郁達(dá)　張汶海　呂升奇　向小華

摘 要：針對(duì)目前東平水道航道管理系統(tǒng)中逐漸暴露出的數(shù)據(jù)兼容性差、功能單一、綜合展示效果不明顯、擴(kuò)展性缺乏等問(wèn)題，進(jìn)行了東平水道數(shù)字航道綜合管理平臺(tái)系統(tǒng)，主要包括航道管理綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)平臺(tái)分層功能模塊的構(gòu)建和三維仿真可視化系統(tǒng)的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：東平水道 數(shù)字航道 綜合管理 三維可視化

東平水道是廣東省級(jí)文明樣板航道，是“泛珠三角”經(jīng)濟(jì)圈的重要水運(yùn)通道，隨著內(nèi)河航道數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程的加快，航道管理維護(hù)水平和安全運(yùn)行及效率的標(biāo)準(zhǔn)隨之提高?，F(xiàn)階段，如何高效地管理整個(gè)東平水道的數(shù)據(jù)資料，使各相關(guān)部門能夠方便快捷地利用各相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升航道服務(wù)的水平，已成為航道管理的重要工作。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者在內(nèi)河航道管理方面進(jìn)行了大量研究，史俊明、李精忠將“3S”技術(shù)與“數(shù)字航道”的概念相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了航標(biāo)監(jiān)控與管理系統(tǒng)的智能化；林強(qiáng)、徐峰開發(fā)以航道應(yīng)用為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，在航標(biāo)信息、工作船舶、水位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及船舶交通事故調(diào)查取證等過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用；于麗娜基于可視化技術(shù)，對(duì)蘇南運(yùn)河航道進(jìn)行三維建模，利用三維空間分析方法對(duì)航道數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析和應(yīng)用研究；戚曉明、杜培軍等基于GIS、World wind和遙感技術(shù)研究了河道二三維數(shù)據(jù)耦合技術(shù)。以上研究大多在特定環(huán)境中具有較好的應(yīng)用效果，但其僅從自身應(yīng)用需求開發(fā)，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和通用性。在東平水道航道管理中，各系統(tǒng)由于開發(fā)商的不同，存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，功能分散、相互獨(dú)立，綜合展示效果不理想，升級(jí)擴(kuò)展性不好等問(wèn)題，對(duì)航道的管理維護(hù)和效益的有效發(fā)揮帶來(lái)了一定的困難。針對(duì)上述問(wèn)題，本文開發(fā)了數(shù)字航道綜合管理平臺(tái)系統(tǒng)，建立了航道管理數(shù)據(jù)庫(kù)、管理功能模塊和三維仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航道管理維護(hù)的信息化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化。

系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)服務(wù)于航道運(yùn)行的日常管理及應(yīng)急調(diào)度決策，要求能夠快速直觀地表現(xiàn)出航道的各種基礎(chǔ)信息，因此，系統(tǒng)需要具備有航道基礎(chǔ)信息查詢、遙測(cè)遙控檢測(cè)、直觀的三維場(chǎng)景顯示、決策支持等多方面功能。系統(tǒng)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)（見圖1）分為三個(gè)組成部分：航道管理綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、功能模塊和三維仿真可視化。其中，航道管理綜合數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)管理、維護(hù)和集成各種航道相關(guān)資料，由空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和其它資料庫(kù)組成，空間數(shù)據(jù)庫(kù)為三維可視化層提供動(dòng)態(tài)顯示和空間分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)航道水位及航道中各種工程的歷史數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為信息查詢和航道基礎(chǔ)管理模塊提供原始數(shù)據(jù)，其它資料庫(kù)存儲(chǔ)決策支持所需規(guī)范數(shù)據(jù)和維護(hù)報(bào)表等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)；功能模塊主要包括：航道和航標(biāo)基礎(chǔ)管理、遙測(cè)遙控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，航道相關(guān)報(bào)表系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)中間件技術(shù)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)并傳輸給相關(guān)應(yīng)用模塊，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能；三維仿真可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在三維環(huán)境下對(duì)各種航道相關(guān)的地物對(duì)象的信息查詢、快速定位及信息編輯以生動(dòng)直觀的方式輔助管理及決策。

航道綜合管理數(shù)據(jù)庫(kù)

