式联运 的结点，其重要地位日益突出。传统的手绘制图、记忆管理和人工统计分析的管 理方式效率低下，很难适应这种快速发展的海量数据管理要求。因此，必须实现 港口建设的信息化管理，提高港口建设的科学决策能力和管理效率。 本文以厦门海天港的信息化为应用背景，研究港口监测一体化信息系统的若 干关键技术，其主要内容包括以下四个方面： 1 建立了海天港监测一体化信息系统数据库。分析了海天港监测的信息需求， 研究并实现了一体化信息系统数据库的设计过程，并对数据库的应用和维护方法 进行了讨论。 2 研究了海天港三维场景特殊效果的显示方法。针对港口三维g i s 监控子系 统逼真度和实时性的要求，提出了有效的地形、云层和阴影等特效的绘制算法。 3 设计了海天港监测一体化信息系统的网络结构与通信协议。以t c p i p 协议 和w i n s o c k 控件为基础实现了异构网络之间的互联，面向消息交互详细设计了具 体的通讯协议。 4 设计并实现了海天港监测一体化信息系统。设计了系统的体系结构，采用 开放式的系统架构实现了多种来源的数据交互规则；对二维及三维客户端进行了 软件实现，通过模块化设计有效提高了系统稳定性。 海天港监测一体化信息系统的建立，加强了港口监测管理的信息化水平，提 高了港口管理的科学决策能力，能够满足港区信息化建设发展之需求，具有重要 的应用价值。 主题词：港口监测信息系统；绘制算法；信息数据库；网络协议 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g 丽mt h ea c c e l e r a t i n gp r o c e s so fg l o b a le c o n o m i ci n t e g r a t i o n ，t h em o d e r n h a r b o ri sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r o m i n e n ta st h ei n t e r n a t i o n a lt r a d eh i n g ea n dk e y n o d eo fm u l t i - t y p et r a n s p o r t t h et r a d i t i o n a lh a n d m a d ec h a r t , m a n u a lm a n a g e m e n tb y m e m o r i e sa n ds t a t i s t i c sh a v eal o we f f i c i e n c yw h i c hi sd i f f i c u l tt of o l l o wt h ef a s t d e v e l o p m e n ta n dr e q u e s t o ft h em a s sd a t a m a n a g e m e n t t h e r e f o r e ，t h ep o r t m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n i z a t i o nm u s tb er e a l i z e dt oe n h a n c et h ed e c i s i o n - m a k i n ga b i l i t y a n di m p r o v et h em a n a g e m e n te f f i c i e n c y 砸sa r t i c l et a k e st h ei n f o r m a t i o n i z a t i o no fh a i t i a np o r ti nx i a m e n 嬲t h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，r e s e a r c h e st h ek e yt e c h n o l o g i e so fi n t e g r a t e dp o r tm o n i t o r i n g i n f o r m a t i o ns y s t e m i t sp r i m a r yc o v e r a g ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： f i r s t l y , t h ed a t a b a s ei se s t a b l i s h e df o rh a i t i a np o r tm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n s y s t e m ( h p m i s ) 1 f 1 璩d a t ar e q u e s t so fh p m i sa r ea n a l y z e d , t h ed a t a b a s e - d e s i g n i n g p r o c e s si sr e s e a r c h e da n di m p l e m e n t e d , a n dt h ea p p l i c a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h e d a t a b a s ea r ed i s c u s s e d s e c o n d l y , t h es p e c i a le f f e c t si nt h r e e d i m e n s i o ns c e n eo fh a i t i a np o r ti ss t u d i e d i n v i e wo ft h ef i d e l i t ya n dr e a l - t i m er e q u e s t , t h ec o r r e s p o n d i n ge f f e c t i v e r e n d e r i n g a l g o r i t h mo ft e r r a i n , c l o u da n ds h a d o wa r ep r o p o s e d t h i r d l y , t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so fh p m i sa r e d e s i g n e d 1 1 l ec o n n e c t i o no fh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k si si m p l e m e n t e db a s i n go nt c p i p a n dw i n s o c k , t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r ed e s i g n e ds p e c i f i c l yf o rm e s s a g e e x c h a n g e f i i l a l l y ，t h ep r o t o t y p es y s t e mo fh p m i si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a no p e n s y s t e mf r a m e w o r ki sd e s i g n e dt os a t i s f yt h em u l t i - k i n d so f p r i n c i p l e si nd a t ae x c h a n g i n g ； t h e2 da n d3 dc l i e n t so fh p m i sa r ei m p l e m e n t e db ym o d u l a rp r o g r a md e s i g n i n gw h i c h w i l li m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t y ，1 1 1 ee s t a b l i s h m e n to fh p m i ss t r e n g t h e n st h e i n f o r m a t i o n i z a t i o nl e v e lo fp o r t m a n a g e m e n t ,i m p r o v e s t h es c i e n t i f i c p o l i c y - m a k i n ga b i l i t y , a n dc a nm e e tt h e i n f o r m a t i o n - b a s e dd e v e l o p i n gn e e d so fp o r tc o n s t r u c t i o nw h i c hi so fg r e a ta p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：p o r tm o n i t o r i n g i n f o r m a t i o n s y s t e m ；r e n d e d n ga l g o r i t h m ；d a t a b a s e ； n e t w o r kp r o t o c o i 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 系统和应用角度地理信息系统组成3 图1 2 数据处理角度地理信息系统组成。3 图1 3 论文的组织结构1 0 图2 1a r c s d e 体系结构图1 2 图2 2c s 模式下的g i s 访问数据库的框架1 3 图2 3 海天港监测一体化系统数据库概念设计e - r 图。1 4 图2 4 海天港监测一体化系统数据库逻辑设计图15 图3 1 简化示意图1 9 图3 2 投影平面与屏幕之间的对应关系2 0 图3 3 视景体俯视图2 0 图3 4 多级别数据块围格2 1 图3 5 地形块可见性判断。2 2 图3 6 地形显示效果图2 3 图3 7p 甜i n 噪声图像2 5 图3 8 纹理矩阵偏移效果2 5 图3 9 纹理叠加效果。