基于三維GIS的數字航道建設研究初探

王林剛

（寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西 寶雞 721013）

1 研究背景和意義

1998年1月，美國副總統戈爾提出了“數字地球”的概念。從此，數字地球的概念迅速傳遍全球。為了提高我國內河航道管理的效能，使之更好地服務于內河航運經濟發展，我國內河航道的建設者和管理者提出了“數字航道”的概念[1]。“數字航道”是基于網絡環境的、以數字信息為核心的航道信息體系[2]。就是通航水道電子航道圖及航運相關信息的數字化，通過先進的網絡技術、遙感遙測技術、地理信息系統、通訊、計算機模擬等多種技術對航道業務流程、各類航道信息變化進行實時動態監控管理。

隨著交通部、航道局等部門對“數字航道”的日益重視[3]，對虛擬航道、三維航道的要求也愈漸迫切。同時在實際航道應用中，對三維環境中的應用和要求也較為迫切。雖然對3S技術在航道領域的研究和應用并不鮮見[4-7]，但在數字航道研究方面國內外仍處于起步發展階段[8]，特別是對三維GIS下的數字航道研究。因此，本文圍繞三維數字航道，從GIS角度進行了初步探索。

2 國內外的研究現狀

2.1 基于3S技術的數字永定河

適普公司承擔的“數字永定河”項目為水利工程設計與管理、監督應用提供了先進的3S技術和全面的解決方案。其主要功能如下：①水利工程建筑物的管理。水利工程建筑物的管理是二維、三維GIS集成技術應用的一個重要方面，它能充分展現二維GIS的數據管理能力和三維可視化GIS在三維水工建模方面的能力。②地下水利工程可視化與水利工程細節的可視化。對地下水利工程建筑物（如泄洪洞）進行可視化和管理，在此基礎上，可以進行剖面分析，實時生成水利工程的斷面圖，進而可以查看水利工程的內部構造信息。

2.2 基于ENC水深數據生成三維地形的系統

Fugawi Marine ENCTM是美國Fugawi公司開發的，用在個人電腦上供航海人員使用的軟件。該軟件擁有常用的航海功能，如航線設計，GPS接收，RADAR作業，海圖作業等[9]。它可以支持多種格式的海圖：C-MAP，S-57ENC甚至是普通的地圖相片也支持。它能夠在效果很好的三維環境下查看海圖或地圖。從三維環境中可以看清楚水深點，等深線，岸線等海圖上的信息。另外利用鼠標、鍵盤或者游戲桿控制可以進行三維漫游，也可以在三維海圖上進行GPS定位。

3 GIS在數字航道領域的作用

3.1 數字航道對GIS系統的要求

（1）海量數據一體化管理。數字航道與空間位置信息是密切相關的，其航道綜合數據庫除了包括河床地形基本數據、水文資料數據、助航標志數據、跨河建筑物與過江管線數據、航道維護計劃數據、基本建設工程數據、整治建筑物基本數據、工程船舶基本數據等多類型的數據。以外，海量的空間數據和三維影像數據也是數字航道綜合數據庫的重要組成部分。

（2）支持網絡化的分布式計算與集成。航道部門由于職能的不同分布于流域中的不同位置上，它們利用網絡互聯技術相互實現資源共享，這就要求GIS系統能夠支持B/S、C/S模式的多層分布式計算，支持Internet/Intranet等國際標準。

（3）二維GIS、三維GIS、webGIS與航道模型的無縫集成。作為二維GIS、WebGIS在航海領域的特殊應用，電子航道圖系統要能夠利用先進的計算機網絡技術、數據通信技術和地理信息處理技術，實現水道測量管理、電子航道圖生成、發布全過程的自動化、一體化和網絡化。為通航船舶、各航運相關部門和企事業單位及時提供最新的電子航道圖服務。

3.2 三維GIS的主要功能

三維GIS除了具備二維GIS的傳統功能以外，還具有如下獨有的功能：

（1）包容一、二維對象。三維GIS不僅要表達三維對象，而且還要研究一、二維對象在三維空間中的表達。三維空間中的一、二維對象與傳統GIS二維空間中的一、二維對象在表達上是不一樣的。傳統的二維GIS是將一、二維對象垂直投影到二維平面上，存儲它們投影結果的幾何形態與相互間的位置關系。而三維Gls是將一、二維對象置于三維立體空間中考慮，存儲的是它們真實的幾何位置與空間拓撲關系，這樣表達的結果就能區分出一維、二維對象在垂直方向上的變化。

（2）可視化2.5維、三維對象。三維GIS的首要特色是要能對2.5維、三維對象進行可視化表現。在建立和維護三維GIS的各個階段中，不論是對三維對象的輸入、編輯、存儲、管理，還是對它們進行空間操作與分析或是輸出結果，只要涉及到三維對象，就存在三維可視化問題。三維對象的幾何建模與可視表達在三維GIS建設的整個過程中都是需要的，這是三維GIS的一項基本功能。

