東平水道數(shù)字航道綜合管理平臺系統(tǒng)開發(fā)

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摘 要：針對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、擴展性缺乏等問題，進行了東平水道數(shù)字航道綜合管理平臺系統(tǒng)，主要包括航道管理綜合數(shù)據(jù)庫的設計、系統(tǒng)平臺分層功能模塊的構建和三維仿真可視化系統(tǒng)的開發(fā)。

關鍵詞：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文明樣板航道，是“泛珠三角”經(jīng)濟圈的重要水運通道，隨著內河航道數(shù)字化建設進程的加快，航道管理維護水平和安全運行及效率的標準隨之提高?，F(xiàn)階段，如何高效地管理整個東平水道的數(shù)據(jù)資料，使各相關部門能夠方便快捷地利用各相關數(shù)據(jù)，進一步提升航道服務的水平，已成為航道管理的重要工作。

近年來，國內研究學者在內河航道管理方面進行了大量研究，史俊明、李精忠將“3S”技術與“數(shù)字航道”的概念相結合，實現(xiàn)了航標監(jiān)控與管理系統(tǒng)的智能化；林強、徐峰開發(fā)以航道應用為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，在航標信息、工作船舶、水位的動態(tài)監(jiān)測及船舶交通事故調查取證等過程中發(fā)揮了重要的作用；于麗娜基于可視化技術，對蘇南運河航道進行三維建模，利用三維空間分析方法對航道數(shù)據(jù)進行空間分析和應用研究；戚曉明、杜培軍等基于GIS、World wind和遙感技術研究了河道二三維數(shù)據(jù)耦合技術。以上研究大多在特定環(huán)境中具有較好的應用效果，但其僅從自身應用需求開發(fā)，缺乏統(tǒng)一標準和通用性。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、相互獨立，綜合展示效果不理想，升級擴展性不好等問題，對航道的管理維護和效益的有效發(fā)揮帶來了一定的困難。針對上述問題，本文開發(fā)了數(shù)字航道綜合管理平臺系統(tǒng)，建立了航道管理數(shù)據(jù)庫、管理功能模塊和三維仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了航道管理維護的信息化、高效化、標準化。

系統(tǒng)框架結構設計

本系統(tǒng)服務于航道運行的日常管理及應急調度決策，要求能夠快速直觀地表現(xiàn)出航道的各種基礎信息，因此，系統(tǒng)需要具備有航道基礎信息查詢、遙測遙控檢測、直觀的三維場景顯示、決策支持等多方面功能。系統(tǒng)平臺的總體結構（見圖1）分為三個組成部分：航道管理綜合數(shù)據(jù)庫、功能模塊和三維仿真可視化。其中，航道管理綜合數(shù)據(jù)庫負責管理、維護和集成各種航道相關資料，由空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和其它資料庫組成，空間數(shù)據(jù)庫為三維可視化層提供動態(tài)顯示和空間分析的基礎數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)庫存儲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)和實時數(shù)據(jù)，為信息查詢和航道基礎管理模塊提供原始數(shù)據(jù)，其它資料庫存儲決策支持所需規(guī)范數(shù)據(jù)和維護報表等基礎性數(shù)據(jù)；功能模塊主要包括：航道和航標基礎管理、遙測遙控監(jiān)測系統(tǒng)，航道相關報表系統(tǒng)，系統(tǒng)通過中間件技術獲取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并傳輸給相關應用模塊，從而實現(xiàn)各項功能；三維仿真可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)在三維環(huán)境下對各種航道相關的地物對象的信息查詢、快速定位及信息編輯以生動直觀的方式輔助管理及決策。

航道綜合管理數(shù)據(jù)庫

航道綜合管理數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)來源和基礎，主要包含空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫?？臻g數(shù)據(jù)庫建設包括東平水道所在區(qū)位空間位置和空間關系的地圖和數(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)庫的建立則主要以實體的文字、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)等實體有關的應用數(shù)據(jù)為主。其它資料庫主要包括決策支持所需規(guī)范數(shù)據(jù)、文檔、圖片、影音及維護報表等基礎性數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)庫的地形建模過程主要由數(shù)據(jù)轉換、地形參數(shù)設置、矢量幅值與修正、地形生成四個步驟組成，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)表格的建設中，基本數(shù)據(jù)信息標準采用國家行業(yè)標準《基礎水文數(shù)據(jù)庫表結構及表示符標準》SL324-2005，增加了若干航道管理數(shù)據(jù)表，如航道航標及船舶的信息、淺灘信息、及重點淺灘、逐日水情、船閘日志、跨欄臨河建筑物審批，航道維護報表等數(shù)據(jù)表。其中，系統(tǒng)地理圖采用的坐標系統(tǒng)能夠顯示地理坐標系統(tǒng)和投影坐標系統(tǒng)，高程基準采用與實測值相一致的1985年國家高程基準。地圖上的地物對象通過圖元號與圖元表相互關聯(lián)，并能夠實現(xiàn)圖形與屬性信息的雙向查詢。

系統(tǒng)功能模塊及應用

系統(tǒng)平臺的主要功能包括對航道中的航標、橋梁、碼頭及各種涉河建筑物進行信息管理，實現(xiàn)對航標、橋梁、水位信息的動態(tài)跟蹤，根據(jù)河道實測資料對河床演變進行分析，還集成了航標遙測遙控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、報表管理系統(tǒng)等。

