基于北斗導航的西江航道GIS集成系統(tǒng)研發(fā)探析

文竹

【摘 要】本文論述基于北斗導航的西江航道GIS集成系統(tǒng)研發(fā)，提出基于北斗的高精度導航定位技術和圖像處理技術，聯(lián)合空間地理信息、無人機航拍基礎數(shù)據(jù)處理、模式識別等信息技術，建立西江航道GIS集成系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶的系統(tǒng)化管理和自動化處理，并對航標、航道工作船、船閘、水位等進行實時監(jiān)控管理，以建立智能化、科技化的航道管理體系，提升航道管理水平。

【關鍵詞】北斗導航 GIS系統(tǒng) 大數(shù)據(jù)集群 BigDL

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）05C-0186-03

西江流域位于國家“一帶一路”、珠江—西江經(jīng)濟帶建設的腹地，是西南經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)豐富礦產(chǎn)資源東運和出海唯一的水上通道，也是該地區(qū)與泛珠三角、東盟國家開放和合作的重要物流通道。隨著國務院批復《珠江—西江經(jīng)濟帶發(fā)展規(guī)劃》，發(fā)展西江流域航運的戰(zhàn)略地位進一步提升，廣西提出了以干線航道為重點、以干支流航道為輔助，擴大高等級航道網(wǎng)絡，拓展港口規(guī)模和完善港口功能，提高船舶標準化和現(xiàn)代化水平的建設目標。然而，隨著目前西江航道上通航的大噸位船舶數(shù)量不斷增加，航道管理信息化水平薄弱、管理成本急劇增加等問題日趨嚴重。升級改造當下的航道管理體系、解決航道智能化管理、提升內(nèi)河航道管理效率成為航運企業(yè)和政府管理部門緩解通航壓力的重要途徑。因此，建設基于北斗導航的西江航道GIS集成系統(tǒng)，集成現(xiàn)有業(yè)務監(jiān)管功能，實現(xiàn)精準報到、調(diào)度排檔、高精度閘室導航管理、航道級定位導航、可視化調(diào)度管理等操作具有非常重要的意義。本文研究基于北斗的高精度導航定位技術和圖像處理技術，聯(lián)合空間地理信息、無人機航拍基礎數(shù)據(jù)處理、模式識別等信息技術，建立西江航道GIS集成系統(tǒng)，實現(xiàn)船舶的系統(tǒng)化管理和自動化處理，并對航標、航道工作船、船閘、水位等進行實時監(jiān)控管理，以建立智能化、科技化的航道管理體系，提升航道管理水平。

一、航道GIS集成系統(tǒng)設計

（一）系統(tǒng)總體架構

本集成系統(tǒng)以西江航道為研究對象，以基礎地形圖和各類航道相關數(shù)據(jù)要素為基礎，以航道相關地理信息的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)為核心，利用北斗高精度定位、地理信息系統(tǒng)（GIS）、數(shù)據(jù)庫、多傳感器融合等多技術集成應用構建基于北斗導航的西江航道GIS集成系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體架構如圖1。

1.用戶終端層。用戶可通過固定終端（如PC、瀏覽器等），移動終端（手機、平板電腦等）及監(jiān)控中心對應用服務進行訪問。

2.應用層。以信息數(shù)據(jù)資源為支撐，對應用業(yè)務進行定義、設計和分類管理，主要包括航道GIS系統(tǒng)和船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)的應用服務，并聯(lián)合兩個系統(tǒng)應用實現(xiàn)高精度圖形化調(diào)度管理、精準閘室導航管理、精準調(diào)度績效評估服務管理等功能。

3.服務層。服務層在數(shù)據(jù)層的基礎上，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息進行分析、處理，為應用層提供空間數(shù)據(jù)分析服務、航道基礎數(shù)據(jù)分析服務、航道通航數(shù)據(jù)服務、精準閘室導航管理服務、北斗定位導航服務、數(shù)據(jù)應用服務、圖形化調(diào)度管理服務、北斗高精度船載終端應用服務等功能。