：2 5 图3 1 0 绘制云层的场景图2 6 图3 1 1 无阴影效果的场景图2 6 图3 1 2 存在严重混叠现象的阴影场景图2 7 图3 1 3 被阴影遮挡部分的场景图2 7 图3 1 4 结合阴影效果的场景图2 8 图3 1 5 带阴影效果的港口三维场景图2 8 图4 1 海天港监测一体化系统应用模式3 0 图4 2t c p i p 参考模型1 3 2 图4 3 基于t c p i p 的w i n s o c k 连接模式3 4 图4 4 海天港监测信息系统网络拓扑结构3 5 图5 ，l 系统结构总体框图4 1 图5 2 海天港监测一体化信息系统原型一一4 2 图5 3 港口监控中心单元结构图。4 4 图5 4 服务器程序模块划分4 5 图5 5 与场桥和拖车单元端通讯接口模块划分4 6 图5 6 与三维大屏子系统通讯接口模块划分4 8 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 7 监控中心客户端接口模块划分5 0 图5 8 拖车和长桥单元结构图5 2 图5 9 场桥站子系统模块化结构。5 4 图5 1 0 拖车站子系统各模块结构5 6 图5 1 1 港口监控中心二维客户端主界面5 7 图5 12 港口全景图5 7 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 海天港监测一体化系统数据库表设计1 5 表4 1 海天港通信协议基本格式说明。3 6 表4 2 协议类型识别号总表3 6 表4 3 海天港监测通讯协议上下行关系3 7 表4 4 移动站坐标及信息请求定义3 8 表4 5 移动站坐标及信息数据定义3 8 表4 6 移动端信息终止请求一3 9 表4 7 堆场数据请求_ 3 9 表4 8 堆场数据正文3 9 表4 9 地图数据请求4 0 表4 1 0 堆场数据内容4 0 表5 1 海天港监测信息打包模块的函数接口。4 7 表5 2 海天港监测信息解包模块的函数接口。4 7 表5 3 与场桥和拖车单元端接口w i n s o c k e t 设置。4 7 表5 4 与三维大屏子系统通讯接口w i n s o c k e t 设置4 8 表5 5 港口监控中心单元系统数据源设置4 9 表5 6 港口监控中心单元系统数据源设置。4 9 表5 7 拖车轨迹信息类结构5 0 表5 8 数据库维护模块接口函数5 0 表5 9 信息处理模块消息流向。5 1 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 学位论文作者签名： 日期：洳尹年j 月弓日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：蘑嗽 日期：湖刁年5 - 月3 日 i 7 日期：上呷年岁月3 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，由于进入w t o 带来新的挑战，港口要与国际接轨，要跻身于国际化 大型港口的行列，除了扩大基础设施建设的投入、增加泊位数量、完善配套设施 外，更重要的是加快以信息技术为主导的高新科技发展，实现港口全方位的信息 化管理，提高管理层次，实现与国际港口管理水平同步。 港1 ：3 管理系统对港口信息化的要求不仅仅限于港口内部，而且还包括了系统 外部，形成了一个以港口为依托的综合信息平台和信息网络，不仅要实现港口企 业内部信息自动采集、加工、存储、查询和应用，还必须实现港口与运输企业、 贸易企业、加工企业、口岸服务单位、相关服务单位信息网和区域多式联运e d i 网、中国电子口岸信息网互联，并能够为港口企业、口岸单位、政府部门和其他 相关单位提供物流运作的协同平台、信息共享平台和决策支持平台。 所谓海天港地理信息系统实际上是一种以计算机为主体，将互联网技术 ( w e b ) 、全球定位系统、移动通信技术( g m s ) 、无线通迅技术( w a p ) 、地 理信息系统( g i s ) 、无线射频识别技术( r f i d ) 、实时监控系统( a i s ) 、自动 化装卸设备等先进的信息技术和自动化技术综合应用于整个港口作业，建立一种 在港口服务范围内全方位发挥作用的，实时、准确、高效、优质的港口服务体系。 北斗一号卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通 信系统( c n s s ) ，是除美国的全球定位系统( g p s ) 、俄罗斯的g l o n a s s 之后， 第三个成熟的卫星导航系统。卫星导航系统是重要的空间基础设施，它综合了传 统天文导航定位和地面无线电导航定位的优点，已经在测绘、电信、水利、公路 交通、铁路运输、渔业生产、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重 要作用。 海天港监视一体化信息系统正是基于以上背景提出的，该系统是以g i s 软件 平台、空间数据库为基础，以港区的建设规划格局、基础设施、地形地貌为信息 对象，实现信息编辑、处理、检索、分析等强大功能的综合业务服务，通过生动、 直观的方式为用户提供各种信息编辑、信息查询、图形显示、报表输出以及分析 决策服务，将现代化技术全方位导入信息管理中，提高管理能力。 