面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)框架和關(guān)鍵技術(shù)

王昭 曲萌

摘 要：航海空間資源是海運(yùn)航線、港口網(wǎng)絡(luò)形成的自然本底，也是港口與航運(yùn)進(jìn)一步發(fā)展的條件依據(jù)，面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)能有效利用海事測(cè)繪數(shù)據(jù)，對(duì)外提供統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的、可實(shí)時(shí)更新的服務(wù)，滿足不同類型用戶對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性和可操作性的要求，使海洋信息服務(wù)更加緊密結(jié)合行業(yè)應(yīng)用需求，擴(kuò)大數(shù)據(jù)的傳播范圍和利用效率。

關(guān)鍵詞：空間信息服務(wù)，海洋測(cè)繪，多元數(shù)據(jù)融合，空間信息基礎(chǔ)設(shè)施

中圖分類號(hào)：U61 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）08-0048-03

21世紀(jì)，關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋成為各國(guó)優(yōu)先發(fā)展方向?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出“基本實(shí)現(xiàn)交通治理體系和治理能力現(xiàn)代化”的目標(biāo)，要求集中統(tǒng)一獲取、管理和應(yīng)用海洋空間信息，為海區(qū)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展提供保障支撐。2014年《關(guān)于促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，將地理信息、空間數(shù)據(jù)的建設(shè)提升到我國(guó)戰(zhàn)略發(fā)展的層面，全國(guó)測(cè)繪行業(yè)加大了地理信息以及空間數(shù)據(jù)建設(shè)的力度。

航?？臻g資源是海運(yùn)航線、港口網(wǎng)絡(luò)形成的自然本底，也是港口與航運(yùn)進(jìn)一步發(fā)展的條件依據(jù)，建立面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)框架，針對(duì)航海用戶對(duì)航海環(huán)境數(shù)據(jù)需求的增加，以及對(duì)時(shí)效性要求提高的現(xiàn)狀，為使海洋信息數(shù)據(jù)服務(wù)行業(yè)應(yīng)用需求，擴(kuò)大數(shù)據(jù)傳播范圍，提升利用效率，勢(shì)在必行。

1面向航海應(yīng)用的設(shè)計(jì)原則和總體框架

面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)方向是緊跟空間信息技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、智能終端技術(shù)等的發(fā)展，加快信息化航海保障信息產(chǎn)品的生成、管理與服務(wù)等相關(guān)工作的建設(shè)步伐，實(shí)現(xiàn)資源整合與信息共享，適應(yīng)現(xiàn)代海洋測(cè)繪技術(shù)快速發(fā)展。

1.1設(shè)計(jì)原則

面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全局統(tǒng)籌，系統(tǒng)規(guī)劃，做好宏觀設(shè)計(jì)和頂層設(shè)計(jì)工作，因此要遵循以下基本原則：

開放性。海洋空間信息服務(wù)是基于網(wǎng)絡(luò)的、面向用戶的開放式服務(wù)系統(tǒng)。海洋空間信息服務(wù)開放性可以讓用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以最短的時(shí)間獲得所需要的各種海洋空間信息，包括最新更新的海洋空間數(shù)據(jù)、航路航道信息等。由OGS技術(shù)委員會(huì)制定的開放地理信息系統(tǒng)規(guī)范作為一個(gè)綜合性的服務(wù)體系規(guī)范，為開放地理信息服務(wù)系統(tǒng)的地理信息處理奠定了基礎(chǔ)。

共享性。資源共享是信息時(shí)代的最大特征，以數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)的海洋空間信息服務(wù)模式代表了發(fā)展的方向，可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換共享，提高數(shù)據(jù)的利用率。通過具有共享性的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)航路信息整合，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)庫的地理信息服務(wù)一體化體系建設(shè)。

（3）現(xiàn)勢(shì)性。航海環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，海洋空間信息資源也應(yīng)該是一種動(dòng)態(tài)資源。海洋環(huán)境的快速變化使得航路信息復(fù)雜和多變，通過航海環(huán)境監(jiān)控、信息存儲(chǔ)、歸納、分類統(tǒng)計(jì)、標(biāo)繪航行軌跡等方法，可以得到海上搜救、海事調(diào)查、航路即時(shí)規(guī)劃等現(xiàn)實(shí)性較強(qiáng)的信息。此外，平臺(tái)間信息的即時(shí)共享能夠及時(shí)獲取發(fā)布最新航海氣象、海況等信息，為航路船舶提供安全航行的實(shí)時(shí)保障信息。