航道綜合管理數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)來(lái)源和基礎(chǔ)，主要包含空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)包括東平水道所在區(qū)位空間位置和空間關(guān)系的地圖和數(shù)據(jù)，用以三維地形地物的建模和空間地物的管理與分析；屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立則主要以實(shí)體的文字、圖片、視頻格式的屬性數(shù)據(jù)和流量、水位，含沙量，河床沖刷系數(shù)等實(shí)體有關(guān)的應(yīng)用數(shù)據(jù)為主。其它資料庫(kù)主要包括決策支持所需規(guī)范數(shù)據(jù)、文檔、圖片、影音及維護(hù)報(bào)表等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)的地形建模過(guò)程主要由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地形參數(shù)設(shè)置、矢量幅值與修正、地形生成四個(gè)步驟組成，有效的集成了數(shù)字高程模型、遙感影像及各種矢量數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)表格的建設(shè)中，基本數(shù)據(jù)信息標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)及表示符標(biāo)準(zhǔn)》SL324-2005，增加了若干航道管理數(shù)據(jù)表，如航道航標(biāo)及船舶的信息、淺灘信息、及重點(diǎn)淺灘、逐日水情、船閘日志、跨欄臨河建筑物審批，航道維護(hù)報(bào)表等數(shù)據(jù)表。其中，系統(tǒng)地理圖采用的坐標(biāo)系統(tǒng)能夠顯示地理坐標(biāo)系統(tǒng)和投影坐標(biāo)系統(tǒng)，高程基準(zhǔn)采用與實(shí)測(cè)值相一致的1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)。地圖上的地物對(duì)象通過(guò)圖元號(hào)與圖元表相互關(guān)聯(lián)，并能夠?qū)崿F(xiàn)圖形與屬性信息的雙向查詢。

系統(tǒng)功能模塊及應(yīng)用

系統(tǒng)平臺(tái)的主要功能包括對(duì)航道中的航標(biāo)、橋梁、碼頭及各種涉河建筑物進(jìn)行信息管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)、橋梁、水位信息的動(dòng)態(tài)跟蹤，根據(jù)河道實(shí)測(cè)資料對(duì)河床演變進(jìn)行分析，還集成了航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、報(bào)表管理系統(tǒng)等。

1、航標(biāo)橋梁信息管理

航標(biāo)是標(biāo)示航道方向、界限與礙航物的標(biāo)志，包括過(guò)河標(biāo)、沿岸標(biāo)、左右通航標(biāo)、示位標(biāo)、橋涵標(biāo)等，是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和標(biāo)示礙航物與表示警告的人工標(biāo)志，對(duì)內(nèi)河安全通航有重要意義。轄區(qū)內(nèi)航標(biāo)的類型、實(shí)時(shí)位置、工作狀態(tài)、電源工作信息均實(shí)現(xiàn)直接查詢（如圖2）。當(dāng)某航標(biāo)發(fā)生異常后，通過(guò)特定的聲音提示及高亮顯示進(jìn)行報(bào)警，并給出異常的分析結(jié)果。航標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊不僅節(jié)約了勞動(dòng)力資源和成本，還使航標(biāo)監(jiān)控方式更為主動(dòng)快捷。在內(nèi)河航道中，跨河橋梁的通航凈空尺度對(duì)通航船舶有著重要影響，必須了解航道中各橋梁的通航凈空尺度等信息，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了橋梁信息的有效管理，可以根據(jù)實(shí)際情況增加或減少橋梁信息，以列表形式列出航道中所有橋梁，能夠?qū)蛄簣D元對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)中橋梁的具體信息相連接并進(jìn)行雙向查詢。通過(guò)對(duì)航標(biāo)和橋梁信息的有效管理，大大提高了船舶航行的安全性。

2、航道水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

航道水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了從水位人工觀測(cè)到自動(dòng)觀測(cè)的轉(zhuǎn)變。通過(guò)對(duì)各水位站自動(dòng)定時(shí)測(cè)量水位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取各水位站水位的信息。模塊還可以對(duì)水位數(shù)據(jù)加以分析生成圖表，研究長(zhǎng)時(shí)期的水位數(shù)據(jù)。根據(jù)水位的規(guī)律總結(jié)和預(yù)測(cè)水位變化趨勢(shì)，為轄區(qū)航道洪枯兩季航道的維護(hù)工作提供可靠的水位參考。