4.數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為地理空間信息數(shù)據(jù)、航道基礎數(shù)據(jù)、流域航道分布數(shù)據(jù)、航道船舶流通量數(shù)據(jù)等信息提供數(shù)據(jù)存儲和管理功能。

5.設施服務層。主要負責對接基礎設施，提供操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲服務、數(shù)據(jù)庫服務和數(shù)據(jù)處理服務。

6.基礎設施。提供包括主機、北斗終端、無人機設備、服務器、網(wǎng)絡設備、存儲設備、高精度CORS基站等的接入服務。

7.接口服務。（1）提供數(shù)據(jù)接口橋連接數(shù)據(jù)層和服務層，為服務層提供信息服務。（2）提供系統(tǒng)接口支持WEB Service、GIS二次開發(fā)包等多種方式服務，為應用層提供服務接口。（3）外部系統(tǒng)集成接口為集成系統(tǒng)與GIS 電子地圖應用提供直接的數(shù)據(jù)交換和共享接口，接入相關的行業(yè)管理部門系統(tǒng)實現(xiàn)西江流域航道數(shù)據(jù)共享和監(jiān)控管理。

（二）數(shù)據(jù)庫設計

形成以地理空間信息數(shù)據(jù)、閘室基礎數(shù)據(jù)、船舶基礎數(shù)據(jù)、航道基礎數(shù)據(jù)、流域航道分布數(shù)據(jù)、航道流量數(shù)據(jù)和航道通航數(shù)據(jù)等為主的信息數(shù)據(jù)庫建設。

數(shù)據(jù)庫結構圖如圖2所示。

1.地理空間信息數(shù)據(jù)。包括船舶、航標位置信息、水位、水流量、環(huán)境、氣候等。

2.閘室基礎數(shù)據(jù)。包括閘室地圖、閘室長寬度、面積以及水位等參數(shù)信息。

3.船舶基礎數(shù)據(jù)。包括船舶編號、船主信息、船舶類型、船舶噸位、貨運量情況、是否空載、船舶航行基礎路線等信息。

4.航道基礎數(shù)據(jù)。航道基礎數(shù)據(jù)庫主要包括航道的一些基本的數(shù)據(jù)信息，主要有航道、航段、航標、碼頭、船閘等數(shù)據(jù)信息，采用無人機航拍模式獲得高精準航道基礎地圖，為船舶的精準報到、調(diào)度排擋和高精度閘室導航管理等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

5.流域航道分布數(shù)據(jù)。主要存儲西江流域各個航道、船閘的分布情況，包括各個航道的位置信息、長度、分布點等數(shù)據(jù)。

6.航道船舶流通量數(shù)據(jù)。定時記錄船舶在航道的流通量，形成以天、周和月為單位的航道船舶流通量報表。

二、系統(tǒng)功能設計

（一）航道GIS管理系統(tǒng)設計

本項目建設航道GIS系統(tǒng)，用以顯示航道矢量電子地圖，以各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成應用，在GIS地圖上顯示各系統(tǒng)狀態(tài)及屬性，并實現(xiàn)航道數(shù)據(jù)管理。包括：（1）分圖層管理，包括對區(qū)域面積、水域、航道、船閘、港口碼頭等進行分圖層管理。（2）專題圖，形成航標專題圖、航道水文信息統(tǒng)計專題圖、流域面積統(tǒng)計專題圖等。（3）航道最優(yōu)路徑，航道規(guī)劃和路線選擇依托GIS提供的最近路徑分析功能提供最優(yōu)路徑參考，形成航道路線專題圖。（4）航道基礎信息管理，包括航道基礎地理信息管理和更新、航道公共地理信息和航道交通信息管理和更新等，對行業(yè)管理部門提供可視化的航道岸線、船舶、地貌等信息，提供各種地圖疊加處理業(yè)務應用，對公眾發(fā)布可視化航道交通信息。（5）GIS可視化查詢，基于GIS技術建立系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的一一對應關系，實現(xiàn)信息的可視化查詢與分析，包括了流域面貌、航道信息、點位信息、剖面圖及分析結果等查詢。

