GIS 技術(shù)在長江航道沉船掃測中的應(yīng)用研究

曾 文 夏輝宇 周薛凱 游澤豪

(1.長江航道局應(yīng)急救助處,湖北 武漢 430010;2.長江南京水上應(yīng)急救助基地,江蘇 南京 210037)

0 引言

長江航道是貫通我國東、中、西部三大經(jīng)濟(jì)區(qū)的黃金水道,是長江經(jīng)濟(jì)帶綜合立體交通的主骨架。 然而,由于各種原因,長江航道分布有眾多沉船。 沉船不僅對船舶通航構(gòu)成安全風(fēng)險,其內(nèi)部的燃油和潛在的危化品也存在泄漏風(fēng)險,對長江生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源造成嚴(yán)重威脅[1]。 因此,對長江航道歷史沉船進(jìn)行打撈,對于保護(hù)長江生態(tài)和保障航道安全暢通具有重要的現(xiàn)實意義[2]。

沉船掃測作為沉船打撈工作的重要環(huán)節(jié),為潛水作業(yè)和打撈任務(wù)提供了全面可靠的信息支持和安全保證。 然而,長江航道的沉船掃測面臨著一系列困難和挑戰(zhàn)。 首先,水下沉物種類多樣,可能影響掃測結(jié)果的解讀精度。 其次,長江的水文條件復(fù)雜,特別是在能見度低的情況下,光學(xué)探測方法的效果較差。 最后,長江航道復(fù)雜的船舶交通不僅增加了作業(yè)的風(fēng)險,而且船舶的頻繁通行可能會干擾掃測的準(zhǔn)確性[3]。 在這些情況下,傳統(tǒng)的航道測繪手段的應(yīng)用效果受限。

相較于傳統(tǒng)測繪方法,GIS(Geographic Information System/Science)技術(shù)的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在對多源空間數(shù)據(jù)的集成能力、強(qiáng)大的空間分析和可視化功能,以及其高度的靈活性和可擴(kuò)展性。 當(dāng)GIS 技術(shù)被應(yīng)用于沉船掃測中,它不僅可以提升掃測作業(yè)的科學(xué)性和效率,而且可以從多個視角對掃測成果進(jìn)行深入分析,從而增強(qiáng)目標(biāo)識別的精度,深化對掃測成果的認(rèn)識。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是提出一套基于GIS 技術(shù)的沉船信息數(shù)據(jù)整合、沉船掃測范圍設(shè)計和沉船掃測成果分析方法,并結(jié)合長江航道沉船掃測實際案例論述了技術(shù)細(xì)節(jié)與實際應(yīng)用效果。

1 相關(guān)技術(shù)概述

1.1 沉船掃測技術(shù)

沉船掃測是一種水下探測技術(shù),主要用于發(fā)現(xiàn)和定位水底沉船或其他障礙物,以保障航道、港口、錨地等水域的通航安全。 在早期,沉船掃測主要采用接觸式掃測,包括硬式掃床和軟式掃床兩種方法,然而這種方法存在較大的作業(yè)風(fēng)險,成本高且準(zhǔn)確率不高。 隨著技術(shù)進(jìn)步,非接觸式掃測已經(jīng)逐漸取代接觸式掃測。 非接觸式掃測是指利用磁學(xué)和聲學(xué)技術(shù)儀器在不接觸沉船條件下進(jìn)行檢測[4]。 海洋磁力儀是磁學(xué)探測的主要工具,它能測量地磁場的微弱變化,從而探測水底的磁性物質(zhì)或結(jié)構(gòu)。 由于沉船通常具有較強(qiáng)的磁性,海洋磁力儀常被用于探測被淤泥覆蓋的船體[5-6]。聲學(xué)探測是應(yīng)用最為廣泛的掃測技術(shù),它通過發(fā)射和接收聲波生成水底的二維或三維影像,從而實現(xiàn)沉船的檢測[7]。 最常見的聲學(xué)探測設(shè)備包括側(cè)掃聲吶、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等。近年來,三維側(cè)掃聲吶、多頻三維合成孔徑聲吶等更為先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備也開始被應(yīng)用于沉船掃測[8-9]。

1.2 GIS 技術(shù)

GIS 是地理信息系統(tǒng)的簡稱,GIS 是設(shè)計用于支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和展示的系統(tǒng),以解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。隨著GIS 領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和理論、技術(shù)的進(jìn)步,GIS 已逐步發(fā)展為一個研究地理信息系統(tǒng)和地理信息技術(shù)基礎(chǔ)原理及應(yīng)用的科學(xué),包括地理空間數(shù)據(jù)、信息、知識和技術(shù)的理論、概念、方法和技術(shù)。 本文所述的GIS 技術(shù)是指構(gòu)建地理信息系統(tǒng)過程中涉及的一系列方法和工具,包括如下幾類。

