內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)建設(shè)研究

甘雯雯

【摘 要】文章闡述了內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)的總體架構(gòu)、設(shè)計(jì)過程中使用的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)功能，介紹了內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)研究。通過采用GIS空間運(yùn)算、離線GIS引擎技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，進(jìn)行了內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了河道信息采集模塊、港口碼頭信息模塊、AIS接入與導(dǎo)航模塊、可視化地理信息管理功能模塊的開發(fā)，并借助該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對珠江—西江全流域航道的水運(yùn)物流監(jiān)控與信息共享。

【關(guān)鍵詞】GIS；內(nèi)河航運(yùn)；管理系統(tǒng)

【中圖分類號】U691 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）09-0028-04

0 引言

伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的交通運(yùn)輸業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，這對內(nèi)河航運(yùn)也提出了新的要求。如何采用現(xiàn)代信息技術(shù)提高內(nèi)河航運(yùn)的效率，增強(qiáng)對航運(yùn)行為的監(jiān)控，提升航運(yùn)安全性，發(fā)揮出內(nèi)河航運(yùn)的潛在優(yōu)勢，成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題。與此同時，我國GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的日趨成熟，為在內(nèi)河航運(yùn)中實(shí)現(xiàn)智能航行服務(wù)提供了可能。本文闡述了內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，并將其應(yīng)用在珠江—西江流域中，實(shí)現(xiàn)對珠江—西江全流域航道的水運(yùn)物流監(jiān)控與信息共享。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)在對內(nèi)河運(yùn)輸船舶的業(yè)務(wù)流程和功能需求深入調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，采用國內(nèi)領(lǐng)先的“混合云”的“云端部署”模式，為航行的船舶提供智能航行服務(wù)，結(jié)合GIS空間運(yùn)算、離線GIS引擎技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子地圖顯示、動態(tài)地圖、船舶定位、船舶信息定位等功能，進(jìn)行了內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)的總體架構(gòu)。為了達(dá)到系統(tǒng)分工明確、結(jié)構(gòu)清晰、易于維護(hù)和擴(kuò)展性強(qiáng)的目的，系統(tǒng)總體架構(gòu)采用多層體系結(jié)構(gòu)，具體劃分為四層結(jié)構(gòu)，從高到低依次為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)庫層。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

表現(xiàn)層位于系統(tǒng)的最高層，是系統(tǒng)與用戶交互的界面，主要實(shí)現(xiàn)信息的格式化輸入輸出功能。除了可以以文字形式輸出信息外，還可以根據(jù)需要采用各種可視化技術(shù)進(jìn)行信息的輸出。此外，信息可以在各種設(shè)備上進(jìn)行輸入輸出，系統(tǒng)提供Web模式，也提供移動設(shè)備查看模式。業(yè)務(wù)邏輯層依據(jù)業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，位于表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)訪問層之間，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的承上啟下。數(shù)據(jù)訪問層主要用來實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的各種基本操作，如插入、刪除、修改等操作。不同類型的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接時，采用不同的引擎進(jìn)行連接，例如本系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)庫采用Arcsed進(jìn)行連接，關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用ODBC進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)庫層是各種數(shù)據(jù)的集合，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以分為兩大類，即空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)具有信息穩(wěn)定、變化小等特點(diǎn)，如地圖中的河流信息。這些信息可以存放在存儲速度慢、成本低的空間數(shù)據(jù)中。而對于一些實(shí)時性要求高、變化頻繁的信息，如船舶動態(tài)信息、進(jìn)出港記錄等，采用oracle、SQL Server等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分開存儲，既可以提高系統(tǒng)效率，又可以降低系統(tǒng)成本。

1.2 GIS系統(tǒng)的功能服務(wù)流程圖

GIS系統(tǒng)通過對內(nèi)河航道的水運(yùn)物流進(jìn)行監(jiān)控與信息共享，實(shí)現(xiàn)水運(yùn)物流業(yè)務(wù)的高效和便捷運(yùn)輸。以下從系統(tǒng)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的視角，給出了GIS系統(tǒng)的功能服務(wù)流程圖（如圖2所示）。

GIS系統(tǒng)讀取配置的信息，在此基礎(chǔ)上建立SDE連接并裝載地理信息圖層，獲取地理數(shù)據(jù)信息，如河道信息、港口信息、船舶信息。根據(jù)獲取到的地理數(shù)據(jù)信息，GIS系統(tǒng)為用戶提供全部范圍地理信息的查詢、自定義地理信息的范圍、設(shè)置位置的中心點(diǎn)、輸出地理信息的圖片、查詢信息等功能。

