基于二三維一體化的山東省數(shù)字海域工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 浩

（山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102）

山東省是我國(guó)的海洋與漁業(yè)大省，海洋管理工作走在全國(guó)前列。在新的形勢(shì)下，如何進(jìn)一步發(fā)揮海洋資源優(yōu)勢(shì)，科學(xué)配置海域海島資源，服務(wù)“藍(lán)黃”兩區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)，保障用海需求，建設(shè)海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省，是省委省政府作出的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略。當(dāng)前，山東省海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，海洋開(kāi)發(fā)利用程度的不斷加大，重點(diǎn)岸線、涉海工程數(shù)量越來(lái)越多、用海類型復(fù)雜多樣、分布廣，海洋管理部門對(duì)信息技術(shù)和信息服務(wù)的要求越來(lái)越高[1-3]。

盡管山東省海域海島管理信息化建設(shè)已取得了一定成績(jī)，但與海洋綜合管理對(duì)信息化的要求相比還存在一定差距，特別是在數(shù)字化綜合展示、多系統(tǒng)融合銜接、新技術(shù)應(yīng)用、綜合處理及智能分析等方面還存在很多不足之處。目前，海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管、海域使用權(quán)轉(zhuǎn)讓、海域使用權(quán)變更和填海項(xiàng)目竣工驗(yàn)收等業(yè)務(wù)信息化程度不高，已經(jīng)使用的國(guó)家海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、海域使用項(xiàng)目管理系統(tǒng)、海洋行政界線管理系統(tǒng)、國(guó)家海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等各自分立，數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，系統(tǒng)間的銜接性較差。省自建系統(tǒng)在縱向上未能與國(guó)家業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、無(wú)縫銜接；在橫向上未能和省政府政務(wù)服務(wù)平臺(tái)、省投資項(xiàng)目在線審批監(jiān)管平臺(tái)以及紀(jì)檢部門在線監(jiān)督平臺(tái)等進(jìn)行有效銜接。此外，目前的系統(tǒng)無(wú)法集成展示全景影像、三維數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻等動(dòng)態(tài)信息，不利于山東省實(shí)現(xiàn)海域海島立體實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，無(wú)法滿足當(dāng)前山東省海域海島管理工作需求。

美國(guó)學(xué)者M(jìn)anley T等[4]從海洋數(shù)據(jù)管理和可視化角度出發(fā)，深入分析研究了海洋數(shù)據(jù)，針對(duì)海洋數(shù)據(jù)的可視化和三維建模等技術(shù)方法進(jìn)行了詳細(xì)討論。在國(guó)內(nèi)，艾馳等[5]針對(duì)三維地理信息模型、瓦片金字塔技術(shù)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求調(diào)度策略、全球地形可視化模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并介紹了三維實(shí)景地理信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及其應(yīng)用。譚仁春等[6]介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模的應(yīng)用情況，分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在三維城市建模的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出一套無(wú)人機(jī)傾斜攝影城市三維建模的改進(jìn)方法。

本文通過(guò)二維、三維、全景等手段，開(kāi)發(fā)了二三維一體化的山東省數(shù)字海域工程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展和完善海域海島管理方式，提高海域海島管理的信息化水平，利用海域海島監(jiān)測(cè)新型技術(shù)手段，融合多源、多尺度、多類型信息，開(kāi)展山東省數(shù)字海域工程建設(shè)，搭建數(shù)字海域管理信息平臺(tái)，增強(qiáng)山東省海域綜合管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析評(píng)價(jià)等方面的能力和水平。

1 總體設(shè)計(jì)

山東省數(shù)字海域工程建設(shè)是在全省海洋信息化建設(shè)總體框架的基礎(chǔ)上，以計(jì)算機(jī)硬件與網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為依托，以數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫(kù)為樞紐，以海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海域項(xiàng)目審批管理等業(yè)務(wù)流程為主線，以數(shù)字海域管理信息平臺(tái)為支撐構(gòu)建的互聯(lián)互通的海域資源數(shù)字化展示、業(yè)務(wù)管理和決策支持服務(wù)體系。

從軟件分層架構(gòu)的角度來(lái)看，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都由4個(gè)層次構(gòu)成，即運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 總體框架圖

