基于三維GIS的數(shù)字航道建設(shè)研究初探

王林剛

（寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013）

1 研究背景和意義

1998年1月，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢隽恕皵?shù)字地球”的概念。從此，數(shù)字地球的概念迅速傳遍全球。為了提高我國(guó)內(nèi)河航道管理的效能，使之更好地服務(wù)于內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)內(nèi)河航道的建設(shè)者和管理者提出了“數(shù)字航道”的概念[1]?！皵?shù)字航道”是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的、以數(shù)字信息為核心的航道信息體系[2]。就是通航水道電子航道圖及航運(yùn)相關(guān)信息的數(shù)字化，通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙感遙測(cè)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、通訊、計(jì)算機(jī)模擬等多種技術(shù)對(duì)航道業(yè)務(wù)流程、各類航道信息變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理。

隨著交通部、航道局等部門對(duì)“數(shù)字航道”的日益重視[3]，對(duì)虛擬航道、三維航道的要求也愈漸迫切。同時(shí)在實(shí)際航道應(yīng)用中，對(duì)三維環(huán)境中的應(yīng)用和要求也較為迫切。雖然對(duì)3S技術(shù)在航道領(lǐng)域的研究和應(yīng)用并不鮮見(jiàn)[4-7]，但在數(shù)字航道研究方面國(guó)內(nèi)外仍處于起步發(fā)展階段[8]，特別是對(duì)三維GIS下的數(shù)字航道研究。因此，本文圍繞三維數(shù)字航道，從GIS角度進(jìn)行了初步探索。

2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

2.1 基于3S技術(shù)的數(shù)字永定河

適普公司承擔(dān)的“數(shù)字永定河”項(xiàng)目為水利工程設(shè)計(jì)與管理、監(jiān)督應(yīng)用提供了先進(jìn)的3S技術(shù)和全面的解決方案。其主要功能如下：①水利工程建筑物的管理。水利工程建筑物的管理是二維、三維GIS集成技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它能充分展現(xiàn)二維GIS的數(shù)據(jù)管理能力和三維可視化GIS在三維水工建模方面的能力。②地下水利工程可視化與水利工程細(xì)節(jié)的可視化。對(duì)地下水利工程建筑物（如泄洪洞）進(jìn)行可視化和管理，在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行剖面分析，實(shí)時(shí)生成水利工程的斷面圖，進(jìn)而可以查看水利工程的內(nèi)部構(gòu)造信息。

2.2 基于ENC水深數(shù)據(jù)生成三維地形的系統(tǒng)

Fugawi Marine ENCTM是美國(guó)Fugawi公司開發(fā)的，用在個(gè)人電腦上供航海人員使用的軟件。該軟件擁有常用的航海功能，如航線設(shè)計(jì)，GPS接收，RADAR作業(yè)，海圖作業(yè)等[9]。它可以支持多種格式的海圖：C-MAP，S-57ENC甚至是普通的地圖相片也支持。它能夠在效果很好的三維環(huán)境下查看海圖或地圖。從三維環(huán)境中可以看清楚水深點(diǎn)，等深線，岸線等海圖上的信息。另外利用鼠標(biāo)、鍵盤或者游戲桿控制可以進(jìn)行三維漫游，也可以在三維海圖上進(jìn)行GPS定位。

3 GIS在數(shù)字航道領(lǐng)域的作用

3.1 數(shù)字航道對(duì)GIS系統(tǒng)的要求

（1）海量數(shù)據(jù)一體化管理。數(shù)字航道與空間位置信息是密切相關(guān)的，其航道綜合數(shù)據(jù)庫(kù)除了包括河床地形基本數(shù)據(jù)、水文資料數(shù)據(jù)、助航標(biāo)志數(shù)據(jù)、跨河建筑物與過(guò)江管線數(shù)據(jù)、航道維護(hù)計(jì)劃數(shù)據(jù)、基本建設(shè)工程數(shù)據(jù)、整治建筑物基本數(shù)據(jù)、工程船舶基本數(shù)據(jù)等多類型的數(shù)據(jù)。以外，海量的空間數(shù)據(jù)和三維影像數(shù)據(jù)也是數(shù)字航道綜合數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分。

