數(shù)字航道空間信息應(yīng)用技術(shù)研究綜述

何緒林

摘 要：在對(duì)比地理信息系統(tǒng)的空間信息服務(wù)和可視化技術(shù)的最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字航道空間信息服務(wù)和可視化技術(shù)研究的發(fā)展進(jìn)行綜述，分析數(shù)字航道空間信息服務(wù)和可視化研究存在的問題和不足，并展望未來研究的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：數(shù)字航道；空間信息服務(wù)；空間信息可視化

隨著內(nèi)河航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河航道信息化建設(shè)一直以來在國內(nèi)外備受關(guān)注.歐洲的萊茵河及美國的密西西比河先后開展了內(nèi)河航運(yùn)信息服務(wù)的相關(guān)建設(shè).為提高我國航道管理效率，我國的內(nèi)河航道建設(shè)者也提出了“數(shù)字航道”的概念，并于2008 年成功建設(shè)了我國第一段“數(shù)字航道”——長江南瀏段數(shù)字航道示范工程。當(dāng)前我國其他內(nèi)河的數(shù)字航道工程也正在推廣建設(shè)中。

有效地應(yīng)用航道測繪的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)以及各種感知系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)航標(biāo)、水位和船舶等空間信息是數(shù)字航道建設(shè)的重要內(nèi)容和目標(biāo)。將航道空間信息進(jìn)行服務(wù)發(fā)布并對(duì)空間信息進(jìn)行可視化則是數(shù)字航道空間信息應(yīng)用的主要技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)字航道空間信息服務(wù)是通過對(duì)航道空間信息進(jìn)行組織、存儲(chǔ)、過濾、融合和發(fā)布，為航道維護(hù)管理、船舶導(dǎo)航及其他應(yīng)用系統(tǒng)提供空間相關(guān)信息，支撐系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用功能。數(shù)字航道空間信息可視化則是通過將航道空間信息進(jìn)行圖形化顯示和交互處理，為應(yīng)用系統(tǒng)提供直觀的界面以輔助用戶決策。

電子航道圖及其在數(shù)字航道中的應(yīng)用受到了GIS 相關(guān)理論技術(shù)以及推動(dòng)GIS 發(fā)展的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的極大影響。近年來，研究者們也開始探討數(shù)字航道新的數(shù)據(jù)模型、服務(wù)方式和可視化方法來替代傳統(tǒng)的電子航道圖應(yīng)用方式。在空間信息服務(wù)和可視化兩個(gè)方面，研究者們跟隨GIS 領(lǐng)域的相關(guān)研究成果并結(jié)合行業(yè)實(shí)踐，對(duì)數(shù)字航道相關(guān)空間信息服務(wù)和可視化進(jìn)行了深入研究，形成了一系列系統(tǒng)和方法。然而，這些研究各有側(cè)重、自成體系，未形成明確統(tǒng)一的方向認(rèn)識(shí)，相比GIS的相關(guān)研究還較為落后本文嘗試從空間信息服務(wù)和可視化兩個(gè)方面，結(jié)合GIS 對(duì)應(yīng)領(lǐng)域?qū)?shù)字航道空間信息應(yīng)用技術(shù)相關(guān)研究進(jìn)行綜述，對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)并探討未來發(fā)展趨勢，以期對(duì)數(shù)字航道研究人員有所裨益。

1 空間信息服務(wù)方法

1.1 GIS 領(lǐng)域相關(guān)研究

GIS 的空間信息服務(wù)是指利用數(shù)據(jù)庫、信息服務(wù)技術(shù)，將地學(xué)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和發(fā)布的技術(shù)和方法，其發(fā)展緊跟著現(xiàn)代信息服務(wù)計(jì)算模式的演進(jìn)。現(xiàn)代信息服務(wù)計(jì)算模式主要有并行計(jì)算、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算和云計(jì)算四種。相應(yīng)地，GIS空間信息服務(wù)也出現(xiàn)了并行GIS、分布式GIS、網(wǎng)格GIS 和云GIS。