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 1 地理信息系统 1 2 国内外研究现状 1 地理信息系统的概念及类型 地理信息系统【l 】( 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 s ，简称g i s ) 是一项以计算机 为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了- 1 7 交叉性、边 缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支挣下，它可 以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各 种空问实体及相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用 需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。 地理信息系统具有以下特剧2 】： 1 ) g i s 的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统 构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理 子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着g i s 的硬 件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。 2 ) g i s 的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实 体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对 其定位、定性和定量的描述、这是g i s 区别于其它类型信息系统的根本标志，也 是其技术难点之所在。 3 ) g i s 的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规 方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。 4 ) g i s 与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、 地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为g i s 中的空间实体提供各种不同比例尺和 精度的定位数；电子速测仪、全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感 图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数 字信息产品，为g i s 提供丰富和更为实时的信息源，并促使g i s 向更高层次发展。 地理信息系统的组成有两种分类方法【3 】： 1 ) 从系统论和应用的角度出发，分为四个子系统如图1 1 ，即系统管理操作 人员、计算机硬件和软件系统、数据库管理系统、地理空间数据。其核心部分是 计算机系统，空间数据反映了g i s 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的 工作方式和信息表示方式。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 系统和应用角度地理信息系统组成 2 ) 从数据处理的角度出发，地理信息系统又被分为数据输入子系统，数据存 储与检索子系统，数据分析与处理子系统，数据输出子系统，如图1 2 所示。 数据输入子系统：负责数据的采集、预处理和数据的转换。 数据存储与检索子系统：负责组织和管理数据库中的数据，以便于数据查 询、更新与编辑处理； 数据分析与处理子系统：负责对数据库中的数据进行计算和分析、处理。 如面积计算，储量计算，体积计算，缓冲区分析，空间叠置分析等。 数据输出子系统：以表格、图形、图象方式将数据库中的内容和计算、分 析结果输出到显示器、绘图纸或透明胶片上。 图1 2 数据处理角度地理信息系统组成 地理信息系统的类型按内容分为三类【4 】： 1 ) 专题信息系统( t h e m a t i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务，如森林 动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息 系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。本文所设计的海天港监测 一体化信息系统就是属于专题信息系统。 