內河航運GIS系統(tǒng)建設研究

甘雯雯

【摘 要】文章闡述了內河航運GIS系統(tǒng)的總體架構、設計過程中使用的關鍵技術及系統(tǒng)功能，介紹了內河航運GIS系統(tǒng)的設計和開發(fā)研究。通過采用GIS空間運算、離線GIS引擎技術、北斗衛(wèi)星定位技術，進行了內河航運GIS系統(tǒng)的設計，完成了河道信息采集模塊、港口碼頭信息模塊、AIS接入與導航模塊、可視化地理信息管理功能模塊的開發(fā)，并借助該系統(tǒng)實現了對珠江—西江全流域航道的水運物流監(jiān)控與信息共享。

【關鍵詞】GIS；內河航運；管理系統(tǒng)

【中圖分類號】U691 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0028-04

0 引言

伴隨著國民經濟的快速發(fā)展，我國的交通運輸業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，這對內河航運也提出了新的要求。如何采用現代信息技術提高內河航運的效率，增強對航運行為的監(jiān)控，提升航運安全性，發(fā)揮出內河航運的潛在優(yōu)勢，成為業(yè)內普遍關注的熱點問題。與此同時，我國GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）技術、北斗衛(wèi)星定位技術的日趨成熟，為在內河航運中實現智能航行服務提供了可能。本文闡述了內河航運GIS系統(tǒng)的設計和開發(fā)，并將其應用在珠江—西江流域中，實現對珠江—西江全流域航道的水運物流監(jiān)控與信息共享。

1 系統(tǒng)框架設計

1.1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)在對內河運輸船舶的業(yè)務流程和功能需求深入調研和分析的基礎上，采用國內領先的“混合云”的“云端部署”模式，為航行的船舶提供智能航行服務，結合GIS空間運算、離線GIS引擎技術、北斗衛(wèi)星定位技術實現電子地圖顯示、動態(tài)地圖、船舶定位、船舶信息定位等功能，進行了內河航運GIS系統(tǒng)的總體架構。為了達到系統(tǒng)分工明確、結構清晰、易于維護和擴展性強的目的，系統(tǒng)總體架構采用多層體系結構，具體劃分為四層結構，從高到低依次為表現層、業(yè)務邏輯層、數據訪問層和數據庫層。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

表現層位于系統(tǒng)的最高層，是系統(tǒng)與用戶交互的界面，主要實現信息的格式化輸入輸出功能。除了可以以文字形式輸出信息外，還可以根據需要采用各種可視化技術進行信息的輸出。此外，信息可以在各種設備上進行輸入輸出，系統(tǒng)提供Web模式，也提供移動設備查看模式。業(yè)務邏輯層依據業(yè)務流程、業(yè)務規(guī)則進行有關的系統(tǒng)設計，位于表現層和數據訪問層之間，用來實現數據的承上啟下。數據訪問層主要用來實現與數據庫的連接，進而實現對數據庫的各種基本操作，如插入、刪除、修改等操作。不同類型的數據庫進行連接時，采用不同的引擎進行連接，例如本系統(tǒng)中的空間數據庫采用Arcsed進行連接，關系數據庫采用ODBC進行連接。數據庫層是各種數據的集合，該系統(tǒng)的數據可以分為兩大類，即空間數據和非空間數據。空間數據具有信息穩(wěn)定、變化小等特點，如地圖中的河流信息。這些信息可以存放在存儲速度慢、成本低的空間數據中。而對于一些實時性要求高、變化頻繁的信息，如船舶動態(tài)信息、進出港記錄等，采用oracle、SQL Server等關系型數據庫進行存儲。不同類型數據進行分開存儲，既可以提高系統(tǒng)效率，又可以降低系統(tǒng)成本。

1.2 GIS系統(tǒng)的功能服務流程圖

GIS系統(tǒng)通過對內河航道的水運物流進行監(jiān)控與信息共享，實現水運物流業(yè)務的高效和便捷運輸。以下從系統(tǒng)服務實現的視角，給出了GIS系統(tǒng)的功能服務流程圖（如圖2所示）。

