數(shù)字航道與航道數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換方法應(yīng)用研究

摘 要：以長江下游黑沙洲水道為例，研究CAD航道圖及S-57電子航道圖的數(shù)據(jù)提取方法并完成與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換，建立黑沙洲水道數(shù)字高程模型（DEM），并應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間數(shù)據(jù)分析功能，提取淺灘演變的特征數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計(jì)分析模型的建立提供技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：數(shù)字航道；電子航道圖；數(shù)字高程模型；數(shù)據(jù)提取；數(shù)據(jù)分析

引言

長江航道將于“十二五”期間全面建成數(shù)字航道，初步建成智能航道，基本實(shí)現(xiàn)長江航道現(xiàn)代化。數(shù)字航道在利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通訊、衛(wèi)星定位、地理信息等技術(shù)手段，整合航道數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)航道通航運(yùn)營、維護(hù)管理信息化、智能化等方面已取得了長足的進(jìn)步。但是，在數(shù)字航道快速發(fā)展的過程中，傳統(tǒng)航道圖、清華山維測繪成果圖、CAD格式航道圖、S-57格式電子航道圖等多種格式的航道數(shù)據(jù)資料并存，需要對多種格式的航道數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使數(shù)字航道中大量的數(shù)據(jù)更有效的用于航道演變預(yù)測，為航道管理部門提供航道維護(hù)輔助決策，從而進(jìn)一步提高航道管理部門決策的科技水平，推進(jìn)智能航道的發(fā)展。

文章選取長江下游的典型整治河段黑沙洲水道為研究對象，該水道上起板子磯（航道里程489km），下至高安圩（航道里程475km），水道首尾狹窄、中部展寬，屬于鵝頭型分汊水道。水道中部的黑沙洲與天然洲，將該河道分成中、北、南三個(gè)水道。其中黑沙洲南水道是長江下游重要淺險(xiǎn)水道之一，也是“十二五”期建造的航道整治建筑物所在地，有非常重要的研究價(jià)值。

文章研究CAD航道圖及電子航道圖的數(shù)據(jù)提取方法，完成與數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換；通過提取的數(shù)據(jù)建立黑沙洲水道數(shù)字高程模型（DEM），并應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間數(shù)據(jù)分析功能，提取淺灘演變的特征數(shù)據(jù)，為統(tǒng)計(jì)分析模型的建立提供技術(shù)手段。

1 數(shù)據(jù)提取與處理的技術(shù)路線

充足的河床地形數(shù)據(jù)是完成水道演變分析的基礎(chǔ)，目前水下地形數(shù)據(jù)主要采用GPS導(dǎo)航配合數(shù)字測深儀的方法或多波束掃測進(jìn)行采集。同時(shí)，水深數(shù)據(jù)被保存成多種的數(shù)據(jù)格式。文章收集的黑沙洲水道地形資料不僅有CAD格式航道圖，還有S-57格式電子航道圖，而CAD航道圖又分為水深分離式標(biāo)注和整體式標(biāo)注的航道圖，數(shù)據(jù)需要在統(tǒng)一的格式和平臺下進(jìn)行分析和處理。

數(shù)字高程模型（DEM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的運(yùn)用滿足了這一需要。數(shù)字高程模型不僅能直觀的表達(dá)出地形的起伏，而且在GIS平臺下，能夠方便準(zhǔn)確地提取各種空間數(shù)據(jù)參數(shù)，為河床演變分析及數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析模型提供技術(shù)支持。

2 兩種格式航道圖的數(shù)據(jù)提取

2.1 CAD格式航道圖的數(shù)據(jù)提取

航道測繪部門在2009年以前，對黑沙洲水道的航道圖采用CAD格式保存，水深標(biāo)注采用數(shù)字分離式的標(biāo)注方法。每個(gè)測點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)由兩部分組成——整數(shù)和小數(shù)部分，其中并不用小數(shù)點(diǎn)分隔，兩部分在CAD圖上并無關(guān)聯(lián)性。水深的實(shí)測位置在整數(shù)標(biāo)注部分的中心。綜上，讀取這種CAD水深數(shù)據(jù)時(shí)，需首先確定相鄰數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。提取上述CAD格式航道圖的XY坐標(biāo)與水深數(shù)據(jù)，需要再次驗(yàn)證水深數(shù)據(jù)的整數(shù)、小數(shù)兩部分是否提取完整。由于“-“號容易在提取中被忽略，還要再次審核數(shù)據(jù)的正負(fù)。否則，生成的數(shù)字高程模型將會出現(xiàn)奇點(diǎn)，影響下一步面積和體積等計(jì)算的準(zhǔn)確性。黑沙洲水道2009年以后的CAD航道圖，水深數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一般采用整體式標(biāo)注法，已不存在上述問題。

