王少渤，逯躍鋒,2*，聞俏，徐長慶

（1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

內(nèi)河航運(yùn)是指船舶在江河航線之間進(jìn)行貨物運(yùn)輸，屬于水路運(yùn)輸業(yè)。內(nèi)河航運(yùn)運(yùn)能較大，且投資少、能耗低、污染少、較穩(wěn)定，適合運(yùn)輸沒有時效性要求的大宗貨物。截至2020年末，我國內(nèi)河航道通航里程為12.77萬km，等級航道為6.73萬km，可通航50噸級船舶。通航里程長、航道級別高是我國發(fā)展內(nèi)河航運(yùn)的巨大優(yōu)勢。依靠得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，我國內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展較好，且促進(jìn)了水路運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，由于航運(yùn)技術(shù)更新不及時以及相關(guān)部門管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，水運(yùn)行業(yè)發(fā)展也存在著一些問題。航運(yùn)安全問題和污染問題制約著內(nèi)河船舶運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

遙感技術(shù)飛速發(fā)展，通過多尺度多分辨率的遙感影像能得到詳細(xì)的地物信息。船舶領(lǐng)域的導(dǎo)航發(fā)展顯得相對遲緩，許多船舶依然采用傳統(tǒng)內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)，遙感技術(shù)的應(yīng)用相對匱乏，這與船舶更新?lián)Q代周期較長以及海上通信信號不良有關(guān)，但更多的是應(yīng)用于海上導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)的力度不夠。鑒于此，通過調(diào)查分析我國內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)資料，本文分析了內(nèi)河航運(yùn)的難點(diǎn)以及遙感技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)中的應(yīng)用，并對如何提高航運(yùn)智能化、現(xiàn)代化以及綠色安全航運(yùn)提出了建議。

1 內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀

我國內(nèi)河運(yùn)輸業(yè)發(fā)展較早，但戰(zhàn)亂對內(nèi)河運(yùn)輸造成了一定的破壞，新中國成立后，內(nèi)河運(yùn)輸業(yè)迅速恢復(fù)發(fā)展。其主要表現(xiàn)在：①內(nèi)河運(yùn)輸量不斷增長；②經(jīng)整治通航里程顯著增加；③對老港口進(jìn)行技術(shù)改造，建設(shè)新型機(jī)械化碼頭等；④運(yùn)輸船舶更新?lián)Q代，逐漸大型化等。經(jīng)過多年發(fā)展逐漸形成了以長江、珠江、京杭運(yùn)河、黑龍江等水系為主體的內(nèi)河航運(yùn)體系，其中長江、珠江、京杭運(yùn)河航運(yùn)量占全國航運(yùn)量的80%以上。

近年來，政府大力投資水路建設(shè)，發(fā)展內(nèi)河航運(yùn)，其中內(nèi)河投資主要集中在航道建設(shè)等領(lǐng)域。自2016年開始，我國內(nèi)河水運(yùn)交通固定資產(chǎn)投資均在500億元以上，2018年后均在600億元以上，水運(yùn)交通固定資產(chǎn)投資的逐年增長，說明我國對內(nèi)河運(yùn)輸?shù)闹匾暫痛罅Πl(fā)展。2016—2020年我國內(nèi)河水運(yùn)交通固定資產(chǎn)投資額如圖1所示。

圖1 2016—2020年我國水運(yùn)交通固定資產(chǎn)投資額

隨著水運(yùn)建設(shè)投資的增多，內(nèi)河港口不斷完善和發(fā)展，我國內(nèi)河港口吞吐量也不斷增加，水運(yùn)行業(yè)蓬勃發(fā)展。在貨物吞吐結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)河港口吞吐增速較快，自2016年開始我國內(nèi)河港口貨物吞吐量均在47億噸以上，2020年全國港口完成貨物吞吐量145.50億噸，比上年增長4.3%，其中內(nèi)河港口完成50.70億噸，增長6.4%。2016—2020年我國內(nèi)河港口貨物吞吐量如圖2所示。

圖2 2016—2020年我國內(nèi)河港口貨物吞吐量

當(dāng)然，海上遙感技術(shù)也有新的發(fā)展，尤其是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成。北斗系統(tǒng)逐漸應(yīng)用于內(nèi)河導(dǎo)航設(shè)施，提高了內(nèi)河航運(yùn)的安全性和精確性，提升了我國海上交通管理效率和運(yùn)輸安全水平。

2 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)難點(diǎn)