（4）互操作性。海洋空間信息服務(wù)主要是應(yīng)用于航路船舶定位、船舶導(dǎo)助航、海洋空間信息提供等，應(yīng)具有友好的人機(jī)交互作用，考慮與現(xiàn)有船載設(shè)備（ECDIS，船橋信息系統(tǒng)等）信息交互的可操作性，便于最佳航線選擇及航行方案的推演，并輔助船舶指揮人員作出決策。

（5）標(biāo)準(zhǔn)性。海洋空間地理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)用于定義、描述或處理海洋空間地理數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，便于實(shí)現(xiàn)海洋空間地理數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)與共享，從而能方便地實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)、不同單位的同類或異類數(shù)據(jù)的集成和應(yīng)用。海事系統(tǒng)中的信息還有很多來自外籍船舶和港口，海洋空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定也要考慮國(guó)際化的海洋空間地理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，最大程度地遵守航海數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

1.2 服務(wù)框架

面向航海應(yīng)用的海洋空間信息服務(wù)框架分為兩個(gè)層面的關(guān)鍵問題：一方面是以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源、核心支撐技術(shù)、信息服務(wù)平臺(tái)為構(gòu)架的空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施;另一方面是以行業(yè)服務(wù)模式和典型行業(yè)應(yīng)用為構(gòu)架的空間數(shù)據(jù)應(yīng)用模式。

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)海圖數(shù)據(jù)庫、專題信息庫、制圖規(guī)則庫。通過建設(shè)統(tǒng)一的地理空間框架，維護(hù)統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，能夠形成權(quán)威的、規(guī)范的地理空間數(shù)據(jù)平臺(tái)，在減少各部門重復(fù)建設(shè)、重復(fù)投資的同時(shí)，也能積極促進(jìn)地理信息在更大范圍內(nèi)的廣泛信息共享。

（2）核心支撐技術(shù)層包括數(shù)據(jù)融合和顯示技術(shù)、多源空間數(shù)據(jù)互操作技術(shù)、Web服務(wù)訪問接口技術(shù)等相關(guān)核心技術(shù)。

（3）信息服務(wù)平臺(tái)層可以按照需求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)版專題信息服務(wù)平臺(tái)、移動(dòng)版專題信息服務(wù)平臺(tái)等。

（4）行業(yè)服務(wù)模式層是將傳統(tǒng)的地圖和地理信息操作封裝為符合行業(yè)服務(wù)的應(yīng)用模式，提供單一化標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)模式。

（5）典型行業(yè)應(yīng)用層主要是面向行業(yè)，綜合應(yīng)用單一行業(yè)服務(wù)模式，附加行業(yè)專題信息（集）形成的針對(duì)行業(yè)特定的工作任務(wù)的專題應(yīng)用。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1多源海洋空間信息融合

多源海洋空間數(shù)據(jù)按照來源主要有三部分：1）空間信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是海道測(cè)量機(jī)構(gòu)收集并維護(hù)的基礎(chǔ)海道測(cè)量數(shù)據(jù)庫，由數(shù)字化掃描后港口航道圖數(shù)據(jù)，電子海圖數(shù)據(jù)和以航路重點(diǎn)海域矢量要素為核心的海圖要素組成。目前海事系統(tǒng)采用以HPD庫為主、紙質(zhì)海圖和其他資料為輔的表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2）航海保障專題數(shù)據(jù)庫成分復(fù)雜，格式多樣。數(shù)據(jù)資料來源于海事或涉海管理部門，包括航路指南、航路環(huán)境、助航標(biāo)志、航海通訊、航海支持等子數(shù)據(jù)庫，為我國(guó)船舶航運(yùn)通行提供豐富全面的信息保障。3）港口是船舶停泊、裝卸貨物、上下旅客、補(bǔ)充給養(yǎng)的場(chǎng)所，是交通集結(jié)點(diǎn)或樞紐。港口地理信息數(shù)據(jù)庫的建設(shè)以這些港口為主要對(duì)象，圍繞主要港口收集存儲(chǔ)關(guān)于相關(guān)的遙感影像、地名地址、港務(wù)服務(wù)、地理人文等資料。