2.2 電子航道圖的數(shù)據(jù)提取

根據(jù)國際海道組織（IHO）的定義，電子海圖顯示與信息系統(tǒng)（ECDIS）是以數(shù)字形式儲存的海圖，能夠與多種顯示終端、傳感器匹配使用，電子航道圖是其本地化的一個(gè)分支，符合IHO的多項(xiàng)通用標(biāo)準(zhǔn)，能夠在世界范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的顯示和應(yīng)用。目前IHO頒布的電子海圖的標(biāo)準(zhǔn)主要有：S-52電子海圖顯示標(biāo)準(zhǔn)、S-57海道測量數(shù)據(jù)交換和傳輸標(biāo)準(zhǔn)、S-63電子海圖數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)、IMO ECDIS性能標(biāo)準(zhǔn)、IEC61174ECDIS操作和性能測試標(biāo)準(zhǔn)。通過學(xué)習(xí)S-57標(biāo)準(zhǔn)中所定義的要素和指標(biāo)，了解其文件構(gòu)成、模型搭建、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、封裝方法，就能從中提取出需要的坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)。

S-57海圖文件采用ISO8211的數(shù)據(jù)封裝格式，對實(shí)際數(shù)據(jù)內(nèi)容以及邏輯結(jié)構(gòu)的描述的數(shù)據(jù)描述記錄位于ISO8211的第一個(gè)邏輯記錄中，之后的文件為數(shù)據(jù)記錄，構(gòu)成了該種數(shù)據(jù)格式的主體。S-57顯示標(biāo)準(zhǔn)將通航所接觸的多種物標(biāo)分為特征物標(biāo)和空間物標(biāo)兩種——特征物標(biāo)主要包含了對真實(shí)物體的描述信息，主要分為四類（Class），分別是元物標(biāo)（Meta）、制圖物標(biāo)（Cartographic）、地理物標(biāo)（Geo）與集合物標(biāo)（Col1ection）。；空間物標(biāo)主要包含了航行區(qū)域的空間幾何信息，主要分為三類（Class），光柵點(diǎn)物標(biāo)（Raster）、矢量線物標(biāo)（Vector）及矩陣面物標(biāo)（Matrix）?？臻g記錄與空間特征之間的用指針的辦法鏈接。在上述S-57格式的電子航道圖中，每一個(gè)空間上存在的物標(biāo)對應(yīng)文件中一條代碼，多個(gè)空間上項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的物標(biāo)對應(yīng)一個(gè)代碼集，所有的這些代碼集匯總形成數(shù)據(jù)文件。S-57格式的電子航道圖由數(shù)量不等的多個(gè)文件組成。

通過分析S-57電子航道圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和傳輸標(biāo)準(zhǔn)，可編制批處理程序?qū)⒋罅康腟-57格式電子航道圖文件轉(zhuǎn)換為地理信息系統(tǒng)軟件（以ArcGIS為例）可讀取編輯入庫的Shp格式文件。

運(yùn)行ArcGIS軟件，導(dǎo)入之前轉(zhuǎn)換生成的Shp文件，如圖1所示，點(diǎn)選屬性列表中后可以顯示其表示水深數(shù)據(jù)的字段，進(jìn)一步在列表中添加X、Y字段的數(shù)據(jù)值，通過軟件包含的計(jì)算幾何功能即可得到每一個(gè)抽取水深點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)值。

同時(shí)需注意的是，根據(jù)IHO頒布的相關(guān)規(guī)定，所有電子海圖/電子航道圖的坐標(biāo)體系采用的是WGS-84空間大地坐標(biāo)系，與我國工程測量所采用的Beijing-1954投影坐標(biāo)系不一致，需進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能實(shí)際應(yīng)用。ArcGIS軟件中已內(nèi)置此功能，首先進(jìn)行預(yù)處理，創(chuàng)建本次黑沙洲水道的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工程，使用精度較高七參數(shù)轉(zhuǎn)換方法，通過投影功能實(shí)現(xiàn)84坐標(biāo)向54坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的水深測點(diǎn)X、Y坐標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)誤差能控制在10m以內(nèi)，能夠滿足數(shù)字高程模型建模和沖淤變化演變分析的需求。