（1）運(yùn)行支撐層：運(yùn)行支撐層包括規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行環(huán)境體系兩部分，該層貫穿于整個(gè)平臺(tái)。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和應(yīng)用規(guī)范；運(yùn)行環(huán)境體系包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)、安全保密系統(tǒng)等。

（2）數(shù)據(jù)層：山東省數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫(kù)，由自然信息數(shù)據(jù)庫(kù)、管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)2個(gè)大庫(kù)和12個(gè)分庫(kù)組成。自然信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容為地形地貌數(shù)據(jù)分庫(kù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分庫(kù)、漁業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分庫(kù)、遙感影像數(shù)據(jù)分庫(kù)、全景數(shù)據(jù)分庫(kù)、三維模型數(shù)據(jù)分庫(kù)。管理信息數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容為用海規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫(kù)、海域權(quán)屬數(shù)據(jù)分庫(kù)、海島權(quán)屬數(shù)據(jù)分庫(kù)、保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)分庫(kù)、漁業(yè)規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫(kù)、其它涉海規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫(kù)等。所有數(shù)據(jù)資源在邏輯上規(guī)范一致、物理上分布協(xié)同，彼此互聯(lián)互通。

（3）服務(wù)層：服務(wù)層是數(shù)字海域工程建設(shè)的核心內(nèi)容。服務(wù)層主要包括服務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)維管理系統(tǒng)。服務(wù)層對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能服務(wù)接口，支撐主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用；對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)更新交換。

（4）應(yīng)用層：圍繞海域海島動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海域項(xiàng)目審批管理、數(shù)字化展示等業(yè)務(wù)，建立并集成業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和海域資源綜合管理服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了海域、海島、整治修復(fù)項(xiàng)目、海域行政界線、海底電纜管道等綜合信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)管理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管任務(wù)下達(dá)、執(zhí)行、考核的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行，以二維、三維和全景相結(jié)合的方式展示監(jiān)管成果。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文采用B/S架構(gòu)，分布式部署在山東省海洋專網(wǎng)，基于HTML、JavaScript、ArcGIS和Skyline進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle11gR2、ArcSDE軟件進(jìn)行建庫(kù)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境詳細(xì)情況如表1所示。

表1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)和規(guī)格

3.1.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 平面坐標(biāo)統(tǒng)一采用CGCS2000（2000坐標(biāo)系），高程坐標(biāo)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3.1.2 數(shù)據(jù)格式 各類基礎(chǔ)層空間數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)存入Oracle Spatial數(shù)據(jù)庫(kù)中；各類專業(yè)層空間數(shù)據(jù)：中間文件統(tǒng)一處理成Shapefile格式，并最終導(dǎo)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)（Oracle Spatial）；非空間數(shù)據(jù)：導(dǎo)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，使用普通業(yè)務(wù)表存儲(chǔ)；三維模型數(shù)據(jù)：中間文件統(tǒng)一處理成3dml 格式，利用Skyline軟件進(jìn)行建庫(kù)存儲(chǔ)；全景數(shù)據(jù)：基于HDStreetView軟件進(jìn)行建庫(kù)；矢量電子地圖和影像地圖，為便于數(shù)據(jù)傳輸，加快訪問(wèn)速度，加工成瓦片數(shù)據(jù)，ArcGIS大文件格式（bundle文件）。

3.2 管理信息專題數(shù)據(jù)庫(kù)

管理信息專題數(shù)據(jù)包括海域、海島等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。專題數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)來(lái)源多樣，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、模型、格式、精度、存儲(chǔ)形態(tài)等差異甚大，針對(duì)不同專題數(shù)據(jù)需要分別進(jìn)行符合其特點(diǎn)的個(gè)性化處理工作，方可完成對(duì)于該專題數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入，以及后續(xù)的配圖、查詢等工作。專題數(shù)據(jù)整理的一般通用步驟，主要包括：數(shù)據(jù)分層、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、符號(hào)庫(kù)制作、入庫(kù)前質(zhì)量檢查等內(nèi)容，具體情況如表2所示。

表2 管理信息專題數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容

3.3 遙感影像數(shù)據(jù)庫(kù)

影像數(shù)據(jù)包括國(guó)家每年四次配發(fā)的近岸海域30 m分辨率衛(wèi)星遙感影像，熱點(diǎn)海域每年1次2.5 m分辨率衛(wèi)星遙感影像，近岸重點(diǎn)海域每年1次分辨率優(yōu)于1 m分辨率航空遙感影像，以及使用無(wú)人機(jī)采集的1 m分辨影像數(shù)據(jù)，2011—2018年度每年全省范圍的0.5 m航空遙感影像數(shù)據(jù)。

