基于三維GIS的港口岸線管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 暉，任文韜，趙星濤

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.北京遠(yuǎn)鵬網(wǎng)天信息技術(shù)有限公司，北京 100085)

0 引言

信息化水平是衡量一個(gè)地區(qū)現(xiàn)代化程度和經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)能力的重要標(biāo)志?？臻g信息作為信息化的重要組成部分，對(duì)國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展具有舉足輕重的作用[1]。城市空間信息化水平?jīng)Q定了國(guó)家和地區(qū)信息化的程度。對(duì)于廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)來(lái)說(shuō)，不可再生的沿海岸線資源是廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為了科學(xué)、合理、高效地利用沿海岸線資源，將港口現(xiàn)狀、規(guī)劃等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化、可視化管理，建設(shè)一套港口岸線數(shù)字化管理平臺(tái)成為港口行政管理部門迫切的需求[2]。隨著三維地理信息技術(shù)(GIS)、傾斜攝影和無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使建立這套港口岸線管理系統(tǒng)成為可能。

1 建設(shè)目標(biāo)

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)是一個(gè)基于B/S架構(gòu)的港口岸線管理平臺(tái)，涉及港口資源管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)查詢和岸線規(guī)劃審批等功能，支持并發(fā)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了港口規(guī)劃可視化、港口資源數(shù)字化、港口業(yè)務(wù)無(wú)紙化的“規(guī)劃一張圖”管理。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容如下：

(1)基于服務(wù)的架構(gòu)搭建

研究搭建基于服務(wù)的架構(gòu)的方法。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和部分非標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為用戶提供岸線規(guī)劃數(shù)據(jù)服務(wù)、傾斜模型服務(wù)以及岸線審批服務(wù)等。

(2)實(shí)景三維展示

通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取現(xiàn)狀港口的影像，利用傾斜攝影技術(shù)建立了北部灣港現(xiàn)狀港口的實(shí)景三維模型，使用戶能夠通過(guò)瀏覽器查看到港口及周邊建筑、碼頭等資源的分布情況，可實(shí)現(xiàn)快速定位和查詢，同時(shí)匹配顯示對(duì)應(yīng)的港口屬性數(shù)據(jù)，使港口各類資源的分布現(xiàn)狀及周邊情況在三維場(chǎng)景中直觀可見，實(shí)現(xiàn)對(duì)港口資源的可視化管理。

(3)港口可視化規(guī)劃

研究基于三維可視化場(chǎng)景，通過(guò)有機(jī)整合港口規(guī)劃數(shù)據(jù)和港口現(xiàn)狀數(shù)據(jù)等，通過(guò)矢量化的方式開發(fā)了港口資源管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析、岸線審批等功能，實(shí)現(xiàn)了港口岸線的數(shù)字化管理，從而提升港口業(yè)務(wù)管理水平。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 建設(shè)思路

圖1 建設(shè)思路圖

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)建設(shè)思路如圖1所示。系統(tǒng)以3S(GIS-地理信息系統(tǒng)、GPS-全球定位系統(tǒng)、RS-遙感)技術(shù)為基礎(chǔ)，以國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施為框架，集成沿海港口的現(xiàn)狀資料(港口地形圖和高分辨率衛(wèi)星影像圖)，以港口設(shè)施資源(建筑物、設(shè)備、構(gòu)造物等實(shí)景三維模型)和規(guī)劃數(shù)據(jù)(作業(yè)區(qū)規(guī)劃、港區(qū)規(guī)劃、用地規(guī)劃等CAD和設(shè)計(jì)三維模型)為依托，充分融合岸線審批等業(yè)務(wù)流程，建立一個(gè)能快速提供真實(shí)準(zhǔn)確的空間信息資源，并能進(jìn)行綜合分析和輔助設(shè)計(jì)等操作的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)廣西北部灣沿海地區(qū)海岸線資源和港口規(guī)劃的數(shù)字化、可視化及動(dòng)態(tài)顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃現(xiàn)狀對(duì)比、港口資源查詢、業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)等功能。

2.2 總體架構(gòu)

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)整個(gè)應(yīng)用體系由以下幾層結(jié)構(gòu)組成：

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要是對(duì)港口相關(guān)的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括三維實(shí)景數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集和相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集等。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層

通過(guò)數(shù)據(jù)采集層獲取的各類數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)層根據(jù)類型進(jìn)行分類存儲(chǔ)：矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；三維實(shí)景數(shù)據(jù)通過(guò)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)以文件方式進(jìn)行存儲(chǔ)；通過(guò)影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)以文件方式進(jìn)行存儲(chǔ)；其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)方式進(jìn)行存儲(chǔ)。

在該層主要是對(duì)系統(tǒng)所需和所擁有的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和管理，通過(guò)建立不同層次的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)不同層次的數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)需求。

