何開全 彭 文 陳貴花 王立平 李 響

1 廣州海事測繪中心，廣東廣州，510320 2 武漢智圖科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢，430223

隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代高新信息技術(shù)的快速發(fā)展，航運(yùn)業(yè)從信息化時代邁向智能化時代。智能航運(yùn)體系是航運(yùn)要素與新一代人工智能技術(shù)深度融合形成的航運(yùn)新概念［1］，通過對各種航運(yùn)要素的實時采集傳輸以及協(xié)調(diào)處理，充分利用水路交通設(shè)施和信息資源，提高船舶航行效率和安全性［2，3］，其發(fā)展前提是構(gòu)建全方位、多維度的海洋環(huán)境立體感知體系，建設(shè)海洋環(huán)境全要素信息數(shù)據(jù)庫，提供智能化決策分析的保障工具。相比傳統(tǒng)的二維電子海圖，實景三維模型更加直觀，具有可量、可算、信息豐富的特性［4］，智能航運(yùn)建設(shè)中對其有著廣泛應(yīng)用需求。本文以二三維海陸一體實景綜合信息平臺建設(shè)為例，探討了二三維海陸一體信息技術(shù)在智能航運(yùn)建設(shè)中的具體應(yīng)用及發(fā)揮的作用。

1 平臺技術(shù)實現(xiàn)

1.1 平臺建設(shè)概述

二三維海陸一體綜合信息平臺以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，集成陸域遙感影像、實景三維模型、水下地形、航海基礎(chǔ)設(shè)施、水文氣象、海洋地質(zhì)等數(shù)據(jù)，具備水上水下三維場景顯示、信息查詢、空間量測、空間分析、航線定制、水文氣象服務(wù)、船舶動態(tài)監(jiān)測、實時水深加載等功能。目前已完成珠江口、瓊州海峽、北部灣、大鵬灣、西江等水域的實景三維建設(shè)，構(gòu)建的碼頭、島嶼等三維傾斜攝影模型有13個，重點水域三維移動實景影像40 km，橋梁、航標(biāo)、沉船等三維單體模型2 800多座，精細(xì)海底地形模型面積477 km2，總建模面積達(dá)2 萬km2，其中，衛(wèi)片影像數(shù)據(jù)分辨率優(yōu)于0.5 m，數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）、水底地形地貌模型像元優(yōu)于2 m，傾斜三維模型精度優(yōu)于0.2 m，打造了南海海區(qū)所見即所得的“孿生海道”。

1.2 平臺技術(shù)設(shè)計

1）平臺架構(gòu)與技術(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)包括基礎(chǔ)層、平臺驅(qū)動層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層［5］，如圖1 所示。基礎(chǔ)層由網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)器資源、存儲資源、安全保障體系等構(gòu)成。平臺驅(qū)動層是基于網(wǎng)絡(luò)的地理空間信息服務(wù)框架體系平臺，實現(xiàn)二三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)接入、融合、管理以及網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（Web map service，WMS）、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（Web feature service，WFS）、網(wǎng)絡(luò)地圖切片服務(wù)（Web map tile service，WMTS）等的發(fā)布［6］。數(shù)據(jù)層以多源海事測繪數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以空間數(shù)據(jù)庫為核心，集成二三維海道數(shù)據(jù)構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層。應(yīng)用層提供二維到三維全方位的海事測繪信息服務(wù)以及接口服務(wù)，為智慧監(jiān)管、數(shù)字港口、智能航運(yùn)平臺提供水域三維地圖、三維實景地圖［6］。

圖1 平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System Architecture of the Platform

平臺綜合應(yīng)用Skyline、GIS、WMS、開放地理空間信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）制定的標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行多源空間數(shù)據(jù)整合和三維場景構(gòu)建，發(fā)布了“一站式”的海洋地理信息綜合服務(wù)，通過提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口，實現(xiàn)各種應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換和處理，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求［7］；通過構(gòu)建金字塔模型，形成多比例尺、多細(xì)節(jié)層次的模型，建立影像快視圖數(shù)據(jù)接口，同時可以實現(xiàn)矢量圖的快速瀏覽顯示［8，9］；通過海量時序數(shù)據(jù)的滑動窗口流式計算，以及自適應(yīng)可視域矢量點狀數(shù)據(jù)抽稀算法，實現(xiàn)海量分布式船舶自動識別系統(tǒng)（automatic identification system，AIS）數(shù)據(jù)在三維環(huán)境中的實時分析與可視化。

2）數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。平臺空間數(shù)據(jù)包含三維數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫、二維南?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫兩部分。數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫包括現(xiàn)狀水域兩岸地表模型、河床地形模型、重點港口設(shè)施傾斜攝影及點云三維模型、小型海道設(shè)施精細(xì)三維模型、重點水域三維移動實景影像等，支持?jǐn)?shù)據(jù)的融合、發(fā)布、維護(hù)和展示等，并提供空間分析服務(wù)、支持OGC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)和二次開發(fā)。南?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫包含電子海圖，錨地、航道、障礙物、水上水下設(shè)施等11 類海道地理信息，海事專題資源等數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)處理、編輯與服務(wù)的發(fā)布。

