內河電子航道圖數據構建與顯示技術研究

辛全波，畢金強*，房新玉,2，楊東遠

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

目前，我國以數字航道、智能航運為信息化發展目標，大力開展內河航運信息化建設。電子航道圖作為“數字航道”建設的核心內容，起著數據基礎和系統支撐的關鍵作用。近年來，江海聯運促進了內河航運的發展，對電子航海圖與內河電子航道圖的銜接提出了新的要求。在此背景下，內河電子航道圖的建設要以符合電子航海圖的相關標準為前提。內河電子航道圖是在遵循國際航道測量組織發布的相關標準規范的前提下，融入了大量內河航道要素[1-2]，以更準確地表達內河的特征。但是，對于內河特有的要素，《數字海道測量數據傳輸標準》(簡稱 S-57)中沒有準確的物標與其對應，往往采用最為接近的物標編碼[3]。

出現上述問題的原因在于電子海圖最初針對航海設計，更加注重國際化和標準化，而內河電子航道圖針對特定內河，相對比較封閉、獨立，尤其我國內河眾多，各內河在建設電子航道圖時，需要結合航道的實際情況開展工作，對與國際標準的對接問題重視程度不夠。隨著江海聯運的興起，二者的銜接和統一成為重要研究內容。因此，在保證國際標準電子航海圖應用的前提下，如何構建通用的內河數據模型來滿足內河電子航道圖的個性化數據需求是研究的關鍵。此外，內河間存在地域差異，其數據內容和應用領域不盡相同，如何在國際標準的基礎上根據實際情況對內河數據模型進行靈活擴展也是重要的研究內容。

許多研究[4-7]結合具體區域的實際情況，針對特定內河開展電子航道圖標準的制訂工作，并對電子航道圖顯示與應用中的關鍵問題進行了研究。截至目前，國內多家單位開展了內河電子航道圖的研究工作，其中，長江航道局[5-8]研究最為深入，制訂了具有長江特點的一系列電子航道圖技術標準，并搭建了長江電子航道圖生產系統，形成了完整的服務體系。隨后，針對珠江、西江、贛江等河流，相關單位也相繼發布了符合自身特色的內河電子航道圖。隨著研究的深入，國內學者已經認識到統一的技術標準規范是實現內河電子航道圖數據共享和業務協同的關鍵保障[9]，行業標準《內河電子航道圖技術規范》的制訂工作正穩步推進[10]。我國在內河電子航道圖的研究上已經取得了一些成功的經驗，并開展了相關標準的研究與制訂工作，在電子航道圖的應用研究方面也有了初步成效。但目前的研究大多針對特定內河，更多的關注頂層設計和行業標準，對于從技術層面的研究相對較少，尤其是在標準化電子航道圖顯示技術等方面，尚未形成通用的數據構建和顯示方法。

針對上述問題，本文從行業標準的兼顧和擴展上著手，分析內河電子航道圖的數據模型特點，對其數據構建方法展開研究，并運用GIS和信息化等技術手段，對內河電子航道圖標準化顯示進行研究。

1 電子航道圖建設現狀及遇到問題

表1 CJ-57對國際標準的擴展情況Tab.1 Extension of CJ-57 to international standards

當前國內在進行內河電子航道圖建設時，可供參考的數據交換標準主要有國際海道測量組織(IHO)發布的S-57標準、國際內河電子航道圖協調組(IEHG)發布的IENCs標準、長江航道局發布的長江電子航道圖數據傳輸標準(簡稱CJ-57)。其中，前兩者為國際通用的數據標準，CJ-57是我國相對成熟且已取得實際應用的內河標準。CJ-57在借鑒國際標準的基礎上，結合了長江自身的特色，對S-57和IENCs中的物標和屬性進行了修改和擴充，詳細情況如表1。

