內(nèi)河航道助航信息可視化模型及其構(gòu)建方法

楊保岑，徐 碩，周冠男，徐 樂(lè)，呂 霖，楊燕華

(1.長(zhǎng)江航道測(cè)量中心，武漢 430010；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

助航信息對(duì)于保障航行安全至關(guān)重要。通過(guò)助航信息，船舶可以提前規(guī)劃路線，避開(kāi)障礙物。當(dāng)前助航信息主要來(lái)源于參考圖集、法律法規(guī)和其他參考資料，包括航行規(guī)則、錨地、橫駛區(qū)等航道內(nèi)特殊區(qū)域、位置標(biāo)注、航道通告信息、重點(diǎn)區(qū)域及航道輔助信息等，通常都是以非結(jié)構(gòu)化的普通文本信息構(gòu)成，缺乏地理位置信息，且閱讀起來(lái)不夠直觀。通過(guò)電子航道圖可視化手段，將助航信息進(jìn)行地理表達(dá)，使其簡(jiǎn)潔明了地展示給用戶，對(duì)于保障航道安全暢通具有重要作用。在電子航道圖顯示與應(yīng)用的研究中，目前已有基于S-57國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)組織及內(nèi)河S-57與S-52標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的探討[1]，內(nèi)河航道制圖與電子航道圖一體化生產(chǎn)流程的設(shè)計(jì)，制定了空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)范[2-4]，形成了一套完整的服務(wù)體系。但目前的研究大多針對(duì)常規(guī)的航道空間要素，對(duì)于文本描述型助航信息可視化研究相對(duì)較少，尚未形成通用的數(shù)據(jù)模型及構(gòu)建方法。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以長(zhǎng)江航道為研究對(duì)象，分析當(dāng)前主流的各類航道要素可視化方法，對(duì)內(nèi)河助航信息數(shù)據(jù)可視化模型及其構(gòu)建方法展開(kāi)研究，結(jié)合基于空間位置提供航道信息服務(wù)的電子航道圖，運(yùn)用GIS和信息化等相關(guān)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)助航信息的應(yīng)用展示。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上已有電子海圖符號(hào)表示庫(kù)，是由國(guó)際海道測(cè)量組織(IHO)在編制國(guó)際電子海圖內(nèi)容和顯示規(guī)范(S-52)時(shí)創(chuàng)建的[3-4]。目前對(duì)于內(nèi)河電子航道圖的表示比較成熟的是萊茵河符號(hào)表示庫(kù)，它以 S-52符號(hào)表示庫(kù)為基礎(chǔ)，結(jié)合自身特性擴(kuò)充了特有的符號(hào)[5]。

我國(guó)《長(zhǎng)江電子航道圖制作規(guī)范》(JT/T 765.3-2016)參照S-52規(guī)范，結(jié)合物標(biāo)及屬性，以及長(zhǎng)江現(xiàn)行各類制圖規(guī)范，規(guī)定了長(zhǎng)江電子航道圖的顯示準(zhǔn)則，包括長(zhǎng)江電子航道圖的顯示內(nèi)容、顯示模式、符號(hào)及航道圖改正等方面應(yīng)遵循的規(guī)定[6]?！端\(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》(JTS 131-2012)中也制定了一套完整的符號(hào)體系，主要用于水運(yùn)工程測(cè)量有關(guān)圖籍成果的圖示表達(dá)[7]，在我國(guó)水運(yùn)行業(yè)應(yīng)用廣泛?！吨袊?guó)海圖圖式》(GB 12319-1998)規(guī)定了海圖符號(hào)的規(guī)格和海圖各要素在圖上的表示方法，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于海圖制作中的圖示符號(hào)[8]。2019年8月15日，《內(nèi)河電子航道圖技術(shù)規(guī)范》(JTS 195-3-2019)施行，該規(guī)范中規(guī)定了內(nèi)河電子航道圖的顯示應(yīng)通過(guò)圖形視覺(jué)語(yǔ)言完整、準(zhǔn)確地表達(dá)，并在附錄D中給出了對(duì)應(yīng)的顯示規(guī)定、顏色標(biāo)記與配色方案[9]。

2 可視化模型

2.1 標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)

標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)可視化模型通過(guò)參考技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，在電子航道圖中用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)準(zhǔn)確表示對(duì)應(yīng)的助航信息，模型的構(gòu)建關(guān)鍵在于找到各類助航信息與符號(hào)表示庫(kù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，按標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)樣式進(jìn)行圖形渲染，模型處理流程如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)可視化模型處理流程Fig.1 Visual model processing flow of standard symbol library

