基于三維GIS的港口岸線管理系統設計與實現

王 暉，任文韜，趙星濤

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.北京遠鵬網天信息技術有限公司，北京 100085)

0 引言

信息化水平是衡量一個地區現代化程度和經濟成長能力的重要標志。空間信息作為信息化的重要組成部分，對國家和地區的發展具有舉足輕重的作用[1]。城市空間信息化水平決定了國家和地區信息化的程度。對于廣西北部灣經濟區來說，不可再生的沿海岸線資源是廣西北部灣經濟區的核心競爭優勢。為了科學、合理、高效地利用沿海岸線資源，將港口現狀、規劃等數據進行數字化、可視化管理，建設一套港口岸線數字化管理平臺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(GIS)、傾斜攝影和無人機技術的發展，使建立這套港口岸線管理系統成為可能。

1 建設目標

廣西北部灣港GIS岸線管理系統是一個基于B/S架構的港口岸線管理平臺，涉及港口資源管理、業務統計查詢和岸線規劃審批等功能，支持并發訪問，實現了港口規劃可視化、港口資源數字化、港口業務無紙化的“規劃一張圖”管理。具體來說，系統主要研究內容如下：

(1)基于服務的架構搭建

研究搭建基于服務的架構的方法。通過標準化網絡服務和部分非標準化網絡服務，為用戶提供岸線規劃數據服務、傾斜模型服務以及岸線審批服務等。

(2)實景三維展示

通過無人機獲取現狀港口的影像，利用傾斜攝影技術建立了北部灣港現狀港口的實景三維模型，使用戶能夠通過瀏覽器查看到港口及周邊建筑、碼頭等資源的分布情況，可實現快速定位和查詢，同時匹配顯示對應的港口屬性數據，使港口各類資源的分布現狀及周邊情況在三維場景中直觀可見，實現對港口資源的可視化管理。

(3)港口可視化規劃

研究基于三維可視化場景，通過有機整合港口規劃數據和港口現狀數據等，通過矢量化的方式開發了港口資源管理、業務統計分析、岸線審批等功能，實現了港口岸線的數字化管理，從而提升港口業務管理水平。

2 系統架構

2.1 建設思路

圖1 建設思路圖

廣西北部灣港GIS岸線管理系統建設思路如圖1所示。系統以3S(GIS-地理信息系統、GPS-全球定位系統、RS-遙感)技術為基礎，以國家空間基礎設施為框架，集成沿海港口的現狀資料(港口地形圖和高分辨率衛星影像圖)，以港口設施資源(建筑物、設備、構造物等實景三維模型)和規劃數據(作業區規劃、港區規劃、用地規劃等CAD和設計三維模型)為依托，充分融合岸線審批等業務流程，建立一個能快速提供真實準確的空間信息資源，并能進行綜合分析和輔助設計等操作的產品，實現廣西北部灣沿海地區海岸線資源和港口規劃的數字化、可視化及動態顯示，能夠實現規劃現狀對比、港口資源查詢、業務統計等功能。

2.2 總體架構

廣西北部灣港GIS岸線管理系統整個應用體系由以下幾層結構組成：

圖2 系統架構圖

(1)數據采集層

數據采集層主要是對港口相關的各類數據進行采集，包括三維實景數據采集、基礎地理數據采集和相關業務數據采集等。

(2)數據存儲層

通過數據采集層獲取的各類數據在存儲層根據類型進行分類存儲：矢量數據和柵格數據通過空間數據引擎存入關系型數據庫；三維實景數據通過SQLite數據庫以文件方式進行存儲；通過影像數據和地形數據構建的三維場景數據以文件方式進行存儲；其他業務數據以關系型數據庫方式進行存儲。

在該層主要是對系統所需和所擁有的各類數據進行統一的存儲和管理，通過建立不同層次的數據庫系統，以應對不同層次的數據需求和系統需求。

(3)應用支撐層

應用支撐層主要包括三維GIS平臺和應用中間件，為上層應用提供基礎數據服務和功能服務。其中，基礎數據服務中部分服務為OGC標準，部分為私有標準服務，但所有數據類型均可以OGC標準服務方式訪問。應用支撐層是實現和豐富各類業務應用功能的基礎，同時也是連接數據與上層業務應用功能之間的紐帶。

(4)應用功能層

應用功能層通過數據服務和功能服務傳遞到各類用戶，實現具體應用，包括岸線規劃審批、港口模型瀏覽、港口附屬設施信息查詢等，為港岸線管理提供支撐。

2.3 數據架構

系統數據架構如圖3所示，主要包括業務屬性數據、三維模型數據以及GIS/CAD數據等。這些數據通過空間匯聚、格式轉換、投影轉換等步驟，完成數據治理，進入數據庫，進行分類管理。所有數據均以統一空間基準為依據，以三維模型為載體，實現各種二、三維數據的“一張圖管理”。

圖3 系統數據架構圖

(1)數據匯聚

匯聚港口全域時空大數據，包括基礎時空數據、港口規劃數據、岸線審批數據，構成各個港域的規劃、現狀融合一體的開放的全域時空大數據資源。

(2)統一時空基準

本系統時空信息數據采用以下基準：

平面基準：國家2000大地坐標系。

高程基準：1985國家高程基準。

時間基準：采用公歷紀元，以北京時間為基準。

為了保障數據標準的一致性，根據建設單位提供的坐標轉換參數、工具、資料和服務對本項目的時空數據進行坐標轉換，并提供對數據的編輯與處理[3]。主要包括：支持坐標及投影變換、高程換算、數據裁切、數據格式轉換以及影像數據的對比度、灰度(色彩)、飽和度一致性調整等；支持對二維矢量數據的圖形編輯；支持對三維模型進行數據模型替換、模型空間位置修改、屬性編輯、元數據編輯等。

