吳丙貴

本文簡要闡述了基于北斗網(wǎng)格的航道要素編碼由來及必要性，在系統(tǒng)分析和現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上綜述了我國航道要素總體情況，提出了航道要素數(shù)字編碼的基本原則和框架結(jié)構(gòu)，初步給出了編碼方法及組織形式，為編制航道要素數(shù)字編碼規(guī)范提供了依據(jù)。

一、前言

航道是水上運輸?shù)耐ǖ溃蔷C合交通工程最重要的組成部分。以互聯(lián)網(wǎng)為代表的全球新一輪科技革命正在深刻改變著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活，為全球航道數(shù)字化發(fā)展帶來了全新變革。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益成熟，航道數(shù)字化，智能化已經(jīng)成為一種必然發(fā)展趨勢，航道大數(shù)據(jù)涉及地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、通訊、仿真等多種學(xué)科，業(yè)務(wù)系統(tǒng)多，綜合管理難度大，但若能利用空間編碼技術(shù)建立統(tǒng)一基于空間位置的數(shù)據(jù)編碼規(guī)范，通過統(tǒng)一規(guī)范組織數(shù)據(jù)，則能為航道管理提供強(qiáng)有力基礎(chǔ)保障。

二、航道大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀與需求

1.航道大數(shù)據(jù)研究現(xiàn)狀

隨著數(shù)字航道建設(shè)在廣度和深度上的不斷推進(jìn)，從整體目標(biāo)來看，航道現(xiàn)代化建設(shè)應(yīng)滿足航道成網(wǎng)、四通八達(dá)，全面規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)籌安排、綜合應(yīng)用，更新設(shè)施、科學(xué)管理四方面要求。從航道建設(shè)實際情況看來，絕大部分的航道監(jiān)控、運營服務(wù)和信息采集業(yè)務(wù)運行過程中會收集到系統(tǒng)內(nèi)外的海量數(shù)據(jù)，形成航道大數(shù)據(jù)。航道大數(shù)據(jù)除具有數(shù)據(jù)類型繁多、數(shù)據(jù)變化速度快、數(shù)據(jù)量巨大、價值密度低這些大數(shù)據(jù)的基本“4V”特征外，還具有位置、時間、航道設(shè)備屬性、尺度、多源異構(gòu)、多維等時空特征。這些時空特征來源于多個方面。在治理需求方面，一年四季、一周之內(nèi)、一天內(nèi)不同時間段對航道的治理需求都不相同，表現(xiàn)出航道數(shù)據(jù)的時間屬性要求；在航道區(qū)域劃分方面，不同地區(qū)的地理環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度等條件不盡相同，也會造成航道區(qū)域特征的明顯差異，表現(xiàn)出航道數(shù)據(jù)的空間屬性要求；在航道管理方面，助航設(shè)施、航道船舶、設(shè)備環(huán)境狀態(tài)、運行狀態(tài)等也具有明顯的時空特征；同時，不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對時間的精準(zhǔn)度要求也不同。這些航道時空特征具體體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）位置：航道設(shè)施沿航道分布廣、位置信息分散，點、線、面、體的三維位置、拓?fù)浞较?、度量?fù)雜；

（2）時間：航道設(shè)備異動頻繁、監(jiān)測點多，位置、航道屬性、內(nèi)容等隨時間變化而變化；

（3）航道設(shè)備屬性：航道設(shè)備的所屬航線、運行狀態(tài)等信息具有獨特的屬性，每個位置點、線、面、體上都有不同的航道設(shè)備的數(shù)量、質(zhì)量特征和說明信息；

（4）尺度：分級航道管理方式?jīng)Q定不同管理主體關(guān)注的航道空間尺度不一樣，呈現(xiàn)出不同比例尺下的應(yīng)用需求；

（5）多源異構(gòu)：空間基準(zhǔn)、時間、尺度、語義等不一致；

（6）多維：航道大數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)集成構(gòu)成空間數(shù)據(jù)立方體，多種維度展現(xiàn)出“全景全息可視化”。

航道大數(shù)據(jù)所具有的時空屬性決定了其是一種典型的時空大數(shù)據(jù)，具有空間性、時間性、多維性、海量性、復(fù)雜性等特點，因此現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在描述航道要素信息資源的獲取途徑、分類體系和編碼等方面顯得不足，而且不能很好地描述航道要素唯一性。另外，我國內(nèi)河特別是長江，涉及的航道要素眾多且復(fù)雜，不能直接利用歐洲內(nèi)河相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2.航道大數(shù)據(jù)應(yīng)用新要求

日趨龐大的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜的應(yīng)用需求導(dǎo)致傳統(tǒng)算法性能陷入瓶頸，難以滿足用戶對響應(yīng)的實時性要求。航道大數(shù)據(jù)作為一種典型的時空數(shù)據(jù)也面臨同樣的問題，為構(gòu)建一體化航道大數(shù)據(jù)中心提出新要求：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化：需要全網(wǎng)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)各類航道資源相關(guān)數(shù)據(jù)；

（2）可計算：時空信息獲取與高效計算，通過航道數(shù)字化的天然時空屬性高效挖掘數(shù)據(jù)價值；

（3）可表達(dá)：時空信息的多維度表達(dá)，將航道大數(shù)據(jù)的多維特征以簡便高效可視化的方式快速表達(dá)出來。

三、北斗網(wǎng)格位置碼在航道大數(shù)據(jù)表達(dá)中的優(yōu)勢

北斗網(wǎng)格編碼體系是由北京大學(xué)程承旗教授團(tuán)隊發(fā)展的一套具有自主產(chǎn)權(quán)的地球空間剖分組織理論體系，在此理論的指導(dǎo)下構(gòu)建了基于北斗的全球位置網(wǎng)格編碼，已被采納為我國軍標(biāo)和多個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。北斗網(wǎng)格碼在表達(dá)航道時空數(shù)據(jù)和航道大數(shù)據(jù)組織與管理方面都具有獨特的優(yōu)勢：