1)空間數(shù)據(jù)采集技術(shù):包括利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)獲取精確的地理位置,使用遙感手段采集地表信息,以及通過地理編碼將非空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)。

2)空間數(shù)據(jù)管理技術(shù):包括空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)引擎,實現(xiàn)不同類型空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、檢索和管理。

3)空間數(shù)據(jù)處理技術(shù):包括空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)和投影轉(zhuǎn)換等技術(shù),以及執(zhí)行各種地理處理任務(wù)如矢量化、柵格化、插值、平滑等。

4)空間數(shù)據(jù)分析技術(shù):這是GIS 的核心技術(shù),用于分析和理解地理空間中的模式和關(guān)系,包括空間查詢、空間統(tǒng)計以及更復(fù)雜的空間模型。

5)空間數(shù)據(jù)可視化技術(shù):GIS 技術(shù)能夠?qū)⒌乩頂?shù)據(jù)可視化,通常是以地圖的形式,包括基本的地圖制作以及更復(fù)雜的三維地圖等。

6)空間數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù):使用各種Web 技術(shù)發(fā)布和共享GIS 數(shù)據(jù)和服務(wù)。

2 GIS 技術(shù)在沉船掃測中的應(yīng)用

2.1 沉船信息數(shù)據(jù)整合

在進(jìn)行沉船掃測之前,首先需要通過多種方式收集與沉船相關(guān)的信息,為掃測提供詳盡的基礎(chǔ)。 這些信息通常包括航道基礎(chǔ)地理信息、事發(fā)水域的地形地貌、水文氣象以及船舶通航等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有些源自信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,有些由海事機(jī)構(gòu)提供,有些通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲得,因此,數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)的使用等方面存在不一致性,數(shù)據(jù)質(zhì)量也存在差異。 數(shù)據(jù)處理首先需要將CSV 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS 能夠讀取和處理的GeoJSON或Shapefile 格式。 借助GIS 的坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換功能,將各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng),以確保數(shù)據(jù)的空間一致性。 將高程系統(tǒng)統(tǒng)一為1985 國家高程基準(zhǔn),在某些情況下,還需要將數(shù)據(jù)調(diào)整至統(tǒng)一的時間范圍,例如,將船舶AIS 航跡數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)融合到同一的時間序列中。

2.2 沉船掃測范圍設(shè)計

設(shè)計沉船掃測范圍需要考慮多種影響因素,包括沉船位置、航道條件、水下地形、船舶通航以及氣候條件等。 傳統(tǒng)的掃測范圍設(shè)計主要依賴于經(jīng)驗,往往無法實現(xiàn)對多源數(shù)據(jù)的綜合分析。 GIS技術(shù)在沉船掃測范圍設(shè)計階段的應(yīng)用包括如下三個方面。

2.2.1 確定沉船概位

從海事部門獲取的沉船報告位置通常以與航道、航標(biāo)的相對位置來描述,例如,位于某紅浮連線外約XX 米。 在這種情況下,需要利用GIS 的測量和繪圖工具,在電子航道圖上標(biāo)注其大致位置。 如果能夠獲取沉船的最后AIS 數(shù)據(jù),應(yīng)使用空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將AIS 軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)換為軌跡線,并將其疊加在底圖上。

2.2.2 繪制掃測區(qū)域

在GIS 中新建一個圖層,并以沉船概位為中心創(chuàng)建一個緩沖區(qū),以初步確定潛在的掃測區(qū)域。掃測區(qū)域的方向應(yīng)與水流方向一致。 此外,可以利用空間分析工具研究水深、地形、流速、流向、風(fēng)力和風(fēng)向等因素,或者利用GIS 的流向分析功能預(yù)測沉船可能的漂移方向。 如果在掃測區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)沉船,可能需要對范圍進(jìn)行擴(kuò)大,例如,沿著沉船AIS 航線的反向重新進(jìn)行掃測。

2.2.3 設(shè)計掃測路徑

在確定了掃測區(qū)域后,需要設(shè)計掃測路徑,即測線。 可以利用GIS 工具疊加水下數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行分析,如果掃測區(qū)域的水深較大,測線可能需要更密集;如果水深較淺,測線可以相對稀疏。 還可以通過疊加沉船水域的船舶軌跡熱力圖,分析掃測工作可能對航行的影響以及掃測工作自身的安全性。