處理流程是對(duì)當(dāng)前影像通過(guò)正射糾正、影像效果調(diào)整、鑲嵌、勻色、影像金字塔建設(shè)等處理而形成的，最終形成地圖切片服務(wù)并發(fā)布[7-9]，切圖比例尺如表3所示。

表3 切圖比例尺

3.4 地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)

地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)包括濱海地形地貌數(shù)據(jù)、海底地形數(shù)據(jù)、海島地形地貌數(shù)據(jù)、海洋/海岸工程數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要是將搜集到的海島不同分辨率的DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、濱海地形DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行人工檢查，排查邏輯錯(cuò)誤及噪聲信息，并與全省陸域0.5 m影像和5 m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，制作了三維場(chǎng)景并發(fā)布成服務(wù)，提供在線調(diào)用。

3.5 全景影像數(shù)據(jù)庫(kù)

項(xiàng)目采購(gòu)了HiScan-Z高精度三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、HiScan-P便攜式三維激光移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和ARS-450i機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)，利用這些設(shè)備采集了全省岸線和重點(diǎn)港口的全景數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)外提供服務(wù)，全景采集設(shè)備的主要特點(diǎn)和采集內(nèi)容[10-13]如表4所示。

表4 全景采集系統(tǒng)特點(diǎn)和采集內(nèi)容

3.6 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)

項(xiàng)目主要采集了包括海島地表三維數(shù)據(jù)、石油鉆井平臺(tái)三維模型數(shù)據(jù)和港口三維模型數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用的三維建模的主要技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 三維建模流程

4 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

山東省數(shù)字海域工程系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以海域?qū)徟鷮ｎ}數(shù)據(jù)、影像、DEM、全景等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS和Skyline進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了海域海島管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、行政界線管理、數(shù)字化展示和其他服務(wù)，提高海域海島管理的信息化水平。

4.1 海域海島管理

開(kāi)發(fā)了海域使用項(xiàng)目管理子系統(tǒng)、海島使用項(xiàng)目管理子系統(tǒng)和整治修復(fù)項(xiàng)目管理子系統(tǒng)，縣級(jí)提交用海申請(qǐng)材料，市級(jí)審查，省級(jí)審批，實(shí)現(xiàn)了海域海島項(xiàng)目的申請(qǐng)審批、使用權(quán)登記、使用權(quán)續(xù)期、使用權(quán)變更、使用用途變更、竣工驗(yàn)收、使用權(quán)轉(zhuǎn)讓、項(xiàng)目環(huán)評(píng)核準(zhǔn)、項(xiàng)目招拍掛和整治修復(fù)項(xiàng)目監(jiān)管等業(yè)務(wù)審批，最終實(shí)現(xiàn)海域海島使用管理全業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)化辦公，如圖3所示。

圖3 海域海島管理

4.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)全部涉海建設(shè)項(xiàng)目、區(qū)域用海、重點(diǎn)岸線、河口、海灣、整治修復(fù)項(xiàng)目、海島4要素、重點(diǎn)無(wú)居民海島、領(lǐng)?；c(diǎn)、海島名稱標(biāo)志等監(jiān)管任務(wù)的下達(dá)、執(zhí)行和考核。通過(guò)系統(tǒng)向市縣海洋部門下達(dá)監(jiān)測(cè)任務(wù)，包括監(jiān)測(cè)對(duì)象、空間范圍、監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)頻率等內(nèi)容，市縣海洋部門完成監(jiān)管后將成果上傳到系統(tǒng)，采用二維、三維和全景等技術(shù)手段，結(jié)合監(jiān)控?cái)z像頭、監(jiān)控車輛、雷達(dá)等實(shí)時(shí)信息，利用多期監(jiān)測(cè)成果對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)用海變化情況的分析評(píng)價(jià)，為制定海域管理提供決策依據(jù)，如圖4所示。

圖4 動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)