3、河床演變分析

河床演變分析是從時(shí)間尺度分析河床在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的變化情況，然后根據(jù)現(xiàn)在的河床邊界條件，對(duì)未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)河床演變的趨勢(shì)做出判斷。GIS平臺(tái)為河床演變分析提供了很好的工具，能夠?qū)崿F(xiàn)河床沖淤時(shí)空變化信息加工、處理、分析、查詢及輸出?？梢愿鶕?jù)歷年測(cè)圖，創(chuàng)建數(shù)字高程模型，分析東平水道來(lái)水來(lái)沙條件下航道岸線變化，淺灘、深槽及河勢(shì)平面分布變化規(guī)律。利用斷面套繪的方法，可以計(jì)算任意斷面沖淤變化定量化計(jì)算出斷面上最大沖深、最大淤積厚度等參數(shù)，更加直觀地分析河床動(dòng)態(tài)演變，為航道維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)（如圖4）。

4、其他功能模塊

系統(tǒng)平臺(tái)還集成了視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、報(bào)表管理系統(tǒng)等功能。通過(guò)視頻檢測(cè)系統(tǒng)可以看到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的航道實(shí)時(shí)情況，發(fā)現(xiàn)執(zhí)法對(duì)象就可以立即有針對(duì)性地去巡航處理，如果發(fā)生水上交通事故，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，迅速定位，調(diào)動(dòng)搜救力量去現(xiàn)場(chǎng)指揮。能極大提高內(nèi)河運(yùn)輸船只的使用效率以及有效監(jiān)督船舶駕駛員行為，保護(hù)人員和貨物安全，節(jié)約航道運(yùn)行成本。

報(bào)表管理系統(tǒng)也是平臺(tái)的一項(xiàng)重要功能，可用表格、圖標(biāo)等格式來(lái)動(dòng)態(tài)地顯示各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺(tái)提供了報(bào)表設(shè)計(jì)器工具，能夠靈活的設(shè)計(jì)報(bào)表形式，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)相連接，獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的目標(biāo)數(shù)據(jù)并填入報(bào)表。生成好的報(bào)表保存后，下次就可以直接調(diào)用，另外，還可以通過(guò)報(bào)表來(lái)靈活編輯修正數(shù)據(jù)，為航道管理的日常業(yè)務(wù)提供了便捷的工具。

三維仿真可視化

系統(tǒng)平臺(tái)的三維仿真可視化功能是借助三維地理信息系統(tǒng)工具World wind開發(fā)的，把東平水道（三水思賢滘至廣州大尾角）河段的地形、地貌、航標(biāo)、橋梁、碼頭、電纜、航道整治工程等進(jìn)行數(shù)字化，并結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及航道數(shù)字高程模型，建成一個(gè)二維與三維數(shù)據(jù)耦合并可交互的三維虛擬河道，利用系統(tǒng)工具提供的瀏覽工具，能夠進(jìn)行航道的手動(dòng)及自動(dòng)漫游（如圖5）。

將三維環(huán)境中的航道地物對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)表利用公用的地物ID進(jìn)行聯(lián)系，可以實(shí)現(xiàn)在三維平臺(tái)上對(duì)具體地物對(duì)象的信息編輯、快速定位、信息查詢等。例如，航道中某處新建了橋梁，用戶即可以在對(duì)應(yīng)位置處設(shè)置新的橋梁標(biāo)示，橋梁的重要信息如橋梁名稱、通航孔標(biāo)高、通航孔寬、設(shè)計(jì)最高通航水位、橋面寬、橋面高、照片等都能夠輸入保存（如圖6）。其它地物對(duì)象如航標(biāo)、碼頭、電纜、地標(biāo)等均實(shí)現(xiàn)類似的管理。此外，系統(tǒng)提供地形查看及航道高程及水深信息查詢工具，可以在三維環(huán)境下任意查詢航道中任意點(diǎn)的坐標(biāo)、高程、水深信息。

結(jié)論

東平水道數(shù)字航道綜合管理平臺(tái)系統(tǒng)的主要特色如下：

系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)于航道運(yùn)行的日常管理及應(yīng)急調(diào)度決策，總體結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：航道管理綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、功能模塊和三維仿真可視化。

系統(tǒng)主要功能包括對(duì)航道中的航標(biāo)、橋梁、碼頭及各種涉河建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)與管理，根據(jù)河道實(shí)測(cè)資料對(duì)河床演變進(jìn)行分析，并集成了現(xiàn)有的航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、報(bào)表管理系統(tǒng)等。

借助三維地理信息系統(tǒng)工具開發(fā)航道三維仿真可視化功能，實(shí)現(xiàn)在三維平臺(tái)上對(duì)航道中航標(biāo)、橋梁、碼頭、電纜、地標(biāo)等地物對(duì)象的信息編輯、快速定位、信息查詢等，能夠在三維環(huán)境下任意查詢航道中任意點(diǎn)的坐標(biāo)、高程、水深信息。

（第一作者單位：廣東省航道局）