遙感技術在內河航運中的應用與發展分析

王少渤，逯躍鋒,2*，聞俏，徐長慶

（1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255000；2.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室，北京 100101）

內河航運是指船舶在江河航線之間進行貨物運輸，屬于水路運輸業。內河航運運能較大，且投資少、能耗低、污染少、較穩定，適合運輸沒有時效性要求的大宗貨物。截至2020年末，我國內河航道通航里程為12.77萬km，等級航道為6.73萬km，可通航50噸級船舶。通航里程長、航道級別高是我國發展內河航運的巨大優勢。依靠得天獨厚的地理優勢，我國內河航運發展較好，且促進了水路運輸和經濟發展。然而，由于航運技術更新不及時以及相關部門管理標準不統一，水運行業發展也存在著一些問題。航運安全問題和污染問題制約著內河船舶運輸的發展。

遙感技術飛速發展，通過多尺度多分辨率的遙感影像能得到詳細的地物信息。船舶領域的導航發展顯得相對遲緩，許多船舶依然采用傳統內河航運技術，遙感技術的應用相對匱乏，這與船舶更新換代周期較長以及海上通信信號不良有關，但更多的是應用于海上導航系統開發的力度不夠。鑒于此，通過調查分析我國內河航運發展現狀，結合相關資料，本文分析了內河航運的難點以及遙感技術在內河航運中的應用，并對如何提高航運智能化、現代化以及綠色安全航運提出了建議。

1 內河航運發展現狀

我國內河運輸業發展較早，但戰亂對內河運輸造成了一定的破壞，新中國成立后，內河運輸業迅速恢復發展。其主要表現在：①內河運輸量不斷增長；②經整治通航里程顯著增加；③對老港口進行技術改造，建設新型機械化碼頭等；④運輸船舶更新換代，逐漸大型化等。經過多年發展逐漸形成了以長江、珠江、京杭運河、黑龍江等水系為主體的內河航運體系，其中長江、珠江、京杭運河航運量占全國航運量的80%以上。

近年來，政府大力投資水路建設，發展內河航運，其中內河投資主要集中在航道建設等領域。自2016年開始，我國內河水運交通固定資產投資均在500億元以上，2018年后均在600億元以上，水運交通固定資產投資的逐年增長，說明我國對內河運輸的重視和大力發展。2016—2020年我國內河水運交通固定資產投資額如圖1所示。

圖1 2016—2020年我國水運交通固定資產投資額

隨著水運建設投資的增多，內河港口不斷完善和發展，我國內河港口吞吐量也不斷增加，水運行業蓬勃發展。在貨物吞吐結構方面，內河港口吞吐增速較快，自2016年開始我國內河港口貨物吞吐量均在47億噸以上，2020年全國港口完成貨物吞吐量145.50億噸，比上年增長4.3%，其中內河港口完成50.70億噸，增長6.4%。2016—2020年我國內河港口貨物吞吐量如圖2所示。

圖2 2016—2020年我國內河港口貨物吞吐量

當然，海上遙感技術也有新的發展，尤其是北斗衛星導航系統的建成。北斗系統逐漸應用于內河導航設施，提高了內河航運的安全性和精確性，提升了我國海上交通管理效率和運輸安全水平。

2 內河航運技術難點

2.1 內河航道管理混亂

隨著我國經濟發展和運輸需要，政府大力投資航道建設，內河航道等級有了很大提升，但相應的航道信息化、現代化建設嚴重不足。內河航道管理模式和水平落后，主要表現為：①有關部門對內河航道管理信息化建設不重視，資金投入少，同時缺乏技術支持，導致內河航道管理水平落后；②航道信息更新不及時，很多單位仍使用原始的紙質航道地圖，沒有最新的內河航道、岸線以及岸邊標志物的信息和變化情況，開展工作時不僅浪費時間而且易引發不同航線之間的矛盾沖突，不利于航運工作的展開。

2.2 船舶定位困難

船舶定位是內河航運的基礎之一，將直接影響航運安全。船舶定位的主要方法為：

1）基于SAR的船只目標檢測方法。該方法主要是利用微波遙感獲取的影像來檢測船只，生成的影像空間分辨率高，能更好地分辨船只類型和位置，使用起來較靈活；但對天氣條件較苛刻、續航時間較短、成本太高，不太適用于內河船只的檢測[1]。