2.1 內(nèi)河航道管理混亂

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和運(yùn)輸需要，政府大力投資航道建設(shè)，內(nèi)河航道等級有了很大提升，但相應(yīng)的航道信息化、現(xiàn)代化建設(shè)嚴(yán)重不足。內(nèi)河航道管理模式和水平落后，主要表現(xiàn)為：①有關(guān)部門對內(nèi)河航道管理信息化建設(shè)不重視，資金投入少，同時缺乏技術(shù)支持，導(dǎo)致內(nèi)河航道管理水平落后；②航道信息更新不及時，很多單位仍使用原始的紙質(zhì)航道地圖，沒有最新的內(nèi)河航道、岸線以及岸邊標(biāo)志物的信息和變化情況，開展工作時不僅浪費(fèi)時間而且易引發(fā)不同航線之間的矛盾沖突，不利于航運(yùn)工作的展開。

2.2 船舶定位困難

船舶定位是內(nèi)河航運(yùn)的基礎(chǔ)之一，將直接影響航運(yùn)安全。船舶定位的主要方法為：

1）基于SAR的船只目標(biāo)檢測方法。該方法主要是利用微波遙感獲取的影像來檢測船只，生成的影像空間分辨率高，能更好地分辨船只類型和位置，使用起來較靈活；但對天氣條件較苛刻、續(xù)航時間較短、成本太高，不太適用于內(nèi)河船只的檢測[1]。

2）無線電波導(dǎo)航。該方法是通過航道沿線架設(shè)的基站發(fā)出電波，船舶上安裝的電臺和定向天線接收電波，船舶會對準(zhǔn)電波傳輸?shù)姆较?，這樣根據(jù)天線的方向航行，船舶就能到達(dá)目的地。該方法的局限性非常大，因?yàn)閷?shí)際航行中，一旦超出無線電波范圍，定位精度將變得非常低，且有許多地方難以架設(shè)基站。該方法受天氣影響較大，在惡劣天氣下，無線電受到電磁干擾難以準(zhǔn)確接收。

3）離線電子海圖和紙質(zhì)海圖。許多船只不具備水上定位導(dǎo)航系統(tǒng)，只依靠經(jīng)驗(yàn)和紙質(zhì)地圖進(jìn)行航行，盲目性較大，無法應(yīng)對航道變化。當(dāng)船只出現(xiàn)故障或突發(fā)應(yīng)急情況時，無法準(zhǔn)確定位船只位置，給救援帶來很大的困難。

4）衛(wèi)星定位導(dǎo)航。衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于航海導(dǎo)航可追溯到20世紀(jì)60年代，早期的衛(wèi)星定位時間較長，精度也較低，只能用于二維導(dǎo)航；后期采用美國的GPS系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航，但GPS系統(tǒng)受美國限制，在安全性和穩(wěn)定性上有很大隱患，且GPS系統(tǒng)定位精度不足。我國內(nèi)河航運(yùn)部分航道狹窄，多經(jīng)過山區(qū)等復(fù)雜地形，依靠GPS系統(tǒng)難以保證船舶航行的安全。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸發(fā)射組網(wǎng)，民用行業(yè)開始采用北斗系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航，但由于其發(fā)展和組網(wǎng)完成時間較晚，用戶數(shù)量還不是很多，目前大多數(shù)安裝衛(wèi)星定位導(dǎo)航的船只仍使用GPS系統(tǒng)。

2.3 航路航標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)不明確

內(nèi)河航標(biāo)主要用于江、河等水域，承擔(dān)指示航道、航線、障礙物、深度、架空、水下管線、預(yù)報(bào)風(fēng)情、指揮狹窄航道交通等重要作用，完善的航標(biāo)系統(tǒng)能增加內(nèi)河運(yùn)輸?shù)陌踩訹2]。內(nèi)河航標(biāo)問題主要包括施工標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和航標(biāo)維護(hù)管理不到位等。

1）由于內(nèi)河航標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、航標(biāo)分布不合理以及施工標(biāo)準(zhǔn)和時間不同，導(dǎo)致各航道航標(biāo)的大小規(guī)格和材質(zhì)各不相同，因此船舶航行時需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)辨認(rèn)不同航標(biāo)，盲目性較大。同時，由于材質(zhì)規(guī)格等不同，給后期維護(hù)也帶來了很大困難。