2 ) 区域地理信息系统( r e g i o n a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。可以有不同规模，如国家级的、 地区或省级的、市级或县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以 按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、 美国橡树岭( o a kr i d g e ) 地区信息系统、我国黄河流域信息系统等。 3 ) 地理信息系统工具( g i s t 0 0 1 ) 地理信息系统工具是一组具有图形图像数字化、存贮管理、查询检索、分析 运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。g i s - t o o l 可以是专门设计研 制的，也可以是从实用地理信息系统中抽取掉具体区域或专题的地理空间数据后 得到的。它具有对计算机硬件适应性强，数据管理和操作效率高、功能强，且具 有普遍性并易于扩展、操作简便、容易掌握等特点。 2 地理信息系统研究与应用 地理信息系统是从2 0 世纪6 0 年代中后期发展起来的。初期出现的系统主要 是一些关于城市和土地利用方面的信息系统。8 0 年代，由于西方国家工业化进程 的加快，城市人口迅猛膨胀，出现水源匮乏、能源短缺、用地紧张、良田锐减的 严重局面，地球生态环境屡遭破坏，迫使人们寻找保护生态环境和资源的有效办 法，地理信息系统提供了有效的手段。9 0 年代为地理信息系统的用户时代。一方 面，地理信息系统已成为许多机构必备工作系统，另一方面，社会对地理信息系 统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。 我国g i s 的发展较晚，经历了四个阶段，即起步( 1 9 7 0 - 1 9 8 0 ) 、准备( 1 9 8 0 - 1 9 8 5 ) 、 发展( 1 9 8 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。 地理信息系统的研究应用，包括二种情况：一是利用g i s 系统来处理用户的 数据：二是在g i s 的基础上，利用它的开发函数库二次开发出用户的专用的地理 信息系统软件。目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城 市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九 大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、 资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来， 随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、 交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 济效益和社会效益。 。 现阶段国内外对地理信息系统的研究和应用分成八个方面【5 】： 1 ) 地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即以多种方式录入地理数据， 以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索，以多 种方式输出决策所需的地理空间信息。如a r c i n f o 在公路管理中的应用；a r c i n f o 在对市政设施管理中的应用；北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为 基础图形数据建立的城市地下管线信息系统。 2 ) g i s 在综合分析评价与模拟预测中的应用。g i s 不仅可以处理地理空间数 据，而且还是现实世界模型，对未来的结果作出定量的和趋势预测，以作出最优 决策。如g i s 在焦作东部矿区煤矿底板突水预报中的应用；美国资源部和威斯康 星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地g i s 。 3 ) g i s 的空间查询和空间分析功能的应用。数据库在建库时以原始图为输入， 而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定 位上仍与原始图一致。因此，也可将其称为空间函数变换。这种方法应用于在城 市规划、环境保护等方面。 4 ) g i s 的输出功能在地图制图中的应用。与传统的、周期长、更新慢的手工 制图方式相比，利用g i s 建立起地图数据库，可以达到一次投入、多次产出的效 果。它不仅可以为用户输出全要素地形图，而且可以根据用户需要分层输出各种 专题。更重要的是由于g i s 是一种空间信息系统。它所制作的图也能够反映一种 空间关系。在地图的输出中，m a p g i s 达到世界先进水平。 5 ) 运用g i s 系统，建立起专题信息系统和区域信息系统。这类信息系统具有 有限目标和专业特点，系统数据项的选择和操作功能是为特定的专门目的服务。 