基于數(shù)字影像測(cè)量技術(shù)的我國(guó)內(nèi)河港口間距離測(cè)量方法研究

邱偉維，徐迪，蔡鵬

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所，北京 100088）

我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)是綜合運(yùn)輸體系和水資源綜合利用的重要組成部分，隨著近幾年內(nèi)河航道、港口設(shè)施建設(shè)等取得了顯著成績(jī)，內(nèi)河水運(yùn)市場(chǎng)日趨活躍，貨運(yùn)量持續(xù)增長(zhǎng)，2021年我國(guó)內(nèi)河航道通航里程12.76 萬公里，內(nèi)河港口生產(chǎn)用碼頭泊位15448 個(gè)，完成55.73 億噸吞吐量。為進(jìn)一步推動(dòng)內(nèi)河港口發(fā)展，完善相關(guān)領(lǐng)域研究基礎(chǔ)，構(gòu)建一套合理、有效的港口間測(cè)量方法，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)成為了亟待研究的問題。本文依托遙感影像、水資源地理數(shù)據(jù)等，運(yùn)用數(shù)字影像測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的深度分析與挖掘，建立了內(nèi)河港口間距離測(cè)量方法，初步形成了我國(guó)內(nèi)河港口間距離數(shù)據(jù)庫(kù)，為行業(yè)管理部門和相關(guān)領(lǐng)域研究提供了必要的技術(shù)支撐與參考。

1 我國(guó)內(nèi)河港口間測(cè)距研究現(xiàn)狀

內(nèi)河港口間測(cè)距工作是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)性工作，其對(duì)管理、維護(hù)航道和進(jìn)行內(nèi)河港口發(fā)展分析有著重要的作用。近年來，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者對(duì)這方面進(jìn)行了一系列相關(guān)研究。在航道測(cè)量方法方面，沈繼青等（2016）對(duì)內(nèi)河航道的測(cè)量方法與技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與歸納，并簡(jiǎn)要探討了機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)等現(xiàn)代航道測(cè)距的應(yīng)用和未來發(fā)展。陶林（2019）針對(duì)航道測(cè)距技術(shù)的發(fā)展歷史進(jìn)行了闡述，并對(duì)定位技術(shù)和測(cè)深技術(shù)的應(yīng)用方法和優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了分析。在航道定位工具方面，高波（2020）認(rèn)為航道測(cè)量精度是尤為重要的，而GPS 的應(yīng)用能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、時(shí)效性，是航道測(cè)量的重要工具。石江斌以某運(yùn)河為例進(jìn)行了實(shí)證分析，認(rèn)為利用GPS能夠產(chǎn)生較高地經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，此外研究從GPS測(cè)量航道的方法、注意事項(xiàng)、優(yōu)缺點(diǎn)等方面也進(jìn)行了詳細(xì)分析。李樹兵等人通過分析北斗在港口航道測(cè)量中的應(yīng)用，驗(yàn)證了其在航道測(cè)繪中的有效性，并認(rèn)為北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)填補(bǔ)了我國(guó)對(duì)于港口航道測(cè)量中民用高精度工具的空白。在新技術(shù)新裝備方面，梁達(dá)煒等（2021）總結(jié)了近年來對(duì)長(zhǎng)江航道進(jìn)行測(cè)量的相關(guān)技術(shù)方法，并著重研討了新一代技術(shù)與設(shè)備在航道測(cè)量中的應(yīng)用，如多波束測(cè)深系統(tǒng)、激光掃描測(cè)量系統(tǒng)、無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)等。盧自來和朱云權(quán)（2022）認(rèn)為山區(qū)河流航道的測(cè)量難度大、危險(xiǎn)性高，且人為測(cè)量不能保證測(cè)量的精度和準(zhǔn)度，通過應(yīng)用無人船進(jìn)行水深及斷面流量測(cè)量并與傳統(tǒng)方法互相校驗(yàn)，認(rèn)為使用無人船測(cè)量的精度更高，應(yīng)大力發(fā)展此技術(shù)。余必秀等（2019）對(duì)無人航道測(cè)量路線規(guī)劃進(jìn)行了研究，在保證數(shù)據(jù)有效性的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)算法使得無人航道測(cè)量船能在躲避障礙后更快返回測(cè)量航道中。簡(jiǎn)波等（2022）對(duì)利用基于連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）的PPK 技術(shù)對(duì)地形復(fù)雜等長(zhǎng)江航道進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，定位平面精度表現(xiàn)良好，但高程精度有待進(jìn)一步提升。綜上來看，國(guó)內(nèi)研究主要集中于航道的測(cè)深、定位、繪制、測(cè)量工具的精準(zhǔn)度等較為細(xì)分領(lǐng)域的研究，而全面、系統(tǒng)地對(duì)我國(guó)內(nèi)河港口間進(jìn)行測(cè)距的研究相對(duì)較少。

2 測(cè)距方法概述

2.1 傳統(tǒng)測(cè)距方法

傳統(tǒng)的測(cè)距方法主要包括航空攝影、相片控制測(cè)量、野外調(diào)繪、經(jīng)緯儀極坐標(biāo)法等。這種類型的測(cè)距方法主要依托測(cè)繪學(xué)，通過全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等方法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)航攝的質(zhì)量有著較高的要求。該方法數(shù)據(jù)顆粒度小、質(zhì)量較高，與實(shí)際情況較為相符，但需要投入大量專業(yè)人士進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)繪工作，周期長(zhǎng)且人力、物力的耗費(fèi)巨大。