2）航標(biāo)的維護(hù)管理模式落后，工作落實(shí)不到位。目前很多相關(guān)航道單位對航標(biāo)維護(hù)不夠重視，沒有配備合理的人員進(jìn)行航標(biāo)維護(hù)。維護(hù)管理模式落后，航標(biāo)數(shù)字化嚴(yán)重不足，沒有專門航標(biāo)系統(tǒng)對航標(biāo)數(shù)量和狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢。另外，航標(biāo)維護(hù)人員不僅承擔(dān)著維護(hù)航標(biāo)的責(zé)任，還要檢查航道變化、航道水深等，這些工作在相關(guān)部門并沒有得到重視。

3 遙感技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)中的應(yīng)用

3.1 遙感技術(shù)在內(nèi)河航道方面的應(yīng)用

目前，人工測量仍是許多內(nèi)河航道信息獲得的主要方式，但該方式不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且效率不高、實(shí)時性差。宋玉梅[3]通過對遙感圖像進(jìn)行處理，提出了一種提取遙感影像覆蓋區(qū)域內(nèi)河航道信息的方法。劉濤[4]基于數(shù)字地球基礎(chǔ)網(wǎng)格模型構(gòu)建了一種融合遙感影像數(shù)據(jù)、電子航道圖數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)的多維航道模型；并基于該模型構(gòu)建了多維航道基礎(chǔ)平臺，為用戶提供多維可視、信息多元化的航道空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

本文針對內(nèi)河航道管理混亂的問題，提出了3條建議：

1）相關(guān)部門應(yīng)出資建設(shè)內(nèi)河航道管理系統(tǒng)，進(jìn)行內(nèi)河航道的GIS數(shù)字化建設(shè)，建立內(nèi)河航道數(shù)字中心；構(gòu)建地理數(shù)據(jù)庫和動態(tài)Web系統(tǒng)，將電子航道圖錄入地理數(shù)據(jù)庫供船舶導(dǎo)航使用。

2）內(nèi)河水域相關(guān)部門應(yīng)定期采集、整理相應(yīng)航道水域的通行狀況、船舶流量、水上事故等。例如，在航道沿岸、橋梁（礙航物）上架設(shè)攝像頭、雷達(dá)以及激光傳感器，同時在水中架設(shè)水質(zhì)傳感器等，實(shí)時獲取航道的船流量、水流速度等信息，再通過Web系統(tǒng)實(shí)時分析處理，動態(tài)展現(xiàn)出來。

3）建立合理的管理模式，對航道管理相關(guān)部門的隊(duì)伍進(jìn)行專業(yè)化培訓(xùn)。招聘高素質(zhì)人才和專業(yè)技術(shù)人員，推進(jìn)內(nèi)河航道管理現(xiàn)代化。

交通運(yùn)輸部在2019年6月24日發(fā)布了《內(nèi)河電子航道圖技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范從數(shù)據(jù)源、物標(biāo)與編碼、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與文件、顯示、檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)保護(hù)等多方面統(tǒng)一了內(nèi)河電子航道圖的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時規(guī)范了內(nèi)河電子航道圖的制作、更新維護(hù)等，為我國內(nèi)河航運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范帶來很大幫助。

3.2 遙感技術(shù)在船舶定位方面的應(yīng)用

航運(yùn)安全一直是內(nèi)河航運(yùn)中最重要的問題，而航運(yùn)安全中最重要的是船舶的定位導(dǎo)航，是對船舶位置的及時監(jiān)控。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其越來越多地被應(yīng)用于船舶定位中

3.2.1 遙感影像識別在內(nèi)河船舶定位中的作用

現(xiàn)階段許多學(xué)者對從衛(wèi)星遙感影像中提取目標(biāo)船只進(jìn)行了研究，如尚敏[5]通過研究衛(wèi)星遙感影像中船舶的目標(biāo)特征算法和特征參數(shù)，提出了一種從衛(wèi)星遙感影像中快速有效提取船舶目標(biāo)物的算法；鄧劍勛[6]通過融合影像多尺度分割和目標(biāo)提取技術(shù)，針對遙感影像進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了對遙感影像船舶目標(biāo)識別。目前基于遙感影像的船舶目標(biāo)識別技術(shù)發(fā)展較快，未來有望廣泛地應(yīng)用于船舶的影像識別中。

3.2.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在船舶定位導(dǎo)航中的應(yīng)用

1）導(dǎo)航授時、地基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位均對船舶航行具有重要作用。北斗衛(wèi)星的精準(zhǔn)授時功能，為同步時間網(wǎng)、提高航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量提供了可能。航運(yùn)干線的北斗衛(wèi)星高精度定位主要依托差分北斗，以提高北斗定位精度。聯(lián)合使用地基增強(qiáng)和精密單點(diǎn)定位功能，有助于提高船舶定位精度[7]。

