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(jí)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(yùn)公司和船舶用戶等社會(huì)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(duì)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(cè)量后和航標(biāo)位置調(diào)整前和調(diào)整后，都需要對(duì)實(shí)際的航道尺度進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，日常工作中一般都采用激光測(cè)距儀配合水深測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)航道實(shí)際尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行人工測(cè)量和計(jì)算，計(jì)算方法較為復(fù)雜繁瑣，作業(yè)效率非常低，也無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。為了提高航道維護(hù)尺度監(jiān)測(cè)效率，在航道維護(hù)管理工作過程中，非常有必要根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)水位信息，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域水道的實(shí)際航道尺度進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)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(tái)的航標(biāo)和水位遙測(cè)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(tái)。其中智能航標(biāo)的遙控遙測(cè)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(shí)時(shí)傳輸給航標(biāo)遙測(cè)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(shí)際尺度監(jiān)測(cè)和預(yù)警應(yīng)用功能。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

1.1 航道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)作為全面、實(shí)時(shí)掌握航道各類動(dòng)靜態(tài)信息監(jiān)測(cè)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(tái)，集成了航標(biāo)遙測(cè)遙控、水位遙測(cè)遙報(bào)等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jì)算相關(guān)的動(dòng)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

有了這些實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以后，就可以在GIS平臺(tái)上與當(dāng)前的水深測(cè)量數(shù)據(jù)疊加到一起進(jìn)行空間計(jì)算，從而獲得實(shí)時(shí)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(cè)繪空間數(shù)據(jù)庫，采用Oracle+ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫模型實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(gè)基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)測(cè)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(duì)航道基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。在進(jìn)行航道尺度計(jì)算時(shí)，基于空間數(shù)據(jù)庫中最新的航道水深測(cè)量數(shù)據(jù)與航標(biāo)和水位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間計(jì)算得出航道尺度數(shù)值。

2 航道尺度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能設(shè)計(jì)

基于GIS地理信息數(shù)據(jù)及航道動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航道尺度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)際，對(duì)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(gè)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(dòng)確定界限，人工輔助

3.2 兩水位站間實(shí)測(cè)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(dòng)水位遙測(cè)站點(diǎn)，可以對(duì)航段內(nèi)的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和觀測(cè)。這些水位站所采集的水位數(shù)據(jù)都是測(cè)站位置的離散點(diǎn)水位值，在進(jìn)行航道尺度自動(dòng)分析的過程中，需要對(duì)航道內(nèi)任意位置的水位與地形測(cè)量數(shù)據(jù)疊加才能準(zhǔn)確反映區(qū)域內(nèi)所有地形測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際水深，因此需要采用插值模擬方法，對(duì)兩個(gè)水位站間的所有地形測(cè)量點(diǎn)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(diǎn)插值）方法，以相鄰兩個(gè)水位站同一時(shí)間的實(shí)測(cè)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(diǎn)的實(shí)時(shí)水位值，并與地形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后獲得航道內(nèi)任意區(qū)域的實(shí)際水深。

3.3 航道尺度空間計(jì)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(duì)航道基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、航標(biāo)動(dòng)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(gè)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(cè)量日期，對(duì)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(shí)對(duì)特定的要素通過設(shè)定參數(shù)進(jìn)行符號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)和歷年疏浚前后數(shù)據(jù)。其分別包括存儲(chǔ)平面圖和等深線圖的DWG 格式文件、存儲(chǔ)各水深測(cè)量點(diǎn)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(dòng)態(tài)坐標(biāo)、水位站實(shí)測(cè)水位和預(yù)測(cè)水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加進(jìn)行空間計(jì)算，將航道寬度、水深、彎曲半徑等計(jì)算結(jié)果與報(bào)警和預(yù)警門限進(jìn)行比對(duì)，對(duì)超出門限值的區(qū)域進(jìn)行報(bào)警和顯示。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

本研究成果已經(jīng)實(shí)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(tái)上選取了某一淺水道的實(shí)際地形測(cè)量數(shù)據(jù)，基于平臺(tái)上獲取到的航標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取一個(gè)航段的上下邊界，根據(jù)航標(biāo)動(dòng)態(tài)位置生成了航道邊界作為維護(hù)尺度監(jiān)測(cè)區(qū)域并輸入報(bào)警和預(yù)警門限。

區(qū)域和門限值設(shè)定完成后，系統(tǒng)會(huì)后臺(tái)運(yùn)行，并根據(jù)航標(biāo)動(dòng)態(tài)位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航道寬度和彎曲半徑是否超出門限，根據(jù)水位站實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)及插值模擬數(shù)據(jù)與地形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加后監(jiān)測(cè)水深是否超出門限值，根據(jù)水位站預(yù)測(cè)水位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，以航道水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合航標(biāo)動(dòng)態(tài)位置、水位站實(shí)時(shí)采集和模擬水位進(jìn)行空間計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)根據(jù)航標(biāo)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)和動(dòng)態(tài)水位采集數(shù)據(jù)對(duì)航道的維護(hù)尺度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為航道維護(hù)管理人員提供了對(duì)航道尺度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)劃提供決策支持。