专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、 水土流失信息系统等等。 6 ) 地理信息系统与遥感图像处理系统的结合的应用。这种应用如海湾战争期 间，美国国防制图局g i s 实时服务，为战争需要在工作站上建立了g i s 与遥感的 集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术处理，处理卫星和高低侦察 机实时获得战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图 上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供2 4 小时的实时 服务。 7 ) 应用g i s 二次开发函数库，开发出具有特定功能软件系统。如国家九五攻 关项目“紧缺金属资源快速勘察评价系统，这个系统中，分为地质变量信息提 取模块、数据挖掘模块、物探数据处理模块、图像处理模块、综合预测模块等。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 8 ) g i s 中属性数据的综合及融合。在现有的g i s 中，属性数据只是用于检索 和查询，或进行简单的统计。在众多项的属性数据中，有时将几个属性项的属性 数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属性项新属性值，这种综合不 是综合前属性数据值的简单反映，也不是它们的孤立集合，而是经过某领域研究 人员深思熟虑的综合分析，用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。这是 各个国家正在研究和发展的领域。 1 2 - 2 三维绘制技术 1 三维地形绘制算法 目前国内外对于地形的简化多采用层次细节( l o d ) 技术。层次细节显示简 化技术是在保证视觉效果的条件下，建立原始模型若干逼近程度不同的几何模型， 根据离视点的远近调用不同的模型，这样对于一个较复杂场景而言，可以减少所 绘制场景的复杂度，并保证所生成的真实图像的质量的损失在用户给定的阈值以 内，而生成图像的速度则能大幅度地提高。 9 0 年代初，l o d 主要停留在离散l o d 模型的生成及实时显示方面，这类算 法预处理生成具有不同层次的一组简化版本，显示时，根据条件选用不同的版本。 这些条件一般包括物体距离视点的距离，投影在图像空间所占像素面积等。此类 算法一般分为两种：简化方法和细化方法。简化方法从原始的模型数据所形成网 格开始，逐步剔出重要性不强的数据点，直到简化为所预设的阈值为止；细化方 法则相反，由最小的数据集所形成的三角网格开始，逐步增加那些较重要的点， 直到细化为所设阈值为止。简化方法是由底至顶( 自下而上) 的算法，而细化方 法是由顶至底( 自上而下) 的算法。然而，离散l o d 模型方法在不同的l o d 切 换时在视觉上会引起明显的突变，严重影响绘制效果。 9 0 年代中期提出了连续l o d 模型，其主要特点是：同一模型各处具有不同的 细节层次水平，可实现相邻l o d 问的平滑过渡。典型代表是h o p p e 提出的累进网 格( p r o g r e s s i v em e s h e s ，p m ) 算法。h o p p e 的优化准则条件过于宽松，引入了额 外的三角形，缺少对优化过程的某种控制能力，此外p m 算法不支持同一模型上 不同区域同时存在不同的细节层次。d u c h a i n e a u y t 6 】提出的r o a m 算法，基于二叉 树结构，效率高，性能好，但结构复杂，难处理大规模地形；r 6 t t g e r u 等提出的连 续l o d 算法，基于规则网格，采用四叉树数据结构和自上至下的处理方法，极大 提高了效率，也降低了算法复杂度，在当前的3 d 应用中相当普遍；l i n d s 仃c 粕【8 】【9 】 出的地形绘制算法，该算法在三角剖分上类似于r o a m 算法，效率有很大提高， 但有时会出现地形裂缝，实际应用受限。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l o d 技术在地形绘制的应用中，主要是对地形数据进行不同程度的简化，构 造相应的多分辨率模型以便于绘制调用。其中，离散l o d 方法预先对每一块地形 区域生成若干不同细节层次的网格模型，绘制时选择适当的层次进行渲染。连续 l o d 方法则是在绘制时才生成相应的细节层次模型进行渲染，对计算机性能要求 较高，绘制时还要占用不少资源进行模型的简化计算。而离散l o d 方法则把这一 工作提到绘制工作之外，以牺牲外部存储空间的代价来换取实时性的提高。但是 离散l o d 方法的缺点在于固定的网格模型存储需要占据额外的内存，而且数据读 取也要牺牲大量的程序时间，所以有极大的冗余度，不能使计算机的性能得到全 面发挥。 因此在实际应用中，应该根据实际情况选择恰当的l o d 方法，并尽可能的结 合这两种方法的优缺点，使系统利用率达到最大。 