面向航海應用的海洋空間信息服務框架和關鍵技術

王昭 曲萌

摘 要：航海空間資源是海運航線、港口網絡形成的自然本底，也是港口與航運進一步發展的條件依據，面向航海應用的海洋空間信息服務能有效利用海事測繪數據，對外提供統一的、標準的、可實時更新的服務，滿足不同類型用戶對數據時效性和可操作性的要求，使海洋信息服務更加緊密結合行業應用需求，擴大數據的傳播范圍和利用效率。

關鍵詞：空間信息服務，海洋測繪，多元數據融合，空間信息基礎設施

中圖分類號：U61 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0048-03

21世紀，關心海洋、認識海洋、經略海洋成為各國優先發展方向。《交通強國建設綱要》提出“基本實現交通治理體系和治理能力現代化”的目標，要求集中統一獲取、管理和應用海洋空間信息，為海區航運經濟持續發展提供保障支撐。2014年《關于促進地理信息產業發展的意見》，將地理信息、空間數據的建設提升到我國戰略發展的層面，全國測繪行業加大了地理信息以及空間數據建設的力度。

航海空間資源是海運航線、港口網絡形成的自然本底，也是港口與航運進一步發展的條件依據，建立面向航海應用的海洋空間信息服務框架，針對航海用戶對航海環境數據需求的增加，以及對時效性要求提高的現狀，為使海洋信息數據服務行業應用需求，擴大數據傳播范圍，提升利用效率，勢在必行。

1面向航海應用的設計原則和總體框架

面向航海應用的海洋空間信息服務方向是緊跟空間信息技術、云計算技術、智能終端技術等的發展，加快信息化航海保障信息產品的生成、管理與服務等相關工作的建設步伐，實現資源整合與信息共享，適應現代海洋測繪技術快速發展。

1.1設計原則

面向航海應用的海洋空間信息服務是一個龐大復雜的系統工程，需要全局統籌，系統規劃，做好宏觀設計和頂層設計工作，因此要遵循以下基本原則：

開放性。海洋空間信息服務是基于網絡的、面向用戶的開放式服務系統。海洋空間信息服務開放性可以讓用戶在任何時間、任何地點、以最短的時間獲得所需要的各種海洋空間信息，包括最新更新的海洋空間數據、航路航道信息等。由OGS技術委員會制定的開放地理信息系統規范作為一個綜合性的服務體系規范，為開放地理信息服務系統的地理信息處理奠定了基礎。

共享性。資源共享是信息時代的最大特征，以數據庫驅動的海洋空間信息服務模式代表了發展的方向，可以快速實現數據交換共享，提高數據的利用率。通過具有共享性的數據庫建設，能夠實現航路信息整合，實現基于數據庫的地理信息服務一體化體系建設。

（3）現勢性。航海環境是動態的，海洋空間信息資源也應該是一種動態資源。海洋環境的快速變化使得航路信息復雜和多變，通過航海環境監控、信息存儲、歸納、分類統計、標繪航行軌跡等方法，可以得到海上搜救、海事調查、航路即時規劃等現實性較強的信息。此外，平臺間信息的即時共享能夠及時獲取發布最新航海氣象、海況等信息，為航路船舶提供安全航行的實時保障信息。

（4）互操作性。海洋空間信息服務主要是應用于航路船舶定位、船舶導助航、海洋空間信息提供等，應具有友好的人機交互作用，考慮與現有船載設備（ECDIS，船橋信息系統等）信息交互的可操作性，便于最佳航線選擇及航行方案的推演，并輔助船舶指揮人員作出決策。

（5）標準性。海洋空間地理數據標準用于定義、描述或處理海洋空間地理數據。標準是數據共享的基礎，便于實現海洋空間地理數據的統一表達與共享，從而能方便地實現不同地點、不同單位的同類或異類數據的集成和應用。海事系統中的信息還有很多來自外籍船舶和港口，海洋空間數據標準制定也要考慮國際化的海洋空間地理數據標準和規范，最大程度地遵守航海數據標準和規范。

