基于S-100通用海道测量数据模型的历史海上交通密度与流场网格化建模与可视化

《Journal of Marine Science and Engineering》：Modeling Marine Traffic Density and Flow as S-100 Grid Hydrographic Data

　　

海上交通信息支持船舶安全高效运行，并已通过船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）数据以多种方式生成。然而，现有成果在网格尺寸、聚合方法和格式上存在差异，无法与导航设备上的海图配合使用。本研究将历史海上交通信息，即交通密度与交通流，定义为基于国际海道测量组织（International Hydrographic Organization, IHO）S-100通用海道测量数据模型（Universal Hydrographic Data Model）的网格化海道测量数据。基于此前提出的高分辨率交通流模型，设计了应用模式（application schema）、要素目录（Feature Catalogue）和呈现目录（Portrayal Catalogue），并将数据以HDF5编码。密度通过颜色等级呈现，流通过组合速度、密度和方向的箭头符号呈现。利用韩国木浦沿海水域两年AIS数据构建了数据集，并对其数值和呈现规则进行了定量验证。密度仅使用目录和数据集即可在第三方S-100查看器中显示，而流仅在基于自有S-100海图引擎的模拟器中显示。这些结果表明，历史海上交通信息可以被定义、编码并呈现为S-100网格数据；业务互操作性仍有待验证。

研究背景方面，海上交通信息是支持船舶安全高效运行的基础信息类型之一，可应用于航线规划、交通风险评估和船舶交通服务等领域。随着AIS数据长期积累，研究机构和公共机构以多种方式生产了海上交通信息，但各机构和研究在网格尺寸、聚合方法和输出格式上存在差异，且这些信息多以报告或地图形式使用，未能作为可与船载导航设备海图一同加载使用的数据提供。与此同时，IHO制定的S-100通用海道测量数据模型要求为每个产品规范定义数据模型、编码和呈现方式，并规定了矢量数据和网格覆盖的HDF5编码方法。水深表面（S-102）、水位（S-104）和表面流（S-111）等网格化海道测量产品遵循此方法，随着2026年第一阶段产品规范生效，这些产品已进入与电子导航海图（Electronic Navigational Chart, ENC）在S-100电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System, ECDIS）上共同使用的阶段。国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）也修订了性能标准，要求2029年起新安装的ECDIS必须支持S-100。然而，海上交通信息在S-100框架内尚未得到充分解决。S-100系列中已开发的交通相关产品规范主要涉及管理和管理信息，如船舶交通服务区域和定线措施，或个别船舶的当前位置和航线计划，难以找到将显示船舶在海域中通常如何移动的交通信息定义为产品规范的案例。现有海上交通研究的成果也无法直接填补这一空白，因为S-100数据必须附带机器可读的要素目录和呈现目录，而这些规范对研究成果而言尚不可用。因此，本研究旨在将历史海上交通信息，即从给定时期积累的AIS数据聚合得到的交通密度和交通流，定义为基于S-100的海道测量信息，使其能够像其他海道测量信息一样被传递到导航系统并显示。研究采用此前提出的高分辨率交通流模型生成信息，重点在于将其结果转入S-100框架，并解决三个研究问题：（i）历史海上交通信息能否用S-100应用模式和要素目录定义；（ii）能否根据S-100第10c部分以HDF5编码而不丢失数值；（iii）能否在S-100显示环境（即第三方查看器和基于自有S-100海图引擎的模拟器）中按照其呈现目录的规则进行呈现。

研究人员开展的研究遵循IHO创建S-100产品规范的指南，按需求推导、应用模式和要素目录设计、呈现目录设计的顺序进行建模。由于交通流必须在单一符号中表达速度、密度和方向，为此设计了呈现规则。数据以适合网格化海道测量信息的HDF5格式编码。模型应用于韩国木浦沿海水域的交通信息，通过对数据集、目录和呈现规则的定量验证来回答上述问题。交通模型本身采用自前人研究，本研究的贡献在于历史海上交通信息的应用模式和要素目录、为每个网格单元组合多个属性的呈现规则的呈现目录、带数据集元数据的HDF5编码及其验证。

在技术方法方面，研究采用的主要关键技术方法包括：基于S-100第8部分的网格覆盖建模、基于S-100第10c部分的HDF5编码、基于S-100第9A部分的Lua呈现规则设计、应用模式采用Enterprise Architect以UML类图设计、要素目录采用Altova XMLSpy按照S100FC模式以XML编写、呈现目录基于S-100第5.2版结构组织并包含SVG符号和Lua规则、验证采用NIWC S100Viewer（Version 2.1.0.0）第三方查看器和基于自有S-100海图引擎Naru（Version 1.0.0）的模拟器。样本队列来源为韩国海洋水产部提供的2022年1月1日至2023年12月31日（UTC）木浦沿海水域AIS数据，经预处理后保留16,441,789条记录（来自4268艘船舶），网格间距为0.00083333°（3″），共540行×420列、226,800个单元。