2.3 沉船掃測成果分析

GIS 技術(shù)在沉船掃測成果分析中的應(yīng)用包括以下三個方面。

2.3.1 自動檢測聲吶圖像中的沉船

GIS 中常用的遙感圖像處理和目標(biāo)提取算法可以被用于水下聲吶圖像中的沉船自動識別[10-11]。 尤其是近年來深度學(xué)習(xí)的發(fā)展進(jìn)一步提高了目標(biāo)識別的準(zhǔn)確性。

2.3.2 結(jié)合多源數(shù)據(jù)確認(rèn)掃測結(jié)果中的目標(biāo)

長江航道水下沉船沉物種類眾多,沉船在水下的形態(tài)特征也各異,有時僅憑掃測結(jié)果難以確定是否為沉船,或者無法判斷是否為目標(biāo)沉船。此時,有必要結(jié)合多源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷以進(jìn)行目標(biāo)確認(rèn)。 例如,利用GIS 的空間分析功能,將掃測結(jié)果二維柵格圖或三維點(diǎn)云圖與該水域DEM 進(jìn)行疊加和融合分析,有助于獲取更全面的信息,更準(zhǔn)確地確定目標(biāo)屬性。 此外,遙感影像中的同類船舶的尺寸和位置也可以助于判斷沉船目標(biāo)。

2.3.3 分析沉船掃測的三維結(jié)果的特征

利用GIS 的三維分析工具,如體積分析、表面分析等,來進(jìn)一步分析沉船的三維特征。 這有助于從多個角度和尺度理解沉船的位置和形態(tài),評估沉船的大小形狀以及其與水底的關(guān)系等。

3 案例分析討論

3.1 科學(xué)規(guī)劃,提升掃測效率

長江航道沉船掃測主要使用多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶開展。 面對長江航道的高船舶密度以及復(fù)雜的水下地形等挑戰(zhàn),進(jìn)行掃測任務(wù)前的準(zhǔn)備工作尤為重要。 需要收集各類地理信息數(shù)據(jù),然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行掃測范圍和測線的合理規(guī)劃,這將有效提升掃測效率。 表1 所示為實際工作中收集的多源數(shù)據(jù)類型。

表1 長江航道沉船掃測準(zhǔn)備階段采集數(shù)據(jù)類型

在完成數(shù)據(jù)采集后,我們使用ArcGIS 工具進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的整合。 這個過程主要包括以下幾個步驟。

1)異常處理:對數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行處理是必要的,尤其是在AIS 軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)中異常值最為常見。 我們采用了文獻(xiàn)[12]中的預(yù)處理流程,該流程包括軌跡數(shù)據(jù)組織、刪除錯誤記錄以及刪除異常位置三個步驟。

2)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:從DWG 和EDB 格式的航道測圖中提取有用的水深點(diǎn)信息,并將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000 格式,進(jìn)而構(gòu)建出一個水下數(shù)字高程模型[13]。 此外,我們還將包含最新航標(biāo)位置的CSV 文件轉(zhuǎn)換為Shapefile 格式。

3)數(shù)據(jù)整合:通過ArcGIS 的地圖服務(wù)功能,我們調(diào)取了電子航道圖和遙感影像地圖作為航道基礎(chǔ)信息地圖,并將多源數(shù)據(jù)疊加到底圖上。 如 圖1 所示的是多源空間數(shù)據(jù)疊加的效果圖。

圖1 多源空間數(shù)據(jù)疊加效果圖

基于數(shù)據(jù)整合結(jié)果,我們參照2.2 節(jié)所述的方法,在GIS 中新建一個圖層以繪制掃測范圍。 如圖2 所示,黑框區(qū)域即我們規(guī)劃的掃測范圍。 通過將該區(qū)域的AIS 軌跡熱力圖疊加在上面,我們發(fā)現(xiàn)在掃測區(qū)域內(nèi)存在渡輪軌跡。 因此,在進(jìn)行掃測作業(yè)時,應(yīng)對此區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測,以避免可能發(fā)生的船舶碰撞。 這種結(jié)合GIS 技術(shù)和實際狀況的方法,能夠在掃測過程中為我們提供更多的信息,從而提高我們的工作效率并減少潛在的風(fēng)險。

圖2 掃測范圍設(shè)計示意圖

在完成掃測范圍的繪制后,我們利用GeoServer 將該圖層發(fā)布為Web 服務(wù)。 這樣,掃測工作船可以在現(xiàn)場實時調(diào)用和查看,從而及時掌握掃測范圍和測線的更新情況。

與傳統(tǒng)的航道掃測方式相比,結(jié)合GIS 的掃測工作模式綜合考慮了多種因素,包括航道條件、最新的航標(biāo)配布以及水下地形的變化,從而能夠得到更準(zhǔn)確的掃測范圍。 同時,通過利用GIS 服務(wù)的發(fā)布功能,船端能夠在第一時間獲取掃測區(qū)域和測線的更新情況,這不僅提高了掃測效率,也降低了現(xiàn)場工作的工作量。