1.2 數(shù)字航道相關(guān)研究

在航海領(lǐng)域，電子海圖應(yīng)用系統(tǒng)大多是以本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)為主的系統(tǒng)，其核心的電子航海圖數(shù)據(jù)主要通過手動(dòng)或光盤改正的方式進(jìn)行更新。然而對(duì)于內(nèi)河數(shù)字航道系統(tǒng)而言，其電子航道圖的變更遠(yuǎn)比海上頻繁，而且還包含了大量的航標(biāo)、水位等航道感知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為更好地應(yīng)用這些空間數(shù)據(jù)，對(duì)其服務(wù)技術(shù)提出了更高的要求。研究者們也紛紛對(duì)數(shù)字航道信息服務(wù)方法展開廣泛研究。目前，較有代表性的研究成果有： 歐洲的內(nèi)河航運(yùn)綜合信息服務(wù)系統(tǒng)（River Informa-tion Services System，簡稱RIS 系統(tǒng)）；國際海事組織提出的E-navigation 和大連海事大學(xué)提出的一體化應(yīng)用體系等。然而，數(shù)字航道研究作為一個(gè)具體的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，其信息服務(wù)方法的研究明顯受行業(yè)特殊性和狹隘性的影響，并沒能像GIS 基礎(chǔ)學(xué)科那樣形成系統(tǒng)的理論和方法，更多的是采取部分吸收或借鑒GIS 相關(guān)方法的方式。歐洲的RIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)按照層次被劃分為四層：船舶終端層、岸基通信層、系統(tǒng)操作層和系統(tǒng)外部層。其中，系統(tǒng)操作層采用分布式計(jì)算方式，是RIS系統(tǒng)信息服務(wù)的中樞，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和整合、信息服務(wù)等。RIS 系統(tǒng)提供的航道信息服務(wù)包括航道地理、水文、氣象和行政管理信息等。此外，RIS 系統(tǒng)提出了一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為內(nèi)河數(shù)字航道建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2 信息可視化方法

2.1 GIS 領(lǐng)域相關(guān)研究

GIS 的空間信息可視化是指利用地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，將地學(xué)信息采用圖形和圖像等形式進(jìn)行可視化，并實(shí)現(xiàn)交互處理的技術(shù)和方法。 20 世紀(jì)60 年代，GIS 由Roger F.Tomlinson 首先提出。此后的30 年間，GIS 的空間信息可視化方法以二維方式為主，包括矢量方式和柵格方式。20 世紀(jì)90 年代后，計(jì)算機(jī)三維可視化與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了GIS 空間數(shù)據(jù)向三維可視化方向發(fā)展，三維（3D） GIS 開始出現(xiàn)。 3D GIS是在二維GIS 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，以更貼近人們視覺習(xí)慣的三維數(shù)據(jù)模型和表達(dá)方式來展現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。目前，關(guān)于3D GIS 的研究主要集中于拓?fù)淠Ｐ汀⒖臻g關(guān)系推理和數(shù)據(jù)表達(dá)等。其中，空間信息可視化涉及柵格影像、矢量要素、地形數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)類型可視化表達(dá)以及其融合技術(shù)。

2.2 數(shù)字航道相關(guān)研究

“數(shù)字航道”可以說是“數(shù)字地球”概念的延伸和局部應(yīng)用。數(shù)字航道空間信息可視化方法也跟隨著GIS 領(lǐng)域，以二維為主并逐漸向三維演變，以電子航道圖為主逐步向多源海量數(shù)據(jù)演變。目前，數(shù)字航道空間信息可視化方法主要以二維為主，電子航道圖是各種應(yīng)用的主界面，代表性成果有歐洲的RIS 系統(tǒng)、美國的密西西比河系統(tǒng)、中國的長江南瀏段數(shù)字航道示范工程。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡寧，劉楊.數(shù)字航道技術(shù)在內(nèi)河航道管理中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2007（ 10） ： 52- 54.

[2]王世林，時(shí)琳. ECS 與ECDIS 的進(jìn)展[J].航海技術(shù)，2005（ 4）： 35-37.

（作者單位：成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院）