2）無線電波導航。該方法是通過航道沿線架設的基站發出電波，船舶上安裝的電臺和定向天線接收電波，船舶會對準電波傳輸的方向，這樣根據天線的方向航行，船舶就能到達目的地。該方法的局限性非常大，因為實際航行中，一旦超出無線電波范圍，定位精度將變得非常低，且有許多地方難以架設基站。該方法受天氣影響較大，在惡劣天氣下，無線電受到電磁干擾難以準確接收。

3）離線電子海圖和紙質海圖。許多船只不具備水上定位導航系統，只依靠經驗和紙質地圖進行航行，盲目性較大，無法應對航道變化。當船只出現故障或突發應急情況時，無法準確定位船只位置，給救援帶來很大的困難。

4）衛星定位導航。衛星定位導航技術應用于航海導航可追溯到20世紀60年代，早期的衛星定位時間較長，精度也較低，只能用于二維導航；后期采用美國的GPS系統進行定位導航，但GPS系統受美國限制，在安全性和穩定性上有很大隱患，且GPS系統定位精度不足。我國內河航運部分航道狹窄，多經過山區等復雜地形，依靠GPS系統難以保證船舶航行的安全。隨著我國北斗衛星導航系統的逐漸發射組網，民用行業開始采用北斗系統進行導航，但由于其發展和組網完成時間較晚，用戶數量還不是很多，目前大多數安裝衛星定位導航的船只仍使用GPS系統。

2.3 航路航標標準不明確

內河航標主要用于江、河等水域，承擔指示航道、航線、障礙物、深度、架空、水下管線、預報風情、指揮狹窄航道交通等重要作用，完善的航標系統能增加內河運輸的安全性[2]。內河航標問題主要包括施工標準不統一和航標維護管理不到位等。

1）由于內河航標的標準不統一、航標分布不合理以及施工標準和時間不同，導致各航道航標的大小規格和材質各不相同，因此船舶航行時需根據經驗辨認不同航標，盲目性較大。同時，由于材質規格等不同，給后期維護也帶來了很大困難。

2）航標的維護管理模式落后，工作落實不到位。目前很多相關航道單位對航標維護不夠重視，沒有配備合理的人員進行航標維護。維護管理模式落后，航標數字化嚴重不足，沒有專門航標系統對航標數量和狀態進行統計查詢。另外，航標維護人員不僅承擔著維護航標的責任，還要檢查航道變化、航道水深等，這些工作在相關部門并沒有得到重視。

3 遙感技術在內河航運中的應用

3.1 遙感技術在內河航道方面的應用

目前，人工測量仍是許多內河航道信息獲得的主要方式，但該方式不僅費時費力，而且效率不高、實時性差。宋玉梅[3]通過對遙感圖像進行處理，提出了一種提取遙感影像覆蓋區域內河航道信息的方法。劉濤[4]基于數字地球基礎網格模型構建了一種融合遙感影像數據、電子航道圖數據、三維模型數據、地形數據等空間數據的多維航道模型；并基于該模型構建了多維航道基礎平臺，為用戶提供多維可視、信息多元化的航道空間數據系統。

本文針對內河航道管理混亂的問題，提出了3條建議：

1）相關部門應出資建設內河航道管理系統，進行內河航道的GIS數字化建設，建立內河航道數字中心；構建地理數據庫和動態Web系統，將電子航道圖錄入地理數據庫供船舶導航使用。

2）內河水域相關部門應定期采集、整理相應航道水域的通行狀況、船舶流量、水上事故等。例如，在航道沿岸、橋梁（礙航物）上架設攝像頭、雷達以及激光傳感器，同時在水中架設水質傳感器等，實時獲取航道的船流量、水流速度等信息，再通過Web系統實時分析處理，動態展現出來。

3）建立合理的管理模式，對航道管理相關部門的隊伍進行專業化培訓。招聘高素質人才和專業技術人員，推進內河航道管理現代化。

交通運輸部在2019年6月24日發布了《內河電子航道圖技術規范》。該規范從數據源、物標與編碼、數據結構與文件、顯示、檢驗、數據保護等多方面統一了內河電子航道圖的技術標準，同時規范了內河電子航道圖的制作、更新維護等，為我國內河航運標準規范帶來很大幫助。

