內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查模型設(shè)計與應(yīng)用

楊必成，韋洛毅，王山東，張陳意

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)

內(nèi)河電子航道圖是航運信息化建設(shè)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵[1-2]，故檢查其成圖的規(guī)范性尤為重要。近年來，《長江電子航道圖制作規(guī)范》(JT/T765-2009)作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范我國針對長江電子航道圖的數(shù)據(jù)維護和管理，使其相關(guān)技術(shù)研究趨于成熟，例如武漢大學(xué)洛佳男等[3]對長江航道中新物標(biāo)及屬性進行研究與歸納，在S-58的基礎(chǔ)上完善了長江航道圖的檢驗規(guī)則；張國平等通過軟件開發(fā)實現(xiàn)長江航道圖數(shù)據(jù)流程化管理，提高航道圖的生產(chǎn)效率；海軍大連艦艇學(xué)院的陳志紅等[4]通過程序?qū)崿F(xiàn)對長江物標(biāo)自動化檢查。然而長江電子航道圖數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(簡稱CJ-57)是依據(jù)長江特點所設(shè)計的，對國內(nèi)內(nèi)河要素描述的完整性及準(zhǔn)確性尚有所欠缺。但最新頒布的《技術(shù)規(guī)范》[5]填補了內(nèi)河電子航道圖制作標(biāo)準(zhǔn)這一空白。依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》，國內(nèi)多名學(xué)者對內(nèi)河電子航道圖的拓展及應(yīng)用進行研究。例如，楊保岑等[6]結(jié)合多種航標(biāo)的優(yōu)缺點，研究了內(nèi)河航道助航信息可視化模型，使其適用于多種業(yè)務(wù)場景。蘇北航務(wù)管理處陳宇[7]對電子航道圖在航道運行狀態(tài)監(jiān)測及船舶助導(dǎo)等多方面的應(yīng)用進行研究。本文從內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查方面出發(fā)，依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》設(shè)計完善的質(zhì)量檢查規(guī)則庫進而構(gòu)建內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查系統(tǒng)，對成圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量進行自動化檢查。保障了內(nèi)河電子航道圖的精確性及可靠性，為其后續(xù)的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

1 內(nèi)河電子航道圖質(zhì)檢特征

1.1 數(shù)據(jù)模型特征

在《技術(shù)規(guī)范》中，特征物標(biāo)和空間物標(biāo)是兩種抽象模型，用來描述內(nèi)河航道中的真實實體。實體的屬性信息借助于特征物標(biāo)模型進行描述，而實體的空間幾何信息主要記錄在空間物標(biāo)之中[8]。特征物標(biāo)借助于空間物標(biāo)進行定位，而空間物標(biāo)從特征物標(biāo)獲取屬性信息(見圖1)。

圖1 內(nèi)河電子航道圖數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 IENC data model structure diagram

1.2 內(nèi)河電子航道圖質(zhì)檢與一般電子海圖的區(qū)別

(1)內(nèi)河電子航道圖相對于一般電子海圖其物標(biāo)的分類更為細致，復(fù)雜。而為了適應(yīng)不同的水道環(huán)境，保證航道要素描述的準(zhǔn)確性。在內(nèi)河電子航道圖質(zhì)檢中需要設(shè)計更為詳盡的質(zhì)檢規(guī)則，并提供拓展完善質(zhì)檢規(guī)則的接口。

(2)在質(zhì)量檢查過程中，內(nèi)河電子航道圖所涉及的圖層數(shù)往往多于常規(guī)的電子海圖，并且前者拓撲檢查的內(nèi)容存在涉及屬性約束的可能，例如“檢查水位效應(yīng)(WATLEV)取值為[1(高潮部分淹沒)、2(高出)或6(洪水泛濫淹沒)]的系泊絞纜設(shè)施(MORFAC)是否被陸域(LNDARE)覆蓋”，該檢查項不僅涉及兩個面物標(biāo)的拓撲檢查還與水位效應(yīng)(WATLEV)的屬性取值有關(guān)。

(3)由于普通電子海圖的空間參考為WGS-84坐標(biāo)系，與我國在推廣使用2000國家大地坐標(biāo)系前，習(xí)慣于使用北京-54或者西安-80坐標(biāo)系，故在質(zhì)量檢查前需要進行空間參考的統(tǒng)一。

2 內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查模型設(shè)計

圖2 質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)庫建立結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of quality inspection database

內(nèi)河電子航道圖的質(zhì)量檢查模型分為兩部分，分別是內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫以及質(zhì)量檢查規(guī)則庫。內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立，用以存儲預(yù)處理過后的源數(shù)據(jù)。而質(zhì)量檢查規(guī)則庫是對存儲于內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫中的源數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查。