1.3 WebGIS體系結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)采用WebGIS的體系結(jié)構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)主要有兩大特點(diǎn)。一是采用國內(nèi)領(lǐng)先的“混合云”的“云端部署”模式，為航行的船舶提供智能航行服務(wù)。通過采用介于“私有云”和“公有云”之間的折中的“混合云”模式，既能夠盡可能多地發(fā)揮云計(jì)算的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，又能夠較好地保證數(shù)據(jù)的安全性。二是針對GIS系統(tǒng)，在健壯的、可擴(kuò)展的GIS系統(tǒng)之上搭建珠江—西江水運(yùn)物流GIS應(yīng)用系統(tǒng)，以插件模式開發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)珠江—西江流域水運(yùn)物流業(yè)務(wù)功能子模塊的熱拔插，通過整合VTS、CCTV、DGPS等專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)采集的船舶、物流的動態(tài)信息，對珠江—西江流域的水運(yùn)物流實(shí)行全面、實(shí)時、動態(tài)的監(jiān)控，提供預(yù)警、應(yīng)急指揮的計(jì)算機(jī)智能化支持。圖3為WebGIS體系結(jié)構(gòu)圖。

從WebGIS體系機(jī)構(gòu)圖中可以看到，該體系實(shí)際上也是采用分層的理念，分為客戶端層和服務(wù)層?？蛻舳藢硬捎没赪eb的用戶界面提供各種應(yīng)用；服務(wù)層采用各種服務(wù)器實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)的緩存和聚合，具體包括了Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、空間服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器等。這種分層的理念同時也為系統(tǒng)采用云端部署提供了支持，具有較好的可擴(kuò)展性，有利于采用插件模式開發(fā)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能子模塊的熱拔插。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)——離線GIS引擎技術(shù)

內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)需要為用戶提供離線電子地圖的顯示及電子地圖的動態(tài)移動、放大和縮小操作等功能，這就涉及離線GIS引擎技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。離線GIS 引擎技術(shù)在內(nèi)河航運(yùn)中的應(yīng)用通俗來講就是要在離線環(huán)境下的GIS系統(tǒng)中使用地圖。要解決的關(guān)鍵問題主要有2個方面：一是地圖顯示方案的選擇；二是地圖的選擇。

2.1 地圖顯示方案的選擇

對于地圖的顯示，常用的方案是調(diào)用地圖API進(jìn)行開發(fā)。通常，各個地圖開發(fā)商都提供了自己的API供大家調(diào)用，以方便進(jìn)行二次開發(fā)，如Google、百度、高德等，這些API往往比較完善和成熟，可以滿足通常的業(yè)務(wù)功能需要。但是，該方案也存在一些問題，一是無法支持離線使用，很多API通過http請求去各個地圖開發(fā)商服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，離線情況下有很多功能限制，其中最主要的GPS定位糾偏API就必須聯(lián)網(wǎng)；二是不易支持多個GIS引擎，如果調(diào)用API進(jìn)行開發(fā)，則肯定不兼容其他廠商GIS的API，如果通過設(shè)計(jì)上在每個API上封裝一層，則工作量太大。因此，該方案對于離線GIS而言行不通。通過對各種技術(shù)的比較分析，最終選擇采用第三方庫openlayers顯示地圖。OpenLayers是一個專為Web GIS客戶端開發(fā)提供的JavaScript類庫包，用于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)訪問。使用OpenLayer進(jìn)行網(wǎng)頁上地圖的顯示和操作控制，而不去調(diào)用各個廠商的API，通過工具獲取Google的離線地圖瓦片數(shù)據(jù)，存在自己的服務(wù)器上，并可進(jìn)行離線的開發(fā)和使用。這樣理論上只要更換后臺服務(wù)器上的圖片數(shù)據(jù)，做一些必要的配置，而不用改前臺網(wǎng)頁顯示地圖的代碼，就可以支持不同廠商的地圖展示。

2.2 地圖的選擇

在進(jìn)行地圖的選擇上，主要解決的是GPS糾偏的問題。當(dāng)船載設(shè)備進(jìn)行GPS信息實(shí)時推送時，如果直接將位置坐標(biāo)輸入地圖中顯示，則會有偏移，這樣肯定無法滿足要求，因此糾偏一直是開發(fā)離線GIS應(yīng)用的難點(diǎn)。由于有些地圖有自己的偏移加密，這也對地圖的選擇有了限制。在對幾種常用地圖的比較和分析后，選擇采用Google的離線地圖。Google由于離線開發(fā)者多，糾偏算法也比較成熟，對于糾偏問題的解決方法也較多，因此可以有效地降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 河道信息采集模塊