（3）三維空間DBMS管理。三維GIS的核心是三維空間數據庫。三維空間數據庫對空間對象的存儲與管理使得三維GIS既不同于CAD、商用數據庫與科學計算可視化，也不同于傳統的二維GIS。它可能由擴展的關系數據庫系統，也可能由面向對象的空間數據庫系統存儲、管理三維空間對象。

（4）三維空間分析。在二維GIS中，空間分析是GIS區別于CAD與科學計算可視化的特有功能，在三維GIS中也同樣如此?？臻g分析三維化，也就是直接在三維空間中進行空間操作與分析，連同對空間對象進行三維表達與管理，使得三維GIS明顯不同于二維GIS，同時在功能上也更加強大。

4 基于三維GIS的數字航道建設

基于三維GIS的三維數字航道，其特點就是它能在計算機中再現真實的、虛擬的三維世界，在這種三維世界中，不僅要求能夠真實再現內河航道的三維景觀，同時要能對各種類型的數據進行有效的管理和開發，對數據進行多種分析和應用以提供決策支持。另外，對航道模型進行監管及科學的模擬計算，并將監管及計算結果實時、友好的表現和模擬出來，能根據與模擬結果匹配的監控、導航等調度預案，提供直觀的三維可視化指揮調度，為決策者提供了更加直觀、綜合的輔助決策信息。

4.1 技術框架

基于三維GIS的“數字航道”的整體框架劃分為4個層次：①航道數據采集和處理層次，主要是對各種原始資料和數據進行處理以形成合乎規范要求的航道地形數據、航道影像數據、航道三維模型數據和專題數據等；②航道數據庫管理層次，即對各種航道數據進行有機組織與分布式管理，以高效獲得滿足需求的信息；③航道三維可視化、查詢與分析層次，主要是提供服務于航道應用的各種開發平臺和工具；④航道應用層次，此層次在第3個層次與航道專業應用模型的基礎上，可構建多種多樣的航道應用模型。

4.2 功能結構

三維GIS應用系統通過更新攝像機位置和視角來實現場景漫游的功能，與數據庫交互實現航道信息查詢、航道地形分析、航標數據更新、船舶數據更新等功能。主要提供了服務于航道應用的平臺和工具。三維GIS應用系統的功能結構由三維空間數據處理子系統、三維可視化地理信息子系統、三維動態數據處理子系統三個子系統構成。

（1）三維空間數據處理子系統。三維空間數據處理子系統負責三維Gls綜合應用系統中的基礎數據（DEM、DOM、DLG、DRG和紋理等）的處理和集成，包括基礎文件格式的支持和格式轉換等，最后將生成的符合測繪和應用標準的三維空間數據輸出給三維可視化地理信息子系統。

（2）三維可視化地理信息子系統。三維可視化地理信息子系統主要用于三維空間數據的預處理，利用三維空間數據創建三維基礎場景，在三維基礎場景中進行模型的編輯和地理信息的顯示、查詢、統計、分析等功能，最后將基于三維場景進行空間信息更新。

（3）三維動態數據處理子系統。三維動態數據處理是將三維場景中的動態數據進行更新，以便在使用過程中，新的數據來臨時，不需要重新進行三維場景的構件，系統自動連接動態數據源，更新場景中的數據。

4.3 三維場景的應用模式

（1）三維場景的Gls查詢與漫游。GIS查詢與漫游分為兩種應用模式，即單機應用模式和基于WEB多終端的分布式應用模式，以實現航道水面以上場景和水面以下地貌的多種形式瀏覽，包括飛行、漫游等。同時查詢航道中航標及岸上重要建筑物的屬性，可根據實際情況采用兩種模式結合的混合模式。

（2）三維場景的GIS分析。數據分析是GIS的根本。系統所涉及到的業務分析屬于GIS范疇，如流量計算、斷面計算、流量分析等。

（3）基于三維場景的特定對象的監控。三維航道的一種應用模式是基于三維場景的特定對象的監控。在三維航道中動態顯示航道船舶、航標的實時位置狀態，并能根據航標屬性的變化實時更新航標顯示，如三維船舶動態監控、三維航標動態監控。

5 結束語

本文對基于三維GIS的數字航道建設進行了初步探索,這將對目前正快速發展的數字航道起到積極的推動作用,設計的系統的技術框架和功能結構可為內河的通航安全管理、航道維護管理、海難搜救、旅游開發等提供良好的技術平臺。對于三維航道還需要作深入研究。

［1］胡寧，劉楊.數字航道技術在內河航道管理中的應用[J].水運工程，2007，10：52-54.

［2］寧曉東.長江全力打造數字航道[N].長江航運報，2004（1）.

［3］呂建軍，王玲.基于MAPGIS平臺的航道信息管理系統的設計與實現[J].武漢理工大學學報信息與管理工程版，2004，26（5）：1-4.

［4］陳一梅.利用衛星遙感分析閩江口深水航道演變[J].水運工程，2003（7）：30-33.

［5］李矩海,等.CWA2000水道演變分析系統的設計與實現[J].海洋測繪，2002，22（4）：30-33.

［6］萬大斌,李國祥,等.建設長江“數字航道”的構想[J].水運工程，2004（11）：22-25.