3.2 遙感技術在船舶定位方面的應用

航運安全一直是內河航運中最重要的問題，而航運安全中最重要的是船舶的定位導航，是對船舶位置的及時監控。隨著遙感技術的發展，其越來越多地被應用于船舶定位中

3.2.1 遙感影像識別在內河船舶定位中的作用

現階段許多學者對從衛星遙感影像中提取目標船只進行了研究，如尚敏[5]通過研究衛星遙感影像中船舶的目標特征算法和特征參數，提出了一種從衛星遙感影像中快速有效提取船舶目標物的算法；鄧劍勛[6]通過融合影像多尺度分割和目標提取技術，針對遙感影像進行了分析，實現了對遙感影像船舶目標識別。目前基于遙感影像的船舶目標識別技術發展較快，未來有望廣泛地應用于船舶的影像識別中。

3.2.2 北斗衛星導航系統在船舶定位導航中的應用

1）導航授時、地基增強和精密單點定位均對船舶航行具有重要作用。北斗衛星的精準授時功能，為同步時間網、提高航運網絡通信質量提供了可能。航運干線的北斗衛星高精度定位主要依托差分北斗，以提高北斗定位精度。聯合使用地基增強和精密單點定位功能，有助于提高船舶定位精度[7]。

2）短報文通信功能是北斗系統區別于其他導航系統的優勢功能。該功能多用于應急通信，北斗短報文功能不受通信距離和條件限制，能及時接收遇險信息；且短報文具有回執功能，雙向通信對于險情的處理具有巨大幫助。自2012年開始，北斗系統已正式開始對外提供區域服務，北斗短報文通信功能已開始在水上應急管理中投入使用。

3.2.3 船舶智能化與自動化航行技術

隨著人工智能技術的日益成熟，越來越多的交通設施運用了人工智能技術，如無人機、自動駕駛汽車等。近年來，交通運輸部發布了《智能船舶發展行動計劃（2019—2021年）》《智能航運發展指導意見》等文件，標志著我國對發展智能船舶、智能航運做出了重要的戰略選擇。2017年12月上海成功研制了全球第一艘智能船舶“大智號”，這也是全球第一艘通過船級社認證的智能船舶。我國智能船舶建造技術已位于世界前列。

目前造船技術還有待發展，船舶智能化有待完善，但已有了很好的開始。智能船舶需搭配相應的智能設施，如智能自動化港口、自動化航運服務、先進的監管服務等。只有大力發展配套設施、共同發展，才能使我國的智能化船舶技術發展得越來越好。

3.3 遙感技術在內河航標方面的應用

內河航標管理主要包括兩個方面：①結合遙感影像和WebGIS系統實現對航標的實時監控，可更加及時、全面、高效地進行航標的管理與維護，大幅減少維護成本，縮短故障響應時間，為航路安全提供保障；②采用輔助手段（如視頻監控等）對航標進行監控，直接從外觀上觀察航標是否故障，該方式在惡劣天氣下或GIS系統出現故障時，能及時應對。

另外，交通運輸部在2020年5月20日發布了《內河航標技術規范》，從多個方面統一了內河航標技術內容，為以后航標的制作和管理提供了統一的標準，方便航標的現代化數字化信息化管理。該規范的提出，將大量減少因航標規格不同而帶來的航運安全問題，并減輕維護困難，是內河航標管理技術進步的重大舉措。

4 結語

內河航運是我國的支柱產業之一，在經濟發展中占有重要地位。通過研究內河航運面臨的技術難點以及遙感技術在內河航運方面的應用，結合我國目前內河航運的發展現狀，本文對內河航運的未來提出了以下展望：

1）航運能力將大幅增加。隨著國家對內河航運行業的逐漸重視，全國各地許多航道同步進行航道拓寬復航工程，建設碼頭等配套設施，大量政策資金傾斜。未來隨著航道的加寬增多，許多大噸量級的船舶可正常通行，將大幅提高內河航運量。

2）航運安全性將顯著提高。隨著內河航道的信息化管理、內河航標的規范以及各種定位技術的實現，將大量避免航運過程中事故，顯著提高航運的安全性。

3）航運現代化。隨著人工智能的發展以及無人船等技術的研究，未來智能船舶、智能航行、智慧航道、智慧碼頭等現代化信息化智能化的高新技術將取代復雜繁瑣低效且安全風險較高的人工工作。現代智能化航運將是未來發展的一大趨勢，帶領航運事業走向輝煌。