CJ-57針對長江特點設計，不能完整且準確地表達我國所有內河的地理要素，其他內河在建設電子航道圖時，只能借鑒長江經驗而不能照搬，如珠江因地理位置、流向和航運條件上的不同，在水位變化、繪圖基面、航標燈等方面存在差異[5]；鴨綠江特殊的界河地位賦予物標特殊的屬性，不能與常規物標同等對待；諸如京杭運河、松花江、遼河等河流在環境、經濟、航道等方面各有特色。基于我國內河情況各異的現狀，分析在建設內河電子航道圖時遇到的問題是前提。

在內河電子航道圖數據構建和顯示中，需要考慮的問題包括數學基礎、比例尺、用途、物標、屬性、符號、顯示等，本文主要從技術層面對數據構建和顯示技術進行研究，重點闡述物標、屬性、符號與顯示等方面的問題。

(1)空間參考不統一。

我國的內河分布范圍廣，空間跨度大，因此建立統一的空間坐標參考至關重要，一方面，統一的坐標參考是內河數據共享的基礎，另一方面，江海聯運要求內河之間、內河與海洋之間要進行銜接。國際標準化的電子海圖系統規定采用WGS-84坐標系，我國航運相關部門一直習慣于使用北京-54坐標系或西安-80坐標系，部分地區在實際應用中使用的是地方坐標系。按照國家自然資源部要求，自2018年7月1日起全面使用2000國家大地坐標系。因此，為了統一內河間的電子航道圖建設，同時使其符合國際標準，在內河電子航道圖數據構建時，宜采用2000國家大地坐標系，并建立與WGS84坐標系的轉換關系。

(2)物標分類不準確。

對于內河中特有的要素如感潮分界線、里程線、推薦航線，使用S-57標準定義物標時多采用與其相近的編碼，然而現有編碼無法準確表達內河航道要素的主要特征。如對航標的定義，我國采用的《內河助航標志》(GB 5863-1993)，與國際標準電子海圖中對航標的定義相比，為適應河流水道的特點，很多航標需要區分左右岸，同時航標類型也更為復雜[11]。

(3)屬性編碼不完整。

S-57標準中的部分屬性編碼無法準確表達內河航道要素的主要特征，以碼頭為例，碼頭的類別通過屬性CATSLC (岸線建筑物類)來標識，S-57標準中根據碼頭的結構形式定義了突碼頭、棧橋式碼頭、順岸碼頭、固定面碼頭、敞開面碼頭共5 種碼頭，缺少我國內河中的重力式碼頭、斜坡式碼頭、高樁碼頭的定義。

(4)顯示符號多且與物標的對應關系復雜。

S-52和CJ-52中對電子航道圖的顯示內容、顯示模式和符號進行了規定，物標與符號對應關系的建立是顯示電子航道圖的前提，顯示的符號由物標、幾何、屬性、顯示模式等共同決定。由于電子航道圖中物標和屬性繁多，物標與屬性是多對多的關系，因此電子航道圖的顯示要有存儲與檢索高效的顯示符號庫來支撐。

(5)顯示規則復雜。

內河電子航道圖的顯示受到屬性、輸入參數和判定條件的影響，如燈標要根據方位和張角來確定扇形符號顯示方式，安全等深線和安全深度影響孤立危險物的顯示等。自適應顯示使得電子航道圖的顯示規則更為復雜，它要求在進行地圖操作時能夠根據顯示要求自動調整當前顯示內容。

從上述問題可以看出，要實現電子航道圖的標準化顯示，數據模型起到關鍵的作用。從技術層面實現數據模型的靈活構建，滿足不同內河的業務需求并適應行業標準的更新是研究的主要內容。

