內河航道助航信息可視化模型及其構建方法

楊保岑，徐 碩，周冠男，徐 樂，呂 霖，楊燕華

(1.長江航道測量中心，武漢 430010；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

助航信息對于保障航行安全至關重要。通過助航信息，船舶可以提前規劃路線，避開障礙物。當前助航信息主要來源于參考圖集、法律法規和其他參考資料，包括航行規則、錨地、橫駛區等航道內特殊區域、位置標注、航道通告信息、重點區域及航道輔助信息等，通常都是以非結構化的普通文本信息構成，缺乏地理位置信息，且閱讀起來不夠直觀。通過電子航道圖可視化手段，將助航信息進行地理表達，使其簡潔明了地展示給用戶，對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用的研究中，目前已有基于S-57國際標準的空間數據組織及內河S-57與S-52標準應用等關鍵技術問題的探討[1]，內河航道制圖與電子航道圖一體化生產流程的設計，制定了空間數據生產規范[2-4]，形成了一套完整的服務體系。但目前的研究大多針對常規的航道空間要素，對于文本描述型助航信息可視化研究相對較少，尚未形成通用的數據模型及構建方法。

針對上述問題，本文以長江航道為研究對象，分析當前主流的各類航道要素可視化方法，對內河助航信息數據可視化模型及其構建方法展開研究，結合基于空間位置提供航道信息服務的電子航道圖，運用GIS和信息化等相關技術手段實現助航信息的應用展示。

1 國內外研究現狀

國際上已有電子海圖符號表示庫，是由國際海道測量組織(IHO)在編制國際電子海圖內容和顯示規范(S-52)時創建的[3-4]。目前對于內河電子航道圖的表示比較成熟的是萊茵河符號表示庫，它以 S-52符號表示庫為基礎，結合自身特性擴充了特有的符號[5]。

我國《長江電子航道圖制作規范》(JT/T 765.3-2016)參照S-52規范，結合物標及屬性，以及長江現行各類制圖規范，規定了長江電子航道圖的顯示準則，包括長江電子航道圖的顯示內容、顯示模式、符號及航道圖改正等方面應遵循的規定[6]。《水運工程測量規范》(JTS 131-2012)中也制定了一套完整的符號體系，主要用于水運工程測量有關圖籍成果的圖示表達[7]，在我國水運行業應用廣泛。《中國海圖圖式》(GB 12319-1998)規定了海圖符號的規格和海圖各要素在圖上的表示方法，該標準主要用于海圖制作中的圖示符號[8]。2019年8月15日，《內河電子航道圖技術規范》(JTS 195-3-2019)施行，該規范中規定了內河電子航道圖的顯示應通過圖形視覺語言完整、準確地表達，并在附錄D中給出了對應的顯示規定、顏色標記與配色方案[9]。

2 可視化模型

2.1 標準符號庫

標準符號庫可視化模型通過參考技術規范及標準，在電子航道圖中用標準符號準確表示對應的助航信息，模型的構建關鍵在于找到各類助航信息與符號表示庫的對應關系，按標準符號樣式進行圖形渲染，模型處理流程如圖1所示。

圖1 標準符號庫可視化模型處理流程Fig.1 Visual model processing flow of standard symbol library

研究根據《內河電子航道圖技術規范》(JTS 195-3-2019)，制訂了電子航道圖中助航信息對應的符號名稱、含義、樣式等映射關系，如表1所示。

表1 長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進行符號配置及服務發布，將部分區域展示在長江電子航道圖，可視化效果如表2所示，表中可以清楚看到“錨泊區”、“受限區”等要素的符號化結果。

表2 基于電子航道圖符號庫的可視化效果圖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交互的方式來實現助航信息的可視化，通過在電子航道圖的指定位置創建地理圍欄并輸入必要的描述信息，以電子航道圖相關技術規范為參考，根據不同的標注類型進行圖形渲染，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

研究對于航道通告、尺度等文字類信息，通過自然語言處理技術提取文字信息中的地理位置、范圍、關鍵內容、起止時間等信息，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、里程等要素進行匹配，以“坐標點+緩沖區”或多邊形來構建地理圍欄，在其之上展示航道通告、尺度中對應的關鍵內容，并用起止時間來控制信息的顯示與取消。

對于航道重點區域及航行輔助提醒信息，基于長江電子航道圖交互式地理圍欄創建頁面，以錨地、警告區、通航限制區等區域范圍構建地理圍欄并填入標題、有效期、名稱、提示內容、監控距離及其他描述等必要信息，并發布為地理圍欄服務來實現航線、障礙物、沉船、不良流態區、施工區、限制區、霧區及航標異常信息的可視化。