多源海洋空間數(shù)據(jù)的融合主要是以上三種來源的數(shù)據(jù)中專題數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的融合，以及不同格式的圖形數(shù)據(jù)融合。目前IHO發(fā)布了S-100通用海道測(cè)量數(shù)據(jù)模型，各國(guó)官方海道測(cè)量產(chǎn)品開始由傳統(tǒng)海圖產(chǎn)品時(shí)代進(jìn)入地理信息時(shí)代，建立以S-100為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，解決了專題要素與S-57標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的差異及各類不同要素與S-57規(guī)范的差異。結(jié)合國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)模型和S-57數(shù)據(jù)模型，對(duì)專題要素建立分類體系，將航海保障航標(biāo)、航行障礙物、改正通告、地形岸線、港口綜合資料、水文、控制點(diǎn)、區(qū)域界線、海圖圖幅資料等建立航海保障專題庫。對(duì)于港口地理信息數(shù)據(jù)庫可以采用常規(guī)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)為通用的地理信息。

2.2空間數(shù)據(jù)分析和挖掘

地理信息服務(wù)是把空間定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等相對(duì)高新的技術(shù)有機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)地理信息收集、處理、管理和分析應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為地理信息用戶提供實(shí)時(shí)、高精度的區(qū)域乃至全球的多尺度地理信息。

從技術(shù)角度看，地理信息服務(wù)并非一種或一類新的技術(shù)，而是多種技術(shù)的交叉集成。從方法論的角度看，它是以“服務(wù)”的概念為核心來認(rèn)識(shí)和表達(dá)地理空間。海洋空間信息的處理技術(shù)需將渠道收集來的海域海洋空間信息相結(jié)合，并進(jìn)行融合分析。保證多數(shù)據(jù)源方法能夠及時(shí)更新航海保障專題庫，通過增量更新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)壓縮電子海圖和氣象水文等空間發(fā)送到相關(guān)船舶的耗時(shí)，達(dá)到識(shí)別、分類、提取和應(yīng)用海洋空間信息的目的。

空間數(shù)據(jù)的挖掘有多重模式，由于應(yīng)用的特殊性，航海數(shù)據(jù)需要采用特定的數(shù)據(jù)挖掘方法。根據(jù)需求從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分析剔除，建立專家知識(shí)庫，運(yùn)用專家知識(shí)庫提取其中的有用數(shù)據(jù)，將經(jīng)評(píng)價(jià)后的海洋空間信息成果發(fā)送給用戶供其使用，這樣各用戶間相互獨(dú)立，互不干擾，能夠提高數(shù)據(jù)庫的利用率。

2.3數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用

可視化顯示是要能夠提供對(duì)海洋空間信息專題數(shù)據(jù)、矢量海圖、瓦片海圖、海圖服務(wù)、紙質(zhì)海圖、百度地圖等多種專題數(shù)據(jù)和海圖數(shù)據(jù)的可視化顯示。

航海中使用的智能化航海系統(tǒng)主要是應(yīng)用海洋空間信息傳輸和計(jì)算機(jī)圖形處理和數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)手段對(duì)航路沿線氣象水文信息、航道水深信息、航海通（警）告信息、海岸電臺(tái)信息、港口設(shè)施、搜救信息及其他各種類型海洋空間信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與顯示。借鑒日本“海上電子導(dǎo)航支持系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)”，開發(fā)基于AIS系統(tǒng)推送海上安全信息功能、虛擬航標(biāo)等在三維電子海圖上的顯示功能，通過將雷達(dá)圖像、CCTV圖像、AIS信息、測(cè)向系統(tǒng)等集成在一個(gè)人機(jī)界面中對(duì)各個(gè)信息系統(tǒng)的信息資源進(jìn)行有效地管理和利用。具體工作內(nèi)容應(yīng)考慮以下兩方面因素：

（1）傳統(tǒng)的紙質(zhì)海圖已經(jīng)逐漸被標(biāo)準(zhǔn)化ENC所取代，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建智能化電子海圖系統(tǒng)，將現(xiàn)有的和后續(xù)收集的各類海洋空間信息數(shù)字化顯示到電子海圖中，對(duì)航路各海洋空間信息進(jìn)行分層顯示，避免小窗口顯示下海事元素的重疊現(xiàn)象，從而在提高船員工作效率的同時(shí)提高航海的安全性。