2 電子航道圖數據構建技術

2.1 基于國際標準的數據模型擴展

江海聯運的發展使內河電子航道圖的建設要滿足國際電子海圖的需要，這就要求在進行數據模型擴展時一定要基于國際標準擴展。較電子海圖標準，內河電子航道圖標準主要在航行用途、物標種類、屬性編碼上存在差異。航行用途的差異影響其數據詳細程度和顯示比例尺，物標種類和屬性編碼的不同則直接影響其數據的解析和顯示。將電子海圖標準直接應用到內河上，難以保證數據的完整性和準確性，容易產生物標缺失或屬性編碼不匹配等問題。如何保證在支持國際標準顯示的基礎上，保留內河要素的特點，準確完整的呈現內河特有的要素信息是內河電子航道圖數據構建的關鍵問題。即同一數據成果既能在支持國際標準的電子海圖系統中顯示，又能在支持內河標準的電子航道圖系統中顯示。

圖1 物標和屬性 擴展示意圖Fig.1 Extension of objects and attributes

本文采用了擴展屬性的方式實現內河物標和屬性的擴充，在保留國際標準數據模型和內容基礎上增加了我國內河標準中對于要素的特殊屬性。對于新增物標，保留原有物標信息的同時，增加物標屬性標識在內河標準中的物標類別，為了區分S-57和CJ-57，物標和屬性編碼從30001開始。在實際數據生產中，沿用S-57的數據模型定義和數據組織形式，僅對屬性的類型和取值進行擴充，以S-57物標分類為大類，新增物標為子類，確保數據在不同標準的系統都能正確顯示。同樣，對于新增的屬性或編碼，保留S-57標準中的定義，將新的屬性和編碼存儲到擴展的屬性中，既保留原有屬性和編碼信息，又能記錄屬性編碼擴展信息。如斷橋及其周邊附屬設施作為鴨綠江上具有特殊意義的地物，為了突出其特殊性可進行物標和屬性的擴展。圖1為擴展物標和屬性的示意圖，擴展后保留S-57中物標分類，OBJNAM值為11表示物標名稱對應S-57中的BRIDGE(橋梁)，CATBRG值為6表示橋梁類型為浮橋，CATYZR字段對應CJ-57中的物標分類，值為26003表示物標類型BTRCTR(跨江建筑物)，CATYLR和ACTUSE為擴展的物標和屬性字段，為避免與S-57或CJ-57重復，新增的物標或屬性以10001標識開頭，CATYLR值為10001表示物標類型為CUTOFF(斷橋)，ACTUSE值為10001表示建筑用途為景觀建筑。

2.2 物標索引機制

內河電子航道圖物標繁多，顯示規則復雜，物標的顯示符號由物標、屬性、幾何形狀等因素共同確定，且受到空間位置、顏色模式、比例尺等條件的影響。因此，理清符號庫中物標、屬性、編碼與符號的對應關系，建立清晰的物標索引機制對于內河電子航道圖的符號化至關重要。

依據IHO發布的《INT1海圖圖示》和《電子海圖內容與顯示規范》(S-52)等相關標準規范，結合長江航道局的經驗和內河實際情況，梳理各類物標在不同用途或不同場景下的顯示方法，采用自上而下的層次結構，建立了物標定義、幾何形狀、屬性字首詞、屬性標識、屬性優先級的逐級索引機制，將復雜的多對多關系抽象成結構化的二維關系，簡化了符號化過程中的復雜邏輯處理，最終建立了完整、高效的符號索引表(圖2)。

如“VEGATN,C,CATVEG,15,C31.3,VEATN03,FILL,189”為按照上述規則建立的一條符號化指令，對應符號索引表中的一條記錄，它表示物標為VEGATN(植被)時，按分類編碼C對符號進行過濾，屬性CATVEG(植被類)=15(針葉樹)對應的INT1值為C31.3，對應符號庫中名稱為VEATN03編號為189的面符號。

