基于GIS的航道尺度動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)研究

孔祥倫 周自永 中國交通通信信息中心 鄭鵬勇 溫州市海洋漁業(yè)船舶安全救助信息中心

水道中，將具有一定深度、寬度、凈空高度和彎曲半徑，能供船舶安全航行的水域稱之為航道。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，航道可分為天然航道和人工航道；沿海航道和內(nèi)河航道；主航道和副航道等。航道尺度是指航道水深、寬度和彎曲半徑的總稱，航道尺度的大小直接決定著該航道的船舶通航能力。航道維護(hù)尺度及其保障率是各級內(nèi)河航道維護(hù)管理部門最重要的工作指標(biāo)，也是航道部門向海事管理部門、航運公司和船舶用戶等社會公眾公布的重要數(shù)據(jù)。在目前長江干線航道的維護(hù)管理工作中，特別是在以下的中游河段，水位變化幅度非常大、頻率高，水道淤積情況也異常復(fù)雜，經(jīng)常需要根據(jù)水位情況對航標(biāo)配布進(jìn)行調(diào)整以保障航道尺度能夠滿足要求。在每次測量后和航標(biāo)位置調(diào)整前和調(diào)整后，都需要對實際的航道尺度進(jìn)行測量和計算，日常工作中一般都采用激光測距儀配合水深測量數(shù)據(jù)對航道實際尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行人工測量和計算，計算方法較為復(fù)雜繁瑣，作業(yè)效率非常低，也無法實現(xiàn)自動化的監(jiān)測和預(yù)警。為了提高航道維護(hù)尺度監(jiān)測效率，在航道維護(hù)管理工作過程中，非常有必要根據(jù)測量數(shù)據(jù)、實測和預(yù)測水位信息，對重點區(qū)域水道的實際航道尺度進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測和自動預(yù)警。

在長江數(shù)字航道工程建設(shè)過程中，已經(jīng)構(gòu)建了基于GIS平臺的航標(biāo)和水位遙測監(jiān)控系統(tǒng)以及完善的空間地理信息數(shù)據(jù)庫，為進(jìn)行航道空間分析應(yīng)用提供了重要的基礎(chǔ)平臺。其中智能航標(biāo)的遙控遙測系統(tǒng)通過安裝在航標(biāo)上的GPS定位裝置獲得航標(biāo)的位置信息，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將航標(biāo)位置數(shù)據(jù)及監(jiān)控終端采集的航標(biāo)其他工作參數(shù)實時傳輸給航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)將航標(biāo)的工作參數(shù)及位置信息傳送給客戶端使用。本研究就利用上述的數(shù)字航道工程建設(shè)成果，采用基于GIS的空間分析技術(shù)解決了航道實際尺度監(jiān)測和預(yù)警應(yīng)用功能。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

1.1 航道動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

長江干線數(shù)字航道鳊魚溪至大埠街段建設(shè)工程中開發(fā)的航道動態(tài)監(jiān)測平臺作為全面、實時掌握航道各類動靜態(tài)信息監(jiān)測與控制系統(tǒng)，基于統(tǒng)一的電子航道圖GIS展示應(yīng)用平臺，集成了航標(biāo)遙測遙控、水位遙測遙報等功能，實現(xiàn)了對航道動態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集和歷史數(shù)據(jù)記錄查詢應(yīng)用。系統(tǒng)里可獲取到的與航道尺度計算相關(guān)的動態(tài)采集數(shù)據(jù)類型見表1所示：

表1 與航道尺度相關(guān)的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

有了這些實時采集數(shù)據(jù)以后，就可以在GIS平臺上與當(dāng)前的水深測量數(shù)據(jù)疊加到一起進(jìn)行空間計算，從而獲得實時的航道尺度數(shù)據(jù)。

1.2 空間地理信息數(shù)據(jù)

長江干線數(shù)字航道鳊魚溪至大埠街段建設(shè)工程還建設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)的長江航道基礎(chǔ)測繪空間數(shù)據(jù)庫，采用Oracle+ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫模型實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲，這種模式可以更加有效地管理數(shù)據(jù)、支持高并發(fā)的訪問和事務(wù)處理，也使得各類應(yīng)用系統(tǒng)所需的空間數(shù)據(jù)都可以從一個基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)測繪空間數(shù)據(jù)庫中抽取重組符合各應(yīng)用目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)，并且可以支持各種GIS應(yīng)用系統(tǒng)對航道基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。在進(jìn)行航道尺度計算時，基于空間數(shù)據(jù)庫中最新的航道水深測量數(shù)據(jù)與航標(biāo)和水位等實時數(shù)據(jù)進(jìn)行空間計算得出航道尺度數(shù)值。

2 航道尺度動態(tài)監(jiān)測預(yù)警功能設(shè)計

基于GIS地理信息數(shù)據(jù)及航道動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對航道尺度的動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警功能，具體功能流程圖如圖1所示：

圖1 航道尺度動態(tài)監(jiān)測預(yù)警功能流程圖

3 技術(shù)路線

3.1 確定航道界限

內(nèi)河航道通過航標(biāo)配布來合理地設(shè)置岸標(biāo)和浮標(biāo)以確定航道兩側(cè)邊界、揭示航道信息，從而保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)地航行。根據(jù)《內(nèi)河助航標(biāo)志》國家標(biāo)準(zhǔn)，通常以航標(biāo)標(biāo)位聯(lián)線或距其最小安全航行距離處作為航道邊界。數(shù)字這里根據(jù)長江干線宜昌段航道維護(hù)的工作實際，對單側(cè)設(shè)標(biāo)、過河標(biāo)、橋區(qū)標(biāo)、專用標(biāo)等不同設(shè)標(biāo)河段的航道界限確定規(guī)則，制定了如下處理策略如表2所示。