研究根據(jù)《內(nèi)河電子航道圖技術(shù)規(guī)范》(JTS 195-3-2019)，制訂了電子航道圖中助航信息對(duì)應(yīng)的符號(hào)名稱、含義、樣式等映射關(guān)系，如表1所示。

表1 長(zhǎng)江電子航道圖助航信息可視化顯示方案Tab.1 Visual display scheme of navigation supporting information of the Yangtze River electronic waterway map

研究基于上述可視化方案，利用ArcGIS進(jìn)行符號(hào)配置及服務(wù)發(fā)布，將部分區(qū)域展示在長(zhǎng)江電子航道圖，可視化效果如表2所示，表中可以清楚看到“錨泊區(qū)”、“受限區(qū)”等要素的符號(hào)化結(jié)果。

表2 基于電子航道圖符號(hào)庫(kù)的可視化效果圖Tab.2 Visualization effect based on symbol library of electronic waterway map

2.2 地理圍欄

地理圍欄可視化模型以人機(jī)交互的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)助航信息的可視化，通過(guò)在電子航道圖的指定位置創(chuàng)建地理圍欄并輸入必要的描述信息，以電子航道圖相關(guān)技術(shù)規(guī)范為參考，根據(jù)不同的標(biāo)注類型進(jìn)行圖形渲染，模型處理流程如圖2所示。

圖2 地理圍欄可視化模型處理流程Fig.2 Visualization model processing flow of geographical fence

研究對(duì)于航道通告、尺度等文字類信息，通過(guò)自然語(yǔ)言處理技術(shù)提取文字信息中的地理位置、范圍、關(guān)鍵內(nèi)容、起止時(shí)間等信息，并將其中的地理位置和范圍等空間信息與電子航道圖上水道、里程等要素進(jìn)行匹配，以“坐標(biāo)點(diǎn)+緩沖區(qū)”或多邊形來(lái)構(gòu)建地理圍欄，在其之上展示航道通告、尺度中對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵內(nèi)容，并用起止時(shí)間來(lái)控制信息的顯示與取消。

對(duì)于航道重點(diǎn)區(qū)域及航行輔助提醒信息，基于長(zhǎng)江電子航道圖交互式地理圍欄創(chuàng)建頁(yè)面，以錨地、警告區(qū)、通航限制區(qū)等區(qū)域范圍構(gòu)建地理圍欄并填入標(biāo)題、有效期、名稱、提示內(nèi)容、監(jiān)控距離及其他描述等必要信息，并發(fā)布為地理圍欄服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)航線、障礙物、沉船、不良流態(tài)區(qū)、施工區(qū)、限制區(qū)、霧區(qū)及航標(biāo)異常信息的可視化。

對(duì)于即時(shí)航道信息，通過(guò)長(zhǎng)江航道圖APP向使用者提供的“用戶上報(bào)”功能，在電子航道圖上點(diǎn)擊獲取該位置的地理坐標(biāo)，并以此創(chuàng)建地理圍欄，生成上報(bào)信息。用戶可對(duì)該上報(bào)信息附以文字描述或現(xiàn)場(chǎng)照片，將航行現(xiàn)場(chǎng)情況信息上報(bào)至相關(guān)管理部門，有利于現(xiàn)場(chǎng)的第一時(shí)間確認(rèn)以及信息的迅速更新發(fā)布。

基于上述方案，本研究在長(zhǎng)江電子航道圖發(fā)布地理圍欄19條，圖3為其中的禁航施工區(qū)域可視化效果。

圖3 基于地理圍欄的橫駛區(qū)可視化Fig.3 Visualization of crossing area based on geographical fence

此外，對(duì)于《長(zhǎng)江電子航道圖制作規(guī)范》顯示準(zhǔn)則中未明確規(guī)定的如航道尺度等助航信息，為了不造成對(duì)用戶理解的誤導(dǎo)，可配置透明樣式的地理圍欄并結(jié)合語(yǔ)音播報(bào)和信息推送機(jī)制，達(dá)到相關(guān)信息的可視化助航效果。

2.3 虛擬航標(biāo)

虛擬航標(biāo)是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、電子海圖及AIS等高新技術(shù)的新興航標(biāo)應(yīng)用[10-13]。相比于實(shí)體航標(biāo)，虛擬航標(biāo)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在，能夠標(biāo)示更豐富的航道尺度信息，如“深水推薦航道”信息等。在發(fā)生沉船事故或航道尺度突變等特殊情況下，航道管理部門無(wú)法第一時(shí)間通過(guò)調(diào)整實(shí)體航標(biāo)位置，虛擬航標(biāo)能夠及時(shí)標(biāo)識(shí)危險(xiǎn)地點(diǎn)，對(duì)航道進(jìn)行警示[14-15]。當(dāng)前虛擬航標(biāo)發(fā)布方式主要有如下兩種。