研究结果方面，第一，在应用模式与要素目录设计中，应用模式包含两个地理要素：MarineTrafficDensity（表示交通密度）和MarineTrafficFlow（表示交通流），两者均以网格覆盖为空间属性。MarineTrafficDensity具有由AIS样本数计算的通行频率等级（trafficDensity）和考虑船舶大小的密度等级（trafficDensityDimension）；MarineTrafficFlow具有主导方向上的平均速度（trafficSpeed）、主导方向（trafficDirection）和密度等级（trafficDensityDimension）。两个要素共享参考时间段（referenceTimePeriod），定义为区分年度、月度和小时间累积的枚举。要素目录定义了5个简单属性和2个要素类型，参照时间 periods 定义为含5个值的枚举，速度和方向属性为实数类型，两个密度属性为整数，所有属性的单位和值范围记录在HDF5文件中。参照S-102第3.0.0版第4.4.2.1条，对所有属性应用1,000,000的填充值以标记无保留AIS观测的单元。第二，在呈现目录设计中，呈现包由目录XML、colorProfile.xml、定义符号形状的SVG文件、定义填充颜色和轮廓的CSS文件以及处理呈现条件和绘制指令的Lua文件组成。海上交通流和密度分配至不同的查看组（900001和900002），绘制优先级分别为10和9，均绘制在UnderRadar显示平面上。密度通过将每个单元的trafficDensity值分类为15个等级以颜色呈现，颜色标记MTD01至MTD15，低密度显示为蓝色，随值增加经绿色、黄色、橙色过渡到红色，等级边界采用对数分箱方法计算。流通过组合trafficSpeed、trafficDensityDimension和trafficDirection属性以箭头呈现，速度分为5个等级使箭头随速度增加而变长，密度等级决定箭头的颜色和宽度，5个速度等级和15个密度等级组合共产生75个箭头符号，所选箭头在 geographic 坐标参考系统中按trafficDirection值旋转以指示实际交通流方向。第三，在HDF5编码中，海上交通信息组织为规则网格覆盖，应用WGS 84坐标参考系统，要素和属性结构定义在Group_F中，实际网格数据存储在MarineTrafficDensity和MarineTrafficFlow组中。网格原点为西南角第一个单元的中心（34.433748° N, 126.042084° E），网格间距为0.00083333°，值数组从最南行开始存储，540行纬度、420列经度，轴名称顺序为Longitude、Latitude。数据集边界框为34.433331–34.883329° N、126.041667–126.391666° E。参考时间段存储为根组和每个values组的referenceTimePeriod属性，观测期以UTC记录在要素实例组中，聚合方法（sum）记录为根组的aggregationMethod属性，16个密度等级边界和每级单元数记录在根组中。第四，在研究区域与数据集构建中，研究区域为韩国西南海岸木浦沿海水域，数据集覆盖34.4333–34.8833° N和126.0417–126.3917° E。经2 kn阈值排除后，使用16,441,789条记录（37.5%）来自4268艘船舶。网格间距0.00083333°（3″），对应南北约92.6 m、东西约76.2 m，共226,800个单元，其中81,835个单元（约36%）含有保留AIS观测并有值，其余144,965个单元记录填充值。根据同网格的陆水掩膜，填充单元中106,871个为陆地单元，38,094个为水域单元；水域单元中36,938个无AIS报告，1156个仅有2 kn及以下的报告。密度等级定义为1–15，流速度范围为2.1至30.0 kn，方向取36个10°区间的中心值。经与通行计数比较，样本数与通行计数在每个单元的Spearman秩相关系数为0.987，两者按相同方法分为15级时90.4%的单元在一个等级内一致。第五，在数据集构建验证中，将交通模型输出文件转换为HDF5数据集，所有单元位置与网格编号匹配，两个要素的值字段与要素目录的属性绑定匹配，HDF5文件中存储的所有5个属性值在所有81,835个有值单元中与模型输出计算值一致，trafficDensity和trafficDensityDimension在所有有值单元中相同，144,965个填充单元的所有属性均记录填充值，有值单元中无填充值或NaN。文件还通过了关于必需组和属性、网格定义、方向值离散化、速度上限和值范围的12项检查。第六，在交通密度可视化中，使用NIWC S100Viewer（Version 2.1.0.0）加载要素目录、呈现目录和数据集，密度要素无错误显示，每个单元按呈现规则填充15个颜色等级之一。对截图进行定量检查，两个放大视图中所有有值单元（分别为7808和2708个）均以其等级颜色显示，填充单元（分别为9972和1982个）均未被绘制。有值单元中等级1–5占53.9%，等级6–10占43.4%，等级11–15占2.7%，仅沿主要航线和木浦港进港航道出现。第七，在交通流可视化中，流要素未在NIWC S100Viewer中显示，因为该查看器支持按值着色的覆盖呈现，但不支持为每个网格单元动态确定符号的基于Lua的呈现。流要素在基于自有S-100海图引擎Naru（Version 1.0.0）的模拟器中进行了检验，模拟器以S-100方式加载要素目录、呈现目录和数据集，无修改地读取Lua呈现规则和SVG符号以生成绘制指令。按呈现规则，从速度和密度等级组合中为每个单元选择75个符号之一，符号按trafficDirection值相对于真北旋转显示。流速8–12 kn最频繁（47.1%），其次为4–8 kn（23.5%）、12–16 kn（15.2%）、16 kn或以上（7.8%）和低于4 kn（6.4%），5个箭头长度等级均被使用。流层可叠加在ENC和密度层上。Lua呈现规则还通过lupa（Version 2.8）使用Lua（Version 5.5）以已知值的测试数据执行，在所有990个组合中选择了预期符号，75个符号均被使用，旋转按trafficDirection值顺时针从真北在 geographic 坐标参考系统中指示。对填充值、超出范围的等级（0和16）、非整数等级和负速度，未绘制符号。密度规则中每个等级1–15恰好对应一个颜色标记（MTD01–MTD15），填充值不对应任何颜色。由于流符号仅显示主导方向，研究还检查了每个单元的方向分布，主导10°扇区样本份额的中位数为33.3%，包含两个相邻扇区（±10°）时为51.1%。在30°窗口求和时，25,407个样本数≥100的单元中62.2%具有第二个峰值且至少为第一峰值样本数的一半、距离150°或以上（双向交通），2.8%具有距离45–150°的此类峰值（交叉交通）。