2）短報(bào)文通信功能是北斗系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢功能。該功能多用于應(yīng)急通信，北斗短報(bào)文功能不受通信距離和條件限制，能及時接收遇險(xiǎn)信息；且短報(bào)文具有回執(zhí)功能，雙向通信對于險(xiǎn)情的處理具有巨大幫助。自2012年開始，北斗系統(tǒng)已正式開始對外提供區(qū)域服務(wù)，北斗短報(bào)文通信功能已開始在水上應(yīng)急管理中投入使用。

3.2.3 船舶智能化與自動化航行技術(shù)

隨著人工智能技術(shù)的日益成熟，越來越多的交通設(shè)施運(yùn)用了人工智能技術(shù)，如無人機(jī)、自動駕駛汽車等。近年來，交通運(yùn)輸部發(fā)布了《智能船舶發(fā)展行動計(jì)劃（2019—2021年）》《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》等文件，標(biāo)志著我國對發(fā)展智能船舶、智能航運(yùn)做出了重要的戰(zhàn)略選擇。2017年12月上海成功研制了全球第一艘智能船舶“大智號”，這也是全球第一艘通過船級社認(rèn)證的智能船舶。我國智能船舶建造技術(shù)已位于世界前列。

目前造船技術(shù)還有待發(fā)展，船舶智能化有待完善，但已有了很好的開始。智能船舶需搭配相應(yīng)的智能設(shè)施，如智能自動化港口、自動化航運(yùn)服務(wù)、先進(jìn)的監(jiān)管服務(wù)等。只有大力發(fā)展配套設(shè)施、共同發(fā)展，才能使我國的智能化船舶技術(shù)發(fā)展得越來越好。

3.3 遙感技術(shù)在內(nèi)河航標(biāo)方面的應(yīng)用

內(nèi)河航標(biāo)管理主要包括兩個方面：①結(jié)合遙感影像和WebGIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)的實(shí)時監(jiān)控，可更加及時、全面、高效地進(jìn)行航標(biāo)的管理與維護(hù)，大幅減少維護(hù)成本，縮短故障響應(yīng)時間，為航路安全提供保障；②采用輔助手段（如視頻監(jiān)控等）對航標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，直接從外觀上觀察航標(biāo)是否故障，該方式在惡劣天氣下或GIS系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能及時應(yīng)對。

另外，交通運(yùn)輸部在2020年5月20日發(fā)布了《內(nèi)河航標(biāo)技術(shù)規(guī)范》，從多個方面統(tǒng)一了內(nèi)河航標(biāo)技術(shù)內(nèi)容，為以后航標(biāo)的制作和管理提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，方便航標(biāo)的現(xiàn)代化數(shù)字化信息化管理。該規(guī)范的提出，將大量減少因航標(biāo)規(guī)格不同而帶來的航運(yùn)安全問題，并減輕維護(hù)困難，是內(nèi)河航標(biāo)管理技術(shù)進(jìn)步的重大舉措。

4 結(jié)語

內(nèi)河航運(yùn)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。通過研究內(nèi)河航運(yùn)面臨的技術(shù)難點(diǎn)以及遙感技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)方面的應(yīng)用，結(jié)合我國目前內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文對內(nèi)河航運(yùn)的未來提出了以下展望：

1）航運(yùn)能力將大幅增加。隨著國家對內(nèi)河航運(yùn)行業(yè)的逐漸重視，全國各地許多航道同步進(jìn)行航道拓寬復(fù)航工程，建設(shè)碼頭等配套設(shè)施，大量政策資金傾斜。未來隨著航道的加寬增多，許多大噸量級的船舶可正常通行，將大幅提高內(nèi)河航運(yùn)量。

2）航運(yùn)安全性將顯著提高。隨著內(nèi)河航道的信息化管理、內(nèi)河航標(biāo)的規(guī)范以及各種定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，將大量避免航運(yùn)過程中事故，顯著提高航運(yùn)的安全性。

3）航運(yùn)現(xiàn)代化。隨著人工智能的發(fā)展以及無人船等技術(shù)的研究，未來智能船舶、智能航行、智慧航道、智慧碼頭等現(xiàn)代化信息化智能化的高新技術(shù)將取代復(fù)雜繁瑣低效且安全風(fēng)險(xiǎn)較高的人工工作?，F(xiàn)代智能化航運(yùn)將是未來發(fā)展的一大趨勢，帶領(lǐng)航運(yùn)事業(yè)走向輝煌。