（二）船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)

本項目建設船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)，為用戶提供web端、移動客戶端等使用平臺。系統(tǒng)依托GIS強大的空間數(shù)據(jù)處理能力，配套北斗高精度船載終端實現(xiàn)航標和船舶的實時定位，其位置信息實時顯示在GIS電子海圖上，由監(jiān)控中心接收和分析定位數(shù)據(jù)信息，辨別航標是否存在故障，并對航標、航道工作船、船閘、水位、船舶排隊、調(diào)度、船舶航行情況等進行實時監(jiān)控管理。

船舶監(jiān)控管理體系由監(jiān)控中心、船舶監(jiān)控管理系統(tǒng)、集成設施支撐、數(shù)據(jù)庫支撐和航道GIS管理系統(tǒng)共同組成，主要包括：（1）定位監(jiān)控，通過北斗高精度船載終端實現(xiàn)定位功能，對登記在系統(tǒng)內(nèi)的西江航道船舶以及航標進行實時定位顯示，同時提供包括位置、航向、航速、時間等船舶位置信息、航標位置信息，使定位精度達到亞米級。（2）船舶調(diào)度管理，對船舶排隊過閘、多級船閘聯(lián)合調(diào)度進行監(jiān)控管理。（3）軌跡查詢，可以回放船舶航行的軌跡，保存航行歷史數(shù)據(jù)，規(guī)范管理船舶。（4）預警監(jiān)控，針對船舶航行狀態(tài)變化、船舶偏離既定軌跡航行等突發(fā)情況進行實時監(jiān)控預警，由監(jiān)控中心對船舶發(fā)生的事件以短信方式發(fā)送預警信息到相關人員手機通知相關人員處理或者預警。（5）船舶動態(tài)跟蹤，對船舶位置、航行通導、運行狀態(tài)、離靠港等信息進行動態(tài)監(jiān)測，可視化顯示在GIS平臺上。（6）GIS電子海圖，形成以長洲船閘為示范區(qū)域的GIS電子海圖，將位置信息、航道軌跡、船舶動態(tài)等信息可視化顯示在GIS電子海圖上。

三、關鍵技術

本系統(tǒng)使用無人機航拍大量航道圖片，服務器內(nèi)部有海量的（數(shù)萬張以上）航道圖片存在于主流的分布式開源數(shù)據(jù)庫里，因此如何高效地在大規(guī)模分布式環(huán)境下進行數(shù)據(jù)檢索和處理，是本系統(tǒng)處理相關數(shù)據(jù)和圖片特征提取流水線一個關鍵的問題?，F(xiàn)有常用的基于CPU的方案在解決上述問題需求中面臨著另外一些挑戰(zhàn)：（1）數(shù)據(jù)下載耗費很長的時間，基于CPU的方案不能很好地對其進行優(yōu)化。（2）針對分布式開源數(shù)據(jù)庫中的圖片數(shù)據(jù)，CPU方案的前期數(shù)據(jù)處理過程很復雜，沒有一個成熟的軟件框架用于資源管理、分布式數(shù)據(jù)處理和容錯性管理等。（3）因為CPU軟件和硬件框架的限制，擴展CPU方案去處理大規(guī)模圖片有很大的挑戰(zhàn)性。