1、航標橋梁信息管理

航標是標示航道方向、界限與礙航物的標志，包括過河標、沿岸標、左右通航標、示位標、橋涵標等，是幫助引導船舶航行、定位和標示礙航物與表示警告的人工標志，對內河安全通航有重要意義。轄區(qū)內航標的類型、實時位置、工作狀態(tài)、電源工作信息均實現(xiàn)直接查詢（如圖2）。當某航標發(fā)生異常后，通過特定的聲音提示及高亮顯示進行報警，并給出異常的分析結果。航標的動態(tài)監(jiān)控模塊不僅節(jié)約了勞動力資源和成本，還使航標監(jiān)控方式更為主動快捷。在內河航道中，跨河橋梁的通航凈空尺度對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)實現(xiàn)了橋梁信息的有效管理，可以根據(jù)實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，能夠將橋梁圖元對象與數(shù)據(jù)庫中橋梁的具體信息相連接并進行雙向查詢。通過對航標和橋梁信息的有效管理，大大提高了船舶航行的安全性。

2、航道水位實時監(jiān)測

航道水位實時監(jiān)測實現(xiàn)了從水位人工觀測到自動觀測的轉變。通過對各水位站自動定時測量水位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以實時獲取各水位站水位的信息。模塊還可以對水位數(shù)據(jù)加以分析生成圖表，研究長時期的水位數(shù)據(jù)。根據(jù)水位的規(guī)律總結和預測水位變化趨勢，為轄區(qū)航道洪枯兩季航道的維護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間尺度分析河床在一個較長時期內的變化情況，然后根據(jù)現(xiàn)在的河床邊界條件，對未來一段時期內河床演變的趨勢做出判斷。GIS平臺為河床演變分析提供了很好的工具，能夠實現(xiàn)河床沖淤時空變化信息加工、處理、分析、查詢及輸出?？梢愿鶕?jù)歷年測圖，創(chuàng)建數(shù)字高程模型，分析東平水道來水來沙條件下航道岸線變化，淺灘、深槽及河勢平面分布變化規(guī)律。利用斷面套繪的方法，可以計算任意斷面沖淤變化定量化計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態(tài)演變，為航道維護工作提供數(shù)據(jù)（如圖4）。

4、其他功能模塊

系統(tǒng)平臺還集成了視頻監(jiān)測系統(tǒng)、報表管理系統(tǒng)等功能。通過視頻檢測系統(tǒng)可以看到監(jiān)測區(qū)域內的航道實時情況，發(fā)現(xiàn)執(zhí)法對象就可以立即有針對性地去巡航處理，如果發(fā)生水上交通事故，可以實時監(jiān)控，迅速定位，調動搜救力量去現(xiàn)場指揮。能極大提高內河運輸船只的使用效率以及有效監(jiān)督船舶駕駛員行為，保護人員和貨物安全，節(jié)約航道運行成本。

報表管理系統(tǒng)也是平臺的一項重要功能，可用表格、圖標等格式來動態(tài)地顯示各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺提供了報表設計器工具，能夠靈活的設計報表形式，通過與數(shù)據(jù)庫相連接，獲取數(shù)據(jù)庫中的目標數(shù)據(jù)并填入報表。生成好的報表保存后，下次就可以直接調用，另外，還可以通過報表來靈活編輯修正數(shù)據(jù)，為航道管理的日常業(yè)務提供了便捷的工具。

三維仿真可視化

系統(tǒng)平臺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、橋梁、碼頭、電纜、航道整治工程等進行數(shù)字化，并結合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及航道數(shù)字高程模型，建成一個二維與三維數(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，能夠進行航道的手動及自動漫游（如圖5）。

將三維環(huán)境中的航道地物對象與數(shù)據(jù)庫中相應的數(shù)據(jù)表利用公用的地物ID進行聯(lián)系，可以實現(xiàn)在三維平臺上對具體地物對象的信息編輯、快速定位、信息查詢等。例如，航道中某處新建了橋梁，用戶即可以在對應位置處設置新的橋梁標示，橋梁的重要信息如橋梁名稱、通航孔標高、通航孔寬、設計最高通航水位、橋面寬、橋面高、照片等都能夠輸入保存（如圖6）。其它地物對象如航標、碼頭、電纜、地標等均實現(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的坐標、高程、水深信息。

結論

東平水道數(shù)字航道綜合管理平臺系統(tǒng)的主要特色如下：

系統(tǒng)平臺服務于航道運行的日常管理及應急調度決策，總體結構分為三個部分：航道管理綜合數(shù)據(jù)庫、功能模塊和三維仿真可視化。

系統(tǒng)主要功能包括對航道中的航標、橋梁、碼頭及各種涉河建筑物進行實時信息監(jiān)測與管理，根據(jù)河道實測資料對河床演變進行分析，并集成了現(xiàn)有的航標遙測遙控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、報表管理系統(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，實現(xiàn)在三維平臺上對航道中航標、橋梁、碼頭、電纜、地標等地物對象的信息編輯、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的坐標、高程、水深信息。

（第一作者單位：廣東省航道局）