數字航道與航道數學模型的數據交換方法應用研究

摘 要：以長江下游黑沙洲水道為例，研究CAD航道圖及S-57電子航道圖的數據提取方法并完成與數學模型的數據交換，建立黑沙洲水道數字高程模型（DEM），并應用地理信息系統（GIS）的空間數據分析功能，提取淺灘演變的特征數據，為統計分析模型的建立提供技術手段。

關鍵詞：數字航道；電子航道圖；數字高程模型；數據提取；數據分析

引言

長江航道將于“十二五”期間全面建成數字航道，初步建成智能航道，基本實現長江航道現代化。數字航道在利用計算機網絡、無線通訊、衛星定位、地理信息等技術手段，整合航道數據資源，實現航道通航運營、維護管理信息化、智能化等方面已取得了長足的進步。但是，在數字航道快速發展的過程中，傳統航道圖、清華山維測繪成果圖、CAD格式航道圖、S-57格式電子航道圖等多種格式的航道數據資料并存，需要對多種格式的航道數據進行整合，進行數據交換，使數字航道中大量的數據更有效的用于航道演變預測，為航道管理部門提供航道維護輔助決策，從而進一步提高航道管理部門決策的科技水平，推進智能航道的發展。

文章選取長江下游的典型整治河段黑沙洲水道為研究對象，該水道上起板子磯（航道里程489km），下至高安圩（航道里程475km），水道首尾狹窄、中部展寬，屬于鵝頭型分汊水道。水道中部的黑沙洲與天然洲，將該河道分成中、北、南三個水道。其中黑沙洲南水道是長江下游重要淺險水道之一，也是“十二五”期建造的航道整治建筑物所在地，有非常重要的研究價值。

文章研究CAD航道圖及電子航道圖的數據提取方法，完成與數學模型的數據交換；通過提取的數據建立黑沙洲水道數字高程模型（DEM），并應用地理信息系統（GIS）的空間數據分析功能，提取淺灘演變的特征數據，為統計分析模型的建立提供技術手段。

1 數據提取與處理的技術路線

充足的河床地形數據是完成水道演變分析的基礎，目前水下地形數據主要采用GPS導航配合數字測深儀的方法或多波束掃測進行采集。同時，水深數據被保存成多種的數據格式。文章收集的黑沙洲水道地形資料不僅有CAD格式航道圖，還有S-57格式電子航道圖，而CAD航道圖又分為水深分離式標注和整體式標注的航道圖，數據需要在統一的格式和平臺下進行分析和處理。

數字高程模型（DEM）和地理信息系統（GIS）的運用滿足了這一需要。數字高程模型不僅能直觀的表達出地形的起伏，而且在GIS平臺下，能夠方便準確地提取各種空間數據參數，為河床演變分析及數理統計分析模型提供技術支持。

2 兩種格式航道圖的數據提取

2.1 CAD格式航道圖的數據提取

航道測繪部門在2009年以前，對黑沙洲水道的航道圖采用CAD格式保存，水深標注采用數字分離式的標注方法。每個測點的水深數據由兩部分組成——整數和小數部分，其中并不用小數點分隔，兩部分在CAD圖上并無關聯性。水深的實測位置在整數標注部分的中心。綜上，讀取這種CAD水深數據時，需首先確定相鄰數據關聯性。提取上述CAD格式航道圖的XY坐標與水深數據，需要再次驗證水深數據的整數、小數兩部分是否提取完整。由于“-“號容易在提取中被忽略，還要再次審核數據的正負。否則，生成的數字高程模型將會出現奇點，影響下一步面積和體積等計算的準確性。黑沙洲水道2009年以后的CAD航道圖，水深數據標準一般采用整體式標注法，已不存在上述問題。

2.2 電子航道圖的數據提取

根據國際海道組織（IHO）的定義，電子海圖顯示與信息系統（ECDIS）是以數字形式儲存的海圖，能夠與多種顯示終端、傳感器匹配使用，電子航道圖是其本地化的一個分支，符合IHO的多項通用標準，能夠在世界范圍內標準化的顯示和應用。目前IHO頒布的電子海圖的標準主要有：S-52電子海圖顯示標準、S-57海道測量數據交換和傳輸標準、S-63電子海圖數據加密標準、IMO ECDIS性能標準、IEC61174ECDIS操作和性能測試標準。通過學習S-57標準中所定義的要素和指標，了解其文件構成、模型搭建、數據結構、封裝方法，就能從中提取出需要的坐標和水深數據。

S-57海圖文件采用ISO8211的數據封裝格式，對實際數據內容以及邏輯結構的描述的數據描述記錄位于ISO8211的第一個邏輯記錄中，之后的文件為數據記錄，構成了該種數據格式的主體。S-57顯示標準將通航所接觸的多種物標分為特征物標和空間物標兩種——特征物標主要包含了對真實物體的描述信息，主要分為四類（Class），分別是元物標（Meta）、制圖物標（Cartographic）、地理物標（Geo）與集合物標（Col1ection）。；空間物標主要包含了航行區域的空間幾何信息，主要分為三類（Class），光柵點物標（Raster）、矢量線物標（Vector）及矩陣面物標（Matrix）。空間記錄與空間特征之間的用指針的辦法鏈接。在上述S-57格式的電子航道圖中，每一個空間上存在的物標對應文件中一條代碼，多個空間上項目關聯的物標對應一個代碼集，所有的這些代碼集匯總形成數據文件。S-57格式的電子航道圖由數量不等的多個文件組成。