1.繼承更全面：完全繼承航道傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模式，不推倒不重來，繼承能力更全面；繼承性數(shù)據(jù)增量較小，效率更高。

2.組織更簡單：航道空間信息自動轉(zhuǎn)化為剖分編碼，依托剖分索引大表，實現(xiàn)跨庫跨網(wǎng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織。

3.共享更直接：打破部門數(shù)據(jù)共享壁壘，提供多粒度多尺度共享模式，直接通過數(shù)據(jù)模型編碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4.檢索更快捷：依托剖分編碼技術(shù)進(jìn)行降維處理，實現(xiàn)多維變一維檢索方式；搜得更全更快，編碼搜索效率比Oracle Spatial提升3倍以上。

5.計算更高效：航道編碼全部為整型編碼，計算比經(jīng)緯度的浮點數(shù)效率更高，編碼代數(shù)運算效率浮點數(shù)提升1個數(shù)量級。

6.表達(dá)更豐富：支持航道空、天、地、地下、水下多維一體表達(dá)，用立體網(wǎng)格真三維表達(dá)空間對象，深層表現(xiàn)空間體內(nèi)部信息。

四、航道要素空間網(wǎng)格編碼方法

1.航道大數(shù)據(jù)編碼內(nèi)容的界定與編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

明確航道大數(shù)據(jù)編碼涉及的航道要素種類、所在空間屬性及空間位置，形成科學(xué)合理的航道要素標(biāo)識內(nèi)容界定；航道大數(shù)據(jù)的編碼結(jié)構(gòu)，其應(yīng)包括：數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)空間位置信息、數(shù)據(jù)類別信息、屬性信息、時間信息等，目標(biāo)使得每一個航道要素，都能夠賦予唯一編碼，可用于數(shù)據(jù)溯源和定位服務(wù)。

圖1 航道大數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)圖

（1）空間位置碼用于確認(rèn)航道要素唯一位置，由要素所在經(jīng)緯度按北斗網(wǎng)格位置編碼中三維空間編碼轉(zhuǎn)換而成；

（2）時間標(biāo)識碼：用于記錄要素編碼時間屬性；

（3）類型代碼參考《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2004）、《航標(biāo)術(shù)語》（GB/T17765-1999）、《航道工程設(shè)計規(guī)范》（JTS 181-2016）等相關(guān)方面已明確的規(guī)范保持一定相關(guān)性，在代碼劃分為11大類，每大類細(xì)分為四級，每一級劃分更精細(xì)；

圖2 類型劃分示意

（4）校驗碼：用于校驗編碼正確性。

2.航道大數(shù)據(jù)編碼方法

圖3 編碼示意圖

示例：某航道設(shè)施形心的經(jīng)緯度為X=116.306452778，y=39.991911，高3米，屬于內(nèi)河導(dǎo)助航設(shè)施大類-＞航行標(biāo)志-＞過河標(biāo)-＞左岸標(biāo)志，編碼時間為2010年5月12日14時3分6秒，該標(biāo)志空間位置編碼為N0312GEH2411322523621273644186000070101 01001。

3.航道大數(shù)據(jù)的編碼組織方式

（1）基于現(xiàn)有體系的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法

由于現(xiàn)有編碼體系均無法涵蓋所有部門、單位，所以要想實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)的整合與共享，僅能事先建立各編碼體系之間的映射關(guān)系表，通過映射表完成跨庫查詢。

圖4 以映射表實現(xiàn)的航道數(shù)據(jù)跨庫查詢原理圖

基于北斗網(wǎng)格碼的航道大數(shù)據(jù)編碼為全球各層級基于位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的編碼方案，各編碼體系中的位置單元均可在航道大數(shù)據(jù)編碼中找到映射值，因此，不同編碼體系下數(shù)據(jù)的整合利用，可省略兩兩建立映射表的中間環(huán)節(jié)，直接以標(biāo)識編碼關(guān)聯(lián)即可。

（2）采用全新體系的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法

航道大數(shù)據(jù)對象表用于航道數(shù)據(jù)基本信息管理，實際應(yīng)用中可按數(shù)據(jù)層級或父子關(guān)系分別建立多張表格?？臻g數(shù)據(jù)網(wǎng)格索引表以航道數(shù)據(jù)標(biāo)識編碼的空間碼為主鍵，同時記錄航道數(shù)據(jù)單元的空間信息與屬性信息。

圖5 基于航道大數(shù)據(jù)編碼的航道大數(shù)據(jù)表

五、結(jié)語

結(jié)合發(fā)展“智慧航道”國家發(fā)展戰(zhàn)略，為滿足建設(shè)“數(shù)字航道”新發(fā)展需求，將航道要素的三維空間信息、屬性信息、時間信息歸于一碼，打造真正客觀表達(dá)的航道數(shù)據(jù)的全球“一個碼”，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)“一碼”“一圖”“一網(wǎng)”智慧航道治理體系，建立基于“數(shù)字航道”的一張圖，航道全景一張網(wǎng)，從而增強(qiáng)航道治理工作，提高航道智能化治理水平。