GIS系統(tǒng)讀取配置的信息，在此基礎上建立SDE連接并裝載地理信息圖層，獲取地理數據信息，如河道信息、港口信息、船舶信息。根據獲取到的地理數據信息，GIS系統(tǒng)為用戶提供全部范圍地理信息的查詢、自定義地理信息的范圍、設置位置的中心點、輸出地理信息的圖片、查詢信息等功能。

1.3 WebGIS體系結構圖

內河航運GIS系統(tǒng)采用WebGIS的體系結構，其體系結構主要有兩大特點。一是采用國內領先的“混合云”的“云端部署”模式，為航行的船舶提供智能航行服務。通過采用介于“私有云”和“公有云”之間的折中的“混合云”模式，既能夠盡可能多地發(fā)揮云計算的規(guī)模經濟效益，又能夠較好地保證數據的安全性。二是針對GIS系統(tǒng)，在健壯的、可擴展的GIS系統(tǒng)之上搭建珠江—西江水運物流GIS應用系統(tǒng)，以插件模式開發(fā)，真正實現珠江—西江流域水運物流業(yè)務功能子模塊的熱拔插，通過整合VTS、CCTV、DGPS等專業(yè)應用系統(tǒng)采集的船舶、物流的動態(tài)信息，對珠江—西江流域的水運物流實行全面、實時、動態(tài)的監(jiān)控，提供預警、應急指揮的計算機智能化支持。圖3為WebGIS體系結構圖。

從WebGIS體系機構圖中可以看到，該體系實際上也是采用分層的理念，分為客戶端層和服務層。客戶端層采用基于Web的用戶界面提供各種應用；服務層采用各種服務器實現各種服務的緩存和聚合，具體包括了Web服務器、應用服務器、空間服務器和數據服務器等。這種分層的理念同時也為系統(tǒng)采用云端部署提供了支持，具有較好的可擴展性，有利于采用插件模式開發(fā)，實現業(yè)務功能子模塊的熱拔插。

2 系統(tǒng)實現的關鍵技術——離線GIS引擎技術

內河航運GIS系統(tǒng)需要為用戶提供離線電子地圖的顯示及電子地圖的動態(tài)移動、放大和縮小操作等功能，這就涉及離線GIS引擎技術的應用和實現。離線GIS 引擎技術在內河航運中的應用通俗來講就是要在離線環(huán)境下的GIS系統(tǒng)中使用地圖。要解決的關鍵問題主要有2個方面：一是地圖顯示方案的選擇；二是地圖的選擇。

2.1 地圖顯示方案的選擇

對于地圖的顯示，常用的方案是調用地圖API進行開發(fā)。通常，各個地圖開發(fā)商都提供了自己的API供大家調用，以方便進行二次開發(fā)，如Google、百度、高德等，這些API往往比較完善和成熟，可以滿足通常的業(yè)務功能需要。但是，該方案也存在一些問題，一是無法支持離線使用，很多API通過http請求去各個地圖開發(fā)商服務器獲取數據，離線情況下有很多功能限制，其中最主要的GPS定位糾偏API就必須聯網；二是不易支持多個GIS引擎，如果調用API進行開發(fā)，則肯定不兼容其他廠商GIS的API，如果通過設計上在每個API上封裝一層，則工作量太大。因此，該方案對于離線GIS而言行不通。通過對各種技術的比較分析，最終選擇采用第三方庫openlayers顯示地圖。OpenLayers是一個專為Web GIS客戶端開發(fā)提供的JavaScript類庫包，用于實現標準格式發(fā)布的地圖數據訪問。使用OpenLayer進行網頁上地圖的顯示和操作控制，而不去調用各個廠商的API，通過工具獲取Google的離線地圖瓦片數據，存在自己的服務器上，并可進行離線的開發(fā)和使用。這樣理論上只要更換后臺服務器上的圖片數據，做一些必要的配置，而不用改前臺網頁顯示地圖的代碼，就可以支持不同廠商的地圖展示。