4.3 行政界線管理

對(duì)現(xiàn)有海域行政界線資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將界線坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系，改變界線管理系統(tǒng)的單機(jī)版現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)建設(shè)“海域行政界線管理子系統(tǒng)”，服務(wù)于省內(nèi)各級(jí)海洋主管部門綜合管理，如圖5所示。系統(tǒng)主要功能模塊包括：（1）界線檔案資料管理：實(shí)現(xiàn)海域行政界線資料一體化管理，包括地圖資料、歷史資料管理等；（2）界線信息查詢統(tǒng)計(jì)：對(duì)海域行政界線進(jìn)行空間查詢和屬性查詢，實(shí)現(xiàn)空間統(tǒng)計(jì)展示功能；（3）界線變更管理：實(shí)現(xiàn)海域行政界線數(shù)據(jù)的維護(hù)、更新管理功能；（4）繪圖輸出：疊加全省電子地圖，實(shí)現(xiàn)海域行政界線專題圖打印輸出功能。

圖5 行政界線管理

4.4 數(shù)字化展示

充分利用遙感、高清視頻、激光點(diǎn)云、二維GIS（Geographic Information System）、三維GIS、全景影像等技術(shù)手段，開(kāi)發(fā)了數(shù)字化展示子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全省海域、海島、港口、岸線等進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空的綜合展示。數(shù)字化展示系統(tǒng)作為海域海島管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、行政界線管理和其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)系統(tǒng)，貫穿其整個(gè)業(yè)務(wù)流程，負(fù)責(zé)其他業(yè)務(wù)信息、分析結(jié)果的統(tǒng)一展示。具體功能包括：基礎(chǔ)地理、漁業(yè)專題、海域資源管理、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、三維模型、影像和DEM等數(shù)據(jù)的可視化展示、查詢和分析，全方位的展示用海項(xiàng)目的過(guò)去和現(xiàn)狀，分析用海項(xiàng)目是否符合規(guī)劃，預(yù)測(cè)項(xiàng)目未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 數(shù)字化展示

4.5 其他服務(wù)

為加強(qiáng)海底電纜管道路由管理，防止損害海洋生態(tài)環(huán)境工程事故發(fā)生，對(duì)省級(jí)已經(jīng)批復(fù)的海底電纜管道進(jìn)行跟蹤管理，全面掌握山東省海底電纜管道路由現(xiàn)狀，建設(shè)海底電纜管道路由管理子系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 海底電纜管道路由

系統(tǒng)主要功能模塊包括：（1）信息查詢：實(shí)現(xiàn)全省所有海底電纜管道路由空間信息、登記信息在地圖上查詢；（2）項(xiàng)目保護(hù)區(qū)規(guī)劃管理：實(shí)現(xiàn)海底電纜管道保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)采集標(biāo)繪、規(guī)劃區(qū)范圍自動(dòng)生成及空間分析功能；（3）備案管理：實(shí)現(xiàn)海底電纜、管道準(zhǔn)確路線圖、位置表等說(shuō)明資料的錄入與備案，接受海底電纜、管道的廢棄書(shū)面報(bào)告等；（4）可視化展示：利用三維地理信息系統(tǒng)直觀展示海底電纜管道路由數(shù)據(jù)；（5）統(tǒng)計(jì)分析：實(shí)現(xiàn)海底電纜管道路由數(shù)據(jù)按照區(qū)域、時(shí)間等屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總并生成圖形。

5 結(jié) 論

山東省數(shù)字海域工程，是在整合現(xiàn)有海域海島管理資源，進(jìn)一步完善海域海島信息化管理手段，充分利用遙感、高清視頻、激光點(diǎn)云等技術(shù)手段，采集整理海域自然信息，對(duì)涉海管理數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整合，建立山東省數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)將山東省海域過(guò)去不同時(shí)段的資料信息數(shù)字化，對(duì)全省海域海島進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空的二三維一體化展示，開(kāi)發(fā)山東省數(shù)字海域工程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了海域海島管理全部業(yè)務(wù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化辦理，提升海域海島監(jiān)視監(jiān)測(cè)能力，提高海域海島行政業(yè)務(wù)辦理效率，構(gòu)建了海域海島信息化管理模式，充分掌握當(dāng)前海域海島的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)海域海島管理的變化趨勢(shì)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，下一步系統(tǒng)針對(duì)重點(diǎn)岸線、港口、島嶼等通過(guò)集成無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)攝像頭信息，可以更加準(zhǔn)確的掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，為領(lǐng)導(dǎo)研判做支撐。