（2）支持網(wǎng)絡(luò)化的分布式計(jì)算與集成。航道部門由于職能的不同分布于流域中的不同位置上，它們利用網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)相互實(shí)現(xiàn)資源共享，這就要求GIS系統(tǒng)能夠支持B/S、C/S模式的多層分布式計(jì)算，支持Internet/Intranet等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

（3）二維GIS、三維GIS、webGIS與航道模型的無(wú)縫集成。作為二維GIS、WebGIS在航海領(lǐng)域的特殊應(yīng)用，電子航道圖系統(tǒng)要能夠利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和地理信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水道測(cè)量管理、電子航道圖生成、發(fā)布全過(guò)程的自動(dòng)化、一體化和網(wǎng)絡(luò)化。為通航船舶、各航運(yùn)相關(guān)部門和企事業(yè)單位及時(shí)提供最新的電子航道圖服務(wù)。

3.2 三維GIS的主要功能

三維GIS除了具備二維GIS的傳統(tǒng)功能以外，還具有如下獨(dú)有的功能：

（1）包容一、二維對(duì)象。三維GIS不僅要表達(dá)三維對(duì)象，而且還要研究一、二維對(duì)象在三維空間中的表達(dá)。三維空間中的一、二維對(duì)象與傳統(tǒng)GIS二維空間中的一、二維對(duì)象在表達(dá)上是不一樣的。傳統(tǒng)的二維GIS是將一、二維對(duì)象垂直投影到二維平面上，存儲(chǔ)它們投影結(jié)果的幾何形態(tài)與相互間的位置關(guān)系。而三維Gls是將一、二維對(duì)象置于三維立體空間中考慮，存儲(chǔ)的是它們真實(shí)的幾何位置與空間拓?fù)潢P(guān)系，這樣表達(dá)的結(jié)果就能區(qū)分出一維、二維對(duì)象在垂直方向上的變化。

（2）可視化2.5維、三維對(duì)象。三維GIS的首要特色是要能對(duì)2.5維、三維對(duì)象進(jìn)行可視化表現(xiàn)。在建立和維護(hù)三維GIS的各個(gè)階段中，不論是對(duì)三維對(duì)象的輸入、編輯、存儲(chǔ)、管理，還是對(duì)它們進(jìn)行空間操作與分析或是輸出結(jié)果，只要涉及到三維對(duì)象，就存在三維可視化問(wèn)題。三維對(duì)象的幾何建模與可視表達(dá)在三維GIS建設(shè)的整個(gè)過(guò)程中都是需要的，這是三維GIS的一項(xiàng)基本功能。

（3）三維空間DBMS管理。三維GIS的核心是三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)。三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)空間對(duì)象的存儲(chǔ)與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數(shù)據(jù)庫(kù)與科學(xué)計(jì)算可視化，也不同于傳統(tǒng)的二維GIS。它可能由擴(kuò)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，也可能由面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)、管理三維空間對(duì)象。

（4）三維空間分析。在二維GIS中，空間分析是GIS區(qū)別于CAD與科學(xué)計(jì)算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是直接在三維空間中進(jìn)行空間操作與分析，連同對(duì)空間對(duì)象進(jìn)行三維表達(dá)與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時(shí)在功能上也更加強(qiáng)大。

4 基于三維GIS的數(shù)字航道建設(shè)

基于三維GIS的三維數(shù)字航道，其特點(diǎn)就是它能在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)真實(shí)的、虛擬的三維世界，在這種三維世界中，不僅要求能夠真實(shí)再現(xiàn)內(nèi)河航道的三維景觀，同時(shí)要能對(duì)各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和開發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種分析和應(yīng)用以提供決策支持。另外，對(duì)航道模型進(jìn)行監(jiān)管及科學(xué)的模擬計(jì)算，并將監(jiān)管及計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)、友好的表現(xiàn)和模擬出來(lái)，能根據(jù)與模擬結(jié)果匹配的監(jiān)控、導(dǎo)航等調(diào)度預(yù)案，提供直觀的三維可視化指揮調(diào)度，為決策者提供了更加直觀、綜合的輔助決策信息。