通過分析S-57電子航道圖的數據結構和傳輸標準，可編制批處理程序將大量的S-57格式電子航道圖文件轉換為地理信息系統軟件（以ArcGIS為例）可讀取編輯入庫的Shp格式文件。

運行ArcGIS軟件，導入之前轉換生成的Shp文件，如圖1所示，點選屬性列表中后可以顯示其表示水深數據的字段，進一步在列表中添加X、Y字段的數據值，通過軟件包含的計算幾何功能即可得到每一個抽取水深點的經緯度坐標值。

同時需注意的是，根據IHO頒布的相關規定，所有電子海圖/電子航道圖的坐標體系采用的是WGS-84空間大地坐標系，與我國工程測量所采用的Beijing-1954投影坐標系不一致，需進行坐標轉換才能實際應用。ArcGIS軟件中已內置此功能，首先進行預處理，創建本次黑沙洲水道的地理坐標轉換工程，使用精度較高七參數轉換方法，通過投影功能實現84坐標向54坐標的轉換。轉換后的水深測點X、Y坐標經檢驗誤差能控制在10m以內，能夠滿足數字高程模型建模和沖淤變化演變分析的需求。

3 數字高程模型（DEM）

3.1 基于不規則三角網的地形建模

數字高程模型（DEM）是數字地形模型（DTM）的一個分支，是用有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。其表示形式有規則格網模型、等高線模型、數學曲面模型、離散點數字高程模型和不規則三角網模型。其中，比較通用的有規則格網模型和不規則三角網模型。當采樣點分布較為散亂密度不均時，采用不規則三角網模型（TIN）對地形進行描述，三角形大小由選取區域內數據采樣的密集度所決定，可滿足更高的精度要求。本次兩種不同格式的航道圖中提取的水深數據分布散亂，根據上述分析，采用不規則三角網（TIN）建模的方法對DEM進行描述更能提高模型精度。

DEM表面建模廣泛采用Delaunay三角網（D-TIN）模式，其具有良好的性能和便捷的易用性，是通用地形分析的有力工具。D-TIN自誕生至今的幾十年發展以來，涌現出大量的算法，已逐漸趨于成熟穩定。根據構建三角網的不同步驟可以分為三角網生長算法、逐點插入法、分治算法等。文章采用實現較為便利、占用系統資源較小的逐點插入法對提取的水深點進行地形三角網的構建。該法通過先構建水深點集的外接多邊形確定總體范圍，進一步在內部剖分成多個三角形，形成原始D-TIN，然后將未處理的點分別插入已存在的三角網中，并用局部優化過程對三角網進行優化處理直到所有的點都插入完畢，最后刪除外接多邊形，完成數字高程模型（DEM）的構建，如圖2所示。

3.2 黑沙洲水道DEM的建立

根據現階段收集得到的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31個測次的航道圖，首先從CAD航道圖及電子航道圖中提取XY、水深之離散點數據，輸入GIS系統。

采用Delaunay三角網（D-TIN）模式，應用上述逐點內插法，處理提取出的數據。完成D-TIN生成后，對其進行數據的填充即，就能最終生成數字高程模型（DEM）。文章通過上述方法生成了的黑沙洲水道2004年2月21日至2013年1月18日的31個測次的數字高程模型，供進一步處理應用。

5 黑沙洲水道空間數據處理

使用地理信息系統（以ArcGIS為例），能夠對數字高程模型（DEM）進行分析與處理。其中一維分析包括河段的縱剖面分析和橫斷面分析，河段淺灘的軸線長度和方向分析；二維分析包括淺灘、深槽、礙航物的面積計算、周長計算和形狀分析等；三維分析包括水道三維建模和空間查詢定位，和在三維模型中的挖方量計算、物標體積計算、區域面積計算等。文章所要提取和處理的特征數據是淺灘的面積、體積以及形心位置。

5.1 面積計算

進行面積、體積和形心等數據計算的基礎是黑沙洲水道DEM的等值線的創建。可以選用ArcGIS軟件等值線分析功能，以起始等值線設為0m線，間距為5m，生成表面等值線。

等值線是一維要素，尚不可直接進行面積和形心計算，需在數據管理工具中，將生成的等值線轉換為二維要素面。在矢量模型里，面物標是用短輪廓邊界所構成的多邊形表示的。有N個頂點簡單多邊形，其面積計算公式為：

在面物標的屬性表中添加字段“面積”，通過上述計算即可得到面積值。

5.2 體積計算

體積是指表面與制定高度的平面（參考平面）之間的空間大小，按照表面與參考平面的位置關系分為參考平面之上、下兩種。文章以淺灘-5m平面之上不規則三角網的體積為例計算。

應用面體積分析功能，能夠自動計算并將計算值添加到面的屬性表中。

參考文獻

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