船舶进出港与靠离泊过程是船舶航行的重要风险环节,探讨船舶进出港与离靠泊操作的危险预控是水运交通行业的重要课题。研究发现,人为的不确定性导致船舶发生危险的情况较多。随着空间探测技术的不断发展,积累了大量的多源、异构、多维、动态的环境综合监测数据,利用获得的数据结合先进的GIS技术来提升船舶进出港与靠离泊过程的安全性,已成为目前水运交通领域的热点研究方向。论文分析了现有的港航信息化管理平台存在的不足,并针对其中的关键问题——船舶进港过程的多要素数据组织与仿真技术进行了研究。针对现有的数据模型在近岸环境实时表达中的不足,提出了基于流式计算的AIS数据组织方法。针对现有平台在可视化表达上的欠缺,引入粒子系统法、密度聚类法、视椎体剔除法等方法,结合港航信息化管理平台的实际需求,提出了三种具有较强可行性的仿真与可视化技术,辅助船舶进港靠泊过程,提高决策判断的正确性和操作的安全性。主要工作包括以下几个方面:(1)分析了现有数据的数据特点与管理组织难点,以实现高效、快速、逼真的一体化三维展示为目标,使用Postgre SQL为统一存储的空间关系数据库,结合空间数据模型、格网数据模型、关系数据模型三种模型的数据组织方案,针对AIS数据中流数据的特性,提出基于AIS数据的流式计算模型,并利用Storm实现了AIS数据的流式计算。(2)针对港口与航道可视化中的典型要素,研究基于三维虚拟地球的仿真与可视化方法。以粒子系统法为基础,从格网索引的构建、粒子初始化、粒子更新、流线生成四个方面,研究矢量场数据在规则格网和不规则三角网结构下的可视化方法,重点改进了粒子系统法在不规则三角网结构下的可视化表达,提出了一种基于规则格网划分的不规则三角网索引方法,降低粒子更新时查询三角格网的算法复杂度;提出了基于AIS数据的多级符号化动态船舶建模方法,基于“四元数旋转法”和“等比例缩放法”构建面向船舶动态信息的多级仿真符号,并利用“密度聚类法”和“视椎体剔除法”优化了AIS三维仿真的显示效果和展示效率;基于水深散点数据,构建TIN模型,实现三维航道地形的动态渲染,实现了船舶进出港与靠离泊过程的地理环境仿真构建。(3)基于Cesium设计并开发了船舶进港靠泊的三维可视化原型系统,将系统整体架构分为四层:数据层、服务层、渲染层、展示层。针对船舶进港靠泊过程中对信息化和可视化表达的业务需求,将系统的功能分为基础数据模块、环境要素模块、船舶通航模块、智能靠泊模块、安全装卸模块五个模块,实现了船舶进港靠泊的风险动态预警,为船方与引航部门开展工作提供支撑。