河道信息采集主要運(yùn)用傳感器和遙感技術(shù)對珠江—西江的各個河道進(jìn)行水位、水流量、環(huán)境、氣候等信息的采集，通過無線通信技術(shù)將采集的信息回傳至系統(tǒng)中。運(yùn)用可視化技術(shù)原理、GIS等技術(shù)，在電子地圖上顯示各河道的信息，為航行的船舶提供明確的信息數(shù)據(jù)。運(yùn)用采集的河道信息，建立優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，為水運(yùn)物流運(yùn)輸提供最優(yōu)化航行方案，節(jié)省成本開支。

3.2 港口碼頭信息模塊

航運(yùn)GIS系統(tǒng)為用戶提供珠江—西江流域各個港口碼頭的詳細(xì)信息。通過港口碼頭模塊，用戶可以了解詳細(xì)的港口碼頭信息，方便車、船主確定貨物交接的具體位置。貨主根據(jù)港口碼頭的信息和運(yùn)輸成本的費(fèi)用，選擇運(yùn)用船舶運(yùn)輸?shù)牡囟巍?/p>

3.3 AIS接入與導(dǎo)航模塊

AIS系統(tǒng)配合全球定位系統(tǒng)（GPS）將船位、船速、改變航向率及航向等船舶動態(tài)結(jié)合船名、呼號、吃水及危險(xiǎn)貨物等船舶靜態(tài)資料由甚高頻（VHF）頻道向附近水域船舶及岸臺廣播，使鄰近船舶及岸臺能及時掌握附近河面所有船舶的動靜態(tài)資訊，船舶獲得信息后，得以立刻互相通話協(xié)調(diào)，采取必要的避讓行動，對船舶安全有很大幫助。系統(tǒng)運(yùn)用AIS接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)AIS的接入，為航行中的船舶提供避免碰壁的措施，增強(qiáng)水運(yùn)物流船舶交通的管理、船舶的報(bào)告等功能，提高船舶的識別精度和信息量。AIS的接入，可以自動幫助貨主自動跟蹤目標(biāo)，并將信息反饋給貨主。

系統(tǒng)運(yùn)用北斗定位技術(shù)、GIS技術(shù)、AIS技術(shù)和元網(wǎng)絡(luò)序列空間數(shù)據(jù)索引算法等方法，在電子海圖上可視化顯示珠江—西江流域所有貨運(yùn)的船舶的航向、航線、航名等信息，為航行中的船舶提供明確的航行方向，同時也可以使貨主實(shí)時了解貨物的航行動向。通過導(dǎo)航系統(tǒng)，為用戶提供詳細(xì)的航行方向。

3.4 可視化地理信息管理模塊

可視化地理信息管理采用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)混合管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大量的、多種多樣的、數(shù)據(jù)類型豐富的數(shù)據(jù)管理。可視化地理信息主要有三維可視化地理信息和二維可視化地理信息，使用過程中，用戶可以方便地在平面編輯系統(tǒng)和三維系統(tǒng)之間進(jìn)行切換。二維圖形在平面編輯系統(tǒng)中經(jīng)過編輯整形后，即可轉(zhuǎn)換到三維系統(tǒng)中進(jìn)行三維實(shí)體的重建和管理、屬性定義、可視化操作、查詢分析、圖形輸出等。

通過可視化技術(shù)、非規(guī)模型柵格方法和地理數(shù)據(jù)可逆空間矢量算法等，對珠江—西江流域的地理信息進(jìn)行管理，增強(qiáng)水運(yùn)物流的智能化管理效率。①位置信息管理：通過地圖對車、船、貨物的位置信息進(jìn)行管理。②種類分布位置進(jìn)行管理：通過地圖對不同貨物、船舶分布的位置信息進(jìn)行管理。③歷史位置管理：對船舶的歷史位置、航行軌跡、貨物的歷史位置信息進(jìn)行管理。

4 結(jié)語

內(nèi)河航運(yùn)GIS系統(tǒng)主要使用Visual Studio開發(fā)環(huán)境、GIS谷歌地圖等工具，運(yùn)用地理信息技術(shù)、GIS空間運(yùn)算、GIS離線引擎等技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)珠江—西江流域所有運(yùn)輸貨物船舶具體位置信息的顯示、水位信息顯示，以及對船舶當(dāng)前信息及歷史軌跡回放等功能，在內(nèi)河航運(yùn)中引入了智能航行服務(wù)，有效地提高了內(nèi)河航運(yùn)的效率和安全性。

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]