3 電子航道圖標準化顯示技術

圖2 物標與符號索引的建立Fig.2 Establishment of index of objects and symbols

數據模型的定義將直接影響內河電子航道圖的顯示方式，通常情況下，進行電子航道圖的顯示多采用對物標和屬性進行符號化的方法，而符號參照標準制作，其類型和檢索方法基本保持不變。本文采用的擴展屬性和物標索引使得電子航道圖的顯示與常規方法產生差異。因此，本文在數據構建成果的基礎上，研究GIS環境下電子航道圖的標準化顯示技術。其一，基于已建的物標索引機制，確定顯示符號庫的構建方法，解決物標與符號匹配規則復雜的問題；其二，將GIS的可視化方法應用到電子航道圖中，提供了直觀、標準化的顯示效果；其三，確定合適的數據抽稀方法，解決電子航道圖特有的自適應顯示問題。

3.1顯示符號庫

圖3 沉船的符號制作流程Fig.3 Process of making wreck symbols

相比于常規電子地圖，電子航道圖的數據內容及表現形式更加多樣化，實現標準化顯示也更加復雜，而顯示符號庫是電子航道圖標準化顯示與表達的重要組成部分[11]。目前，國內對電子海圖符號的構建方法的研究已經成熟，本文通過對GIS環境下電子地圖符號構建方法的研究與比對，確立了以 Arc GIS 為符號制作平臺、以 Auto CAD 為圖元繪制工具的符號構建方法[12-13]，并按照此方法建立了一套較為完整的電子航道圖符號庫。首先，在AutoCAD中繪制出標準海圖符號圖元，使用造字軟件FontCreator制作TrueType字體；其次，使用ArcGIS符號管理器對符號顏色、大小、形狀等屬性信息統一組織管理；最后，將制作成果輸出為數據庫型的符號庫。在符號管理方面，對常用的符號分類為點、線、面、顏色等，將有利于符號信息的修改、定義、存儲、檢索和符號的重組等。例如沉船的符號制作流程(圖3)。

3.2 基于GIS的可視化

要正確的顯示電子航道圖，除了基本的符號化操作以外，還要根據相應的顯示規則對數據進行渲染和處理，如角度的旋轉、物標的組合、中心點面符號顯示、特殊物標處理等。GIS提供豐富的可視化方法能夠解決這些問題，如圖4-a所示，通過分級色彩渲染實現定量定級顯示深度范圍深淺分布，直觀表達航道的通航條件；如圖4-b所示，根據陸標類型值的不同，采用唯一值渲染方法，對其定性分類進行符號化，唯一值渲染在電子航道圖的使用最為廣泛，適用于大部分物標與符號的匹配；如圖4-c所示，實現了基于角度的物標旋轉；如圖4-d所示，根據航標屬性的不同，選擇相應的符號進行組合，實現符號的靈活應用。

4-a 分級渲染表達不同深度的水深4-b 唯一值渲染表達障礙物4-c 角度渲染表達船舶的航向4-d 組合物標表達燈標屬性圖4 GIS渲染方法在內河電子航道圖中的應用Fig.4 Application of GIS rendering method in inland electronic chart

3.3 自適應顯示

相比于廣闊的海域，內河航道的顯示區域相對狹窄，數據內容更為詳細。一方面，內河航道要素類型多而復雜，多種類型的數據要素需要集成顯示；另一方面，一些數據本身數據量大，如水深點，容易造成疊加、壓蓋等問題。此外，當顯示比例尺小于數據的原始比例尺時，數據發生堆積，無法準確表現數據的內容。因此，本文在顯示要素過程中，對數據進行抽稀處理，進一步實現數據隨空間范圍和地圖比例尺的自適應顯示。

目前對于數據抽稀方法的研究比較成熟，常見的方法有基于結構化格網的抽稀[14]、基于距離權重的抽稀[15]、基于特征點的抽稀[16-17]、基于空間相關性的抽稀[18]等。這些方法都有特定的適用場景，如基于格網的抽稀可應用在大尺度海洋場的可視化和激光點云數據處理中，基于距離權重的抽稀被廣泛應用到電子地圖的興趣點顯示上，基于空間相關性的抽稀則更適合模擬海洋場的衍變過程[19-22]。