(3)應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層主要包括三維GIS平臺(tái)和應(yīng)用中間件，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)中部分服務(wù)為OGC標(biāo)準(zhǔn)，部分為私有標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，但所有數(shù)據(jù)類型均可以O(shè)GC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)方式訪問(wèn)。應(yīng)用支撐層是實(shí)現(xiàn)和豐富各類業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)，同時(shí)也是連接數(shù)據(jù)與上層業(yè)務(wù)應(yīng)用功能之間的紐帶。

(4)應(yīng)用功能層

應(yīng)用功能層通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)傳遞到各類用戶，實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用，包括岸線規(guī)劃審批、港口模型瀏覽、港口附屬設(shè)施信息查詢等，為港岸線管理提供支撐。

2.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示，主要包括業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及GIS/CAD數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通過(guò)空間匯聚、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等步驟，完成數(shù)據(jù)治理，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行分類管理。所有數(shù)據(jù)均以統(tǒng)一空間基準(zhǔn)為依據(jù)，以三維模型為載體，實(shí)現(xiàn)各種二、三維數(shù)據(jù)的“一張圖管理”。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)匯聚

匯聚港口全域時(shí)空大數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、港口規(guī)劃數(shù)據(jù)、岸線審批數(shù)據(jù)，構(gòu)成各個(gè)港域的規(guī)劃、現(xiàn)狀融合一體的開放的全域時(shí)空大數(shù)據(jù)資源。

(2)統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)

本系統(tǒng)時(shí)空信息數(shù)據(jù)采用以下基準(zhǔn)：

平面基準(zhǔn)：國(guó)家2000大地坐標(biāo)系。

高程基準(zhǔn)：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

時(shí)間基準(zhǔn)：采用公歷紀(jì)元，以北京時(shí)間為基準(zhǔn)。

為了保障數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的一致性，根據(jù)建設(shè)單位提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、工具、資料和服務(wù)對(duì)本項(xiàng)目的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并提供對(duì)數(shù)據(jù)的編輯與處理[3]。主要包括：支持坐標(biāo)及投影變換、高程換算、數(shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及影像數(shù)據(jù)的對(duì)比度、灰度(色彩)、飽和度一致性調(diào)整等；支持對(duì)二維矢量數(shù)據(jù)的圖形編輯；支持對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)模型替換、模型空間位置修改、屬性編輯、元數(shù)據(jù)編輯等。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 港口實(shí)景還原技術(shù)

傾斜航空攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，其顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界[4]。該技術(shù)具有建模速度快、模型表達(dá)真實(shí)(尤其是側(cè)面紋理和鏤空紋理)、建模效率高、全要素表達(dá)地物等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)通過(guò)使用無(wú)人機(jī)搭載總像素達(dá)一億的五鏡頭傾斜相機(jī)作為傾斜攝影的解決方案，對(duì)北部灣港的港口范圍進(jìn)行空中航拍，獲取高分辨率、多視角航空影像。外業(yè)航拍獲取到多角度、高分辨率影像之后，采用實(shí)景三維建模軟件，進(jìn)行實(shí)景三維建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)港區(qū)構(gòu)筑物、植被等進(jìn)行全要素、真實(shí)、準(zhǔn)確還原。所建模型具有真實(shí)紋理并能夠全要素真實(shí)反映建筑物、道路、植被等地物要素的精細(xì)結(jié)構(gòu)和空間布局。與仿真三維模型不同，實(shí)景三維建模所制作的場(chǎng)景能完全彌補(bǔ)前者的不足，能真實(shí)、完整、準(zhǔn)確地把港口的原貌原樣呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)景真三維數(shù)據(jù)能夠以極高的效率還原港口地理風(fēng)貌和當(dāng)前的生產(chǎn)建設(shè)情況。

2.4.2 多源數(shù)據(jù)融合及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布共享技術(shù)

系統(tǒng)中包含海量多源、多尺度空間數(shù)據(jù)，主要類型有傾斜攝影數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等。如何將這些類型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大的空間信息進(jìn)行融合并在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)接脩舳耸且粋€(gè)非常重要且必須解決的問(wèn)題。

本系統(tǒng)通過(guò)空間治理，統(tǒng)一空間基準(zhǔn)，整合空間地理數(shù)據(jù)和港口的規(guī)劃、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間地理信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合、查詢，展現(xiàn)互聯(lián)互通，形成港岸線管理“一張圖”。結(jié)合港口社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，形成涵蓋二維、三維一體化的全息、高清、高精的港口數(shù)字空間，從較為單一的GIS數(shù)據(jù)升級(jí)為融合多源、異構(gòu)、多時(shí)態(tài)空間數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)用和分析的需求，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無(wú)縫融合、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建立和空間數(shù)據(jù)快速更新。

