基于北斗網格碼的航道要素編碼初探

吳丙貴

本文簡要闡述了基于北斗網格的航道要素編碼由來及必要性，在系統分析和現場調研的基礎上綜述了我國航道要素總體情況，提出了航道要素數字編碼的基本原則和框架結構，初步給出了編碼方法及組織形式，為編制航道要素數字編碼規范提供了依據。

一、前言

航道是水上運輸的通道，是綜合交通工程最重要的組成部分。以互聯網為代表的全球新一輪科技革命正在深刻改變著世界經濟發展和人們的生產生活，為全球航道數字化發展帶來了全新變革。隨著大數據技術的日益成熟，航道數字化，智能化已經成為一種必然發展趨勢，航道大數據涉及地理信息系統、遙感技術、網絡、通訊、仿真等多種學科，業務系統多，綜合管理難度大，但若能利用空間編碼技術建立統一基于空間位置的數據編碼規范，通過統一規范組織數據，則能為航道管理提供強有力基礎保障。

二、航道大數據研究現狀與需求

1.航道大數據研究現狀

隨著數字航道建設在廣度和深度上的不斷推進，從整體目標來看，航道現代化建設應滿足航道成網、四通八達，全面規劃、統一標準，統籌安排、綜合應用，更新設施、科學管理四方面要求。從航道建設實際情況看來，絕大部分的航道監控、運營服務和信息采集業務運行過程中會收集到系統內外的海量數據，形成航道大數據。航道大數據除具有數據類型繁多、數據變化速度快、數據量巨大、價值密度低這些大數據的基本“4V”特征外，還具有位置、時間、航道設備屬性、尺度、多源異構、多維等時空特征。這些時空特征來源于多個方面。在治理需求方面，一年四季、一周之內、一天內不同時間段對航道的治理需求都不相同，表現出航道數據的時間屬性要求；在航道區域劃分方面，不同地區的地理環境、經濟發展程度等條件不盡相同，也會造成航道區域特征的明顯差異，表現出航道數據的空間屬性要求；在航道管理方面，助航設施、航道船舶、設備環境狀態、運行狀態等也具有明顯的時空特征；同時，不同的業務數據對時間的精準度要求也不同。這些航道時空特征具體體現在以下幾方面：

（1）位置：航道設施沿航道分布廣、位置信息分散，點、線、面、體的三維位置、拓撲方向、度量復雜；

（2）時間：航道設備異動頻繁、監測點多，位置、航道屬性、內容等隨時間變化而變化；

（3）航道設備屬性：航道設備的所屬航線、運行狀態等信息具有獨特的屬性，每個位置點、線、面、體上都有不同的航道設備的數量、質量特征和說明信息；

（4）尺度：分級航道管理方式決定不同管理主體關注的航道空間尺度不一樣，呈現出不同比例尺下的應用需求；

（5）多源異構：空間基準、時間、尺度、語義等不一致；

（6）多維：航道大數據與空間數據集成構成空間數據立方體，多種維度展現出“全景全息可視化”。

航道大數據所具有的時空屬性決定了其是一種典型的時空大數據，具有空間性、時間性、多維性、海量性、復雜性等特點，因此現有標準在描述航道要素信息資源的獲取途徑、分類體系和編碼等方面顯得不足，而且不能很好地描述航道要素唯一性。另外，我國內河特別是長江，涉及的航道要素眾多且復雜，不能直接利用歐洲內河相關的數據標準規范。

2.航道大數據應用新要求

日趨龐大的數據量和復雜的應用需求導致傳統算法性能陷入瓶頸，難以滿足用戶對響應的實時性要求。航道大數據作為一種典型的時空數據也面臨同樣的問題，為構建一體化航道大數據中心提出新要求：

（1）標準化：需要全網統一的數據表達標準表達各類航道資源相關數據；

（2）可計算：時空信息獲取與高效計算，通過航道數字化的天然時空屬性高效挖掘數據價值；

（3）可表達：時空信息的多維度表達，將航道大數據的多維特征以簡便高效可視化的方式快速表達出來。

三、北斗網格位置碼在航道大數據表達中的優勢

北斗網格編碼體系是由北京大學程承旗教授團隊發展的一套具有自主產權的地球空間剖分組織理論體系，在此理論的指導下構建了基于北斗的全球位置網格編碼，已被采納為我國軍標和多個行業標準。北斗網格碼在表達航道時空數據和航道大數據組織與管理方面都具有獨特的優勢：