3 數(shù)字高程模型（DEM）

3.1 基于不規(guī)則三角網(wǎng)的地形建模

數(shù)字高程模型（DEM）是數(shù)字地形模型（DTM）的一個(gè)分支，是用有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型。其表示形式有規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型、數(shù)學(xué)曲面模型、離散點(diǎn)數(shù)字高程模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。其中，比較通用的有規(guī)則格網(wǎng)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型。當(dāng)采樣點(diǎn)分布較為散亂密度不均時(shí)，采用不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）對地形進(jìn)行描述，三角形大小由選取區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)采樣的密集度所決定，可滿足更高的精度要求。本次兩種不同格式的航道圖中提取的水深數(shù)據(jù)分布散亂，根據(jù)上述分析，采用不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）建模的方法對DEM進(jìn)行描述更能提高模型精度。

DEM表面建模廣泛采用Delaunay三角網(wǎng)（D-TIN）模式，其具有良好的性能和便捷的易用性，是通用地形分析的有力工具。D-TIN自誕生至今的幾十年發(fā)展以來，涌現(xiàn)出大量的算法，已逐漸趨于成熟穩(wěn)定。根據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)的不同步驟可以分為三角網(wǎng)生長算法、逐點(diǎn)插入法、分治算法等。文章采用實(shí)現(xiàn)較為便利、占用系統(tǒng)資源較小的逐點(diǎn)插入法對提取的水深點(diǎn)進(jìn)行地形三角網(wǎng)的構(gòu)建。該法通過先構(gòu)建水深點(diǎn)集的外接多邊形確定總體范圍，進(jìn)一步在內(nèi)部剖分成多個(gè)三角形，形成原始D-TIN，然后將未處理的點(diǎn)分別插入已存在的三角網(wǎng)中，并用局部優(yōu)化過程對三角網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化處理直到所有的點(diǎn)都插入完畢，最后刪除外接多邊形，完成數(shù)字高程模型（DEM）的構(gòu)建，如圖2所示。

3.2 黑沙洲水道DEM的建立

根據(jù)現(xiàn)階段收集得到的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31個(gè)測次的航道圖，首先從CAD航道圖及電子航道圖中提取XY、水深之離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，輸入GIS系統(tǒng)。

采用Delaunay三角網(wǎng)（D-TIN）模式，應(yīng)用上述逐點(diǎn)內(nèi)插法，處理提取出的數(shù)據(jù)。完成D-TIN生成后，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的填充即，就能最終生成數(shù)字高程模型（DEM）。文章通過上述方法生成了的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31個(gè)測次的數(shù)字高程模型，供進(jìn)一步處理應(yīng)用。

5 黑沙洲水道空間數(shù)據(jù)處理

使用地理信息系統(tǒng)（以ArcGIS為例），能夠?qū)?shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行分析與處理。其中一維分析包括河段的縱剖面分析和橫斷面分析，河段淺灘的軸線長度和方向分析；二維分析包括淺灘、深槽、礙航物的面積計(jì)算、周長計(jì)算和形狀分析等；三維分析包括水道三維建模和空間查詢定位，和在三維模型中的挖方量計(jì)算、物標(biāo)體積計(jì)算、區(qū)域面積計(jì)算等。文章所要提取和處理的特征數(shù)據(jù)是淺灘的面積、體積以及形心位置。

5.1 面積計(jì)算

進(jìn)行面積、體積和形心等數(shù)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)是黑沙洲水道DEM的等值線的創(chuàng)建。可以選用ArcGIS軟件等值線分析功能，以起始等值線設(shè)為0m線，間距為5m，生成表面等值線。

等值線是一維要素，尚不可直接進(jìn)行面積和形心計(jì)算，需在數(shù)據(jù)管理工具中，將生成的等值線轉(zhuǎn)換為二維要素面。在矢量模型里，面物標(biāo)是用短輪廓邊界所構(gòu)成的多邊形表示的。有N個(gè)頂點(diǎn)簡單多邊形，其面積計(jì)算公式為：

在面物標(biāo)的屬性表中添加字段“面積”，通過上述計(jì)算即可得到面積值。

5.2 體積計(jì)算

體積是指表面與制定高度的平面（參考平面）之間的空間大小，按照表面與參考平面的位置關(guān)系分為參考平面之上、下兩種。文章以淺灘-5m平面之上不規(guī)則三角網(wǎng)的體積為例計(jì)算。

應(yīng)用面體積分析功能，能夠自動計(jì)算并將計(jì)算值添加到面的屬性表中。

參考文獻(xiàn)

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