平臺模型數(shù)據(jù)庫建庫技術(shù)流程見圖2。陸海三維地形地貌制作：基于DEM 數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像生成航道兩岸三維地表模型，基于河床離散高程點數(shù)據(jù)生成水域河床模型。海道設(shè)施精細(xì)三維模型的構(gòu)建：利用3D MAX 三維仿真建模技術(shù)構(gòu)建燈塔、燈樁、燈船、燈浮標(biāo)、水文站等單體三維模型。傾斜攝影的模型構(gòu)建：采用無人機(jī)傾斜測量與三維建模技術(shù)建立重點港口、碼頭、島嶼等海事監(jiān)管設(shè)施的三維模型。其他模型數(shù)據(jù)的構(gòu)建：主要是對點狀、線狀、面狀圖標(biāo)及注記等二維要素進(jìn)行輸入與表達(dá)。

圖2 模型數(shù)據(jù)庫建庫流程圖Fig.2 Flow Chart of Building Model Database

3）平臺功能設(shè)計。平臺功能結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖3。三維海底模型生成工具把水域海底地形模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程封裝為工具軟件，用于水域模型更新。三維數(shù)據(jù)管理和發(fā)布工具通過Skyline 三維平臺軟件組織管理三維地形和模型數(shù)據(jù)，發(fā)布地圖服務(wù)和模型數(shù)據(jù)。三維地理場景展示子系統(tǒng)通過提供綜合信息查詢、實時水深信息查詢、三維空間分析等工具［6］，實現(xiàn)三維場景瀏覽、數(shù)據(jù)分層展示、信息查詢檢索與定位、河床斷面分析、符號模型添加等功能。實景展示子系統(tǒng)提供水域?qū)嵕暗貓D瀏覽、線路視點導(dǎo)航、三維空間量測等功能。

圖3 平臺功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of Functional Structure of the Platform

1.3 平臺特點

1）建立了面向智能航運(yùn)的時空大數(shù)據(jù)資源體系。平臺建成了由靜態(tài)、動態(tài)以及實時數(shù)據(jù)組成的海陸一體二三維時空大數(shù)據(jù)資源池［10］，包含航道兩岸地表模型、航道水域模型、傾斜攝影模型、海道設(shè)施模型等三維數(shù)據(jù)，以及航道、錨地、水上水下設(shè)施、海事資源等二維數(shù)據(jù)，還集成了實時水文、水深、AIS 船舶動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，見圖4。同時，平臺可以快速進(jìn)行河床模型創(chuàng)建及更新，可以對陸地地表、通航管理要素、海道設(shè)施、電子海圖、AIS 等數(shù)據(jù)進(jìn)行定期維護(hù)，形成一個持續(xù)更新、數(shù)據(jù)完整的數(shù)據(jù)資源體系。

圖4 多源大數(shù)據(jù)資源示意圖Fig.4 Diagram of Multi-source Big Data

2）實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與處理。平臺建設(shè)過程中，采用無人機(jī)航測、三維激光掃描、時空大數(shù)據(jù)融合、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知等技術(shù)，收集獲取了大量影像、點云、三維場景、高程、水文和二維矢量等數(shù)據(jù)，通過清洗、抽取、格式轉(zhuǎn)換、模型構(gòu)建、場景融合等，形成了統(tǒng)一時空基準(zhǔn)、坐標(biāo)精確的二三維模型數(shù)據(jù)庫。解決了數(shù)據(jù)來源多樣、格式不統(tǒng)一的問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效融合、二三維一體化應(yīng)用等。通過服務(wù)發(fā)布實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的內(nèi)部共享，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)拷貝帶來的泄密風(fēng)險，同時保證了數(shù)據(jù)的實效性和統(tǒng)一性［11］。

平臺實現(xiàn)了動態(tài)水深、AIS 與二三維海圖的數(shù)據(jù)融合及疊加顯示。通過調(diào)用南海海區(qū)水文信息系統(tǒng)的58個水文站點實時潮位數(shù)據(jù)與靜態(tài)水深數(shù)據(jù)并進(jìn)行加權(quán)計算，實現(xiàn)三維實景通航環(huán)境下實時水深動態(tài)加載與查詢；通過調(diào)用AIS 接口與電子海圖接口，實現(xiàn)三維場景下船舶的實時信息與電子海圖數(shù)據(jù)的加載及查詢。

3）實現(xiàn)大場景海陸一體快速渲染分層顯示。平臺采用3D 模型分層調(diào)入，系統(tǒng)分塊分區(qū)域快速渲染及加載運(yùn)行方案，成功解決超海量精細(xì)3D 模型數(shù)據(jù)運(yùn)行效率的問題。平臺支持的實景三維模型面積可以達(dá)到20 000 km2，針對不同海底地形地貌特點及區(qū)域大小，預(yù)設(shè)特定的DEM 極差參數(shù)及色系暈渲，基于自適應(yīng)網(wǎng)格動態(tài)加權(quán)技術(shù)、3D Tile、實時動態(tài)網(wǎng)絡(luò)可視化與渲染技術(shù)，實現(xiàn)了二三維結(jié)合、動靜結(jié)合、虛實結(jié)合、陸海結(jié)合的空間信息視覺增強(qiáng)顯示。