針對內河航道狹窄、流向變化復雜、局部特征數據密集的特征，本文采用的是基于不規則格網和距離權重相結合的方法對數據進行抽稀。首先，以航道中心線為基準，參照岸線幾何形態和航道水深情況劃分特征區域，對該區域采用基于距離權重的抽稀方法；其次，對河道的其他區域進行有限元劃分，對邊界、彎曲、狹窄等特殊區域采用更精細的網格；再次，調整不同比例尺級別的抽稀參數，即兩點間最小距離和最小單元格尺寸；最后，調整參數使區域鄰接位置的稀疏程度更為接近。圖5為應用該方法對水深數據進行抽稀的效果圖。

5-a 原始水深點5-b 網格劃分5-c 小比例尺抽稀結果5-d 大比例尺抽稀結果圖5 水深數據的抽稀方法Fig.5 Thinning method of sounding points

4 案例分析

以我國北方某內河下游為例，應用本文介紹的電子航道圖數據構建技術和標準化顯示方法，開展數字航道信息化的平臺建設，形成了從數據生產到標準化顯示再到業務應用的完整的技術流程。

4.1 研究區域概況

圖6 技術流程圖Fig.6 Technical flow chart

該內河支流眾多，上游屬于典型的山區河流，河道坡陡流急，通航條件差，下游地勢平坦，航行條件較好，具有我國內河的一般特征，可驗證方法的可行性。該內河地理位置特殊，在航道維護和船舶通航的管理上更為嚴格，有對物標和屬性進行擴展的需求，可驗證方法的適用性。下游河道沖刷和泥沙淤積嚴重，使河口的島嶼和岸線產生巨大變化，需對水深數據抽稀以更好地表現深度變化，可驗證自適應顯示方法的可靠性。

4.2 數據生產

本文選用清華山維EPS平臺和ArcGIS Charting平臺作為數據生產的主要工具，前者利用模板技術進行數據的存儲和標準化管理，可將多源異構的原始測量和調查數據轉換為符合S-57標準的數據格式，后者基于ArcGIS Geodatabase管理空間數據，支持靈活的物標和屬性擴展，同時提供了完整的S-57數據的管理、編輯、質檢、輸出流程。借助清華山維EPS平臺和ArcGIS Charting平臺，設計了電子航道圖的數據生產流程，實現數據的快速生產和質量控制。通過融合數據顯示規則和優化制圖表達方法，完成電子航道圖標準化顯示。本文設計技術流程如圖6所示。

4.3 業務應用

結合研究區域的特點，本文從基礎數據、船舶管理、水位變化等方面開展業務應用的研究。ENC中包含的助航信息，如航道、航標、水深、礙航物等，可為業務化系統提供基礎地理數據的訪問。在電子航道圖上疊加相關業務數據，如AIS船舶位置，可進一步提高其服務能力，如圖7-a通過航道內同向航行的兩條船舶的當前位置來推算兩者相遇的位置和時間。結合監測數據，如實時水位，通過空間分析可為內河安全通航提供智能化分析和決策支持，如圖7-b可結合水深數據分析出滿足安全水深5 m的可航行區域。

7-a 船舶會遇計算 7-b 可航區域分析圖7 電子航道圖應用實例Fig.7 Application of IENC

5 結束語

本文從內河電子航道圖要兼顧行業標準和內河特殊性的問題出發，對其數據構建方法和顯示技術展開研究。采用擴展屬性的方式實現內河特殊物標和屬性的擴充，并建立了清晰的物標索引機制，解決了符號和物標匹配規則復雜的問題；實現GIS環境下內河電子航道圖的標準化顯示，并設計抽稀算法解決自適應顯示問題。最后，以我國某內河下游為例，應用上述方法建立該河段的數字航道信息平臺，實踐證明，本文闡述的內河電子航道圖數據構建與顯示技術具有廣泛的適用性，可以用于我國內河電子航道圖的信息化平臺建設中。