數(shù)字航道空間信息應(yīng)用技術(shù)研究綜述

何緒林

摘 要：在對比地理信息系統(tǒng)的空間信息服務(wù)和可視化技術(shù)的最新研究進展和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，對數(shù)字航道空間信息服務(wù)和可視化技術(shù)研究的發(fā)展進行綜述，分析數(shù)字航道空間信息服務(wù)和可視化研究存在的問題和不足，并展望未來研究的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)字航道；空間信息服務(wù)；空間信息可視化

隨著內(nèi)河航運業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河航道信息化建設(shè)一直以來在國內(nèi)外備受關(guān)注.歐洲的萊茵河及美國的密西西比河先后開展了內(nèi)河航運信息服務(wù)的相關(guān)建設(shè).為提高我國航道管理效率，我國的內(nèi)河航道建設(shè)者也提出了“數(shù)字航道”的概念，并于2008 年成功建設(shè)了我國第一段“數(shù)字航道”——長江南瀏段數(shù)字航道示范工程。當(dāng)前我國其他內(nèi)河的數(shù)字航道工程也正在推廣建設(shè)中。

有效地應(yīng)用航道測繪的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)以及各種感知系統(tǒng)采集的實時航標(biāo)、水位和船舶等空間信息是數(shù)字航道建設(shè)的重要內(nèi)容和目標(biāo)。將航道空間信息進行服務(wù)發(fā)布并對空間信息進行可視化則是數(shù)字航道空間信息應(yīng)用的主要技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)字航道空間信息服務(wù)是通過對航道空間信息進行組織、存儲、過濾、融合和發(fā)布，為航道維護管理、船舶導(dǎo)航及其他應(yīng)用系統(tǒng)提供空間相關(guān)信息，支撐系統(tǒng)的各項應(yīng)用功能。數(shù)字航道空間信息可視化則是通過將航道空間信息進行圖形化顯示和交互處理，為應(yīng)用系統(tǒng)提供直觀的界面以輔助用戶決策。

電子航道圖及其在數(shù)字航道中的應(yīng)用受到了GIS 相關(guān)理論技術(shù)以及推動GIS 發(fā)展的計算機信息技術(shù)的極大影響。近年來，研究者們也開始探討數(shù)字航道新的數(shù)據(jù)模型、服務(wù)方式和可視化方法來替代傳統(tǒng)的電子航道圖應(yīng)用方式。在空間信息服務(wù)和可視化兩個方面，研究者們跟隨GIS 領(lǐng)域的相關(guān)研究成果并結(jié)合行業(yè)實踐，對數(shù)字航道相關(guān)空間信息服務(wù)和可視化進行了深入研究，形成了一系列系統(tǒng)和方法。然而，這些研究各有側(cè)重、自成體系，未形成明確統(tǒng)一的方向認識，相比GIS的相關(guān)研究還較為落后本文嘗試從空間信息服務(wù)和可視化兩個方面，結(jié)合GIS 對應(yīng)領(lǐng)域?qū)?shù)字航道空間信息應(yīng)用技術(shù)相關(guān)研究進行綜述，對研究現(xiàn)狀進行總結(jié)并探討未來發(fā)展趨勢，以期對數(shù)字航道研究人員有所裨益。

1 空間信息服務(wù)方法

1.1 GIS 領(lǐng)域相關(guān)研究

GIS 的空間信息服務(wù)是指利用數(shù)據(jù)庫、信息服務(wù)技術(shù)，將地學(xué)信息進行存儲、管理和發(fā)布的技術(shù)和方法，其發(fā)展緊跟著現(xiàn)代信息服務(wù)計算模式的演進?，F(xiàn)代信息服務(wù)計算模式主要有并行計算、分布式計算、網(wǎng)格計算和云計算四種。相應(yīng)地，GIS空間信息服務(wù)也出現(xiàn)了并行GIS、分布式GIS、網(wǎng)格GIS 和云GIS。