對于即時航道信息，通過長江航道圖APP向使用者提供的“用戶上報”功能，在電子航道圖上點擊獲取該位置的地理坐標，并以此創建地理圍欄，生成上報信息。用戶可對該上報信息附以文字描述或現場照片，將航行現場情況信息上報至相關管理部門，有利于現場的第一時間確認以及信息的迅速更新發布。

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

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

此外，對于《長江電子航道圖制作規范》顯示準則中未明確規定的如航道尺度等助航信息，為了不造成對用戶理解的誤導，可配置透明樣式的地理圍欄并結合語音播報和信息推送機制，達到相關信息的可視化助航效果。

2.3 虛擬航標

虛擬航標是綜合應用計算機技術、衛星導航定位技術、電子海圖及AIS等高新技術的新興航標應用[10-13]。相比于實體航標，虛擬航標的優勢主要體現在，能夠標示更豐富的航道尺度信息，如“深水推薦航道”信息等。在發生沉船事故或航道尺度突變等特殊情況下，航道管理部門無法第一時間通過調整實體航標位置，虛擬航標能夠及時標識危險地點，對航道進行警示[14-15]。當前虛擬航標發布方式主要有如下兩種。

(1)AIS 虛擬航標。AIS 虛擬航標是指通過岸基臺站或航標 AIS 站播發信息， AIS 信息顯示屏上產生的一個物理上并不存在的航標。

(2)電子航道圖虛擬航標。電子航道圖虛擬航標是指在電子航道圖中用規定符號標示的、通過電子航道圖數據更新向特定用戶發布的物理上不存在的航標。該虛擬航標以電子航道圖為基礎，相比 AIS虛擬航標設置更簡單。

AIS 虛擬航標和電子航道圖虛擬航標特性對比如表3所示。

表3 虛擬航標發布方式特性對比Tab.3 Characteristics of virtual aids to navigation

虛擬航標可視化模型將助航信息作為虛擬航標，通過AIS基站以航標報告電文(21報文)格式經VHF鏈路廣播發送或者電子航道圖數據更新發布，終端設備在捕獲到該信息后進行相關處理解析，以電子航道圖相關技術規范為參考，將沒有實物的航標以助航標志形式渲染輸出，模型處理流程如圖4所示。

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

研究在對比兩種虛擬航標服務方式特性之后，選擇更為便捷的電子航道圖虛擬航標進行可視化實驗。實驗在焦山水道、簰洲水道彎曲河段、武漢長江大橋橋段及太陽溪水道分別設置6個虛擬航標，部分虛擬航標信息如表4所示。

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

將整理好的虛擬航標信息以Web服務的形式進行發布，通過電子航道圖請求數據，再對請求到的虛擬航標信息進行解析，獲取其中的空間位置信息及描述信息，并在電子航道圖對應位置進行圖形渲染。實驗結果如圖5-a～5-d所示。結合長江航道圖APP興趣點查看功能，實現助航信息的查看。

5-a 焦山水道5-b 簰洲水道5-c 武漢長江大橋橋段5-d 太陽溪水道圖5 虛擬航標可視化模型實驗結果Fig.5 Experimental results of visual model of virtual aids to navigation

3 結論和建議

開放共享是地理信息應用的重要研究方向 ，它通過提供多種解決方案使得我們可以靈活應對多樣的業務需求。本研究結合長江電子航道圖，對比了基于標準符號庫的可視化、基于地理圍欄的可視化和基于虛擬航標的可視化方法的技術特點和實施效果。三種可視化模型相比較，基于標準符號庫的可視化方法權威性較高，但可視化的內容需符合電子航道圖相關技術規范，信息發布和更新需要依托電子航道圖的數據生產制作，技術流程和時間周期相對較長，更新速度慢，適用于具有權威性且輕易不發生變化的助航信息；基于地理圍欄的可視化方法時效性最高，應用方式最為靈活，可視化顯示和配色方案在參考電子航道圖相關技術規范的前提下，可實現多種助航信息的有效表達；基于虛擬航標的可視化方法需要依托相關標準規范，其命名規則、顯示符號及所標識的助航信息仍待進一步研究明確，實際應用過程中需配合地理圍欄共同使用。

研究根據不同模型的特性，結合實際業務需求及場景，選擇合適的模型及其組合來進行可視化，從而構建一種全開放式的內河航道助航信息可視化模式。