1.2 服務框架

面向航海應用的海洋空間信息服務框架分為兩個層面的關鍵問題：一方面是以基礎數據資源、核心支撐技術、信息服務平臺為構架的空間數據基礎設施;另一方面是以行業服務模式和典型行業應用為構架的空間數據應用模式。

（1）基礎數據資源層包括基礎海圖數據庫、專題信息庫、制圖規則庫。通過建設統一的地理空間框架，維護統一的基礎數據資源，能夠形成權威的、規范的地理空間數據平臺，在減少各部門重復建設、重復投資的同時，也能積極促進地理信息在更大范圍內的廣泛信息共享。

（2）核心支撐技術層包括數據融合和顯示技術、多源空間數據互操作技術、Web服務訪問接口技術等相關核心技術。

（3）信息服務平臺層可以按照需求構建網絡版專題信息服務平臺、移動版專題信息服務平臺等。

（4）行業服務模式層是將傳統的地圖和地理信息操作封裝為符合行業服務的應用模式，提供單一化標準的服務模式。

（5）典型行業應用層主要是面向行業，綜合應用單一行業服務模式，附加行業專題信息（集）形成的針對行業特定的工作任務的專題應用。

2關鍵技術

2.1多源海洋空間信息融合

多源海洋空間數據按照來源主要有三部分：1）空間信息基礎數據庫是海道測量機構收集并維護的基礎海道測量數據庫，由數字化掃描后港口航道圖數據，電子海圖數據和以航路重點海域矢量要素為核心的海圖要素組成。目前海事系統采用以HPD庫為主、紙質海圖和其他資料為輔的表結構設計。2）航海保障專題數據庫成分復雜，格式多樣。數據資料來源于海事或涉海管理部門，包括航路指南、航路環境、助航標志、航海通訊、航海支持等子數據庫，為我國船舶航運通行提供豐富全面的信息保障。3）港口是船舶停泊、裝卸貨物、上下旅客、補充給養的場所，是交通集結點或樞紐。港口地理信息數據庫的建設以這些港口為主要對象，圍繞主要港口收集存儲關于相關的遙感影像、地名地址、港務服務、地理人文等資料。

多源海洋空間數據的融合主要是以上三種來源的數據中專題數據與圖形數據的融合，以及不同格式的圖形數據融合。目前IHO發布了S-100通用海道測量數據模型，各國官方海道測量產品開始由傳統海圖產品時代進入地理信息時代，建立以S-100為標準規范的標準體系，解決了專題要素與S-57標準規范的差異及各類不同要素與S-57規范的差異。結合國標數據模型和S-57數據模型，對專題要素建立分類體系，將航海保障航標、航行障礙物、改正通告、地形岸線、港口綜合資料、水文、控制點、區域界線、海圖圖幅資料等建立航海保障專題庫。對于港口地理信息數據庫可以采用常規的關系數據庫存儲為通用的地理信息。

2.2空間數據分析和挖掘

地理信息服務是把空間定位技術、地理信息系統、移動通信技術、計算機網絡通信技術以及數據庫技術等相對高新的技術有機集成在一起，實現地理信息收集、處理、管理和分析應用的網絡化，在網絡環境下為地理信息用戶提供實時、高精度的區域乃至全球的多尺度地理信息。

從技術角度看，地理信息服務并非一種或一類新的技術，而是多種技術的交叉集成。從方法論的角度看，它是以“服務”的概念為核心來認識和表達地理空間。海洋空間信息的處理技術需將渠道收集來的海域海洋空間信息相結合，并進行融合分析。保證多數據源方法能夠及時更新航海保障專題庫，通過增量更新技術來實現壓縮電子海圖和氣象水文等空間發送到相關船舶的耗時，達到識別、分類、提取和應用海洋空間信息的目的。

空間數據的挖掘有多重模式，由于應用的特殊性，航海數據需要采用特定的數據挖掘方法。根據需求從數據庫中調取數據后，對其進行分析剔除，建立專家知識庫，運用專家知識庫提取其中的有用數據，將經評價后的海洋空間信息成果發送給用戶供其使用，這樣各用戶間相互獨立，互不干擾，能夠提高數據庫的利用率。