1.2 數(shù)字航道相關(guān)研究

在航海領(lǐng)域，電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)大多是以本地數(shù)據(jù)存儲為主的系統(tǒng)，其核心的電子航海圖數(shù)據(jù)主要通過手動或光盤改正的方式進行更新。然而對于內(nèi)河數(shù)字航道系統(tǒng)而言，其電子航道圖的變更遠比海上頻繁，而且還包含了大量的航標(biāo)、水位等航道感知的實時數(shù)據(jù)。為更好地應(yīng)用這些空間數(shù)據(jù)，對其服務(wù)技術(shù)提出了更高的要求。研究者們也紛紛對數(shù)字航道信息服務(wù)方法展開廣泛研究。目前，較有代表性的研究成果有： 歐洲的內(nèi)河航運綜合信息服務(wù)系統(tǒng)（River Informa-tion Services System，簡稱RIS 系統(tǒng)）；國際海事組織提出的E-navigation 和大連海事大學(xué)提出的一體化應(yīng)用體系等。然而，數(shù)字航道研究作為一個具體的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其信息服務(wù)方法的研究明顯受行業(yè)特殊性和狹隘性的影響，并沒能像GIS 基礎(chǔ)學(xué)科那樣形成系統(tǒng)的理論和方法，更多的是采取部分吸收或借鑒GIS 相關(guān)方法的方式。歐洲的RIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)按照層次被劃分為四層：船舶終端層、岸基通信層、系統(tǒng)操作層和系統(tǒng)外部層。其中，系統(tǒng)操作層采用分布式計算方式，是RIS系統(tǒng)信息服務(wù)的中樞，主要負責(zé)數(shù)據(jù)存儲和整合、信息服務(wù)等。RIS 系統(tǒng)提供的航道信息服務(wù)包括航道地理、水文、氣象和行政管理信息等。此外，RIS 系統(tǒng)提出了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為內(nèi)河數(shù)字航道建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗。

2 信息可視化方法

2.1 GIS 領(lǐng)域相關(guān)研究

GIS 的空間信息可視化是指利用地圖學(xué)、計算機圖形圖像技術(shù)，將地學(xué)信息采用圖形和圖像等形式進行可視化，并實現(xiàn)交互處理的技術(shù)和方法。 20 世紀(jì)60 年代，GIS 由Roger F.Tomlinson 首先提出。此后的30 年間，GIS 的空間信息可視化方法以二維方式為主，包括矢量方式和柵格方式。20 世紀(jì)90 年代后，計算機三維可視化與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動了GIS 空間數(shù)據(jù)向三維可視化方向發(fā)展，三維（3D） GIS 開始出現(xiàn)。 3D GIS是在二維GIS 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，以更貼近人們視覺習(xí)慣的三維數(shù)據(jù)模型和表達方式來展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和進行數(shù)據(jù)交互。目前，關(guān)于3D GIS 的研究主要集中于拓撲模型、空間關(guān)系推理和數(shù)據(jù)表達等。其中，空間信息可視化涉及柵格影像、矢量要素、地形數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)類型可視化表達以及其融合技術(shù)。

2.2 數(shù)字航道相關(guān)研究

“數(shù)字航道”可以說是“數(shù)字地球”概念的延伸和局部應(yīng)用。數(shù)字航道空間信息可視化方法也跟隨著GIS 領(lǐng)域，以二維為主并逐漸向三維演變，以電子航道圖為主逐步向多源海量數(shù)據(jù)演變。目前，數(shù)字航道空間信息可視化方法主要以二維為主，電子航道圖是各種應(yīng)用的主界面，代表性成果有歐洲的RIS 系統(tǒng)、美國的密西西比河系統(tǒng)、中國的長江南瀏段數(shù)字航道示范工程。

參考文獻：

[1]胡寧，劉楊.數(shù)字航道技術(shù)在內(nèi)河航道管理中的應(yīng)用[J].水運工程，2007（ 10） ： 52- 54.

[2]王世林，時琳. ECS 與ECDIS 的進展[J].航海技術(shù)，2005（ 4）： 35-37.

（作者單位：成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院）