3.2 多源融合,提升識別精度

多波束掃測的結(jié)果主要包括二維柵格圖、三維點(diǎn)云圖和水深點(diǎn)文件。 二維柵格圖為每個格網(wǎng)(grid)賦予高程信息,這可以直觀地展示沉船水域的地形地貌。 三維點(diǎn)云圖則能從多個視角顯示掃測結(jié)果的細(xì)節(jié),允許對成果進(jìn)行深入地觀察和分析。

為實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合分析,需要為二維柵格圖賦予坐標(biāo)系統(tǒng)信息,這可以在多波束軟件中將成果導(dǎo)出為GeoTIFF 格式實現(xiàn)。 在ArcGIS中,我們可以將柵格圖疊加到電子航道圖或遙感底圖上,進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的綜合分析和解讀。如圖3 所示,左圖通過與電子航道圖的融合,可以輔助我們分析沉船的礙航情況;右圖則通過與高分辨率遙感影像的融合,使我們能夠?qū)邷y結(jié)果與周邊船舶進(jìn)行尺寸對比,從而匹配沉船目標(biāo)的類型。

圖3 沉船掃測成果與多源數(shù)據(jù)融合分析效果圖

與傳統(tǒng)的單一來源的結(jié)果分析方式相比,基于GIS 的多源數(shù)據(jù)分析模式有助于我們獲取更全面的信息。 這不僅大大提高了我們識別沉船目標(biāo)的準(zhǔn)確率,也為后續(xù)的潛水探測、沉船打撈和航道維護(hù)提供了更多的信息支持。

3.3 分析特征,發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律

利用GIS 可視化技術(shù),我們對沉船水域的三維特征進(jìn)行了深入分析。 如圖4 所示,在長江下游的沙質(zhì)河床上,我們在多處沉船掃測結(jié)果中發(fā)現(xiàn),沉船附近均存在明顯的沖刷坑,而且這些沖刷坑的走向與水流方向一致。

圖4 沉船附近沖刷坑示意圖

沖刷坑的形成是一個復(fù)雜的流體動力學(xué)過程,與河床地質(zhì)、水流速度和方向、沉船的大小和形狀等因素有關(guān)。 在圖中四處沉船所在的河床主要受徑流影響,沉船對水流產(chǎn)生阻擋,導(dǎo)致沉船上游的水流速度減慢,沉積物沉積。 而在沉船下游,水流重新加速并匯聚,形成一個高速的渦流區(qū),即渦流。 這個渦流持續(xù)侵蝕沉船下游的河床部分,形成深坑。 大型沉船可能會引導(dǎo)更大的水流繞過,形成更強(qiáng)烈的渦流,從而更易于侵蝕河床,形成深坑。 相反,小型的沉船可能產(chǎn)生的渦流較弱,其侵蝕力也相對較小[14-15]。

在過去,由于缺乏GIS 技術(shù)的支持,技術(shù)人員對沉船掃測結(jié)果的分析并不充分。 通過引入GIS技術(shù),我們能夠?qū)Ρ确治霾煌愋统链膾邷y結(jié)果,從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律,加深對沉船水域河床變化的理解。 這使得我們今后的掃測搜尋模式從“以船找坑”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙钥訉ご薄?在未來的研究中,我們將深入探析基于多波束圖像的沙質(zhì)河床沉船沖淤特征,通過數(shù)值模型和物理模型等方法來揭示沉船沖刷坑的形成機(jī)理,為未來的沉船掃測搜尋提供理論支持。

4 結(jié)論

本研究從空間數(shù)據(jù)整合、掃測范圍設(shè)計、掃測成果分析以及掃測成果可視化等方面,深入探討了GIS 在沉船掃測中的應(yīng)用方法。 結(jié)合長江航道沉船掃測的實際案例,對GIS 技術(shù)在沉船掃測工作中的實際效果進(jìn)行了分析和討論。 與傳統(tǒng)掃測工作相比,基于GIS 的掃測模式能夠有效地整合和分析多源空間數(shù)據(jù),這不僅提高了掃測的效率,也提升了目標(biāo)識別的精確度。 通過利用GIS 的空間分析功能,我們發(fā)現(xiàn)了沉船水域沖刷坑形成的規(guī)律,并從機(jī)理角度進(jìn)行了初步的解釋。 未來研究將更深入地探討GIS+BIM 技術(shù)在沉船掃測建模中的應(yīng)用。 此外,對長江航道空間數(shù)據(jù)庫中的沉船掃測成果數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地組織和管理,也是今后重要的研究方向。