由于一般的三維地形數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)非常龐大，國(guó)內(nèi)很多系統(tǒng)都沒(méi)有解決地形網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，可以實(shí)時(shí)地以流模式(Streaming)的形式發(fā)布三維地形模型數(shù)據(jù)。在客戶端發(fā)送請(qǐng)求后，服務(wù)器端可以根據(jù)請(qǐng)求坐標(biāo)范圍向客戶端以流模式發(fā)送三維數(shù)據(jù)，而用戶能夠通過(guò)可變帶寬來(lái)無(wú)縫接入三維數(shù)據(jù)。只要最初的三維數(shù)據(jù)以低分辨率的形式被接收到，用戶就不必等待全部三維數(shù)據(jù)加載完成即可以接入系統(tǒng)，且不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)連接的反應(yīng)時(shí)間或中斷的影響。這項(xiàng)技術(shù)能夠以一種更平滑和令用戶更滿意的方式來(lái)無(wú)縫顯示三維數(shù)字化的場(chǎng)景。同時(shí)，服務(wù)器可以將三維數(shù)據(jù)發(fā)布為OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，供其他系統(tǒng)和用戶無(wú)縫調(diào)用。

3 系統(tǒng)功能

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)功能共分為四個(gè)模塊，分別是三維瀏覽、港口資源、業(yè)務(wù)查詢統(tǒng)計(jì)、岸線審批等。

3.1 總體展示

用戶登錄系統(tǒng)后，等待系統(tǒng)加載地圖數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)全部加載完成后即可看到如圖4所示的三維地圖界面。三維瀏覽功能包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、測(cè)量等三維平臺(tái)基礎(chǔ)功能。

圖4 三維瀏覽界面示例圖

3.2 港口資源

港口資源模塊可以展示各個(gè)港口作業(yè)區(qū)的資源情況，包括現(xiàn)狀展示、規(guī)劃展示和對(duì)比展示。首先要選擇查看其資源的港區(qū)或者作業(yè)區(qū)，可以查看港區(qū)或者作業(yè)區(qū)的現(xiàn)狀情況或者規(guī)劃情況，也可進(jìn)行現(xiàn)狀情況和規(guī)劃情況的同屏對(duì)比，更加直觀地了解該港區(qū)或者作業(yè)區(qū)的資源情況。

3.3 業(yè)務(wù)查詢統(tǒng)計(jì)

業(yè)務(wù)查詢包括岸線查詢、港區(qū)查詢、作業(yè)區(qū)查詢、錨地查詢、泊位查詢、航道查詢、輔助區(qū)查詢和高級(jí)查詢等。根據(jù)用戶輸入的信息(岸線信息、泊位信息、作業(yè)區(qū)信息、輔助區(qū)、錨地、航道等)，在系統(tǒng)中會(huì)彈出關(guān)于所查詢內(nèi)容相關(guān)的一系列信息，用戶選擇好自己要查詢的信息后，點(diǎn)擊此信息，三維場(chǎng)景會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到該查詢對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)定位查詢。

其中，吞吐量統(tǒng)計(jì)功能可將歷年的港口資源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并生成餅狀圖進(jìn)行展示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以采用Excel等格式輸入，并支持將結(jié)果導(dǎo)出，方便保存和打印。

3.4 岸線審批

岸線審批功能將傳統(tǒng)的線下岸線審批流程進(jìn)行三維可視化管理，新申請(qǐng)的港口建設(shè)項(xiàng)目首先要通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行岸線坐標(biāo)檢測(cè)，當(dāng)用戶輸入岸線坐標(biāo)信息后，系統(tǒng)可以自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的地理位置，并判斷是否符合港口規(guī)劃以及是否被占用。如岸線檢測(cè)通過(guò)，即可匹配到相應(yīng)的規(guī)劃泊位。匹配以后，就可以按照岸線審批流程進(jìn)行初次上報(bào)。此模塊包含了四個(gè)功能：申請(qǐng)檢測(cè)、新建審批、流程管理、數(shù)據(jù)維護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)基于三維GIS和傾斜攝影等技術(shù)，對(duì)港口現(xiàn)狀和規(guī)劃場(chǎng)景進(jìn)行了真實(shí)的高精度還原，并集成了港口管理的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和岸線審批數(shù)據(jù)，同時(shí)可根據(jù)不同的條件進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和展示，實(shí)現(xiàn)了港口規(guī)劃可視化、港口資源數(shù)字化、港口業(yè)務(wù)無(wú)紙化的“規(guī)劃一張圖”管理，為港口行政管理部門提供決策依據(jù)，也為建設(shè)智慧北部灣港奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。