4）實現(xiàn)陸?？臻g高程基準(zhǔn)精化統(tǒng)一。在同一平臺中，陸域和海域地理信息數(shù)據(jù)高程基準(zhǔn)的不統(tǒng)一將影響系統(tǒng)的可視化表達(dá)及空間量算等功能的使用。平臺建立了基于1985 高程基準(zhǔn)的深度基準(zhǔn)面格網(wǎng)模型［12］，將陸域數(shù)據(jù)高程基準(zhǔn)統(tǒng)一換算至海圖深度基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于10 cm，實現(xiàn)了陸海數(shù)據(jù)高程無縫銜接，形成高精度的水上水下一體化地理信息數(shù)據(jù)庫，提升了平臺三維可視化展示性能。

2 二三維海陸一體信息技術(shù)在智能航運(yùn)中的應(yīng)用

1）為智能船舶航行提供實時動態(tài)的安全指引。動態(tài)的AIS 信息反映船舶實時位置和船舶信息，能夠有力保障船舶安全；實時更新的動態(tài)水深為須乘潮進(jìn)出港口的大型船舶提供重要指引；航距測算、航線規(guī)劃等工具輔助船舶進(jìn)行導(dǎo)航與航線規(guī)劃；空間位置準(zhǔn)確、立體直觀、可視性強(qiáng)的三維場景與航道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、通航專題數(shù)據(jù)、移動實景影像數(shù)據(jù)等，共同為船舶航行提供實時動態(tài)的安全指引。

2）為智能港口提供多維動態(tài)的數(shù)據(jù)支撐。及時構(gòu)建疏浚航道三維河床模型，并結(jié)合工具進(jìn)行河床形態(tài)任意斷面分析、等高線分析、河道清淤土石方計算等，加強(qiáng)對施工進(jìn)展和工程質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控；通過現(xiàn)狀與歷史河床模型的比對，分析河床回淤及演變趨勢，為港口的建設(shè)及維護(hù)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)；應(yīng)用實時動態(tài)水深以及預(yù)報水深查詢工具，輔助科學(xué)合理地調(diào)度船舶進(jìn)出港池，大幅提高港口通航效率。

3）為智能監(jiān)管提供科學(xué)有力的技術(shù)支持。按照船舶實際大小與用途分類構(gòu)建船舶模型，讓監(jiān)管人員更加準(zhǔn)確地掌握船舶動態(tài)，輔助岸基靠泊指揮；結(jié)合水下結(jié)構(gòu)三維圖像，對橋樁、壩底等重要設(shè)施進(jìn)行重點跟蹤監(jiān)管；根據(jù)水下三維特殊地貌推演偷挖沙情況，對作業(yè)船舶進(jìn)行跟蹤，有力打擊非法作業(yè)。

4）為應(yīng)急救助提供輔助決策依據(jù)。三維可視化場景可以直觀、全面地展示災(zāi)難現(xiàn)場水上、水下空間環(huán)境和各種應(yīng)急救援資源的分布。結(jié)合船舶交通服務(wù)（vessel traffic service，VTS）、閉路電視（closed circuit television ，CCTV）、AIS，將船舶的動態(tài)視頻監(jiān)控、三維模型和三維聲吶全景相片有機(jī)融合，快速高效構(gòu)建海難現(xiàn)場及周邊實景三維環(huán)境，模擬現(xiàn)場真實場景，為救援方案的制定與指揮調(diào)度提供科學(xué)的輔助決策依據(jù)，為災(zāi)難評估及后續(xù)打撈等提供數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)束語

二三維海陸一體信息技術(shù)將主要向海量數(shù)據(jù)、云計算、狀態(tài)感知、復(fù)雜場景感知、信息安全交互等方向發(fā)展，應(yīng)加速狀態(tài)感知、危險預(yù)警、自主航線規(guī)劃、智能導(dǎo)航、橋梁水下橋樁結(jié)構(gòu)監(jiān)測等技術(shù)的升級迭代，重點突破航運(yùn)要素的自動識別與提取等關(guān)鍵技術(shù)，以支撐智能航運(yùn)各項工作的智慧化管理及決策。

本文二三維海陸一體實景綜合信息平臺建設(shè)是相關(guān)技術(shù)的具體實踐與應(yīng)用，為智能航運(yùn)提供集約共享的多維度、多類別、多形態(tài)、多時相的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)服務(wù)，后續(xù)將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，促進(jìn)各種新技術(shù)的綜合應(yīng)用，開發(fā)移動端應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)基于海區(qū)“數(shù)字一張圖”的時空數(shù)據(jù)信息查詢、分析、評估、規(guī)劃、決策及專題環(huán)境定制等功能，為智能船舶、智能港口、智能航運(yùn)服務(wù)和智能航運(yùn)監(jiān)管等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。