(1)AIS 虛擬航標(biāo)。AIS 虛擬航標(biāo)是指通過(guò)岸基臺(tái)站或航標(biāo) AIS 站播發(fā)信息， AIS 信息顯示屏上產(chǎn)生的一個(gè)物理上并不存在的航標(biāo)。

(2)電子航道圖虛擬航標(biāo)。電子航道圖虛擬航標(biāo)是指在電子航道圖中用規(guī)定符號(hào)標(biāo)示的、通過(guò)電子航道圖數(shù)據(jù)更新向特定用戶發(fā)布的物理上不存在的航標(biāo)。該虛擬航標(biāo)以電子航道圖為基礎(chǔ)，相比 AIS虛擬航標(biāo)設(shè)置更簡(jiǎn)單。

AIS 虛擬航標(biāo)和電子航道圖虛擬航標(biāo)特性對(duì)比如表3所示。

表3 虛擬航標(biāo)發(fā)布方式特性對(duì)比Tab.3 Characteristics of virtual aids to navigation

虛擬航標(biāo)可視化模型將助航信息作為虛擬航標(biāo)，通過(guò)AIS基站以航標(biāo)報(bào)告電文(21報(bào)文)格式經(jīng)VHF鏈路廣播發(fā)送或者電子航道圖數(shù)據(jù)更新發(fā)布，終端設(shè)備在捕獲到該信息后進(jìn)行相關(guān)處理解析，以電子航道圖相關(guān)技術(shù)規(guī)范為參考，將沒(méi)有實(shí)物的航標(biāo)以助航標(biāo)志形式渲染輸出，模型處理流程如圖4所示。

圖4 虛擬航標(biāo)可視化模型處理流程Fig.4 Visualization model processing flow of virtual aids to navigation

研究在對(duì)比兩種虛擬航標(biāo)服務(wù)方式特性之后，選擇更為便捷的電子航道圖虛擬航標(biāo)進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在焦山水道、簰洲水道彎曲河段、武漢長(zhǎng)江大橋橋段及太陽(yáng)溪水道分別設(shè)置6個(gè)虛擬航標(biāo)，部分虛擬航標(biāo)信息如表4所示。

表4 焦山水道虛擬航標(biāo)可視化信息Tab.4 Visualization information of virtual aids to navigation in Jiaoshan waterway

將整理好的虛擬航標(biāo)信息以Web服務(wù)的形式進(jìn)行發(fā)布，通過(guò)電子航道圖請(qǐng)求數(shù)據(jù)，再對(duì)請(qǐng)求到的虛擬航標(biāo)信息進(jìn)行解析，獲取其中的空間位置信息及描述信息，并在電子航道圖對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行圖形渲染。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5-a～5-d所示。結(jié)合長(zhǎng)江航道圖APP興趣點(diǎn)查看功能，實(shí)現(xiàn)助航信息的查看。

5-a 焦山水道5-b 簰洲水道5-c 武漢長(zhǎng)江大橋橋段5-d 太陽(yáng)溪水道圖5 虛擬航標(biāo)可視化模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of visual model of virtual aids to navigation

3 結(jié)論和建議

開(kāi)放共享是地理信息應(yīng)用的重要研究方向 ，它通過(guò)提供多種解決方案使得我們可以靈活應(yīng)對(duì)多樣的業(yè)務(wù)需求。本研究結(jié)合長(zhǎng)江電子航道圖，對(duì)比了基于標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)的可視化、基于地理圍欄的可視化和基于虛擬航標(biāo)的可視化方法的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)施效果。三種可視化模型相比較，基于標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù)的可視化方法權(quán)威性較高，但可視化的內(nèi)容需符合電子航道圖相關(guān)技術(shù)規(guī)范，信息發(fā)布和更新需要依托電子航道圖的數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作，技術(shù)流程和時(shí)間周期相對(duì)較長(zhǎng)，更新速度慢，適用于具有權(quán)威性且輕易不發(fā)生變化的助航信息；基于地理圍欄的可視化方法時(shí)效性最高，應(yīng)用方式最為靈活，可視化顯示和配色方案在參考電子航道圖相關(guān)技術(shù)規(guī)范的前提下，可實(shí)現(xiàn)多種助航信息的有效表達(dá)；基于虛擬航標(biāo)的可視化方法需要依托相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其命名規(guī)則、顯示符號(hào)及所標(biāo)識(shí)的助航信息仍待進(jìn)一步研究明確，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需配合地理圍欄共同使用。

研究根據(jù)不同模型的特性，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求及場(chǎng)景，選擇合適的模型及其組合來(lái)進(jìn)行可視化，從而構(gòu)建一種全開(kāi)放式的內(nèi)河航道助航信息可視化模式。