4.1 技術(shù)框架

基于三維GIS的“數(shù)字航道”的整體框架劃分為4個(gè)層次：①航道數(shù)據(jù)采集和處理層次，主要是對(duì)各種原始資料和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以形成合乎規(guī)范要求的航道地形數(shù)據(jù)、航道影像數(shù)據(jù)、航道三維模型數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)等；②航道數(shù)據(jù)庫(kù)管理層次，即對(duì)各種航道數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)組織與分布式管理，以高效獲得滿足需求的信息；③航道三維可視化、查詢與分析層次，主要是提供服務(wù)于航道應(yīng)用的各種開發(fā)平臺(tái)和工具；④航道應(yīng)用層次，此層次在第3個(gè)層次與航道專業(yè)應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上，可構(gòu)建多種多樣的航道應(yīng)用模型。

4.2 功能結(jié)構(gòu)

三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)更新攝像機(jī)位置和視角來(lái)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游的功能，與數(shù)據(jù)庫(kù)交互實(shí)現(xiàn)航道信息查詢、航道地形分析、航標(biāo)數(shù)據(jù)更新、船舶數(shù)據(jù)更新等功能。主要提供了服務(wù)于航道應(yīng)用的平臺(tái)和工具。三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)由三維空間數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、三維可視化地理信息子系統(tǒng)、三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

（1）三維空間數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。三維空間數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)三維Gls綜合應(yīng)用系統(tǒng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（DEM、DOM、DLG、DRG和紋理等）的處理和集成，包括基礎(chǔ)文件格式的支持和格式轉(zhuǎn)換等，最后將生成的符合測(cè)繪和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的三維空間數(shù)據(jù)輸出給三維可視化地理信息子系統(tǒng)。

（2）三維可視化地理信息子系統(tǒng)。三維可視化地理信息子系統(tǒng)主要用于三維空間數(shù)據(jù)的預(yù)處理，利用三維空間數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維基礎(chǔ)場(chǎng)景，在三維基礎(chǔ)場(chǎng)景中進(jìn)行模型的編輯和地理信息的顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等功能，最后將基于三維場(chǎng)景進(jìn)行空間信息更新。

（3）三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。三維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理是將三維場(chǎng)景中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，以便在使用過(guò)程中，新的數(shù)據(jù)來(lái)臨時(shí)，不需要重新進(jìn)行三維場(chǎng)景的構(gòu)件，系統(tǒng)自動(dòng)連接動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)源，更新場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)。

4.3 三維場(chǎng)景的應(yīng)用模式

（1）三維場(chǎng)景的Gls查詢與漫游。GIS查詢與漫游分為兩種應(yīng)用模式，即單機(jī)應(yīng)用模式和基于WEB多終端的分布式應(yīng)用模式，以實(shí)現(xiàn)航道水面以上場(chǎng)景和水面以下地貌的多種形式瀏覽，包括飛行、漫游等。同時(shí)查詢航道中航標(biāo)及岸上重要建筑物的屬性，可根據(jù)實(shí)際情況采用兩種模式結(jié)合的混合模式。

（2）三維場(chǎng)景的GIS分析。數(shù)據(jù)分析是GIS的根本。系統(tǒng)所涉及到的業(yè)務(wù)分析屬于GIS范疇，如流量計(jì)算、斷面計(jì)算、流量分析等。

（3）基于三維場(chǎng)景的特定對(duì)象的監(jiān)控。三維航道的一種應(yīng)用模式是基于三維場(chǎng)景的特定對(duì)象的監(jiān)控。在三維航道中動(dòng)態(tài)顯示航道船舶、航標(biāo)的實(shí)時(shí)位置狀態(tài)，并能根據(jù)航標(biāo)屬性的變化實(shí)時(shí)更新航標(biāo)顯示，如三維船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控、三維航標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于三維GIS的數(shù)字航道建設(shè)進(jìn)行了初步探索,這將對(duì)目前正快速發(fā)展的數(shù)字航道起到積極的推動(dòng)作用,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的技術(shù)框架和功能結(jié)構(gòu)可為內(nèi)河的通航安全管理、航道維護(hù)管理、海難搜救、旅游開發(fā)等提供良好的技術(shù)平臺(tái)。對(duì)于三維航道還需要作深入研究。

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