讨论部分总结了与现有海上交通信息和交通相关S-100产品相比所提模型的特征。第一，信息性质不同，S-127和S-212以矢量形式处理管理和管理信息，而所提模型在网格上处理给定时期积累的AIS数据得到的密度和流，将对应信息类型空白（G1）的信息定义为S-100数据。第二，海上交通信息的属性和显示方法以机器可读规范定义，密度等级、速度和方向的含义、单位和值范围在要素目录中定义，显示方法在呈现目录中定义，数据按S-100第10c部分以HDF5编码，密度即使在未实现专用显示功能的第三方查看器中也能仅使用目录和数据集显示（G2）。第三，实现了为每个网格单元组合多个属性确定符号的呈现规则，流的符号长度取自速度、宽度和颜色取自密度等级、按主导方向旋转，三个属性在单一符号中表示（G3）。研究贡献包括：将海上交通信息定义为S-100数据模型，密度和流分为两个网格要素，提出由5个属性组成的应用模式和要素目录；将交通模型输出转换为S-100网格数据并构建HDF5数据集；以Lua和SVG实现15个密度颜色等级和75个旋转符号的呈现规则；定量验证数据集和目录。研究局限性包括：密度由AIS样本数计算，依赖单元停留时间和报告间隔，非通行计数；船舶大小和类型未反映在模型中；要素目录定义了区分年度、月度和小时间累积的参考时间段，但本研究数据集仅覆盖年度累积；密度等级区间依赖数据范围，不同数据集同一等级不代表相同样本数；2 kn速度阈值可能排除部分慢速船舶；3″网格可能依赖网格大小；流仅以主导方向表示，双向和交叉单元中的反向或交叉交通未由箭头显示；数据集未与实时AIS数据链接。在呈现方面，流符号在不同比例尺下的显示、75个符号和15种颜色的可读性以及产品间互操作性等问题仍有待研究。

研究结论部分翻译如下：本研究将从AIS数据得到的历史海上交通信息，即交通密度和流，定义为基于S-100的网格化海道测量信息。基于此前交通流模型的输出，推导了需求；设计了由两个网格要素和五个属性组成的应用模式和要素目录，以及由15个密度颜色等级和75个流符号组成的呈现目录；数据按S-100第10c部分以HDF5编码。当利用2022–2023年木浦沿海水域AIS数据构建540×420网格数据集时，密度仅使用目录和数据集在第三方查看器中显示，流在基于自有S-100海图引擎的模拟器中以反映速度、密度和方向的旋转符号显示；存储值和呈现规则也经过了定量验证。这些结果表明，迄今由个别研究和服务以不同格式提供的历史海上交通信息，可以像水深、水位和表面流等网格化海道测量信息一样，在同一框架内被定义、编码并呈现为S-100网格数据。本研究证明了这种可行性，但尚未验证与S-100导航系统的业务互操作性或信息对航行的有用性。由于输入数据（AIS）和数据模型（S-100）均为国际标准，在可获得AIS数据的任何地方均可采用相同程序生产其他海域的数据集；要素、属性和编码结构保持不变，等级边界针对每个数据集计算并记录在其元数据中。若未来纳入船舶大小和类型、各参考时间段的数据以及与实时AIS的链接，并验证与其他S-100产品的互操作性，所提模型可发展为海上交通信息的产品规范。