2.4 關鍵技術

2.4.1 港口實景還原技術

傾斜航空攝影技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項高新技術，其顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前方、后方、左側、右側五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界[4]。該技術具有建模速度快、模型表達真實(尤其是側面紋理和鏤空紋理)、建模效率高、全要素表達地物等優點。本系統通過使用無人機搭載總像素達一億的五鏡頭傾斜相機作為傾斜攝影的解決方案，對北部灣港的港口范圍進行空中航拍，獲取高分辨率、多視角航空影像。外業航拍獲取到多角度、高分辨率影像之后，采用實景三維建模軟件，進行實景三維建模，實現對港區構筑物、植被等進行全要素、真實、準確還原。所建模型具有真實紋理并能夠全要素真實反映建筑物、道路、植被等地物要素的精細結構和空間布局。與仿真三維模型不同，實景三維建模所制作的場景能完全彌補前者的不足，能真實、完整、準確地把港口的原貌原樣呈現出來，實景真三維數據能夠以極高的效率還原港口地理風貌和當前的生產建設情況。

2.4.2 多源數據融合及網絡發布共享技術

系統中包含海量多源、多尺度空間數據，主要類型有傾斜攝影數據、衛星影像數據、DEM數字高程數據、CAD數據等。如何將這些類型復雜，數據量大的空間信息進行融合并在網絡中傳輸到用戶端是一個非常重要且必須解決的問題。

本系統通過空間治理，統一空間基準，整合空間地理數據和港口的規劃、業務數據，實現空間地理信息和業務數據的融合、查詢，展現互聯互通，形成港岸線管理“一張圖”。結合港口社會經濟屬性，形成涵蓋二維、三維一體化的全息、高清、高精的港口數字空間，從較為單一的GIS數據升級為融合多源、異構、多時態空間數據，以滿足應用和分析的需求，實現多源異構數據無縫融合、時空數據庫建立和空間數據快速更新。

由于一般的三維地形數據和模型數據非常龐大，國內很多系統都沒有解決地形網絡發布的問題，導致系統無法實現網絡共享。本系統基于B/S架構，可以實時地以流模式(Streaming)的形式發布三維地形模型數據。在客戶端發送請求后，服務器端可以根據請求坐標范圍向客戶端以流模式發送三維數據，而用戶能夠通過可變帶寬來無縫接入三維數據。只要最初的三維數據以低分辨率的形式被接收到，用戶就不必等待全部三維數據加載完成即可以接入系統，且不會受到網絡連接的反應時間或中斷的影響。這項技術能夠以一種更平滑和令用戶更滿意的方式來無縫顯示三維數字化的場景。同時，服務器可以將三維數據發布為OGC標準服務，供其他系統和用戶無縫調用。

3 系統功能

廣西北部灣港GIS岸線管理系統功能共分為四個模塊，分別是三維瀏覽、港口資源、業務查詢統計、岸線審批等。

3.1 總體展示

用戶登錄系統后，等待系統加載地圖數據，當數據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、測量等三維平臺基礎功能。

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港口作業區的資源情況，包括現狀展示、規劃展示和對比展示。首先要選擇查看其資源的港區或者作業區，可以查看港區或者作業區的現狀情況或者規劃情況，也可進行現狀情況和規劃情況的同屏對比，更加直觀地了解該港區或者作業區的資源情況。

3.3 業務查詢統計

業務查詢包括岸線查詢、港區查詢、作業區查詢、錨地查詢、泊位查詢、航道查詢、輔助區查詢和高級查詢等。根據用戶輸入的信息(岸線信息、泊位信息、作業區信息、輔助區、錨地、航道等)，在系統中會彈出關于所查詢內容相關的一系列信息，用戶選擇好自己要查詢的信息后，點擊此信息，三維場景會自動跳轉到該查詢對象上，實現定位查詢。

其中，吞吐量統計功能可將歷年的港口資源數據進行統計，并生成餅狀圖進行展示，統計結果可以采用Excel等格式輸入，并支持將結果導出，方便保存和打印。

3.4 岸線審批

岸線審批功能將傳統的線下岸線審批流程進行三維可視化管理，新申請的港口建設項目首先要通過系統進行岸線坐標檢測，當用戶輸入岸線坐標信息后，系統可以自動跳轉到對應的地理位置，并判斷是否符合港口規劃以及是否被占用。如岸線檢測通過，即可匹配到相應的規劃泊位。匹配以后，就可以按照岸線審批流程進行初次上報。此模塊包含了四個功能：申請檢測、新建審批、流程管理、數據維護。

4 結語

本系統基于三維GIS和傾斜攝影等技術，對港口現狀和規劃場景進行了真實的高精度還原，并集成了港口管理的現狀數據、規劃數據和岸線審批數據，同時可根據不同的條件進行查詢、統計和展示，實現了港口規劃可視化、港口資源數字化、港口業務無紙化的“規劃一張圖”管理，為港口行政管理部門提供決策依據，也為建設智慧北部灣港奠定了堅實的數據基礎。