2.2 數(shù)字影像測(cè)距方法

數(shù)字影像測(cè)量是基于現(xiàn)代信息技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、智能影像處理等方法將遙感影像、地形圖數(shù)據(jù)等數(shù)字化，以數(shù)字方式表達(dá)幾何與物理信息。這種方法測(cè)量速度快、周期短、精度清晰、及時(shí)性較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能有效提升測(cè)量效率、精準(zhǔn)性，降低成本。

2.3 基于新技術(shù)、新設(shè)備的測(cè)距方法

由于傳統(tǒng)方法有著較多的限值且大多依靠人工測(cè)量，不僅危險(xiǎn)性較大，且易受外界環(huán)境影響。因此，隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，無人船舶等新技術(shù)新設(shè)備逐漸應(yīng)用于航道測(cè)距。無人船舶測(cè)距主要利用智能導(dǎo)航技術(shù)、自動(dòng)避障、定位技術(shù)等，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的流速、位置、水深等參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地測(cè)量采集，適用范圍較廣、效率較高、安全隱患較低，且可嚴(yán)格按照航線航向避免重復(fù)測(cè)量，有著較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，簡(jiǎn)稱AIS）通過將電子海圖相關(guān)航線、航向進(jìn)行可視化，形成船舶運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)庫(kù)，從而進(jìn)行港口間距離測(cè)量。該方法精度和自動(dòng)化程度較高、外界影響較小，但現(xiàn)階段內(nèi)河船舶AIS 數(shù)據(jù)質(zhì)量無法滿足測(cè)距要求。

表1 測(cè)距方法比較

3 我國(guó)內(nèi)河港口間測(cè)距方法

3.1 測(cè)距方法

步驟一：將港口通過近鄰算法投影到航道上。由于我國(guó)內(nèi)河港口存在多個(gè)港區(qū)、泊位，在測(cè)距過程中，將數(shù)據(jù)顆粒密度設(shè)置為港區(qū)間距離，港區(qū)的位置通過該港區(qū)多泊位位置重心確定，之后依據(jù)臨近歸屬原則，設(shè)定臨近距離（2 公里），將港區(qū)點(diǎn)投影到最近的航道上。

圖1 近鄰算法示意圖

步驟二：對(duì)遙感衛(wèi)星圖片進(jìn)行數(shù)字化處理，運(yùn)用圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)結(jié)合各省份航道數(shù)據(jù)形成航道數(shù)據(jù)庫(kù)，以圖論理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建以港區(qū)點(diǎn)、航道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)集。

圖2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)集示意圖（珠江區(qū)域）

步驟三：檢查拓?fù)潢P(guān)系，將出現(xiàn)的航道斷點(diǎn)問題、水網(wǎng)交叉問題、湖區(qū)航道確定問題及不同航道接駁問題等，以國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心標(biāo)準(zhǔn)百萬比例尺雙線河和湖泊數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用自動(dòng)捕捉（線延伸到位于懸掛長(zhǎng)度容差距離范圍內(nèi)的某個(gè)交點(diǎn)）和人工輔助連接兩種方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，修正航道數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖3 導(dǎo)致拓?fù)潢P(guān)系出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題示意圖

步驟四：重新建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，以距離為阻抗成本，以港區(qū)點(diǎn)為起訖點(diǎn)，以航道為通行節(jié)點(diǎn)，采用經(jīng)典的Dijkstra 最短路徑算法，得到我國(guó)內(nèi)河港口間距離矩陣。

3.2 數(shù)據(jù)說明

從數(shù)據(jù)的權(quán)威性和可靠性考慮，本文選取國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心標(biāo)準(zhǔn)百萬比例尺河流數(shù)據(jù)。首先，該數(shù)據(jù)來源權(quán)威、可靠，河流之間連通關(guān)系準(zhǔn)確與否有保證。其次，同級(jí)別河流之間分支、各河流分支之間關(guān)系明晰，并且滿足數(shù)據(jù)依比例尺繪制的特性。以其為參考修改航道間的聯(lián)通關(guān)系可以滿足測(cè)距要求。

4 實(shí)證分析

4.1 樣本選取

考慮到數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)全面性等因素，本文共選取了21 個(gè)省份，287 個(gè)內(nèi)河港口，521 個(gè)港區(qū)作為測(cè)距樣本。

圖4 各省份測(cè)距港口樣本數(shù)分布圖

4.2 結(jié)果分析

構(gòu)建以521 個(gè)港區(qū)點(diǎn)及航道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)分析數(shù)據(jù)集，得到港區(qū)間距離矩陣，而后根據(jù)重心法得到各港口間的距離矩陣。

將測(cè)距結(jié)果與2017年發(fā)布的全國(guó)內(nèi)河高等級(jí)航道布局方案表中航道實(shí)際里程進(jìn)行對(duì)比，最大誤差不超過3%，測(cè)量結(jié)果質(zhì)量較高，誤差在可接受范圍內(nèi)。

表2 測(cè)距數(shù)據(jù)與航道實(shí)際距離對(duì)比表

5 總結(jié)

內(nèi)河港口間距離測(cè)量工作對(duì)推動(dòng)內(nèi)河相關(guān)領(lǐng)域起著重要作用。本文運(yùn)用數(shù)字影像測(cè)量技術(shù)，提出了內(nèi)河港口間距離測(cè)量方法。初步形成了我國(guó)內(nèi)河港口間的距離數(shù)據(jù)庫(kù)，將測(cè)距結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相比，誤差較小，方法切實(shí)可行，能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域研究提供參考。