2.1 內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫建立

PostGIS空間數(shù)據(jù)庫支持空間類型數(shù)據(jù)，能夠利用空間函數(shù)、空間索引將空間信息和屬性信息集成[9]，故本文以PostGIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，構(gòu)建內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫的設(shè)計模式采用縱向分層,橫向分幅的方式。共設(shè)計了57個要素層，每個要素層都存放一類相同的物標(biāo)。例如，可將全部屬于河道水文設(shè)施的物標(biāo)放于同一要素層，用一張表(圖層表)保存并將該圖層中所有物標(biāo)的共同屬性作為該圖層的特有屬性(特有屬性可在《技術(shù)規(guī)范》中找到參考)。實體的空間信息以及屬性信息都存儲于同一張表中，使用“geometry”字段進行統(tǒng)一管理，并添加了“handle”句柄值字段作為錯誤項自動定位的依據(jù)。

圖3 質(zhì)量檢查規(guī)則集結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of quality inspection rules

對于完整的內(nèi)河電子航道圖，本文進行分幅處理。分幅信息中主要包括圖幅編號、名稱及邊界等。分幅依據(jù)為保證岸線完整性的情況下，依據(jù)設(shè)施分布、覆蓋范圍進行均衡劃分，使劃分結(jié)果能夠完整反應(yīng)岸線實際情況。在數(shù)據(jù)庫中可通過圖幅索引表對具體分幅單元進行定位。

2.2 內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查規(guī)則庫建立

內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查規(guī)則庫主要分為以下五個數(shù)據(jù)集。分別是質(zhì)量檢查規(guī)則集、實例數(shù)據(jù)集、方法模板集、函數(shù)功能描述集、質(zhì)量檢查結(jié)果集。前兩個數(shù)據(jù)集主要針對于檢查項內(nèi)容進行整理。之后兩項數(shù)據(jù)集主要是存儲相應(yīng)質(zhì)檢方法的信息，最后將檢查結(jié)果存儲于質(zhì)量檢查結(jié)果集中(見圖2)。

2.2.1 質(zhì)量檢查規(guī)則集

表1 質(zhì)量檢查規(guī)則集(部分)Tab.1 Quality inspection rule set (part)

依據(jù)《技術(shù)規(guī)范》對質(zhì)量檢查項內(nèi)容進行總結(jié)，并將其分為屬性檢查，拓撲檢查和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)檢查，其中屬性檢查又分為特征物標(biāo)的屬性檢查和特殊地物的屬性檢查；拓撲規(guī)則檢查有帶有屬性約束的圖形拓撲規(guī)則檢查和圖形拓撲規(guī)則檢查兩種，其中圖形拓撲規(guī)則檢查包括層內(nèi)拓撲規(guī)則檢查(在同一幾何類型圖層內(nèi)對所有的物標(biāo)空間關(guān)系進行檢查)和層間拓撲檢查(在不同幾何類型的圖層中對點、線、面六種組合關(guān)系進行拓撲檢查)，如圖3，而帶有屬性約束的圖形拓撲規(guī)則檢查以物標(biāo)屬性取得某一特殊值為前提，對物標(biāo)之間是特定的拓撲關(guān)系進行檢查；單元數(shù)據(jù)集的組成順序、指針字段、記錄字段等是數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)檢查的主要內(nèi)容，本文將這些質(zhì)量檢查規(guī)則項將其分為三個層級并依據(jù)這三個層級設(shè)計了五位數(shù)的分類編碼(即為表中的分類編碼字段)，第一位是最高層級為大類的分類編碼，每個大類再細分為二級規(guī)則檢查項，對應(yīng)著分類編碼中的第二位和第三位。而三級的細類檢查規(guī)則通過唯一的編碼與實例檢查項中的內(nèi)容形成一對多的關(guān)系，對應(yīng)著分類編碼的最后兩位，表1為部分質(zhì)量檢查規(guī)則集的部分內(nèi)容。

2.2.2 實例數(shù)據(jù)集

實例數(shù)據(jù)集是對《技術(shù)規(guī)范》中的質(zhì)檢項經(jīng)過分析整理后得到的數(shù)據(jù)集，這個數(shù)據(jù)集與規(guī)則庫相對應(yīng)，通過質(zhì)量檢查項的分類編碼(SortCode)與上文的規(guī)則集建立多對一的對應(yīng)關(guān)系[10]。例如，表2為部分實例數(shù)據(jù)集。

表2 實例數(shù)據(jù)集(部分)Tab.2 Instance dataset (part)

表3 方法模板集結(jié)構(gòu)表Tab.3 Structure table of method template set

2.2.3 方法模板集

方法模板集以嚴(yán)格復(fù)雜的質(zhì)檢邏輯為依據(jù)進行構(gòu)建。方法模板集中包括檢查函數(shù)名稱，檢查項編碼，約束屬性字段等。表3為方法模板集的結(jié)構(gòu)表。

2.2.4 函數(shù)功能描述集

函數(shù)功能描述集主要是用于質(zhì)檢函數(shù)的管理和更新(包括函數(shù)名稱，ID功能字段等)，本文共設(shè)計了60種質(zhì)檢函數(shù)，其功能滿足《技術(shù)規(guī)范》中的全部質(zhì)檢需求。表4為部分函數(shù)功能描述集。