（2）對(duì)航路沿線的航標(biāo)、燈塔、港口設(shè)施、浮冰等實(shí)物通過建模技術(shù)在電子海圖上表達(dá);海事數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多維建模，并采用專用的圖形圖像渲染技術(shù)OpenGL根據(jù)船舶坐標(biāo)對(duì)點(diǎn)、線、面元素進(jìn)行特征表現(xiàn);借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等的支持，將建好的二、三維技術(shù)與多源數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行無縫集成，構(gòu)建數(shù)字港口、數(shù)字航道，最后調(diào)取并傳輸?shù)娇蛻舳诉M(jìn)行二、三維顯示。

2.4海洋空間數(shù)據(jù)交互

與用戶之間的信息交互可以通過以下三種模式：基于傳統(tǒng)海圖產(chǎn)品服務(wù)、基于Internet服務(wù)和基于通信衛(wèi)星服務(wù)。

（1）快速獲取生產(chǎn)更新傳統(tǒng)航海圖書產(chǎn)品是空間信息服務(wù)最基礎(chǔ)的服務(wù)模式，而高信息量，高現(xiàn)勢(shì)性、高可靠性的ENC是其提供的主要產(chǎn)品之一。ENC的操作比紙海圖更加方便，數(shù)據(jù)更新快速，對(duì)于船舶位置的標(biāo)繪還有航線的設(shè)計(jì)都更具時(shí)效性和準(zhǔn)確性。北方海區(qū)海洋空間信息服務(wù)可以根據(jù)最新收集的航路航海空間信息與數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，提供航海、船舶交通管理、航標(biāo)管理等類型的定制電子海圖，通過定制化海洋空間信息產(chǎn)品模式實(shí)現(xiàn)集約化、智能化和遠(yuǎn)程化提供。

（2）基于網(wǎng)絡(luò)的海洋地理信息服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建了一種信息化、網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化的海洋空間信息服務(wù)，能夠?yàn)楹竭\(yùn)用戶提供更快速準(zhǔn)確的相關(guān)海域航行信息，切實(shí)有效地提高海洋地理信息服務(wù)的水平，是船舶導(dǎo)航和輔助決策的重要依據(jù)?；诰W(wǎng)絡(luò)的服務(wù)模式也能為海運(yùn)船舶提供快速準(zhǔn)確的海洋空間信息和各類險(xiǎn)情信息，船舶基于這些海洋空間信息可以進(jìn)行輔助航線規(guī)劃和航線監(jiān)控，確保了船舶海上航行的安全性，在很大程度上提高了全球范圍內(nèi)的航海安全。

（3）基于衛(wèi)星的通信服務(wù)。對(duì)航海而言，基于衛(wèi)星通信方式具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，特別是隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou SatelliteNavigation System，BDS）短報(bào)文等功能應(yīng)用到測(cè)繪地理信息服務(wù)中，不僅帶來了空間定位方式方法的改變，也能積極推進(jìn)基礎(chǔ)海洋空間信息資源開發(fā)和社會(huì)化服務(wù)工作，為空間信息服務(wù)轉(zhuǎn)化與增值提供了實(shí)現(xiàn)的途徑，推動(dòng)海洋空間信息向融媒體服務(wù)體系發(fā)展。

3 結(jié)論

海洋空間信息對(duì)整合海洋空間信息和航海保障基礎(chǔ)信息意義重大，是未來e航海的基礎(chǔ)設(shè)施部分，不管未來e-Navigation怎么發(fā)展，支持航海的工具怎么增加，對(duì)海洋地理環(huán)境的認(rèn)知需求不會(huì)減少，只能增加，海洋空間信息服務(wù)必將成為其他信息整合的平臺(tái)和載體。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，海洋空間信息在眾多的相關(guān)者的參與下，信息流將通過多種渠道得到廣泛傳播，數(shù)據(jù)獲取、處理和服務(wù)不斷網(wǎng)絡(luò)化、便捷化，使得海洋空間信息的應(yīng)用速度、深度和廣度不斷提升，使得“智慧海洋”變成現(xiàn)實(shí)。

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