1.繼承更全面：完全繼承航道傳統數據管理模式，不推倒不重來，繼承能力更全面；繼承性數據增量較小，效率更高。

2.組織更簡單：航道空間信息自動轉化為剖分編碼，依托剖分索引大表，實現跨庫跨網的多源異構數據統一組織。

3.共享更直接：打破部門數據共享壁壘，提供多粒度多尺度共享模式，直接通過數據模型編碼實現數據共享。

4.檢索更快捷：依托剖分編碼技術進行降維處理，實現多維變一維檢索方式；搜得更全更快，編碼搜索效率比Oracle Spatial提升3倍以上。

5.計算更高效：航道編碼全部為整型編碼，計算比經緯度的浮點數效率更高，編碼代數運算效率浮點數提升1個數量級。

6.表達更豐富：支持航道空、天、地、地下、水下多維一體表達，用立體網格真三維表達空間對象，深層表現空間體內部信息。

四、航道要素空間網格編碼方法

1.航道大數據編碼內容的界定與編碼結構設計

明確航道大數據編碼涉及的航道要素種類、所在空間屬性及空間位置，形成科學合理的航道要素標識內容界定；航道大數據的編碼結構，其應包括：數據的精準空間位置信息、數據類別信息、屬性信息、時間信息等，目標使得每一個航道要素，都能夠賦予唯一編碼，可用于數據溯源和定位服務。

圖1 航道大數據編碼結構圖

（1）空間位置碼用于確認航道要素唯一位置，由要素所在經緯度按北斗網格位置編碼中三維空間編碼轉換而成；

（2）時間標識碼：用于記錄要素編碼時間屬性；

（3）類型代碼參考《內河通航標準》（GB 50139-2004）、《航標術語》（GB/T17765-1999）、《航道工程設計規范》（JTS 181-2016）等相關方面已明確的規范保持一定相關性，在代碼劃分為11大類，每大類細分為四級，每一級劃分更精細；

圖2 類型劃分示意

（4）校驗碼：用于校驗編碼正確性。

2.航道大數據編碼方法

圖3 編碼示意圖

示例：某航道設施形心的經緯度為X=116.306452778，y=39.991911，高3米，屬于內河導助航設施大類-＞航行標志-＞過河標-＞左岸標志，編碼時間為2010年5月12日14時3分6秒，該標志空間位置編碼為N0312GEH2411322523621273644186000070101 01001。

3.航道大數據的編碼組織方式

（1）基于現有體系的數據關聯方法

由于現有編碼體系均無法涵蓋所有部門、單位，所以要想實現不同數據庫中相應數據的整合與共享，僅能事先建立各編碼體系之間的映射關系表，通過映射表完成跨庫查詢。

圖4 以映射表實現的航道數據跨庫查詢原理圖

基于北斗網格碼的航道大數據編碼為全球各層級基于位置的經緯度數據提供了統一的編碼方案，各編碼體系中的位置單元均可在航道大數據編碼中找到映射值，因此，不同編碼體系下數據的整合利用，可省略兩兩建立映射表的中間環節，直接以標識編碼關聯即可。

（2）采用全新體系的數據關聯方法

航道大數據對象表用于航道數據基本信息管理，實際應用中可按數據層級或父子關系分別建立多張表格?？臻g數據網格索引表以航道數據標識編碼的空間碼為主鍵，同時記錄航道數據單元的空間信息與屬性信息。

圖5 基于航道大數據編碼的航道大數據表

五、結語

結合發展“智慧航道”國家發展戰略，為滿足建設“數字航道”新發展需求，將航道要素的三維空間信息、屬性信息、時間信息歸于一碼，打造真正客觀表達的航道數據的全球“一個碼”，并在此基礎上實現“一碼”“一圖”“一網”智慧航道治理體系，建立基于“數字航道”的一張圖，航道全景一張網，從而增強航道治理工作，提高航道智能化治理水平。