2.3數據可視化應用

可視化顯示是要能夠提供對海洋空間信息專題數據、矢量海圖、瓦片海圖、海圖服務、紙質海圖、百度地圖等多種專題數據和海圖數據的可視化顯示。

航海中使用的智能化航海系統主要是應用海洋空間信息傳輸和計算機圖形處理和數據可視化等技術手段對航路沿線氣象水文信息、航道水深信息、航海通（警）告信息、海岸電臺信息、港口設施、搜救信息及其他各種類型海洋空間信息數據進行整合與顯示。借鑒日本“海上電子導航支持系統標準”，開發基于AIS系統推送海上安全信息功能、虛擬航標等在三維電子海圖上的顯示功能，通過將雷達圖像、CCTV圖像、AIS信息、測向系統等集成在一個人機界面中對各個信息系統的信息資源進行有效地管理和利用。具體工作內容應考慮以下兩方面因素：

（1）傳統的紙質海圖已經逐漸被標準化ENC所取代，需要利用計算機技術和網絡技術構建智能化電子海圖系統，將現有的和后續收集的各類海洋空間信息數字化顯示到電子海圖中，對航路各海洋空間信息進行分層顯示，避免小窗口顯示下海事元素的重疊現象，從而在提高船員工作效率的同時提高航海的安全性。

（2）對航路沿線的航標、燈塔、港口設施、浮冰等實物通過建模技術在電子海圖上表達;海事數據信息進行多維建模，并采用專用的圖形圖像渲染技術OpenGL根據船舶坐標對點、線、面元素進行特征表現;借助虛擬現實技術和增強現實技術等的支持，將建好的二、三維技術與多源數據融合，進行無縫集成，構建數字港口、數字航道，最后調取并傳輸到客戶端進行二、三維顯示。

2.4海洋空間數據交互

與用戶之間的信息交互可以通過以下三種模式：基于傳統海圖產品服務、基于Internet服務和基于通信衛星服務。

（1）快速獲取生產更新傳統航海圖書產品是空間信息服務最基礎的服務模式，而高信息量，高現勢性、高可靠性的ENC是其提供的主要產品之一。ENC的操作比紙海圖更加方便，數據更新快速，對于船舶位置的標繪還有航線的設計都更具時效性和準確性。北方海區海洋空間信息服務可以根據最新收集的航路航海空間信息與數據庫中已有數據進行合成，提供航海、船舶交通管理、航標管理等類型的定制電子海圖，通過定制化海洋空間信息產品模式實現集約化、智能化和遠程化提供。

（2）基于網絡的海洋地理信息服務系統構建了一種信息化、網絡化、現代化的海洋空間信息服務，能夠為航運用戶提供更快速準確的相關海域航行信息，切實有效地提高海洋地理信息服務的水平，是船舶導航和輔助決策的重要依據。基于網絡的服務模式也能為海運船舶提供快速準確的海洋空間信息和各類險情信息，船舶基于這些海洋空間信息可以進行輔助航線規劃和航線監控，確保了船舶海上航行的安全性，在很大程度上提高了全球范圍內的航海安全。

（3）基于衛星的通信服務。對航海而言，基于衛星通信方式具有較大應用優勢，特別是隨著北斗衛星導航系統（BeiDou SatelliteNavigation System，BDS）短報文等功能應用到測繪地理信息服務中，不僅帶來了空間定位方式方法的改變，也能積極推進基礎海洋空間信息資源開發和社會化服務工作，為空間信息服務轉化與增值提供了實現的途徑，推動海洋空間信息向融媒體服務體系發展。

3 結論

海洋空間信息對整合海洋空間信息和航海保障基礎信息意義重大，是未來e航海的基礎設施部分，不管未來e-Navigation怎么發展，支持航海的工具怎么增加，對海洋地理環境的認知需求不會減少，只能增加，海洋空間信息服務必將成為其他信息整合的平臺和載體。

在網絡環境下，海洋空間信息在眾多的相關者的參與下，信息流將通過多種渠道得到廣泛傳播，數據獲取、處理和服務不斷網絡化、便捷化，使得海洋空間信息的應用速度、深度和廣度不斷提升，使得“智慧海洋”變成現實。

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