2.2 地圖的選擇

在進行地圖的選擇上，主要解決的是GPS糾偏的問題。當船載設備進行GPS信息實時推送時，如果直接將位置坐標輸入地圖中顯示，則會有偏移，這樣肯定無法滿足要求，因此糾偏一直是開發(fā)離線GIS應用的難點。由于有些地圖有自己的偏移加密，這也對地圖的選擇有了限制。在對幾種常用地圖的比較和分析后，選擇采用Google的離線地圖。Google由于離線開發(fā)者多，糾偏算法也比較成熟，對于糾偏問題的解決方法也較多，因此可以有效地降低開發(fā)風險。

3 系統(tǒng)實現

3.1 河道信息采集模塊

河道信息采集主要運用傳感器和遙感技術對珠江—西江的各個河道進行水位、水流量、環(huán)境、氣候等信息的采集，通過無線通信技術將采集的信息回傳至系統(tǒng)中。運用可視化技術原理、GIS等技術，在電子地圖上顯示各河道的信息，為航行的船舶提供明確的信息數據。運用采集的河道信息，建立優(yōu)化數據模型，為水運物流運輸提供最優(yōu)化航行方案，節(jié)省成本開支。

3.2 港口碼頭信息模塊

航運GIS系統(tǒng)為用戶提供珠江—西江流域各個港口碼頭的詳細信息。通過港口碼頭模塊，用戶可以了解詳細的港口碼頭信息，方便車、船主確定貨物交接的具體位置。貨主根據港口碼頭的信息和運輸成本的費用，選擇運用船舶運輸的地段。

3.3 AIS接入與導航模塊

AIS系統(tǒng)配合全球定位系統(tǒng)（GPS）將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態(tài)結合船名、呼號、吃水及危險貨物等船舶靜態(tài)資料由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近河面所有船舶的動靜態(tài)資訊，船舶獲得信息后，得以立刻互相通話協(xié)調，采取必要的避讓行動，對船舶安全有很大幫助。系統(tǒng)運用AIS接入技術實現AIS的接入，為航行中的船舶提供避免碰壁的措施，增強水運物流船舶交通的管理、船舶的報告等功能，提高船舶的識別精度和信息量。AIS的接入，可以自動幫助貨主自動跟蹤目標，并將信息反饋給貨主。

系統(tǒng)運用北斗定位技術、GIS技術、AIS技術和元網絡序列空間數據索引算法等方法，在電子海圖上可視化顯示珠江—西江流域所有貨運的船舶的航向、航線、航名等信息，為航行中的船舶提供明確的航行方向，同時也可以使貨主實時了解貨物的航行動向。通過導航系統(tǒng)，為用戶提供詳細的航行方向。

3.4 可視化地理信息管理模塊

可視化地理信息管理采用矢量數據和柵格數據混合管理的數據結構實現大量的、多種多樣的、數據類型豐富的數據管理。可視化地理信息主要有三維可視化地理信息和二維可視化地理信息，使用過程中，用戶可以方便地在平面編輯系統(tǒng)和三維系統(tǒng)之間進行切換。二維圖形在平面編輯系統(tǒng)中經過編輯整形后，即可轉換到三維系統(tǒng)中進行三維實體的重建和管理、屬性定義、可視化操作、查詢分析、圖形輸出等。

通過可視化技術、非規(guī)模型柵格方法和地理數據可逆空間矢量算法等，對珠江—西江流域的地理信息進行管理，增強水運物流的智能化管理效率。①位置信息管理：通過地圖對車、船、貨物的位置信息進行管理。②種類分布位置進行管理：通過地圖對不同貨物、船舶分布的位置信息進行管理。③歷史位置管理：對船舶的歷史位置、航行軌跡、貨物的歷史位置信息進行管理。

4 結語

內河航運GIS系統(tǒng)主要使用Visual Studio開發(fā)環(huán)境、GIS谷歌地圖等工具，運用地理信息技術、GIS空間運算、GIS離線引擎等技術實現系統(tǒng)的開發(fā)，實現珠江—西江流域所有運輸貨物船舶具體位置信息的顯示、水位信息顯示，以及對船舶當前信息及歷史軌跡回放等功能，在內河航運中引入了智能航行服務，有效地提高了內河航運的效率和安全性。

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[責任編輯：鐘聲賢]