表2 特殊航標(biāo)的航道邊界確定策略

橋區(qū)多個通行橋孔依據(jù)各橋孔的浮標(biāo)連線加安全作用距離及橋墩兩側(cè)安全距離人工輔助確定專用標(biāo)和其他航標(biāo) 不參與自動確定界限，人工輔助

3.2 兩水位站間實測水位插值模擬

在長江干線數(shù)字航道工程建設(shè)過程中，鳊魚溪至大埠街段總長196公里航道內(nèi)共設(shè)置了15坐自動水位遙測站點，可以對航段內(nèi)的水位進(jìn)行實時采集和觀測。這些水位站所采集的水位數(shù)據(jù)都是測站位置的離散點水位值，在進(jìn)行航道尺度自動分析的過程中，需要對航道內(nèi)任意位置的水位與地形測量數(shù)據(jù)疊加才能準(zhǔn)確反映區(qū)域內(nèi)所有地形測量點的實際水深，因此需要采用插值模擬方法，對兩個水位站間的所有地形測量點水位進(jìn)行模擬以供空間分析使用。本文利用ArcGIS空間分析模塊的內(nèi)插功能[4],采用Natural Neighbor（自然鄰點插值）方法，以相鄰兩個水位站同一時間的實測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)進(jìn)行插值模擬，模擬出兩站間航道內(nèi)任意點的實時水位值，并與地形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后獲得航道內(nèi)任意區(qū)域的實際水深。

3.3 航道尺度空間計算

系統(tǒng)通過訪問數(shù)字航道數(shù)據(jù)庫獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對航道基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、航標(biāo)動態(tài)坐標(biāo)數(shù)據(jù)及水位專題數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索、瀏覽與分析。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的瀏覽與查詢基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)是專題數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，是整個系統(tǒng)的空間定位核心，該系統(tǒng)內(nèi)有多種比例尺地形圖，其要素按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類與編碼[5]，并作為底圖與專題要素進(jìn)行疊加顯示。通過訪問數(shù)據(jù)庫，選擇測量日期，對航道水下地形圖進(jìn)行加載，可使各種比例尺的地圖隨放大比例進(jìn)行切換顯示，同時對特定的要素通過設(shè)定參數(shù)進(jìn)行符號化。其中的航道水深專題數(shù)據(jù)的檢索與分析來自系統(tǒng)內(nèi)的水深專題數(shù)據(jù)，包括歷年主航道常規(guī)水深測量數(shù)據(jù)和歷年疏浚前后數(shù)據(jù)。其分別包括存儲平面圖和等深線圖的DWG 格式文件、存儲各水深測量點坐標(biāo)和水深值的DAT格式文件，兩者都可以加載后與地形圖進(jìn)行疊加顯示。

系統(tǒng)基于ArcGIS Engine10.1進(jìn)行開發(fā)，將地理信息數(shù)據(jù)與航標(biāo)動態(tài)坐標(biāo)、水位站實測水位和預(yù)測水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加進(jìn)行空間計算，將航道寬度、水深、彎曲半徑等計算結(jié)果與報警和預(yù)警門限進(jìn)行比對，對超出門限值的區(qū)域進(jìn)行報警和顯示。

4 實際應(yīng)用效果

本研究成果已經(jīng)實際應(yīng)用到長江干線數(shù)字航道鳊魚溪至大埠街段航道的日常維護(hù)管理工作中，首先在GIS平臺上選取了某一淺水道的實際地形測量數(shù)據(jù)，基于平臺上獲取到的航標(biāo)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取一個航段的上下邊界，根據(jù)航標(biāo)動態(tài)位置生成了航道邊界作為維護(hù)尺度監(jiān)測區(qū)域并輸入報警和預(yù)警門限。

區(qū)域和門限值設(shè)定完成后，系統(tǒng)會后臺運行，并根據(jù)航標(biāo)動態(tài)位置實時監(jiān)測航道寬度和彎曲半徑是否超出門限，根據(jù)水位站實時采集數(shù)據(jù)及插值模擬數(shù)據(jù)與地形測量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后監(jiān)測水深是否超出門限值，根據(jù)水位站預(yù)測水位數(shù)據(jù)監(jiān)測對航道內(nèi)的水深進(jìn)行預(yù)警。

5 結(jié)語

本文采用基于ArcGIS Engine10.1開發(fā)的航道動態(tài)監(jiān)測平臺，以航道水下地形測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合航標(biāo)動態(tài)位置、水位站實時采集和模擬水位進(jìn)行空間計算，實現(xiàn)了自動根據(jù)航標(biāo)動態(tài)坐標(biāo)和動態(tài)水位采集數(shù)據(jù)對航道的維護(hù)尺度進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，為航道維護(hù)管理人員提供了對航道尺度的動態(tài)監(jiān)測工具，降低了航道維護(hù)管理工作強(qiáng)度，并可為航標(biāo)配布計劃提供決策支持。