2 经典的云层建模方法 体过程建模方法( v o l u m e t r i ep r o c e d u m lm o d e l i n g ) 是一种过程建模方法。体 过程也称为超纹理( h y p e r t e x t u r e s ) ，体密集度函数( v o l u m ed e n s i t yf u n c t i o n s ) 或者模糊滴状斑点( f u z z yb l o b b i e s ) 【，它利用一定算法对三角体对象和自然现 象进行定义和动画。1 9 8 5 年g e o f f r e yy g a r d n e r 提出云模型由一个天空平面、椭 球体和数学纹理函数三部分组形成。同年，k e n p c r l i n 给出的p e r l i n 噪声函数【1 1 】。 所有种类的纹理都可以用p e r l i n 噪声来生成，云纹理的渲染尤其适合于p e r l i n 噪声， 已经用来生成云的三维动画，该方法目前仍在研究和发展中【1 2 1 。 3 经典的深度图阴影绘制算法 深度图算法，又被称为“阴影z 缓冲算法 ，最早由w i l l i 锄s 【1 3 】提出，是阴 影绘制算法中复杂性最低，并且与基于z 缓冲的渲染器结合最紧密的方法。 该算法主要包含两个步骤。 首先，以光源为视点，渲染绘制场景，从而获得整个场景在z 缓冲中的深度 信息，将其保存成纹理，即“深度图刀。 其次，以正常视点绘制场景，将绘制场景中的可见点的坐标变换到上一步中 以光源为视点的空间中，得到新的坐标0 ：j ，：z i ) 。其中可以利用( x , y 9 对深度图 贴图进行坐标索引，获取该点的深度值磊。如果z z o ，则表示该点在深度图像素 对应的平面之前，应该被绘制；如果z z o ，则表示存在某平面比该点更接近光源， 该点位于阴影中。 该算法的复杂度与场景复杂度无关，由于只需要重新计算移动物体的阴影， 非常适合应用于动态场景。然而该算法也有些缺陷。首先，由于计算机数据精度 有限，场景的z b u f f e r 往往计算不够精确，容易造成错误判断，引起表面混叠现 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 象。其次，如何有效的利用深度图快速的进行深度判断，需要进一步研究，从而 尽量减少绘制次数，提高绘制效率。 1 2 3 港口监测技术 世界港口的发展大体经历了三代。第一代港口功能定位为纯粹“运输中心 ， 主要提供船舶停靠、海运货物的装卸、转运和仓储等；第二代港口功能定位为“运 输中心+ 服务中心一，除了提供货物的装卸仓储等，还增加了工业和商业活动， 使港口具有了货物的增值功能；第三代港口功能定位为“国际物流中心一，除了 作为海运的必经通道在国际贸易中继续保持有形商品的强大集散功能并进一步提 高有形商品的集散效率之外，还具有集有形商品、技术、资本、信息的集散于一 体的功能。 纵观世界主要港口的发展趋势，随着全球经济一体化进程加快和国际经济活 动日趋频繁，经济全球化、市场国际化和信息网络化速度不断加快，港口已经开 始向第三代港口转型，正向国际化、规模化、系统化发展，现代港口特别是大型 枢纽港地位日益突出。 港口码头的运作和管理逐渐与整个交通运输、仓储配送和加工生产的整个链 条融合在一起。作为开展现代物流服务的推进器与连接器，港口处于水陆两大运 输方式联结点，现代物流活动所要求的全过程、全方位系统跟踪管理已成为现代 港口的主要服务内容，涉及到口岸通关、多式联运、集散、中转、仓储功能，货 代和船代等功能，c f s 功能，管理信息系统及e d i 功能，生产、生活辅助服务功 能等。港口行业信息化已成为港口规划建设、生产经营和业务发展的重要组成部 分。 自1 9 9 4 年第一次智能交通系统世界大会提出智能交通系统( 1 1 r s ) 概念以来， 港口作为社会交通大系统的一个重要组成部分，智能港口系统研究得到了普遍关 注并取得很大进展【1 4 1 。2 0 0 4 年韩国政府开始在韩国港口实施“智能集装箱 项目， 埃及新杜姆亚特港2 0 0 4 年年底宣布已经建成地中海沿岸第一个智能港口。我国智 能港口系统研究目前才刚起步，但已经得到政府和港口企业的普遍重视，交通部 在2 0 0 5 年制订出台的公路水路交通科技发展战略中已经将智能港口系统纳入 未来智能化数字交通管理技术主要研究方向，交通部规划设计院、武汉理工大学 等科研机构已经开始了智能港口系统研究，上海、深圳等国内主要港口也已开始 进行智能港口系统规划。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 1 课题背景 1 3 论文组织 2 0 世纪9 0 年代以来，以信息技术革命为中心的高技术迅猛发展，使世界经济 逐步成为一个整体，这标志了世界经济一体化到来。港口作为全球综合运输网络 的节点，其功能也在不断拓宽。近年来，我国港口散货总体吞吐量增长迅速，2 0 0 7 年完成干散货吞吐量3 5 6 5 亿吨，比2 0 0 6 年增长1 3 5 ，预计在未来3 年内，干 散货吞吐量增速可达1 3 。新时期的港口呈现出大物流、一体化、虚拟链的特点， 这些新特点对传统的港口管理模式提出了新要求。 为适应经济全球化的需要，现代港口需要不断完善管理模式，提高工作效率。 