由于大量使用到相似圖片檢索、去重、圖像特征提取等過程，而海量圖像數(shù)據(jù)已被存儲在大數(shù)據(jù)集群里（分布式數(shù)據(jù)庫存儲），我們嘗試過在多機多CPU卡、CPU集群上分別開發(fā)并部署特征抽取應用，但存在比較明顯的缺點，如在CPU集群中，以CPU卡為單位的資源分配策略非常復雜，資源分配容易出問題；如剩余顯存不夠而導致OOM和應用崩潰；另外在單機情況下，相對集群方式，需要開發(fā)者手動做數(shù)據(jù)分片、負載和容錯。類似的問題使得在設計本系統(tǒng)時我們放棄了傳統(tǒng)的框架模式而選擇BigDL框架。

BigDL框架是在Spark上的一個分布式深度學習框架，提供了全面的深度學習算法支持。BigDL借助Spark平臺的分布式擴展性，可以方便地擴展到上百或上千個節(jié)點。同時BigDL利用了Intel? MKL數(shù)學計算庫以及并行計算等技術，在Intel? Xeon? 服務器上可以達到很高的性能，計算能力可取得媲美主流CPU的性能。

在我們的系統(tǒng)場景中，BigDL為支持各種模型（檢測，分類）進行定制開發(fā)；模型從原來只適用于特定環(huán)境移植到了支持通用模型（Caffe，Torch*，TensorFlow*）BigDL大數(shù)據(jù)環(huán)境；整個pipeline全流程獲得了優(yōu)化提速，處理流程如下：（1）使用Spark從分布式開源數(shù)據(jù)庫中讀入上萬張原始圖片，構建成RDD；（2）使用Spark預處理圖片，包括調(diào)整大小，減去均值，將數(shù)據(jù)組成Batch；（3）使用BigDL加載SSD模型，通過Spark對圖片進行大規(guī)模、分布式的目標檢測，得到一系列的檢測坐標和對應的分數(shù)；（4）保留分數(shù)最高的檢測結果作為主題目標，并根據(jù)檢測坐標對原始圖片進行裁剪得到目標圖片；（5）對目標圖片RDD進行預處理，包括調(diào)整大小，組成Batch；（6）使用BigDL加載DeepBit模型，通過Spark對檢測到的目標圖片進行分布式特征提取，得到對應的特征；（7）將檢測結果（提取的目標特征RDD）存儲在HDFS上。

整個數(shù)據(jù)分析流水線，包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分區(qū)、預處理、預測和結果的存儲，都能很方便地通過BigDL在Spark中實現(xiàn)。在現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)集群（Hadoop/Spark）上，不需要修改任何集群配置，即可使用BigDL運行深度學習應用。并且，BigDL利用Spark平臺的高擴展性，可以很容易地擴展到大量的節(jié)點和任務上，因此極大地加快數(shù)據(jù)分析流程，從而實現(xiàn)快速的圖片特征提取。

總之，研究基于北斗高精度的過閘圖形化調(diào)度管理應用系統(tǒng)對西江航運的發(fā)展具有非常重要和積極的意義，聯(lián)合航道GIS系統(tǒng)直觀顯示船舶精確位置、實現(xiàn)排隊船舶的位置定位情況及船舶進閘可視化管理。該系統(tǒng)投入使用后，企業(yè)每年可提高自身生產(chǎn)效率、節(jié)約營運成本等，能帶動整個西江流域經(jīng)濟裙帶發(fā)展，增強西江集團水運物流智能化管理，為西江領域的經(jīng)濟建設譜寫新篇章。

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[3]劉俊濤，等.基于GIS和3D技術的西江航道信息系統(tǒng)[J].水利科技與經(jīng)濟，2012（18）

【基金項目】2017年廣西壯族自治區(qū)科技計劃立項項目“基于北斗導航的西江航道GIS集成系統(tǒng)研發(fā)及示范應用”（2017AB53040）

【作者簡介】文 竹（1982— ），女，苗族，貴州思南人，廣西國際商務職業(yè)技術學院軟件技術專業(yè)負責人，講師，重慶大學2007級計算機技術專業(yè)碩士研究生。

（責編 王 一）