2.2.5 質(zhì)量檢查結(jié)果集

將質(zhì)檢的結(jié)果進行存儲，具體包含了物標(biāo)編碼，錯誤項信息描述，錯誤項圖層信息等，方便對錯誤項結(jié)果進行統(tǒng)計分析，生成質(zhì)檢報告。提高制圖人員的生產(chǎn)效率。表5為質(zhì)量檢查結(jié)果集的結(jié)構(gòu)表。

表4 函數(shù)功能描述集Tab.4 Function description set

表5 質(zhì)量檢查結(jié)果集結(jié)構(gòu)Tab.5 Structure of quality inspection result set

3 內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查模型應(yīng)用實例

在實際的內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查系統(tǒng)開發(fā)過程中，上述的質(zhì)量檢查模型被作為質(zhì)檢平臺業(yè)務(wù)邏輯層的核心構(gòu)件應(yīng)用于其中，如圖4所示是質(zhì)量檢查平臺的架構(gòu)圖。用戶可通過人工交互界面選擇內(nèi)河電子航道圖質(zhì)檢內(nèi)容項，依據(jù)函數(shù)功能描述集中的信息調(diào)用方法模板集中的質(zhì)檢函數(shù)，檢查內(nèi)河電子航道圖是否符合制圖規(guī)范。最終將質(zhì)檢結(jié)果中的錯誤信息存儲于質(zhì)量檢查結(jié)果集中，并將結(jié)果以及響應(yīng)效果反饋于用戶。經(jīng)過實際測試，其檢查結(jié)果的精度，滿足實際生產(chǎn)的需求，且由于平臺構(gòu)建的理論依據(jù)為最新頒布的《技術(shù)規(guī)范》，對于國內(nèi)的內(nèi)河流域具有廣泛的適用性。目前整個平臺已被應(yīng)用京杭運河蘇北段內(nèi)河電子航道圖的實際生產(chǎn)項目中，并取得良好反饋。

圖5為整個質(zhì)檢平臺功能模塊的展示，用戶對內(nèi)河電子航道圖中物標(biāo)的空間拓撲以及屬性質(zhì)量均能進行系統(tǒng)性的檢查，并將檢查的結(jié)果進行統(tǒng)計分析，方便制圖人員總結(jié)制圖過程中的不足之處，提高生產(chǎn)效率。檢查結(jié)果中具體的錯誤項將被高亮顯示，用戶不僅可以通過物標(biāo)的句柄定位錯誤項的具體位置，還能查看錯誤項的具體內(nèi)容。最后將本次檢查結(jié)果中錯誤類型的數(shù)量、分布、頻率以文件的形式輸出，作為內(nèi)河電子航道圖在發(fā)布前質(zhì)量評定的重要依據(jù)。

圖4 總體架構(gòu)圖 圖5 平臺功能模塊結(jié)構(gòu)圖

為了直觀評估檢查模型在實際質(zhì)量檢查系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，本文利用京杭運河蘇北段的部分電子航道圖數(shù)據(jù)進行實驗驗證。驗證方法為：對正確的電子航道圖數(shù)據(jù)進行人為修改，將其改為錯誤的信息(錯誤內(nèi)容依據(jù)具體的規(guī)則檢查項而定)，實驗所設(shè)計的錯誤項涵蓋80%的質(zhì)檢項目。實驗結(jié)果為所有錯誤項均被檢測出，證明該系統(tǒng)具有十分優(yōu)秀的質(zhì)檢能力。圖6為經(jīng)引流預(yù)處理后的標(biāo)準(zhǔn)航道制圖數(shù)據(jù)，圖7為系統(tǒng)對檢測出的錯誤項進行統(tǒng)計的結(jié)果。

圖6 航道制圖數(shù)據(jù)(預(yù)處理后的標(biāo)準(zhǔn)航道數(shù)據(jù)) 圖7 誤項結(jié)果統(tǒng)計(總體)

4 總結(jié)

本文主要參考了《技術(shù)規(guī)范》與其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[11-13]，分析了內(nèi)河電子航道圖質(zhì)量檢查的特點，提出了有關(guān)質(zhì)量檢查模型設(shè)計的新思路，構(gòu)造了質(zhì)量檢查規(guī)則集、實例數(shù)據(jù)集、方法模板集等五個數(shù)據(jù)集，有效優(yōu)化的質(zhì)量檢查項、質(zhì)檢函數(shù)及兩者對應(yīng)關(guān)系的呈現(xiàn)方式，提高了數(shù)據(jù)集的管理效率。最終將以這五個數(shù)據(jù)集為核心的質(zhì)量檢查規(guī)則庫與內(nèi)河基礎(chǔ)航道數(shù)據(jù)庫相結(jié)合構(gòu)成完整的質(zhì)量檢查模型，內(nèi)嵌于質(zhì)量檢查系統(tǒng)中。通過測試，該系統(tǒng)可以實際應(yīng)用于生產(chǎn)。