海天港监测一体化信息系统正式基于以上背景提出的。 海天港监测一体化信息系统的建成使用，解决了港务集团原来存在的信息分 散化，处理及反馈滞后等问题，减少人员日常繁锁业务工作量，节约开支，降低 内部管理成本。更为重要的是，能够直观的了解堆场作业情况，能够为工作人员 决策提供真实、直观、可靠的信息。 名。 1 3 2 课题内容 课题主要研究四个方面的内容： ( 1 ) 海天港监测一体化信息系统数据库的建立，对港口地理信息系统数据库 的规范化设计以及数据的快速实时更新方法进行了研究，提出了科学和高效的数 据结构模型和工作方式，提高了数据录入、检索的速度。 ( 2 ) 海天港三维场景特殊效果显示。在分析经典的l o d 绘制算法的基础上， 基于顶点法矢量的模型简化方法，构造和绘制了多区域多级别l o d 地形模型；通 过构造p e r l i n e 噪声纹理，并采用简便合理的纹理矩阵变换方法，实现了云层的绘 制；针对经典的深度图阴影算法存在的缺陷，提出了增大深度图像素值以及三次 绘制通路的方法，提高了系统的实时性。 ( 3 ) 海天港监测一体化信息系统网络结构和通讯协议设计，分析了海天港监 测一体化系统的网络结构，结合实际通讯过程设计网络通讯协议，实现了系统各 异构网络的互联。 ( 4 ) 海天港监测一体化信息系统设计与实现，从软件工程的角度对港口监一 体化信息系统进行设计实现，使用模块化的设计方法，大大提高了团体开发的协 作效率，缩短了开发周期。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 3 论文组织 本文共分六章，其中第二、三、四章分别说明海天港一体化信息系统中三个 关键设计，第五章总体设计海天港一体化信息系统。各章的内容和组织如下： 第一章绪论。简述了地理信息系统、三维绘制技术的产生、基本概念、研究 现状，简单介绍港口的发展，说明了本文的研究背景和主要工作。 第二章海天港监测一体化信息系统数据库设计。在空间数据库及空间数据库 系统的基本概念和设计理论的基础上，分析了系统的数据需求，说明了系统的数 据库开发环境，设计了系统数据库的整体结构，给出了数据库的概念设计、逻辑 设计及物理设计描述。 第三章海天港三维场景特殊效果生成。在分析经典三维绘制算法的基础上， 提出了有效的地形、云层、阴影算法，提高了系统的实时性。 第四章网络连接模式及传输协议设计。探讨了网络互联技术的概念、原理， 详细分析了海天港监测一体化系统的网络结构，并依据实际应用设计实现了系统 网络通讯协议体系。 第五章海天港监测一体化信息系统的设计与实现。对海天港监测一体化信息 系统各主要组成部分进行模块划分，着重叙述了监控中心子系统的设计与实现， 完整的设计实现了整个港监一体化信息系统原型。 第六章结束语。对已完成的研究内容进行总结，并展望下一步需要完成的工 作。 系统的数据库开发环境设计了系统数据库 的整体结构，给出了数据库的概念设计、逻 辑设计及物理设计描述 提出了有效的地形、云层、阴影算法 分析了海天港监测一体化系统的网络结构， 并依据实际应用设计实现了系统网络通讯 协议体系 着重叙述了监控中心子系统的设计与实现， 完整的设计实现了整个港监一体化信息系 统原型 图1 3 论文的组织结构 数据库设计 ( 第二章) 三维技术生成 ( 第三章) 网络连接模式及 协议( 第四章) 系统设计与实现 ( 第五章) 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章海天港监测一体化信息系统数据库设计 海天港监测一体化信息系统涉及g i s 数据、属性数据、定位数据、三维模型 数据、通信数据、系统管理数据等多源、多种类型的数据。其中，g i s 数据、属性 数据、定位数据、三维模型数据等空间数据又是较为复杂的数据类型，它们表示 了空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等诸多方面信息，这些数据具有空 间性、时间性、复杂性、动态性、海量化和结构复杂等特点【1 5 】。空间数据适用于 描述所有二维、三维甚至多维分布的海天港环境，它不仅能够表示实体本身的空 间位置及形态信息，还能表示实体属性和空间关系。空闻数据是海天港监测一体 化信息系统的基础信息，系统的建立和功能的实现绝大部分将以空间数据为基础。 要想对这些海量的空间数据进行有效的管理和高效的使用，就必须通过建立 空间数据库( s p a t i a ld a t a b a s e ) 来管理使用这些数据【1 6 】。空间数据库是随着地理信 息系统的开发和应用发展起来的数据库新技术，主要用来处理空间数据。空间数 据库是以描述空间位置包括点、线、面、体特征的位置数据( 空间数据) ，以及 描述这些特征的属性数据( 非空间数据) 为对象的数据库，其数据模型和查询语 言能支持空间数据类型和空间索引，并提供空间查询和其他空间分析方法，其目 的是利用数据库技术实现空间数据的有效存储、管理和检索。 2 1 需求分析 海天港监测一体化信息系统负责对港口进行管理、监测、调度以及遇险报警。 因此，需先对港口堆场状态、场桥和拖车编号、数量、装卸能力，以及对应操作 人员的基本信息进行登记，将其静态属性归档；然后对场桥和